注汽锅炉能流分析与节能优化研究

王　辉　杨元亮　张　建　王增林　徐明海

（1.中国石化石油工程设计有限公司；2.胜利油田新春采油厂；3.中国石化胜利油田分公司；4.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院）



注汽锅炉能流分析与节能优化研究

王辉1杨元亮2张建1王增林3徐明海4

（1.中国石化石油工程设计有限公司；2.胜利油田新春采油厂；3.中国石化胜利油田分公司；4.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院）

为了有效提高注汽系统用能效率，减少稠油生产能耗和污染排放，提高经济效益，以注汽锅炉本体及机组系统为研究对象，建立了能量平衡模型和两箱平衡模型。对春风油田注汽系统进行了能耗测试，并根据测试数据计算得出用能评价指标，确定了能流分布规律，找出用能薄弱环节，即排烟热损失、固体未完全燃烧热损失占较大比重，低温燃烧和大温差传热是造成效率低的主要原因。提出了二次燃烧、烟气余热回收、空气过量优化控制、额定负荷运行等工艺节能优化措施，为实现注汽系统高效用能提供了理论依据。

注汽系统能耗测试能流分析节能优化

全球对温室气体和污染气体减排要求越来越高，与此同时，全球油价正在经历着史上少有的低谷时期。国内油田生产企业面临着越来越严峻的减少排放和降低成本的双重压力，节能降耗逐渐成为石油生产企业保持可持续发展的必要手段。稠油注汽系统是油田生产企业最主要的耗能环节，因此了解注汽系统用能水平，找出与先进企业的差距，确定节能潜力以便科学指导企业节能工作，变得非常有意义［1］。注汽系统能耗的影响因素较多，且各因素之间的相互作用非常复杂，很难单独就某种因素对系统的能耗影响规律进行合理分析，需要通过科学、有效的能耗分析手段，建立系统用能分析模型［2-5］，对影响能耗的各因素进行系统全面的分解剖析，确定合理的用能分析与评价指标，确定注汽系统节能降耗的方向，为制定能耗控制措施和指导生产工艺节能奠定基础［6-10］。以春风油田为例，对注汽锅炉系统进行能耗测试，并进行平衡计算，得出用能指标［11-14］，确定能流分布，把握薄弱环节，并依此提出节能优化措施。

1　注汽站工艺流程

春风油田北部注汽站内锅炉额定流量为48 t/h、额定压力14.2 MPa，类型为链排式燃煤直流锅炉。汽水流程为：经过处理后合格的软化除氧水进入高压柱塞泵入口端，经柱塞泵升压后打入套管式给水预热器，使给水超过烟气“酸露点”温度，通常要求在110～120℃左右，以避免烟气对翅片管的低温腐蚀。经预热后的水进入一、二级对流段，吸收烟气热量后再进入水-水换热器作为热源加热给水，经冷却后进入三级对流段并被加热到饱和后再送入辐射段，水在辐射段经加热汽化后变为14.2 MPa高压湿蒸汽，干度达到70%～80%，然后送出系统。烟风流程则较为简单：外部冷空气经过送风机升压后进入空气预热器，受高温烟气加热后再由链排底部的送风口吹入炉膛，原煤燃烧后产生的高温烟气分别流经辐射段和三、二、一级对流段并释放热量后送入排烟管道，在排放之前通过空预器回收部分热量，再经过脱硫除尘后通过烟囱外排到大气中。具体工艺流程如图1所示。

2　能量平衡模型及正反平衡测试

锅炉的能量平衡是指在稳定运行状态下，锅炉输入热量与输出热量及各项热损失之和的热量平衡。在锅炉系统中，输入系统的能量有燃料释放的热能，燃料泵系统、风机系统输入的电能以及燃料携带的显热等。输出系统的能量有蒸汽所带走的热能、烟气带走的热能，气体不完全燃烧热损失、固体不完全燃烧热损失、炉体的散热损失以及灰渣物理热损失等。从能量守恒的角度考虑，对整个锅炉机组而言，输入锅炉的热量应等于输出锅炉的热量，对应l kg燃料的锅炉热平衡，其数学模型表示如下：

