注汽系統(tǒng)散熱損失的測(cè)試與研究

王玉敏

摘要：注汽鍋爐廣泛應(yīng)用于油田的稠油開采過程，提高采收率的關(guān)鍵是最大程度降低注汽系統(tǒng)的散熱損失，提高注入油層的蒸汽質(zhì)量。通過對(duì)鍋爐熱效率及管線熱損失的測(cè)試，掌握在用注汽鍋爐及管線的能耗情況，查找注汽系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，評(píng)價(jià)注汽系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，從而為實(shí)施節(jié)能技改，提高注汽系統(tǒng)效率，提供依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：注汽鍋爐;注汽系統(tǒng);散熱損失;熱效率;節(jié)能

1.測(cè)試依據(jù)及方法

1.1評(píng)價(jià)指標(biāo)

鍋爐評(píng)價(jià)指標(biāo)依據(jù)GB/T 10180-2017《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》及TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》中的相關(guān)要求進(jìn)行測(cè)試及評(píng)價(jià)。注汽管線評(píng)價(jià)指標(biāo)依據(jù)GB/T 8174-2008《設(shè)備及管道絕熱效果的測(cè)試與評(píng)價(jià)》中的相關(guān)要求進(jìn)行測(cè)試。以上評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在結(jié)合公司設(shè)備現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，制定了鍋爐保溫、排煙溫度、熱效率及注汽管線熱損失指標(biāo)：

（1）表面溫度：發(fā)生器正常運(yùn)行時(shí)，輻射段表面平均溫度≤50℃，最高點(diǎn)不得超過80℃;過渡段、對(duì)流段表面平均溫度≤80℃，最高點(diǎn)不得超過100℃。

（2）排煙溫度：發(fā)生器正常運(yùn)行時(shí)，若以天然氣為燃料，要求排煙溫度≤160℃;若以其它物質(zhì)為燃料，要求排煙溫度≤260℃。

（3）熱效率：要求濕蒸汽發(fā)生器實(shí)際運(yùn)行效率≥86%。

（4）注汽管線保溫：地面熱注管線按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行保溫隔熱，熱流密度不超過209W/m²。

1.2測(cè)試方法及理論

對(duì)注汽鍋爐設(shè)備用正、反平衡法得到鍋爐的熱效率，找出影響鍋爐熱效率的主要影響因素;對(duì)管道用表面熱流法、表面溫度法及能量平衡原理法，得到注汽管線的能效及熱損失主要影響因素。

1.3施工方案及布點(diǎn)原則

首先了解鍋爐及管線運(yùn)行的工藝參數(shù)及保溫狀況，利用紅外成像的方法得到表面溫度場(chǎng)，分析確定鍋爐及管線的等溫區(qū)域;然后根據(jù)普測(cè)結(jié)果及相關(guān)要求布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)測(cè)點(diǎn)處的表面溫度與表面熱流進(jìn)行詳測(cè);同時(shí)利用節(jié)點(diǎn)能量守恒的原理，分別對(duì)鍋爐入口天然氣焓值、冷水焓值、鍋爐出口蒸汽焓值及井口蒸汽焓值進(jìn)行取樣測(cè)試，得到不同節(jié)點(diǎn)熱工設(shè)備的能效值。最后對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)處理及分析得到影響熱工設(shè)備的主要因素，找出薄弱環(huán)節(jié)并提出改造建議。

2.注汽鍋爐能效測(cè)試評(píng)價(jià)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB10180-2017中規(guī)定，通過計(jì)算蒸汽進(jìn)出口焓值、燃料熱值、鍋爐散熱損失、排煙熱損失及氣體不完全燃料熱損失等，利用正平衡法和反平衡法來確定鍋爐的效率。

以某臺(tái)型號(hào)為SG-50-NDS-27，額定蒸發(fā)量23t/h的美國(guó)丹尼爾鍋爐為例，其設(shè)計(jì)額定蒸發(fā)量為23t/h，額定壓力17.2MPa，蒸汽干度為80%，熱效率>85%。經(jīng)過測(cè)試，其正平衡效率90.64%，反平衡效率為87.85%，兩者差值小于3%，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求取兩者平均值，則該鍋爐的效率為89.2%。

