油田注汽鍋爐蒸汽參數(shù)的熱力學(xué)分析

董珊珊，王為民, 劉廣鑫，陳順江, 張 鑫，賈馮睿，趙桐

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001；2. 遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部， 遼寧 撫順 113001； 3. 黑龍江省海林林業(yè)局， 黑龍江 牡丹江 157100）

油田注汽鍋爐蒸汽參數(shù)的熱力學(xué)分析

董珊珊1，王為民1, 劉廣鑫1，陳順江1, 張 鑫2，賈馮睿1，趙桐3

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001；2. 遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部， 遼寧 撫順 113001； 3. 黑龍江省海林林業(yè)局， 黑龍江 牡丹江 157100）

針對(duì)油田注汽鍋爐能耗過(guò)高問(wèn)題，運(yùn)用“黑箱”模型分析方法，建立了注汽鍋爐火用分析模型，對(duì)國(guó)內(nèi)某油田注汽鍋爐進(jìn)行了火用效率和熱效率計(jì)算。分析了蒸汽壓力、蒸汽干度和蒸汽蒸發(fā)量3個(gè)影響油田注汽鍋爐火用效率和熱效率的影響因素及其變化規(guī)律。研究表明，火用效率和熱效率隨蒸汽壓力、蒸汽干度的增大而降低，隨蒸汽蒸發(fā)量的增大而升高。其中，蒸汽蒸發(fā)量對(duì)鍋爐火用效率和熱效率影響最大，蒸汽蒸發(fā)量每增大0.2 t/h，鍋爐火用效率增大約為0.30%，熱效率增大約為0.70%。

注汽鍋爐；蒸汽參數(shù)；火用效率；熱效率

在我國(guó)稠油資源的儲(chǔ)量約占我國(guó)石油總儲(chǔ)量的70%，稠油的高效開(kāi)采和有效利用正逐漸成為油田采油的研究重點(diǎn)。注汽鍋爐是油田熱力開(kāi)采稠油最重要的設(shè)備之一，也是油田主要的耗能設(shè)備之一，其能耗約占油田熱力采油系統(tǒng)總能耗的 70%[1]。因此，針對(duì)油田注汽鍋爐的熱力研究，特別是關(guān)于注汽鍋爐?效率和熱效率的研究，可合理優(yōu)化油田注汽鍋爐工作參數(shù)，對(duì)降低油田熱力采油系統(tǒng)能耗具有重要意義。

從熱力學(xué)角度出發(fā)，?通常作為直接衡量能量做功能力的參數(shù)[2]，?效率是指系統(tǒng)輸出?和收益?的比值，?效率的高低直接反應(yīng)了系統(tǒng)熱能的有效利用率。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)?效率進(jìn)行了大量研究。王志國(guó)等通過(guò)建立?分析模型，提出了NGL深冷分離裝置的火用分析模型[3]；Rongling Li等運(yùn)用?分析的特征模型，研究了空氣源熱泵系統(tǒng)的?概念[4]；李亞奇等運(yùn)用有限時(shí)間熱力學(xué)法，研究了蝶式集熱器驅(qū)動(dòng)斯特林熱機(jī)系統(tǒng)的?效率[5]；馬一太等以熱泵系統(tǒng)的?平衡方程為依據(jù)，研究了壓縮式熱泵的?效率的全新定義[6]；陳雁等建立了地埋管地?zé)嵩聪到y(tǒng)的源側(cè)熱力分析模型，開(kāi)展了地埋管地源熱泵系統(tǒng)的?分析[7]。然而鮮有針對(duì)注汽鍋爐?效率的研究?；诖耍疚臄M通過(guò)建立注汽鍋爐“黑箱”?分析模型，建立了油田注汽鍋爐?效率和熱效率計(jì)算方程，并對(duì)國(guó)內(nèi)某油田注汽鍋爐?效率和熱效率進(jìn)行了計(jì)算，系統(tǒng)分析了影響注汽鍋爐蒸汽參數(shù)對(duì)?效率和熱效率的影響因素及其變化規(guī)律。以期為降低油田熱力采油系統(tǒng)的能耗提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 注汽鍋爐?分析模型的建立

