遼河油田注汽鍋爐節(jié)能改造

馬銘澤（中油遼河工程有限公司）

遼河油田作為國內(nèi)千萬噸大油田之一，已經(jīng)連續(xù)37 a 穩(wěn)產(chǎn)1 000×104t，其中稠油產(chǎn)量占主產(chǎn)量的70%左右，是國內(nèi)最大的稠油生產(chǎn)基地，稠油開發(fā)方式主要以蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、SACD、火驅(qū)為主[1-3]。蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、SACD 的開采主要依靠對地層注入高溫蒸汽以驅(qū)使原油流動達(dá)到可以開采的條件[4-5]。由此可見，高溫蒸汽對于稠油開采以至于遼河油田的千萬噸產(chǎn)量至關(guān)重要，高溫蒸汽的產(chǎn)生依靠注汽鍋爐，遼河油田共有可運行注汽站299座，注汽鍋爐376 臺。近幾年油田總體注汽量在2 400×104t/a 以上，注汽鍋爐能耗占稠油開發(fā)總能耗的70%以上，注汽鍋爐是遼河油田稠油開發(fā)中最重要和能耗最大的設(shè)備[6]，提高注汽鍋爐熱效率，降低燃料消耗將會降低油田的生產(chǎn)成本，并產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。同時，遼河油田的主要稠油生產(chǎn)區(qū)塊位于遼河三角洲國家自然保護(hù)區(qū)，通過對注汽鍋爐節(jié)能改造，不僅可以節(jié)約能源，還可以減少碳排放，為生態(tài)保護(hù)做出巨大貢獻(xiàn)，產(chǎn)生顯著的社會效益。

1 注汽鍋爐工藝流程及熱量損失

1.1 工藝流程

注汽鍋爐工藝流程見圖1。首先污水站的軟化污水到水罐緩沖儲存，給水泵抽取水罐中的軟化污水加壓至注汽鍋爐柱塞泵處，柱塞泵加壓至17.2 MPa 后軟化污水進(jìn)入給水預(yù)熱器換熱內(nèi)管，通過閥門對給水預(yù)熱器出口水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)過給水預(yù)熱器換熱之后的軟化污水進(jìn)入注汽鍋爐的預(yù)熱段提升溫度，在這里吸收約40%的熱量，然后從預(yù)熱段出口再進(jìn)入給水預(yù)熱器外管對軟化污水進(jìn)行換熱，換熱后的水溫降低，直接進(jìn)入注汽鍋爐輻射段。軟化污水在依次流經(jīng)注汽鍋爐輻射段串聯(lián)的全部爐管，吸收約60%的熱量，最后產(chǎn)生干度為75%高溫濕飽和蒸汽，通過注汽管線輸送至井口，達(dá)到驅(qū)油、補充地層壓力的目的。

圖1 注汽鍋爐工藝流程Fig.1 Process flow of steam injection boiler

1.2 熱量損失

因遼河油田目前注汽鍋爐大部分為燃?xì)庾⑵仩t，極少部分為燃油燃?xì)饣鞜淖⑵仩t，不同于電廠中的燃煤鍋爐，注汽鍋爐熱量損失方面不會存在機械不完全燃燒熱損失和其他熱損失，所以注汽鍋爐熱損失主要有三項：排煙熱損失，爐體散熱損失，燃料未完全燃燒熱損失。張洪江等[7]對注汽鍋爐熱效率與排煙溫度進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，陳軍等[8]分析了給水預(yù)熱器及膜式水冷壁對注汽鍋爐熱效率的影響，王建勛[9]、秦成[10]介紹了節(jié)能涂料對爐體散熱損失的應(yīng)用。

