熱采鍋爐能量利用新分析

代金陽(yáng)，褚福巒，郭占軍，謝新德

中油遼河油田公司錦州采油廠，遼寧 盤錦 124010

1.概述

熱力學(xué)是研究能量轉(zhuǎn)換的科學(xué)。用熱力學(xué)原理去認(rèn)識(shí)能量、了解能量，以及在生產(chǎn)實(shí)踐中指導(dǎo)人們合理的使用能量、節(jié)約能量是近代熱力學(xué)一項(xiàng)非常重要的工作。在遼河油田生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)出的原油有2/3是稠油、超稠油和高凝油，其能耗是一般原油的兩到三倍。錦州采油廠所轄地下油層比較薄，油層的埋藏深度深，分布不連續(xù)，受到現(xiàn)階段采油技術(shù)水平的限制，熱力開采仍然作為當(dāng)前原油開采的重要手段。注蒸汽采油的主要設(shè)備是注汽鍋爐（濕蒸汽發(fā)生器），它的效率的高低直接影響著注汽采油的經(jīng)濟(jì)效益，因而了解造成鍋爐能量損耗和損失的原因、能量損耗和損失的分布，對(duì)用能情況進(jìn)行深入的討論分析，不僅能夠提高能量利用率，還能更合理地利用能量。

在注汽生產(chǎn)過(guò)程，我們常常用熱力學(xué)第一定律分析法來(lái)分析鍋爐的用能好壞與節(jié)能潛力，熱效率越高說(shuō)明節(jié)能潛力越大。它雖然簡(jiǎn)單直觀，容易理解和掌握，運(yùn)用得當(dāng)對(duì)節(jié)能工作能起到重要作用，但由于它所依據(jù)的僅是能量數(shù)量上的守恒性，在挖掘節(jié)能潛力時(shí)有較大的局限性和不合理性，帶有很大的片面性?，F(xiàn)代節(jié)能原理是同時(shí)依據(jù)熱力學(xué)第一、第二定律，并通過(guò)直觀實(shí)用的方式，來(lái)體現(xiàn)能的全面本性，由此建立的節(jié)能理論和方法，稱為第二定律分析法。這種方法有兩大類：熵分析法和火用分析法。由于熵分析法比較抽象，不能評(píng)價(jià)能量的使用價(jià)值，且本身也不是一種能量，現(xiàn)在已被火用分析法取代。

火用分析法認(rèn)為：能量=火用+火無(wú)

火用主要是針對(duì)熱量提出的，即熱量中最大能轉(zhuǎn)化為功的部分。采用火用分析法，能從本質(zhì)上找出能量損失，能更完善、更具體的衡量設(shè)備或熱力系統(tǒng)的熱力學(xué)完善度，為節(jié)能提供目標(biāo)和對(duì)策。以熱力學(xué)第一和第二定律為基礎(chǔ)，用于確定過(guò)程火用的利用率?；鹩玫睦寐识x為過(guò)程期望的火用Exn與實(shí)現(xiàn)期望所消耗的火用Exa之比。

2.熱采鍋爐的熱力學(xué)分析

注汽鍋爐是一種強(qiáng)制循環(huán)的直流鍋爐，主要包括燃燒系統(tǒng)、輻射段、對(duì)流段、水－水換熱器和煙囪。它將油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成蒸汽的熱能，由于各種原因，燃料在鍋爐里不會(huì)完全燃燒，燃料放出的熱量也只有一部分被工質(zhì)吸收，還有一部分隨鍋爐爐渣、煙氣排放到環(huán)境中，盡量減少損失熱是提高鍋爐效率的有效措施。以34#鍋爐控制系統(tǒng)為例，流程圖見圖2-1。

圖2-1 鍋爐水汽流程示意圖

2.1 鍋爐的熱平衡方程

熱注作業(yè)一區(qū)某鍋爐的熱平衡方程式如下

式中，Qr為燃料供給熱；Q1為有效利用熱；Q2為排煙熱損失；Q3為化學(xué)不完全燃燒熱損失；Q4為機(jī)械不完全燃燒熱損失；Q5為散熱損失；Q6為灰渣物理?yè)p失。

2.2 鍋爐的熱效率

鍋爐的熱效率分為正平衡熱效率、反平衡熱效率。

(1)正平衡熱效率

通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)求得Qr、Q1所得的熱效率稱為正平衡熱效率，它反映了有效熱占鍋爐總吸熱量的百分比：η=q1=Q1/Qr×100%

(2)反平衡熱效率

正平衡法只能給出鍋爐的熱效率，不能給出各項(xiàng)熱損失，因而找不到節(jié)能的途徑，就需要求出鍋爐的反平衡熱效率：η=Q1/Qr=[1-(q2+q3+q4+q5+q6)]×100%

2.3 鍋爐的熱量分析

對(duì)該鍋爐的爐膛出口煙氣分析結(jié)果如表2-1所示。

表2-1 爐膛出口煙氣分析結(jié)果

對(duì)鍋爐的排煙氣體成分分析結(jié)果如表2-2所示。

表2-2 排煙中氣體分析成分

燃料成分見表2-3。

表2-3 燃料成分測(cè)定值

燃油的品質(zhì)為遼河石化渣油,其低位發(fā)熱量為Qydw=42874kJ/kg

2.4 鍋爐的熱量分析結(jié)果

表2-4 鍋爐的熱量分析結(jié)果

2.5 鍋爐的火用分析結(jié)果

表2-5 鍋爐的火用分析結(jié)果

2.6 兩種熱力學(xué)分析法的比較與探討，從表2-4和2-5我們知道：

（1）對(duì)于排煙損失，兩種計(jì)算方法結(jié)果相差較大，根據(jù)熱平衡的觀點(diǎn)，排煙帶走大量的熱，產(chǎn)生了較大的熱損失。從火用平衡的角度，排煙帶走的這部分量雖然很大，但質(zhì)量比較低。對(duì)目前的鍋爐而言，噴油嘴改燒高粘度渣油時(shí)霧化和燃燒效果差、爐子換熱面積灰較為嚴(yán)重。

（2）兩種平衡方法都顯示，熱采鍋爐的外部損失主要還是排煙損失。

3.結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)鍋爐的熱力學(xué)分析,鍋爐的熱效率為81%左右,而火用效率還不到40%,影響火用效率的關(guān)鍵因素是燃燒過(guò)程的火用損失和傳熱火用損失,從節(jié)能的角度來(lái)看,應(yīng)該致力于改善鍋爐的性能。

2）燃燒過(guò)程的火用損失是燃料氧化燃燒發(fā)生不可逆化學(xué)反應(yīng)過(guò)程引起的，它主要受熱力學(xué)平均溫度和理論燃燒溫度的影響。提高燃料和空氣的入爐溫度可以使鍋爐的熱力學(xué)平均溫度升高，利用其輸出的線性模擬量信號(hào)與自動(dòng)控制裝置配合使用，反饋調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)燃燒過(guò)程，使過(guò)量空氣系數(shù)處于最佳值。

[1]張德義.建設(shè)節(jié)約型煉油工業(yè).進(jìn)一步搞好節(jié)能降耗.煉油技術(shù)與工程，2006，36(1)：1～5.

[2]宋豐來(lái).火用效率-分析和評(píng)價(jià)煉油廠加熱爐優(yōu)劣的主要指標(biāo).石油化工設(shè)備技術(shù)，2000，(5)：29～31.

[3]尹朝亮.余熱鍋爐省煤器技術(shù)改造[J].化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2005，21(1)：47～49.