在熱力學(xué)研究過(guò)程中，通常將研究對(duì)象（可包括被研究系統(tǒng)、子系統(tǒng)或者所研究的單個(gè)設(shè)備）視為由“不透明”的邊界所包圍的體系，通過(guò)相關(guān)參數(shù)計(jì)算輸入、輸出體系的能流或物流的?值，從而得出研究對(duì)象的的供給?、有效?及損失?，即為黑箱分析[8]。

1.1 注汽鍋爐?分析模型的建立

為了方便了解注汽鍋爐的能量流動(dòng)及?效率分析，應(yīng)用黑箱模型如圖1所示，進(jìn)行注汽鍋爐?效率和熱效率的研究。

圖1 注汽鍋爐系統(tǒng)的黑箱模型Fig.1 The black box model of steam injection boiler system

1.2 注汽鍋爐?效率和熱效率計(jì)算方程的建立

注汽鍋爐的供給?為

式中：Exf—注汽鍋爐的燃料?，kJ/h；

Exr—進(jìn)入注汽鍋爐空氣的物理顯?，kJ/h。

注汽鍋爐子系統(tǒng)有效?為：

式中：Exq—注汽鍋爐產(chǎn)生蒸汽的?，kJ/h；

Exs—進(jìn)入注汽鍋爐給水的?，kJ/h。

注汽鍋爐子系統(tǒng)?損為：

式中：ExTy— 注汽鍋爐子系統(tǒng)的排煙?損，kJ/h；

Ir—注汽鍋爐燃燒不可逆的內(nèi)部?損失，kJ/h；

I0—注汽鍋爐其他外部?損失，kJ/h；

Ic—注汽鍋爐傳熱?損失，kJ/h。

注汽鍋爐子系統(tǒng)的?效率為：

注汽鍋爐子系統(tǒng)的能損系數(shù)為：

且有

1.3 計(jì)算實(shí)例

以國(guó)內(nèi)某油田23 t/h注汽鍋爐為例，利用注汽鍋爐主要參數(shù)如表1所示，對(duì)其進(jìn)行?效率和熱效率計(jì)算，?計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表2，熱效率計(jì)算結(jié)果如詳見(jiàn)表3。

表1 23 t/h注汽鍋爐主要參數(shù)表Table 1 Main parameters of 23 t/h steam injection boiler

表2 注汽鍋爐系統(tǒng)?效率計(jì)算結(jié)果Table 2 Steam injection boiler system exergy efficiency calculation results

表3 注汽鍋爐系統(tǒng)熱效率計(jì)算結(jié)果Table 3 Steam injection boiler system thermal efficiency calculation results

2 注汽鍋爐?效率和熱效率影響因素分析

2.1 蒸汽壓力對(duì)注汽鍋爐?效率和熱效率影響

改變表1中蒸汽壓力大小分別在71～21.5 MPa間變化，其他參數(shù)不變，分別計(jì)算注汽鍋爐的?效率和熱效率，得出蒸汽壓力與鍋爐?效率、熱效率關(guān)系如圖2所示。

圖2 蒸汽壓力與鍋爐?效率和熱效率關(guān)系圖Fig.2 Relational graph of the steam pressure and the boiler thermal efficiency and exergy efficiency

分析圖2可知，整體上注汽鍋爐?效率、熱效率隨蒸汽壓力增大而減小。當(dāng)蒸汽壓力大于17 MPa小于21 MPa，隨蒸汽壓力增大，鍋爐?效率和熱效率下降速率較大，且壓力每增大 0.5 MPa，?效率降低約 0.23%，熱效率降低約 0.53%；當(dāng)壓力大于21 MPa后，隨壓力增大，鍋爐的?效率、熱效率幾乎不發(fā)生變化。雖然，在理論上，蒸汽壓力越大鍋爐的?效率和熱效率越低，但是由于產(chǎn)出蒸汽需要注入地下需要一定的壓力[9]，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中蒸汽壓力通常為2 021 MPa。

2.2 蒸汽干度對(duì)注汽鍋爐?效率和熱效率影響

利用表 1中數(shù)據(jù)，分別計(jì)算蒸汽干度在55%～100%之間注汽鍋爐的?效率和熱效率，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 蒸汽干度與鍋爐?效率和熱效率關(guān)系圖Fig.3 Relational graph of the steam dryness and the boiler thermal efficiency and exergy efficiency