遼河油田對近百臺次注汽鍋爐的測試結(jié)果表明，注汽鍋爐排煙溫度一般在170～220 ℃，通常，這些煙氣攜帶了大量熱量被排到大氣中，排煙熱損失是鍋爐各項損失中最大的一項，約占總熱損失的90%～96%；爐體散熱損失次之，約占總熱損失的3.5%～6.0%；燃料未完全燃燒熱損失占總熱損失的0.5%～4.0%。眾所周知，降低排煙溫度可提高注汽鍋爐效率，注汽鍋爐煙氣溫度每降低15～20 ℃，爐效可提高1%，如果將這部分熱量回收并利用起來，在節(jié)約能源方面將具有很大的現(xiàn)實意義。

2 現(xiàn)狀及改造方案

2.1 現(xiàn)狀

遼河油田某注汽站有兩臺額定蒸發(fā)量為19.5 t/h，額定壓力為17.2 MPa，產(chǎn)生75%干度濕飽和蒸汽的注汽鍋爐。目前，每臺注汽鍋爐年注汽量約為11×104t，預(yù)計未來注汽量基本保持不變，擬先對其中的一臺注汽鍋爐的對流段進(jìn)行改造，改造前注汽鍋爐的排煙溫度為170～190 ℃，排煙溫度較高，高溫?zé)煔庵苯优湃氪髿庵校斐奢^大的排煙熱能損失，同時造成污染環(huán)境。注汽鍋爐燃料為天然氣，鍋爐用水為軟化污水，水溫為67 ℃。

2.2 改造方案

通過改造注汽鍋爐對流段，降低排煙溫度以提高注汽鍋爐效率，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的，改造方案不改變原有生產(chǎn)流程，不增加定員，提高了能源的利用效率。通過在注汽鍋爐對流段頂部安裝空氣預(yù)熱器，利用鍋爐煙氣的余熱將送風(fēng)機吹入的冷空氣加熱，經(jīng)過風(fēng)道將熱空氣送入爐膛內(nèi)，提高爐膛溫度，即節(jié)約燃料又降低了排煙溫度，最終實現(xiàn)節(jié)能的目的。

具體方案為：在注汽鍋爐尾部煙道安裝空氣預(yù)熱器，風(fēng)道吸風(fēng)口設(shè)于室內(nèi)，室內(nèi)空氣通過增壓風(fēng)機輸送至空氣預(yù)熱器，經(jīng)過換熱后的空氣，通過風(fēng)道輸送至鍋爐鼓風(fēng)機，風(fēng)道架空布置，風(fēng)機安裝在室內(nèi)，風(fēng)道外設(shè)保溫層。空氣預(yù)熱器進(jìn)出口配帶壓力表，出口設(shè)置風(fēng)門，用以調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機風(fēng)量、風(fēng)壓。工藝流程效果見圖2，藍(lán)色箭頭方向為冷空氣流向，紅色箭頭方向為熱空氣流向。改造完成后現(xiàn)場裝置見圖3。

圖2 工藝流程效果Fig.2 Effect of process flow

圖3 現(xiàn)場裝置Fig.3 Field device

空氣預(yù)熱器系統(tǒng)組成如下：該系統(tǒng)由空氣預(yù)熱器、送風(fēng)機（9 kW）、輸風(fēng)管道(分冷風(fēng)管道、熱風(fēng)管道)、風(fēng)量分配閥、鍋爐入口轉(zhuǎn)換閥、變頻調(diào)速控制柜、溫度測控系統(tǒng)以及其他附件等組成。