2.1鍋爐散熱損失測(cè)試分析

結(jié)合紅外熱像測(cè)試結(jié)果，對(duì)鍋爐不同換熱面進(jìn)行表面溫度和熱流密度測(cè)試，計(jì)算鍋爐的散熱損失。

鍋爐的換熱面主要包括輻射段、對(duì)流段、過渡段及外置換熱盤管。通過對(duì)8個(gè)輻射段和7個(gè)接箍的測(cè)試統(tǒng)計(jì)，各換熱面的平均溫度多在60～80℃之間，不存在局部保溫破損現(xiàn)象，平均熱流密度222～697 W/m²區(qū)間內(nèi)變化，總散熱損失為1.6×10⁵kJ/h，約占鍋爐系統(tǒng)熱效率的0.6%，大部分輻射換熱面雖未超過最高溫度80℃的要求，但均已超過平均溫度大于50℃的相關(guān)規(guī)定，所以該鍋爐輻射段所有換熱面不合格。

通過對(duì)鍋爐對(duì)流段表面溫度及紅外成像測(cè)試，該鍋爐的下對(duì)流段平均溫度均超過80℃;上對(duì)流段超溫現(xiàn)象嚴(yán)重，大部分換熱面超過平均溫度80℃要求，是鍋爐節(jié)能改造的重點(diǎn)部位。該鍋爐對(duì)流段換熱面的平均溫度多在60～90℃，平均熱流密度在263～1418 W/m²區(qū)間變化，整個(gè)對(duì)流段的散熱損失為1.97×10⁵kJ/h，約占鍋爐系統(tǒng)熱效率的0.74%。

2.2鍋爐散熱損失測(cè)試分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員利用煙氣分析儀對(duì)鍋爐煙溫及氧含量進(jìn)行測(cè)試，該鍋爐的排煙溫度179℃，含氧6.2%，過量空氣系數(shù)1.42，經(jīng)計(jì)算在該溫度及過量空氣系數(shù)時(shí)的排煙熱損失為10.6%，是影響鍋爐熱效率的最主要因素。

2.3氣體不完全燃燒熱損失測(cè)試分析

對(duì)鍋爐燃?xì)膺M(jìn)行燃料工業(yè)分析，獲得燃料收到基低位發(fā)熱量Q_{net，v，ar}，35118kJ/m³，同時(shí)利用煙氣分析儀測(cè)試，知CO含量為0 ppm，未完全燃燒氣體含量近乎為零，結(jié)合燃料組分化驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GBT10180-2017規(guī)定，確定氣體不完全燃燒熱損失為0.2%。

2.4鍋爐系統(tǒng)整體測(cè)試評(píng)價(jià)

通過對(duì)鍋爐系統(tǒng)測(cè)試分析，得出如下結(jié)論：

（1）該鍋爐的系統(tǒng)效率為89.2%。

（2）鍋爐外表面散熱損失占總熱損失的1.34%。輻射段大部分換熱面的平均溫度雖未超過輻射段最高溫度80℃，但均已超過平均溫度不大于50℃的要求，應(yīng)不定期跟蹤監(jiān)測(cè)。

（3）該鍋爐對(duì)流段換熱面的平均溫度多在60～90℃，外觀雖保持完好，但部分換熱保溫內(nèi)部已失效，上對(duì)流段超溫現(xiàn)象嚴(yán)重，大部分換熱面超過平均溫度80℃要求，是鍋爐節(jié)能改造的重點(diǎn)部位。

（4）該鍋爐的排煙溫度為179℃，已超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的160℃排煙溫度要求，排煙熱損失為10.6%，是下步提高鍋爐熱效率的重點(diǎn)。

3.輸汽系統(tǒng)保溫效果測(cè)試評(píng)價(jià)

整條注汽管道長(zhǎng)度210.5米，分別對(duì)固定管段、活動(dòng)管段、閥門法蘭、管托及井口設(shè)備等幾部分進(jìn)行熱損失測(cè)試。輸汽系統(tǒng)熱損失測(cè)試結(jié)果如下：

