油田提高注汽鍋爐蒸汽出口干度技術(shù)研究

潘立生，張?，?/p>

（1. 新疆油田公司工程技術(shù)公司，新疆 克拉瑪依 834000； 2. 勝利油田石油化工總廠(chǎng)，山東 東營(yíng) 257600）

油田提高注汽鍋爐蒸汽出口干度技術(shù)研究

潘立生1，張?，?

（1. 新疆油田公司工程技術(shù)公司，新疆 克拉瑪依 834000； 2. 勝利油田石油化工總廠(chǎng)，山東 東營(yíng) 257600）

新疆油田超稠油開(kāi)發(fā)和普通稠油后期開(kāi)采需要更高的蒸汽干度，而常規(guī)鍋爐蒸汽出口干度只有80%，已不能滿(mǎn)足現(xiàn)階段注蒸汽開(kāi)采工藝要求。為此，提出了汽水分離、過(guò)熱、摻混方法進(jìn)提高蒸汽干度，并使其伴有15 ℃過(guò)熱度，達(dá)到了蒸汽驅(qū)稠油熱采條件，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該方法在節(jié)能、環(huán)保和能效上效果顯著。

稠油開(kāi)發(fā)；蒸汽干度；蒸汽開(kāi)發(fā)；汽水分離

注蒸汽已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外廣泛使用的開(kāi)采超稠油的方法。油田注汽鍋爐是產(chǎn)生蒸汽的關(guān)鍵設(shè)備，在油田超稠油開(kāi)采中發(fā)揮著重要作用。經(jīng)過(guò)多年超稠油開(kāi)采探索的實(shí)踐表明，蒸汽干度為80%的常規(guī)油田注汽鍋爐已不能滿(mǎn)足超稠油開(kāi)采要求[1]，因此需要提升鍋爐蒸汽干度，以增加超稠油產(chǎn)量。由于鍋爐給水中含有大量的Na20?mSiO2等硅酸鹽和鍋爐結(jié)構(gòu)的限制，常規(guī)油田注汽鍋爐蒸汽干度＞80%時(shí)，硅酸鹽會(huì)隨著蒸汽干度的升高而逐漸析出，并吸附在鍋爐爐管內(nèi)壁上，降低了爐管的導(dǎo)熱系數(shù)和堵塞爐管，甚至產(chǎn)生爆管的危險(xiǎn)。因此，提出了汽水分離、過(guò)熱、摻混方法進(jìn)提高蒸汽干度的方法。

1 鍋爐熱平衡計(jì)算

鍋爐的熱平衡是指在穩(wěn)定工況下鍋爐的輸入熱量和輸出熱量及各項(xiàng)熱損失之間的平衡[2]。通過(guò)熱平衡計(jì)算鍋爐熱效率和燃料消耗量，熱平衡公式如下：

式中：

Qin—鍋爐的輸入熱量, kJ/kg；

Q1—鍋爐的輸出熱量, kJ/kg；

Q2—排煙損失熱量, kJ/kg；

Q3—?dú)怏w不完全燃燒損失熱量, kJ/kg；

Q4—固體不完全燃燒損失熱量, kJ/kg；

Q5—鍋爐散熱損失熱量, kJ/kg；

Q6—鍋爐外排損失熱量, kJ/kg。

上式也可用它占輸入熱量的百分率表示，則熱平衡方程則可表示為：

式中:

A—爐水導(dǎo)電率, mg/L;

(2)規(guī)范操作過(guò)程。資產(chǎn)證券化的操作過(guò)程需要高度重視，需要不斷提高從業(yè)人員的素質(zhì)，規(guī)避操作規(guī)程中人為失誤而帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，避免操作失誤，是資產(chǎn)證券化過(guò)程中的重要措施(金郁森,2005)。

B—給水導(dǎo)電率, mg/L。

從式（1）和（4）中可知，鍋爐輸出熱量1Q與對(duì)應(yīng)壓力下的飽和蒸汽干度X相適應(yīng)，只有1Q越大，X才越高。從式（3）中可知，在減少各項(xiàng)熱損失的基礎(chǔ)上，才能提高鍋爐的整體熱效率η，由于受鍋爐材料性能和結(jié)構(gòu)限制以及工質(zhì)被加熱后相態(tài)的變化，鍋爐的熱效率η只能確定一個(gè)相對(duì)合理的目標(biāo)值，同時(shí)鍋爐輸出熱量1Q值和蒸汽干度X應(yīng)與鍋爐性能相匹配。

