油田注汽鍋爐產汽單耗的計算方法與影響因素分析

趙立新 （中國石油天然氣集團公司西北油田節能監測中心）

2022 年全國原油產量為2×108t，其中稠油約占8%～10%[1]，遼河油田、新疆油田、勝利油田、塔河油田的稠油產量都占有相當比例。由于稠油的高黏、高凝特性，其開采工藝較常規稀油生產具有明顯的特殊性，導致了其生產能耗遠高于稀油生產，超高的生產能耗已經成為制約稠油生產的主要因素。

稠油生產過程要包括降黏、驅油、采油、集輸、處理等主要的環節，由此形成的稠油生產系統主要包括注汽系統、機械采油系統、集輸系統、處理系統等。各生產系統根據稠油的黏度、凝點、溫度、含蠟等參數，設計采用相適應的具體工藝，主要工藝基本與稀油生產系統相近或一致，最大的區別在于井下降黏和驅油工藝。目前稠油生產的主要降黏和驅油工藝包括蒸汽吞吐、蒸汽驅、SAGD 工藝、VHSD 工藝、火驅工藝等。不同驅油工藝采用的驅油原理不同，除火驅工藝外，基本上都以蒸汽降黏為主。如何降低注汽鍋爐的蒸汽生產能耗，是稠油生產節能降耗的核心工作之一。

1 注汽系統生產設備

稠油生產注汽系統能耗占稠油生產總能耗的70%～80%，能源消耗的主要環節包括蒸汽的制造、輸送和注入等單元；主要生產設備包括注汽鍋爐、柱塞泵、注汽管線等。

1）注汽鍋爐。注汽鍋爐是蒸汽生產設備，也稱為濕蒸汽發生器（也可以生產過熱蒸汽）。主體結構由燃燒器、爐體、尾部換熱部分及煙筒等幾個部分組成，另外還有輔助設備柱塞泵、風機、水處理系統等；按功能區塊劃分包括輻射段、過渡段、對流段等環節。注汽鍋爐結構見圖1。

圖1 注汽鍋爐結構Fig.1 Structure of steam injection boiler

現有注汽鍋爐容量覆蓋5～100 t/h 的范圍，油田生產上常用的鍋爐容量為22.5 t/h、19.5 t/h、15 t/h等。加熱蒸汽鍋爐采用飽和蒸汽鍋爐、過熱蒸汽鍋爐兩種類型鍋爐。燃料主要使用天然氣或渣油（稠油），以天然氣為主，渣油被逐步替代。另外為應對蒸汽成本較高的問題，部分企業也在試點開展以水煤漿為燃料生產蒸汽。

2）柱塞泵。柱塞泵承擔著為鍋爐供水和升壓的重要作用，為蒸汽的輸送和注入提供動力，柱塞泵的主要形式為三柱塞泵、五柱塞泵。柱塞泵功率根據鍋爐容量大小及注汽壓力配置，通常為75～250 kW。

3） 注汽管線。注汽管線主要任務是輸送蒸汽，一般采用鋼制管道加保溫結構的組合形式。管線規格主要有DN80 mm、DN100 mm、DN125 mm、DN150 mm、DN200 mm 和DN300 mm 等，采用的保溫材料有玻璃棉、膨脹珍珠巖、復合硅酸鹽氈、復合硅酸鹽漿料、納米氣凝膠等；管線保溫結構有單一材料結構和多種材料復合保溫結構，多種材料復合保溫結構見圖2。

圖2 多種材料復合保溫結構Fig.2 Composite insulation structure of multiple materials

4）其他。其他耗能設備還有風機、水泵等小型用能設備，這部分設備功率相對較小。

目前大多數油田注汽鍋爐是以天然氣為原料，根據運行管理水平以及配備的節能設施不同，鍋爐熱效率為85%～98%，其能耗占蒸汽生產總能耗的90%左右，注汽鍋爐既是主要生產設備，也是主要耗能設備。

柱塞泵和風機是注汽系統的主要用電設備，其用電功率在200 kW 左右，相比于注汽鍋爐，其能耗僅占蒸汽生產總能耗的1.5%左右。

注汽管線主要是由于散熱損失產生能耗。這部分能耗與輸送蒸汽溫度、采用的保溫材料及保溫結構、管線長度有關。按照油田常見注汽管線散熱水平測算，平均單臺注汽鍋爐所屬注汽管線的散熱損失為500～800 kW， 約占蒸汽生產總能耗的5%～8%。

