油田提高注汽锅炉蒸汽出口干度技术研究

潘立生，张海莹

（1. 新疆油田公司工程技术公司，新疆 克拉玛依 834000； 2. 胜利油田石油化工总厂，山东 东营 257600）

油田提高注汽锅炉蒸汽出口干度技术研究

潘立生1，张海莹2

（1. 新疆油田公司工程技术公司，新疆 克拉玛依 834000； 2. 胜利油田石油化工总厂，山东 东营 257600）

新疆油田超稠油开发和普通稠油后期开采需要更高的蒸汽干度，而常规锅炉蒸汽出口干度只有80%，已不能满足现阶段注蒸汽开采工艺要求。为此，提出了汽水分离、过热、掺混方法进提高蒸汽干度，并使其伴有15 ℃过热度，达到了蒸汽驱稠油热采条件，现场应用表明该方法在节能、环保和能效上效果显著。

稠油开发；蒸汽干度；蒸汽开发；汽水分离

注蒸汽已经成为国内外广泛使用的开采超稠油的方法。油田注汽锅炉是产生蒸汽的关键设备，在油田超稠油开采中发挥着重要作用。经过多年超稠油开采探索的实践表明，蒸汽干度为80%的常规油田注汽锅炉已不能满足超稠油开采要求[1]，因此需要提升锅炉蒸汽干度，以增加超稠油产量。由于锅炉给水中含有大量的Na20•mSiO2等硅酸盐和锅炉结构的限制，常规油田注汽锅炉蒸汽干度＞80%时，硅酸盐会随着蒸汽干度的升高而逐渐析出，并吸附在锅炉炉管内壁上，降低了炉管的导热系数和堵塞炉管，甚至产生爆管的危险。因此，提出了汽水分离、过热、掺混方法进提高蒸汽干度的方法。

1 锅炉热平衡计算

锅炉的热平衡是指在稳定工况下锅炉的输入热量和输出热量及各项热损失之间的平衡[2]。通过热平衡计算锅炉热效率和燃料消耗量，热平衡公式如下：

式中：

Qin—锅炉的输入热量, kJ/kg；

Q1—锅炉的输出热量, kJ/kg；

Q2—排烟损失热量, kJ/kg；

Q3—气体不完全燃烧损失热量, kJ/kg；

Q4—固体不完全燃烧损失热量, kJ/kg；

Q5—锅炉散热损失热量, kJ/kg；

Q6—锅炉外排损失热量, kJ/kg。

上式也可用它占输入热量的百分率表示，则热平衡方程则可表示为：

式中:

A—炉水导电率, mg/L;

(2)规范操作过程。资产证券化的操作过程需要高度重视，需要不断提高从业人员的素质，规避操作规程中人为失误而带来的风险，避免操作失误，是资产证券化过程中的重要措施(金郁森,2005)。

B—给水导电率, mg/L。

从式（1）和（4）中可知，锅炉输出热量1Q与对应压力下的饱和蒸汽干度X相适应，只有1Q越大，X才越高。从式（3）中可知，在减少各项热损失的基础上，才能提高锅炉的整体热效率η，由于受锅炉材料性能和结构限制以及工质被加热后相态的变化，锅炉的热效率η只能确定一个相对合理的目标值，同时锅炉输出热量1Q值和蒸汽干度X应与锅炉性能相匹配。

2 提升蒸汽干度方法

2.1 分离排放法

将油田净化水由锅炉加热后，蒸汽出口干度为80%，然后经汽水分离器分离后，干度为99%蒸汽注入井底，而分离出来的饱和水经换热器换热后再经扩容器减压排放[3]，其结构原理如图1所示。

图1 分离排放法结构原理图Fig.1 Structure diagram of separation emission method

2.2 井口加热掺混法

将油田净化水由锅炉加热后，蒸汽出口干度为75%，经汽水分离器分离后分别传输至井口，在井口处，利用井口加热炉将干蒸汽继续加热成过热蒸汽，然后再与锅炉分离出来的饱和水掺混后注入井底，其工作原理如图2所示。

图2 井口加热掺混法结构原理图Fig.2 Structure diagram of wellhead heating mixing method

2.3 无盐水加热法

为防止锅炉给水加热后，在炉管内析盐结垢，先将给水进行软化处理：利用离子交换树脂除去水中Ca2+、Mg2+离子，使其含量降低到0.01 mg/L以下，再采用反渗透法对软化水中的硅酸盐等进行处理，并除碳和加热真空除氧。

2.3.2 无盐水加热锅炉结构方案研究

在无盐水加热锅炉结构方案，锅炉来水经给水泵增压后，给锅炉供水，增压后的水先经过水-水热交换器外管进行对流换热，换热后，进入一次对流段，再进入二次对流段，在对流段内与烟气进行对流换热，使其达到干度为30%的湿饱和蒸汽，然后再经水—水热交换器内管进入辐射段，在炉膛内经辐射传热后，使其达到干度为80%湿饱和蒸汽，最后再进入对流蒸发段与烟气进行对流换热，使蒸汽出口干度达95%以上或微过热。通过对该锅炉各部件蒸汽压力、温度、流量、干度、烟气温度进行监控，反馈到控制系统，再从控制系统，发出指令，调节水量、火量等，整个过程可实现全自动。