2 提升蒸汽干度方法

2.1 分離排放法

將油田凈化水由鍋爐加熱后，蒸汽出口干度為80%，然后經(jīng)汽水分離器分離后，干度為99%蒸汽注入井底，而分離出來(lái)的飽和水經(jīng)換熱器換熱后再經(jīng)擴(kuò)容器減壓排放[3]，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 分離排放法結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure diagram of separation emission method

2.2 井口加熱摻混法

將油田凈化水由鍋爐加熱后，蒸汽出口干度為75%，經(jīng)汽水分離器分離后分別傳輸至井口，在井口處，利用井口加熱爐將干蒸汽繼續(xù)加熱成過(guò)熱蒸汽，然后再與鍋爐分離出來(lái)的飽和水摻混后注入井底，其工作原理如圖2所示。

圖2 井口加熱摻混法結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Structure diagram of wellhead heating mixing method

2.3 無(wú)鹽水加熱法

為防止鍋爐給水加熱后，在爐管內(nèi)析鹽結(jié)垢，先將給水進(jìn)行軟化處理：利用離子交換樹(shù)脂除去水中Ca2+、Mg2+離子，使其含量降低到0.01 mg/L以下，再采用反滲透法對(duì)軟化水中的硅酸鹽等進(jìn)行處理，并除碳和加熱真空除氧。

2.3.2 無(wú)鹽水加熱鍋爐結(jié)構(gòu)方案研究

在無(wú)鹽水加熱鍋爐結(jié)構(gòu)方案，鍋爐來(lái)水經(jīng)給水泵增壓后，給鍋爐供水，增壓后的水先經(jīng)過(guò)水-水熱交換器外管進(jìn)行對(duì)流換熱，換熱后，進(jìn)入一次對(duì)流段，再進(jìn)入二次對(duì)流段，在對(duì)流段內(nèi)與煙氣進(jìn)行對(duì)流換熱，使其達(dá)到干度為30%的濕飽和蒸汽，然后再經(jīng)水—水熱交換器內(nèi)管進(jìn)入輻射段，在爐膛內(nèi)經(jīng)輻射傳熱后，使其達(dá)到干度為80%濕飽和蒸汽，最后再進(jìn)入對(duì)流蒸發(fā)段與煙氣進(jìn)行對(duì)流換熱，使蒸汽出口干度達(dá)95%以上或微過(guò)熱。通過(guò)對(duì)該鍋爐各部件蒸汽壓力、溫度、流量、干度、煙氣溫度進(jìn)行監(jiān)控，反饋到控制系統(tǒng)，再?gòu)目刂葡到y(tǒng)，發(fā)出指令，調(diào)節(jié)水量、火量等，整個(gè)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)。

2.3.3 鍋爐熱能配比及材料的選擇

根據(jù)鍋爐各部件的吸熱方式不同和工質(zhì)被加熱過(guò)程的相態(tài)變化，要合理分配各部件吸熱能力如圖3所示。根據(jù)煙氣的溫度、被加熱工質(zhì)溫度及相態(tài)，各部件材料選擇如表1。

表1 無(wú)鹽水加熱鍋爐各部件材料Table 1 No salt water heating boiler components materials

2.4 汽水分離+過(guò)熱+摻混法[4]

2.4.1 汽水分離+過(guò)熱+摻混法鍋爐結(jié)構(gòu)方案研究

汽水分離+過(guò)熱+摻混法鍋爐結(jié)構(gòu)方案中，軟化水經(jīng)給水泵增壓后，經(jīng)水—水熱交換器外管換熱后進(jìn)入對(duì)流段進(jìn)行初步加熱，然后再經(jīng)水—水熱交換器內(nèi)管進(jìn)入輻射段，將鍋爐給水進(jìn)一步加熱至75%～80%干度的濕飽和蒸汽，該蒸汽進(jìn)入汽水分離器進(jìn)行汽水分離，分離出的干度達(dá)99%蒸汽由分離器蒸汽出口管進(jìn)入過(guò)熱段加熱至過(guò)熱，然后再進(jìn)入摻混器；由汽水分離器分離出的高含鹽飽和水由分離水出口管進(jìn)入摻混器；在摻混器中，利用過(guò)熱蒸汽將高含鹽飽和水加熱并完全汽化，形成干度100%的微過(guò)熱蒸汽后，由混合蒸汽出口管輸出至蒸汽出口管注入油井。