2 產汽單耗計算

注汽鍋爐產汽單耗是稠油生產注汽系統的關鍵能耗指標，也是油田生產的主要能耗定額及考核指標，它體現了稠油生產注汽系統蒸汽制造單元的能效水平。注汽鍋爐產汽單耗的計算有兩種形式，一是產汽燃料單耗，二是產汽綜合單耗。

1）產汽燃料單耗。產汽燃料單耗是指生產單位蒸汽的燃料消耗量，可以是絕對量，也可以是標準煤量，目前油田注汽鍋爐主要以天然氣為燃料，產汽燃料單耗按式（1）計算：

式中：Rcq為產汽燃料單耗，m3/t 或kgec/t；Bcq為蒸汽生產燃料消耗量，m3或kgec；Gcq為蒸汽量，t。

2）產汽綜合單耗。產汽綜合單耗是指生產單位蒸汽的綜合能源消耗量，按式（2）計算：

式中：Mcq為產汽綜合單耗，kgec/t；Ecq為蒸汽生產綜合能耗，kgce；Gcq為蒸汽量，t。

根據計算公式，注汽鍋爐產汽單耗與蒸汽生產能耗成正比，與生產的蒸汽量成反比。為降低注汽鍋爐單耗，應盡可能減少蒸汽生產能耗，增加蒸汽量。

稠油熱采注汽鍋爐大多采用直流鍋爐的結構形式，其蒸汽量與鍋爐柱塞泵、鍋爐水汽管路及注汽工藝要求有關。在注汽工藝要求一定的情況下，應確保柱塞泵工作性能正常，鍋爐水汽管路通暢無結垢。

3 影響因素分析

影響油田注汽鍋爐產汽單耗的因素很多，主要有工藝要求、設備性能、設備狀態、管理水平、節能技術應用等。具體到生產現場，比較關鍵的因素包括蒸汽品質要求、鍋爐運行水平兩個方面。

3.1 蒸汽品質對產汽單耗的影響

稠油生產蒸汽品質是指蒸汽的溫度、壓力、干度等。根據不同地質條件及油藏物性，注汽生產要求的蒸汽品質不同，不同的蒸汽品質對應的產汽單耗差別極大。目前油田常見蒸汽類別包括：濕飽和蒸汽（干度70%～80%）、高干度蒸汽（干度80%～85%）、過熱蒸汽（過熱度3～20 ℃）。

對于飽和蒸汽，蒸汽壓力與蒸汽溫度是對應的，影響產汽單耗的主要因素是蒸汽干度。對于過熱蒸汽，影響產汽單耗的主要因素既有壓力還有過熱度。

3.1.1 蒸汽干度及壓力對產汽單耗的影響

假設鍋爐在不同干度的運行條件下熱效率均為90%，通過計算對比各個壓力狀態下鍋爐輸出不同干度飽和蒸汽的單耗數據，可以從理論上得出蒸汽干度對產汽單耗的影響情況。根據理論計算數據，得出產汽單耗與蒸汽壓力、干度的變化趨勢關系及影響效果。產汽單耗與蒸汽壓力、干度的變化關系見圖3。

圖3 產汽單耗與蒸汽壓力、干度的變化關系Fig.3 Relationship of the changes between steam production unit consumption and steam pressure and dryness

相同蒸汽壓力下，隨著干度的提高產汽單耗會同比增加，干度提高幅度越大，產汽單耗增加比率越大。其中，5 MPa 壓力下，干度從70%提高到85%時，產汽單耗最大會增加11.11%，平均干度每增加1 個百分點，產汽單耗增加0.74%。在圖3 所列出的油田生產常見蒸汽參數范圍內，平均干度每增加1 個百分點，產汽單耗增加0.59%。

相同干度下，產汽單耗的增加幅度隨蒸氣壓力升高而降低，蒸氣壓力提高幅度越大，產汽單耗增加比率越小。

3.1.2 蒸汽過熱度及壓力對產汽單耗的影響

同樣假設鍋爐在不同過熱度的運行條件下熱效率均為90%，通過計算對比各個壓力狀態下鍋爐輸出不同過熱度蒸汽的單耗數據，可以從理論上得出蒸汽過熱度對產汽單耗的影響情況。根據理論計算數據，得出產汽單耗與蒸汽壓力、過熱度的變化趨勢關系及影響效果。

產汽單耗與蒸汽壓力、過熱度的變化關系見圖4。相同蒸汽壓力下，隨著過熱度的提高產汽單耗會同比增加，過熱度提高幅度越大，產汽單耗增加比率越大。15 MPa 壓力下，過熱度從5 ℃提高到20 ℃時，產汽單耗增加幅度最大，達到4.67%，明顯超過其他壓力或過熱度下產汽單耗的增加幅度。15 MPa 壓力下，平均過熱度每增加1 ℃，產汽單耗增加0.31%。在圖4 所列出的油田生產常見蒸汽參數范圍內，平均過熱度每增加1 ℃，產汽單耗增加0.21%。