2.3.3 锅炉热能配比及材料的选择

根据锅炉各部件的吸热方式不同和工质被加热过程的相态变化，要合理分配各部件吸热能力如图3所示。根据烟气的温度、被加热工质温度及相态，各部件材料选择如表1。

表1 无盐水加热锅炉各部件材料Table 1 No salt water heating boiler components materials

2.4 汽水分离+过热+掺混法[4]

2.4.1 汽水分离+过热+掺混法锅炉结构方案研究

汽水分离+过热+掺混法锅炉结构方案中，软化水经给水泵增压后，经水—水热交换器外管换热后进入对流段进行初步加热，然后再经水—水热交换器内管进入辐射段，将锅炉给水进一步加热至75%～80%干度的湿饱和蒸汽，该蒸汽进入汽水分离器进行汽水分离，分离出的干度达99%蒸汽由分离器蒸汽出口管进入过热段加热至过热，然后再进入掺混器；由汽水分离器分离出的高含盐饱和水由分离水出口管进入掺混器；在掺混器中，利用过热蒸汽将高含盐饱和水加热并完全汽化，形成干度100%的微过热蒸汽后，由混合蒸汽出口管输出至蒸汽出口管注入油井。

2.4.2 锅炉热能配比及自动控制技术研究

由于被加热工质是含盐软化水，因此要严格限制限制辐射段和过热段的吸热能力，以防止由于过烧而在炉管内产生结垢，其热能配比如图4所示。由于被加热介质中含有大量的盐分，因此不能将锅炉给水直接加热成高干度蒸汽，只有达到辐射段出水指标限定的条件，分离器才允许分离，才能将干饱和蒸汽加热成过热蒸汽，各测点向PLC反馈信号，然后再从PLC发出指令，整个过程完全由计算机自行完成。

图4 汽水分离+过热+掺混法锅炉各部件热能配比图Fig.4 Heat ratio figure of the boiler components of separating and overheating and mixing method

图3 无盐水加热锅炉各部件热能配比图Fig.3 Heat ratio map of no salt water heating boiler components

3 性能对比分析

3.1 热效率对比

该类锅炉采用燃油、燃气作为燃料，根据式（3）可知，其热效率对比如图5所示。

图5 热效率对比图Fig.5 Thermal efficiency comparison chart

图6 干度对比图Fig.6 Dryness comparison chart

3.2 蒸汽干度对比

蒸汽干度测试主要有两种方法：①物理方法：采用干度仪分别测量锅炉给水和炉水中盐分电导率，按式（4）计算；②化学方法：在锅炉给水和炉水中分别加入稀硫酸进行酸碱中和滴定，通过耗酸量计算干度。其干度对比如图6所示。

4 无盐水加热法和汽水分离+过热+掺混法的应用

新疆工程技术公司制造了四种型号高干度锅炉：YZG-50/14-G、YZG-22.5/14-G、YZG20-360/14-G、YZG22.5-360/14-G，共计50台在风城作业区、红山油田、采油一厂得到应用，有效的满足超稠油开采注汽工艺需要，使用效果良好。

5 结 论

本文提出的分离+过热+掺混法能有效提高锅炉出口蒸汽干度，应用表明锅炉蒸汽出口干度达到了100%，并有一定的过热度，满足了超稠油热采和SAGD注汽工艺要求，从而解决了软化水在锅炉炉管内结垢问题、高压饱和水排放问题，显著提高了锅炉热效率，实现全自动运行，降低了操作人员的工作强度，可利用油田净化水资源和热能，真正做到了节能环保。

［1］杜义朋，王为民，周立峰. 双涡街法测量饱和蒸汽干度研究[J].当代化工, 2013,1(42):44-46.

［2］李向前.提高注汽干度对稠油热采效果的改善[C].工业技术科技创新导报,2011,1:35-38.

［3］YangY , Xiang G B. Global Satisfied control for non linear integrator processes w ith long delay con trol [J].Theory and App lications, 2006, 5( 2) : 207-210.

［4］周建平，贡军民，郝卫国,齐天喜.高干度油田注汽锅炉:中国实用新型专利,ZL 2008 2 0301899.0[P]. 2009-5-20.

［5］Hojjat M，Etemad S Gh，Bagheri R，et al． Rheological characteristics of non-Newtonian nanofluids: experimental investigation[J］．International Communications in Heat and Mass Transfer，2011，38: 144-148．

Study on the Technology to Improve the Boiler Outlet Steam Dryness

PAN LI-sheng1，ZHANG Hai-ying2
（1. Engineering Technology Company of Xinjiang Oilfield Company, Xinjiang Kelamayi 834000，China；2. Sinopec Shengli Oilfield Limited Company Petrochemical Plant, Shandong Dongying 257000，China）

Ultra heavy oil development and ordinary heavy oil late-stage development require higher steam dryness in Xinjiang oilfield. Conventional boiler steam outlet dryness is only 80%, which cannot meet the requirements of the present stage steam injection process. So steam-water separation and overheating and blending method has been used to improve the steam dryness. The treated steam accompanied by 15 ℃ superheat can meet the requirements of the heavy oil thermal recovery. Field application shows that the method is energy conservation and environmental protection, and its energy efficiency is significant.

Heavy oil development; Steam dryness; Steam development; Steam and water separation

TE 357

A

1671-0460（2015）01-0165-03

2014-07-18

潘立生（1978-），男，黑龙江大庆人，研究方向：注汽锅炉蒸汽技术。E-mail：a0612bpls@163.com。