分析圖3可知，蒸汽干度與鍋爐?效率、熱效率之間基本呈線性關(guān)系，且隨蒸汽干度的增大，鍋爐?效率和熱效率都逐步降低。經(jīng)計(jì)算可得，蒸汽干度每增大5%，鍋爐?效率降低約0.06%，熱效率下降約0.39%。蒸汽干度作為稠油開(kāi)采過(guò)程中最重要的參數(shù)之一[10-11]，當(dāng)蒸汽干度過(guò)低時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響稠油開(kāi)采的效率，因此，油田蒸汽干度通常約為80%。

2.3 蒸汽蒸發(fā)量對(duì)注汽鍋爐?效率和熱效率的影響

在保持表1中其他參數(shù)不變的情況下，分別計(jì)算鍋爐蒸發(fā)量在23.0～24.8 t/h區(qū)間變化時(shí)，注汽鍋爐?效率和熱效率，其計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 蒸汽蒸發(fā)量與鍋爐?效率和熱效率關(guān)系圖Fig.4 Relational graph of the steam evaporation and the boiler thermal efficiency and exergy efficiency

分析圖4可知，注汽鍋爐蒸汽蒸發(fā)量與鍋爐?效率、熱效率之間基本呈線性關(guān)系，且鍋爐?效率、熱效率隨蒸汽蒸發(fā)量增大而增大。蒸汽蒸發(fā)量每增大0.2 t/h，鍋爐?效率增大約為0.30%，熱效率增大約為 0.70%。由此可見(jiàn)，蒸汽蒸發(fā)量越大鍋爐?效率和熱效率越高。通常情況下，鍋爐蒸汽蒸發(fā)量大小由生產(chǎn)過(guò)程中蒸汽用量決定。

3 結(jié) 論

（1）注汽鍋爐蒸汽參數(shù)中影響注汽鍋爐?效率和熱效率的主要影響因素為蒸汽壓力蒸汽干度和蒸汽蒸發(fā)量3個(gè)影響因素。鍋爐?效率和熱效率隨著蒸汽壓力、蒸汽干度的增大而減小；隨著蒸汽蒸發(fā)量的增大而增大。

（2）3個(gè)影響因素中，蒸汽蒸發(fā)量對(duì)注汽鍋爐?效率和熱效率影響最大，蒸汽壓力影響次之，蒸汽干度影響最小。

（3）蒸汽蒸發(fā)量對(duì)注汽鍋爐?效率和熱效率影響最大，蒸汽蒸發(fā)量每增大0.2 t/h，鍋爐?效率增大約為0.30%，熱效率增大約為0.70%。

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Thermodynamic Analysis on Steam Parameters of the Steam Boiler

DONG Shan-shan1，WANG Wei-min1，LIU Guang-xin1,CHEN Shun-jiang1，ZHANG Xin2, JIA Feng-rui1，ZHAO Tong3
（1. College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. College of Chemistry,Chemical Engineering and Environment Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China; 3. Heilongjiang Hailin Forestry Bureau , Heilongjiang Mudanjiang 157100，China）

Aiming at the problem of high energy consumption in the steam boiler, exergy analysis model of the steam boiler was established by "black box" model analysis method. Exergy efficiency and thermal efficiency of the steam boiler in a domestic oilfield were calculated. The influence of the steam pressure, the steam quality and the steam evaporation on the exergy efficiency and the thermal efficiency of the steam boiler was investigated. The research results show that, with increasing of the steam pressure and steam quality, the exergy efficiency and the thermal efficiency of the steam boiler decrease; but with increasing of the steam evaporation, the exergy efficiency and the thermal efficiency of the steam boiler increase. Among them, influence of the steam evaporation on the exergy efficiency and thermal efficiency of the boiler is the greatest; when the steam evaporation increases 0.2 t/h,the exergy efficiency of the steam boiler increases by about 0.30%, the thermal efficiency increases by about 0.70%.

Steam boiler; Steam parameters; Exergy efficiency; Thermal efficiency

TK 222

A

1671-0460（2014）11-2339-04

2014-04-03

董珊珊（1989-），女，河北秦皇島人，在讀碩士，遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，研究方向：油田稠油采集效率研究。E-mail：13898321964@163.com。