圖4 產汽單耗與蒸汽壓力、過熱度的變化關系Fig.4 Relationship of the changes between steam production unit consumption and steam pressure and overheat

相同過熱度下，產汽單耗的增加幅度隨蒸氣壓力升高而增加，蒸氣壓力提高幅度越大，產汽單耗增加幅度越大。

3.2 鍋爐運行水平對產汽單耗的影響

產汽單耗對于不同鍋爐的可比性不強，但對同一臺鍋爐在相同蒸汽品質條件下，采用不同運行方式時，產汽單耗仍然具有一定的可比性。

通過使用過量空氣自動控制裝置合理配置鍋爐燃燒器配風，調整鍋爐運行狀態，提高鍋爐運行水平，產汽單耗明顯下降，節能率為1.6%。

從注汽鍋爐運行工況調整前后對比（表1）可以看出，通過合理調整鍋爐配風，可以有效降低鍋爐過量空氣系數和排煙溫度，從而提高鍋爐熱效率、降低產汽單耗。理論上，產汽單耗與鍋爐熱效率成反比關系，但實際測試數據受環境條件和計量儀表準確度影響，兩者會略有差異。注汽鍋爐運行工況調整前后對比（表1）中，鍋爐熱效率提高了1.5%，產汽單耗降低了1.6%。

表1 注汽鍋爐運行工況調整前后對比Tab.1 Comparison of operating conditions of steam injection boilers before and after adjustment

4 理論產汽單耗分析

由于油田生產現場計量儀表的情況比較復雜，尤其是準確測量燃料氣消耗量的難度比較大，導致測試的注汽鍋爐產汽單耗與實際情況存在一定偏差，甚至個別數據偏差較大。為保證注汽鍋爐產汽單耗測試結果的可靠性，通常需要通過推算注汽鍋爐理論產汽單耗來進行驗證。

推算注汽鍋爐理論產汽單耗的基本方法是：根據反平衡法計算得到鍋爐熱效率，用鍋爐出力及天然氣發熱量反推出燃料氣理論消耗量，從而計算得到理論產汽單耗。

理論產汽單耗驗算結果見表2，表中列出了油田注汽鍋爐常見工況下理論產汽單耗的計算結果。

表2 理論產汽單耗驗算結果Tab.2 Calculation results of theoretical steam production unit consumption

理論推算采用的計算數據來源相對可靠，計量設備準確度較高，理論推算結果雖然不能直接作為鍋爐產汽單耗的評價依據，但可以作為實測數據的驗證依據，并且可以作為判斷實測鍋爐產汽單耗是否存在較大偏差的依據。采用同樣方法，還可以計算更多鍋爐運行工況下的理論產汽單耗。

5 降低產汽單耗的措施

針對影響注汽鍋爐產汽單耗的各項主要因素，現有節能技術措施主要是從鍋爐管線清灰除垢、優化配風、減小空氣系數、利用煙氣余熱降低排煙溫度、加強爐體保溫減小散熱損失、提高鍋爐熱效率等幾個方面采取措施，從而提高鍋爐運行水平，降低注汽鍋爐產汽單耗。

5.1 鍋爐清灰除垢

油田注汽鍋爐在燃燒的過程中不可避免地產生大量的灰塵，過多灰塵的存在不僅嚴重影響鍋爐的使用壽命，同時也降低了輻射傳熱效率。通常利用高壓水槍或者鍋爐內自含空氣等方式進行清灰作業，但是往往效果不好。因此，應引進更加有效科學的清灰技術進行清灰作業，比如通過對灰塵進行化學成分的分析，借助化學方法清理灰塵等[2]。

對鍋爐管線內部結垢，同樣有化學清垢和物理清垢兩種清垢方式。例如采用氯化氫和氫氟酸溶液，與一定量的緩蝕劑進行充分混合，配制成除垢劑對油田注汽鍋爐管內進行除垢處理[3]。也可以采用節能增效器進行物理除垢，這是一款針對注汽鍋爐、熱水鍋爐、換熱器、管道、泵組、循環冷卻塔等設備，通過強力磁化給水等純物理方式進行阻垢、除垢來提高換熱效率的設備，經現場實際測試，產汽單耗可降低1%左右。