图1　锅炉内部汽水及烟风工艺流程

式中：Qr为锅炉输入热量，kJ/kg；Q1为锅炉输出热量，kJ/kg；Q2为排烟热损失，kJ/kg；Q3为气体不完全燃烧热损失，kJ/kg；Q4为固体不完全燃烧热损失，kJ/kg；Q5为炉体散热损失，kJ/kg；Q6为灰渣物理热损失，kJ/kg。将式（1）用方程右侧各项热量占输入热量的比值百分数来表示，则有

其中

锅炉用能效果评定准则为热效率，可通过正、反平衡两种方法计算求得。其中正平衡法为锅炉有效利用热量与燃料输入锅炉热量的比值，按下式计算：

反平衡法则是测定锅炉的各项热损失，然后反算热效率，即

对注汽锅炉进行能耗测试的依据是SY/T 6275—2007《油田生产系统节能监测规范》、GB/T 15317—2009《燃煤工业锅炉节能监测》、SY/T 6835—2011《稠油热采蒸汽发生器节能监测规范》，以及SY/T 5264—2006《油田生产系统能耗测试和计算方法》等。首先通过元素分析了解燃煤的组成，并测出平均热值；利用锅炉在线仪表测试燃煤耗量、给水的流量，并读取蒸汽的压力、温度；采用氯根滴定法测量出口蒸汽干度量；使用温度计测试水进口温度与环境温度，以此为基础完成锅炉正平衡效率的测试。通过对烟气、灰渣进行组成分析、温度测试，对锅炉外表进行热流密度测试，以此为基础完成锅炉反平衡效率的测试［15］。测试结果如表1所示。

表1　注汽站锅炉正反平衡测试结果

由以上数据可以看出：锅炉系统正反平衡效率绝对误差小于5%，说明系统的测算调研准备充分，测试过程合理，调研所得测试数据较为准确，测试计算结果具有较高可靠性；锅炉额定工况下效率为82%，而实际运行平均效率只有77.86%，主要原因在于排烟热损失、固体未完全燃烧热损失比例较大，并且锅炉实际负荷率低，造成较大的散热损失；过量空气系数大，导致锅炉的对流换热情况下降，同时锅炉的辐射换热过程不够充分，相比效率较高的锅炉烟气量过大。一般油田锅炉过量空气系数稍高，维持在1.2～1.4之间，可以看出本锅炉过量空气系数过大，甚至超过1.8，必然造成更大的能量损失与燃料的浪费，带来更多的污染。

3　平衡两箱分析模型

白箱模型对体系内、外部的各个用能设备和过程逐个分析，除需要计算输入、输出体系的物流（能）值，还需计算设备各个能量传递和转换过程的（能）损失及损系数。锅炉白箱分析模型如图3所示，其中：Exrk为热空气的物理，Exrl为燃料供给，两者之和为供入Exsup；Exsr和Exlz分别表示锅炉的散热损失和锅炉排渣损失；Exq和Exg分别为气体和固体未完全燃烧所带走的化学损；Expy表示锅炉的排烟损失；Exlrs为燃烧损；Exlcr1、Exlcr2为注汽锅炉中的烟气分别对水和对空气的传热损失。由此可得到反平衡效率：

图2　注汽锅炉“黑箱”模型

图3　注汽锅炉“白箱”模型

表2　注汽站锅炉平衡两箱分析结果

表2　注汽站锅炉平衡两箱分析结果

黑箱模型物流带入/ kW 9.112 46白箱模型燃烧损系数/ % 46.074 15物流带出/ kW 7 806.19供给/ kW 31 415.4有效/ kW 7 797.08正平衡效率/ % 24.819 3传热损系数/ % 25.943 26排烟损系数/ % 4.485 105散热损系数/%反平衡效率/% 7.61E-0223.421 36