系統(tǒng)中空氣預(yù)熱器是最重要的部件，超導(dǎo)熱管是空氣預(yù)熱器的主要熱傳導(dǎo)元件，與普通的熱交換器有著本質(zhì)的不同。熱管余熱回收裝置的換熱效率可達(dá)98%以上，這是任何一種普通熱交換器無法達(dá)到的。超導(dǎo)熱管空氣換熱器體積小，只是普通熱交換器的1/3。超導(dǎo)熱管裝置見圖4，左邊為煙氣通道，右邊為清潔空氣(水或其它介質(zhì))通道，中間有隔板分開互不干擾。高溫?zé)煔庥勺筮呁ǖ琅欧牛欧艜r高溫?zé)煔鉀_刷熱管，當(dāng)煙氣溫度大于30 ℃時，熱管被激活便自動將熱量傳導(dǎo)至右邊，這時熱管左邊吸熱，高溫?zé)煔饬鹘?jīng)熱管后溫度下降，熱量被熱管吸收并傳導(dǎo)至右邊。常溫清潔空氣在鼓風(fēng)機作用下，沿右邊通道反方向流動沖刷熱管，這時熱管右邊放熱，將清潔空氣加熱，空氣流經(jīng)熱管后溫度升高。

圖4 超導(dǎo)熱管裝置Fig.4 Superconducting heat pipe device

由若干根熱管組成的空氣預(yù)熱器，安裝在鍋爐煙口，將煙氣中的熱量吸收并高速傳導(dǎo)至另一端，使排煙溫度降低至高于露點而減少熱量排放損失。加熱后的清潔空氣可補充到鍋爐前端（入風(fēng)口），提高鍋爐的熱效率，降低燃料消耗，將送風(fēng)溫度提高，爐膛溫度上升40 ℃左右，使燃料能夠充分燃燒，延長燃燒時間，并使排煙溫度降低40 ℃左右，且減少了吹灰次數(shù)從而達(dá)到節(jié)能的目的。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

改造完成后室內(nèi)空氣通過增壓風(fēng)機輸送至空氣預(yù)熱器，經(jīng)過換熱后，空氣溫度由12 ℃提升至50 ℃，再經(jīng)由風(fēng)道送至注汽鍋爐鼓風(fēng)機入口，經(jīng)鼓風(fēng)機加壓后送入注汽鍋爐。換熱后的煙氣由189 ℃降低至137 ℃，由煙囪排入大氣。改造前后注汽鍋爐運行數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 改造前后注汽鍋爐運行數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of operation data of steam injection boiler before and after renovation

通過表1 可以得出，改造后注汽鍋爐熱效率提升1.7%，按每年注汽鍋爐運行330 d 考慮，進(jìn)注汽鍋爐軟化水為67 ℃，給水焓值為292.37 kJ/kg，注汽鍋爐出口蒸汽為15.7 MPa，75%干度的飽和蒸汽，焓值為2 352.05 kJ/kg，天然 氣熱 值按35 000 kJ/m3，每年可節(jié)約消耗天然氣16×104m3，天然氣價格按1.69 元/m3計算，可節(jié)約運行成本27 萬元，減少碳排放量14.3×104t/a。

空氣預(yù)熱器系統(tǒng)組成中包括一臺9 kW 送風(fēng)機，每年耗電71 280 kWh，電價按0.907 1 元/kWh，每年增加電費6.5 萬元，綜合節(jié)約天然氣費27 萬元，每年可節(jié)約運行費用20.5 萬元，注汽鍋爐改造的工程投資為64.8 萬元，預(yù)計3.2 a 可收回成本。

4 結(jié)論

1）通過對遼河油田某注汽站的一臺19.5 t/h 注汽鍋爐進(jìn)行改造，對其對流段改造加裝空氣預(yù)熱器，降低注汽鍋爐的排煙溫度，提高進(jìn)入注汽鍋爐燃燒的空氣溫度，改造后可使注汽鍋爐熱效率提升1.7%。

2）改造后注汽鍋爐每年可節(jié)約消耗天然氣16×104m3，節(jié)約成本27 萬元，減少碳排放量14.3×104t/a，該項改造對遼河油田今后稠油生產(chǎn)降本增效，實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”具有重要的借鑒意義。

3）改造中新增耗電設(shè)備，送風(fēng)機一臺每年可節(jié)約運行費用20.5 萬元，經(jīng)濟效益顯著，可在遼河油田大范圍推廣。