5.2 鍋爐配風優化

通過優化配風調節，適當降低過量空氣系數，在不完全燃燒損失和排煙損失之間找到最優過量空氣系數，從而提高鍋爐效率[4]，有效降低產汽單耗。具體實現方式為：將煙氣氧含量參數通過檢測儀表轉換后送入鍋爐鼓風機變頻控制器，根據煙氣的氧含量自動調節鼓風機送風量，從而精確控制過剩空氣系數[5]。通過采用具有專利技術的自尋優過量空氣控制裝置，可實現全年、全天候24 h 實時自動調整優化，在保證安全運行的條件下，充分考慮工況變化、環境溫度變化的影響，使注汽鍋爐在最優狀態下運行。

配風優化技術是通過合理調整空氣系數提高鍋爐熱效率，但實際調整過程中，鍋爐排煙溫度也會發生相應改變，采用現場實測數據難以單獨評估空氣系數與鍋爐熱效率的變化關系。通過選取排煙溫度為120 ℃和180 ℃兩種常見注汽鍋爐的運行工況，其生產中常見空氣系數為1.14～1.41，可以理論分析空氣系數對鍋爐熱效率及產汽單耗變化的影響。鍋爐熱效率及產汽單耗與空氣系數變化關系見表3。

表3 鍋爐熱效率及產汽單耗與空氣系數變化關系Tab.3 Relationship of the changes between boiler thermal efficiency，steam production unit consumption and air coefficient

通過理論推算，鍋爐排煙溫度為120 ℃、空氣系數從1.14 變化為1.41 時，平均空氣系數增加1.0，鍋爐熱效率下降2.0 個百分點，產汽單耗增加1.5 m3/t；鍋爐排煙溫度為180 ℃、空氣系數從1.14變化為1.41 時，平均空氣系數增加1.0，鍋爐熱效率會下降4.2 個百分點，產汽單耗增加3.2 m3/t。說明鍋爐排煙溫度越高，空氣系數對鍋爐熱效率和產汽單耗的影響越大。實際生產中，采用優化配風技術改造的注汽鍋爐，根據改造前鍋爐的運行狀態，實測節能率通常為1%～5%，這與理論計算結果是對應的。

5.3 煙氣余熱利用

通常情況下，鍋爐排煙溫度越高，熱效率就越低，產汽單耗必然升高。提高鍋爐熱效率，降低產汽單耗，應充分利用煙氣余熱，利用煙氣中水蒸氣的汽化潛熱是一個重要手段。

燃氣鍋爐煙氣的露點在55 ℃左右（過剩空氣系數為1.15 時），煙氣含濕量較高，水蒸氣冷凝過程會放出大量的氣化潛熱，同時產生大量的水，其中水蒸氣潛熱約占天然氣所產生熱量的10%左右[6]，這是煙氣余熱的一個重要來源。煙氣余熱利用的方式主要有三種，一是預熱進風空氣，二是預熱鍋爐給水，三是同時加熱進風和給水。

1）預熱進風空氣。通過在注汽鍋爐對流段頂部安裝空氣預熱器，利用鍋爐煙氣的余熱將送風機吹入的冷空氣加熱，經過風道將熱空氣送入爐膛內，可以提高爐膛溫度，即節約燃料又降低了排煙溫度，最終實現節能的目的[6-7]。

2）預熱鍋爐給水。通過對對流段布置位置的合理設計，對通過對流段的高溫煙氣進行合理的利用，利用高溫煙氣對鍋爐的給水進行加熱，可以有效的將散失的熱能回收，這在注汽鍋爐的節能方面具有較大的作用[8]。

3）同時加熱進風和給水。雙冷源煙氣冷凝技術具體工藝流程為：注汽鍋爐燃燒產生的煙氣，從煙囪中排出后，先經過空氣復合換熱器，與助燃空氣進行換熱，回收煙氣中的顯熱，經過換熱后注汽鍋爐排煙溫度可從160 ℃降到80 ℃左右；煙氣從空氣復合換熱器出來后進入冷凝換熱器，與鍋爐給水換熱，可把排煙溫度從80 ℃降到40～50 ℃，煙氣中的水蒸氣發生冷凝釋放汽化潛熱。兩次換熱后的煙氣最終排向大氣，煙氣中的冷凝水偏酸性，通過水箱加藥中和回收[9]。

采用煙氣余熱利用技術降低排煙溫度，可以明顯提高注汽鍋爐熱效率、降低產汽單耗。通過對多家采油廠注汽鍋爐熱效率的實際測試（圖5） 發現，在空氣系數為1.14～1.41 的情況下，平均排煙溫度每降低10 ℃，熱效率會提高0.51 個百分點，產汽單耗可以下降0.55 m3/t。

圖5 油田注汽鍋爐熱效率實測結果Fig.5 Actual measurement results of thermal efficiency in oilfield steam injection boilers