3.1管道保溫效果測(cè)試評(píng)價(jià)

整條注汽管道劃分為固定管段和活動(dòng)管段。固定管段共劃分為47個(gè)等溫面，共157.1m，經(jīng)過表面溫度、表面熱流及紅外成像測(cè)試。鍋爐出口管段由于安裝的閥門儀表部件較多，臨近閥門處的管道表面溫度較高，熱損失很大。固定管段保溫效果較好，實(shí)測(cè)表面平均溫度多在20～25℃范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)平均熱流多在120～200W/m²之間，滿足國(guó)家規(guī)范的相關(guān)要求，但是管道的過橋、彎頭及保溫接縫處依然是保溫的薄弱環(huán)節(jié)，是導(dǎo)致保溫失效范圍擴(kuò)大的主要因素，應(yīng)不定期進(jìn)行跟蹤測(cè)試。

固定管道造成的熱流損失為0.009×10⁷kJ/h，約占整輸汽系統(tǒng)熱損失的40.3%左右，平均熱流密度184W/m²。小于209 W/m²的管段是合格管段，長(zhǎng)度為131.7米左右，占固定管線長(zhǎng)度的83.8%;209～300 W/m²之間基本合格，長(zhǎng)度22米，點(diǎn)固定管線長(zhǎng)度的14.3%;不合格管段長(zhǎng)度2.9米，約點(diǎn)固定管線總長(zhǎng)度的1.8%。

實(shí)測(cè)活動(dòng)管線平均溫度大都在40℃以上，熱流范圍在405～1015W/m²之間，其熱損失為0.008×10⁷kJ/h，占輸汽系統(tǒng)熱損失的36.4%左右，整條活動(dòng)管段不合格。

3.2 管道中閥門、管托及井口熱損失測(cè)試

該注汽管線共有閥門4個(gè)，管托約35個(gè)，這些部件沒有保溫或保溫結(jié)構(gòu)不好，形成熱橋，是造成輸汽系統(tǒng)熱損失過高的主要因素。

經(jīng)測(cè)試該井沿程200米管線，閥門4個(gè)，閥門底部的溫度大都在200℃以上，等效熱流密度大都超過5000W/m²，其熱損失0.19×10⁵?kJ/h，約占輸汽系統(tǒng)總熱損的8.7%左右。

該管道共有管托35個(gè)，這些支架與管道直接接觸，管架溫度多在60～90℃左右，其等效平均熱流在1976 W/m²左右，其熱損失為1.57×10⁵?kJ/h，占整個(gè)輸氣系統(tǒng)總熱損失的9.1%左右。

井口裝置平均溫度為59.5℃，換算后散熱損失約為0.1×10⁵?kJ/h，占輸汽系統(tǒng)總散熱損失的4.7%左右。

5.結(jié)論

通過對(duì)注汽鍋爐及注汽管線進(jìn)行熱損失測(cè)試，得出如下結(jié)論：

（1）通過測(cè)試，整個(gè)注汽系統(tǒng)的效率為88.6%，實(shí)測(cè)的井口干度值為74%，輸汽系統(tǒng)折算千米沿程干度降約為5.3%。

（2）該鍋爐系統(tǒng)效率為89.2%，排煙溫度為179℃，超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的160℃排煙溫度要求，是影響鍋爐效率的直接原因。

（3）該鍋爐對(duì)流段換熱面的平均溫度多在60～90℃，外觀雖保持完好，但部分換熱面保溫內(nèi)部已經(jīng)失效，上對(duì)流段超溫現(xiàn)象嚴(yán)重，應(yīng)進(jìn)行節(jié)能技改。

（4）注汽管線固定管段平均熱流密度為184 W/m²，不需要進(jìn)行節(jié)能技改，整條活動(dòng)管道達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)進(jìn)行保溫更換或優(yōu)化選線選址，盡量縮短活動(dòng)管線長(zhǎng)度。

參考文獻(xiàn)

[1]劉雨文，徐宏國(guó).稠油熱采注汽系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)研究.遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014.（34）.

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