由以上表格数据可以看出：

2）燃料燃烧过程是从能量存储的化学能变为高温烟气热能的过程，必然要损失一定的做功能力，这是由功与能的本质区别造成的；当高温烟气向锅炉给水传热时，温度从1200℃向120℃的水传热，巨大的不可逆传热温差是造成系统损失大的原因，加上烟气排放携带损失，综合造成的效率远远低于系统的热效率。

4　提高锅炉效率的途径

4.1节能措施建议

1）排烟温度过高，说明燃烧释放的热量没有被工质充分吸收，因此对蒸汽锅炉可以采取如下的改进措施：通过定期吹灰和除垢措施保持换热面的清洁，增强烟气与水管表面间的热量传递过程，从而降低排烟温度；增加对流段的传热面积，更多地吸收烟气中的热量；增设其他余热回收装置。由于蒸汽锅炉因结构所限难以改造，可在烟管与烟囱之间增设小型的余热回收装置，以降低加热炉排烟温度。

2）固体不完全燃烧是仅次于锅炉排烟的热损失环节［20］。通过延长灰渣在炉内停留时间，收集飞灰中的固体可燃物重新利用，改善炉排结构以减少漏煤量，采用分区配风、送二次风、改进炉拱结构等方法都可以减少链条炉排锅炉的固体不完全燃烧热损。

3）锅炉送风优化控制。为了使锅炉中的燃料尽可能地燃烧完全，实际供给的空气量总要大于理论空气量，即过量空气系数总是大于l。考虑到配风量小不完全燃烧热损失增加，配风量大则排烟损失增加，因此过量空气系数α过大或过小都对燃烧不利。为使蒸汽锅炉过量空气系数处于合理、科学的范围，可以采用送风自控系统，实现锅炉送风优化控制。

4）泵机组普遍在低负荷区域运行导致电能利用率低，仅为65%左右。为了提高机泵运行效率，应从以下方面入手：避免负载率低，使机泵满负荷运行；提高电动机的功率因数，如采用变频调速技术。

①提高锅炉给水温度。通过锅炉给水和尾部排烟的换热，提高给水温度同时降低烟气温度，综合进行会降低系统的损失量。由于锅炉给水由给水泵提供，余热温度过高给水泵会发生气蚀现象，因此需要综合考虑锅炉的给水预热温度。

②提高预热空气温度。通过空气预热器，可以提高供风温度，一方面可以降低化学能转换的传热温差，另一方面有利于维持锅炉内部高温条件，减少燃烧过程的损失。

4.3烟气余热装置设计与节能评价

表3　单台热管省煤器工艺参数

按照上述工艺方案可以给出其经济型评价结果（表4）。

表4　单台省煤器节能效果分析

5　结论

1）通过能耗测试和能量平衡计算可知，锅炉用能薄弱环节主要在于排烟热损失、固体未完全燃烧热损失，锅炉散热损失比重小，但不可忽略。

2）通过烟气余热回收、延长灰渣停留时间、二次燃烧、空气过量优化控制、额定负荷运行等工艺，可以大大减少系统热损失，从而提高总体热效率。

4）烟气预热给水方案工艺简单，投资少见效快，只要系统参数控制得当，完全能满足降低锅炉排烟热损失，从而提高锅炉热效率。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2015.10.006

2015-06-30）

王辉，高级工程师，2012年毕业于中国石油大学（华东）（热能工程专业），博士，从事稠油热采和热能利用研究，E-mail：316328693@qq.com，地址：山东省东营市中石化石油工程设计有限公司科研所，257026。

国家科技重大专项（2011ZX05017-004-HZ01）；中石化胜利油田重点科技攻关项目（YKD1201）；中石化胜利油田博士后课题（GKB1301）。