為避免設備及環境變化給實測數據帶來的偏差，可以通過設定某一特定條件，用理論計算的方法，分析排煙溫度變化對鍋爐熱效率及產汽單耗產生的影響。選取空氣系數為1.14 和1.41 兩種常見的注汽鍋爐運行工況，通過設定不同排煙溫度，分析排煙溫度對鍋爐的影響。

通過理論推算，在注汽鍋爐空氣系數為1.14～1.41 的情況下，排煙溫度從100 ℃變化為160 ℃時，平均排煙溫度降低10 ℃，熱效率會提高0.55 個百分點，產汽單耗下降0.40 m3/t。與實測數據相比偏小，原因是理論計算數據剔除了空氣系數變化帶來的影響。理論推算鍋爐熱效率與排煙溫度變化關系見表4。

表4 理論推算鍋爐熱效率與排煙溫度變化關系Tab.4 Relationship of the changes between boiler thermal efficiency and exhaust gas temperature for theoretical calculation

另外，稠油油田通常采用采出液凈化污水作為注汽鍋爐給水，鍋爐給水溫度較高，可以達到60～80 ℃。高溫污水對鍋爐給水柱塞泵的正常運行造成很大影響，會大大增加柱塞泵的故障率，增加維修工作量。對此，部分鍋爐將高溫鍋爐給水先加熱進風空氣，從而降低給水溫度至40 ℃左右，進風空氣可加熱到70 ℃左右，降溫后的鍋爐給水經柱塞泵加壓輸入鍋爐對流段預熱，再經輻射段、過熱段，可以生產出高干度蒸汽。這種蒸汽生產的工藝方式可以有效避免柱塞泵、燃燒器的設備故障率，大大降低了設備改造維修費用。并且通過合理設計及增加對流段換熱體積，能夠實現煙氣冷凝余熱利用，降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率。

5.4 減少散熱損失

鍋爐散熱損失與爐體保溫效果密切相關，油田注汽鍋爐爐體保溫主要指爐襯的保溫效果。通常爐襯保溫采用硅酸鋁纖維氈平鋪鉚固工藝，但這種結構在使用過程中不僅易脫落，而且保溫隔熱效果差，導致爐體表面溫度升高[10]。為解決這一問題，在爐襯表面涂刷紅外輻射涂料，一方面可以提高爐襯的熱輻射放射效果，提高爐膛溫度，降低爐體表面溫度，減少散熱損失，另一方面可以提高爐襯結構強度，降低爐襯損壞的頻率，減少維護工作量和維護費用，這在實際生產中有著重要的實踐意義。

從鍋爐熱效率理論計算的角度分析，鍋爐散熱損失還與鍋爐負荷率有關。GB/T 10180—2017《工業鍋爐熱工性能試驗規程》規定，采用查表法確定和計算鍋爐散熱損失時，要考慮鍋爐容量和負荷率的影響，具體計算公式見標準中B.1.6.4 的規定。

鍋爐負荷率大于75%或小于30%時，其對鍋爐熱效率計算結果的影響是固定的，當鍋爐負荷率大于30%并小于75%時，其對鍋爐的散熱損失計算結果的影響隨鍋爐容量、負荷率大小改變而改變。

油氣田常用注汽鍋爐的容量為15 t/h 和22.5 t/h，負荷率變化對散熱損失及熱效率影響見表5。

表5 鍋爐負荷率與散熱損失變化關系Tab.5 Relationship the changes between boiler load rate and heat dissipation loss

根據表5 計算，鍋爐負荷率每提高10 個百分點，鍋爐熱效率將提高0.7～0.8 個百分點。因此，為保證鍋爐監測結果滿足國家標準的指標要求，在工程設計、設備選型及生產運行中必須充分考慮鍋爐負荷率。

6 結論

油田注汽鍋爐產汽單耗的影響因素很多，包括工藝、設備和管理等各方面因素。通過分析，降低產汽單耗應抓住關鍵和重點的幾項因素，包括合理優化配風、充分利用煙氣余熱、加強爐體保溫、及時清灰除垢等。其中鍋爐配風優化和煙氣余熱利用的節能效果較好，可以有效地降低油田注汽鍋爐的產汽單耗。

對于鍋爐運行中存在的問題，應準確分析判斷產生問題的原因，合理運用對應的節能提效技術。通過分析鍋爐熱效率及其關鍵影響因素，可以準確判斷節能改進的方向，并預測節能效果。采用實測數據及理論計算提出的各類技術的提效降耗實際效果，可為工程項目的設計論證帶來幫助。