2.4.2 鍋爐熱能配比及自動(dòng)控制技術(shù)研究

由于被加熱工質(zhì)是含鹽軟化水，因此要嚴(yán)格限制限制輻射段和過(guò)熱段的吸熱能力，以防止由于過(guò)燒而在爐管內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢，其熱能配比如圖4所示。由于被加熱介質(zhì)中含有大量的鹽分，因此不能將鍋爐給水直接加熱成高干度蒸汽，只有達(dá)到輻射段出水指標(biāo)限定的條件，分離器才允許分離，才能將干飽和蒸汽加熱成過(guò)熱蒸汽，各測(cè)點(diǎn)向PLC反饋信號(hào)，然后再?gòu)腜LC發(fā)出指令，整個(gè)過(guò)程完全由計(jì)算機(jī)自行完成。

圖4 汽水分離+過(guò)熱+摻混法鍋爐各部件熱能配比圖Fig.4 Heat ratio figure of the boiler components of separating and overheating and mixing method

圖3 無(wú)鹽水加熱鍋爐各部件熱能配比圖Fig.3 Heat ratio map of no salt water heating boiler components

3 性能對(duì)比分析

3.1 熱效率對(duì)比

該類(lèi)鍋爐采用燃油、燃?xì)庾鳛槿剂?，根?jù)式（3）可知，其熱效率對(duì)比如圖5所示。

圖5 熱效率對(duì)比圖Fig.5 Thermal efficiency comparison chart

圖6 干度對(duì)比圖Fig.6 Dryness comparison chart

3.2 蒸汽干度對(duì)比

蒸汽干度測(cè)試主要有兩種方法：①物理方法：采用干度儀分別測(cè)量鍋爐給水和爐水中鹽分電導(dǎo)率，按式（4）計(jì)算；②化學(xué)方法：在鍋爐給水和爐水中分別加入稀硫酸進(jìn)行酸堿中和滴定，通過(guò)耗酸量計(jì)算干度。其干度對(duì)比如圖6所示。

4 無(wú)鹽水加熱法和汽水分離+過(guò)熱+摻混法的應(yīng)用

新疆工程技術(shù)公司制造了四種型號(hào)高干度鍋爐：YZG-50/14-G、YZG-22.5/14-G、YZG20-360/14-G、YZG22.5-360/14-G，共計(jì)50臺(tái)在風(fēng)城作業(yè)區(qū)、紅山油田、采油一廠(chǎng)得到應(yīng)用，有效的滿(mǎn)足超稠油開(kāi)采注汽工藝需要，使用效果良好。

5 結(jié) 論

本文提出的分離+過(guò)熱+摻混法能有效提高鍋爐出口蒸汽干度，應(yīng)用表明鍋爐蒸汽出口干度達(dá)到了100%，并有一定的過(guò)熱度，滿(mǎn)足了超稠油熱采和SAGD注汽工藝要求，從而解決了軟化水在鍋爐爐管內(nèi)結(jié)垢問(wèn)題、高壓飽和水排放問(wèn)題，顯著提高了鍋爐熱效率，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，降低了操作人員的工作強(qiáng)度，可利用油田凈化水資源和熱能，真正做到了節(jié)能環(huán)保。

［1］杜義朋，王為民，周立峰. 雙渦街法測(cè)量飽和蒸汽干度研究[J].當(dāng)代化工, 2013,1(42):44-46.

［2］李向前.提高注汽干度對(duì)稠油熱采效果的改善[C].工業(yè)技術(shù)科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),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，貢軍民，郝衛(wèi)國(guó),齊天喜.高干度油田注汽鍋爐:中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利,ZL 2008 2 0301899.0[P]. 2009-5-20.

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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，黑龍江大慶人，研究方向：注汽鍋爐蒸汽技術(shù)。E-mail：a0612bpls@163.com。