注汽鍋爐熱效率影響因素分析及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行調(diào)節(jié)

張洪江 王東 單長城 萬騰飛 李世武

（1.中國石油遼河油田分公司；2.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院）

我國有較為豐富的稠油資源，目前世界上稠油開采的主要方式為稠油熱采。在稠油熱采過程中大量使用注汽鍋爐，注汽鍋爐不僅是稠油熱采的核心設(shè)備，而且還是耗能設(shè)備。要使稠油熱采獲得高的采收率和經(jīng)濟(jì)性，其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是提高注汽鍋爐的熱效率。

注汽鍋爐的熱效率是表征其能效水平的重要指標(biāo)，鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，就是使鍋爐在熱效率高效區(qū)運(yùn)行，并且運(yùn)行參數(shù)安全合理。為此需要掌握影響鍋爐熱效率的因素，抓住主要因素。在鍋爐的各項(xiàng)熱損失中，因?yàn)榕艧煙釗p失所占比例最大超過85%，所以掌握鍋爐排煙熱損失的影響因素，減小排煙熱損失是鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵，尤其對(duì)注汽鍋爐更是如此。由鍋爐熱平衡測算數(shù)據(jù)及結(jié)果分析可知，鍋爐熱效率在不同過量空氣系數(shù)下隨排煙溫度升高呈現(xiàn)出線性遞減的關(guān)聯(lián)曲線，排煙溫度越高，排煙熱損失越大；過量空氣系數(shù)越大，排煙熱損失越大，并且過量空氣系數(shù)越大，排煙熱損失的曲線斜率越大。減小排煙熱損失可采取過量空氣系數(shù)的調(diào)節(jié)技術(shù)、化學(xué)清煙垢技術(shù)和煙氣余熱回收技術(shù)的措施來實(shí)現(xiàn)[1-5]。雖然減小過量空氣系數(shù)有利于減少鍋爐的排煙熱損失，然而過小的過量空氣系數(shù)會(huì)引發(fā)化學(xué)不完全燃燒熱損失，所以存在著最佳過量空氣系數(shù)，應(yīng)確定在鍋爐運(yùn)行中采用的最佳過量空氣系數(shù)[4-7]。鍋爐排煙熱損失與過量空氣系數(shù)、排煙溫度、冷空氣溫度相關(guān)聯(lián)，掌握了它們之間的關(guān)聯(lián)式，可揭示減小鍋爐排煙熱損失的方向[8]。

1 注汽鍋爐熱效率影響因素分析

對(duì)于燃?xì)饣颍ㄓ蜌饣鞜┳⑵仩t，因?yàn)槿加玫娜剂铣槿細(xì)饣蛉加?，不同于電廠鍋爐燃用的是煤炭，所以注汽鍋爐的熱損失就只有排煙熱損失、化學(xué)不完全燃燒損失和散熱損失，而不出現(xiàn)機(jī)械不完全燃燒損失和其他熱損失。

在注汽鍋爐的排煙熱損失、化學(xué)不完全燃燒損失和散熱損失這三項(xiàng)中，最主要也是最重要的是排煙熱損失，因?yàn)樗侨咧凶畲笳?，?duì)注汽鍋爐熱效率的影響極大；所以，注汽鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵因素就在于研究和掌握注汽鍋爐排煙熱損失對(duì)熱效率的影響。

表1 為2014 年遼河油田29 臺(tái)注汽鍋爐在正常運(yùn)行狀況下的熱平衡測算數(shù)據(jù)。以下對(duì)表1的測算數(shù)據(jù)，進(jìn)行注汽鍋爐熱效率與排煙溫度的關(guān)聯(lián)分析、注汽鍋爐熱效率與過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)分析，以及注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)分析。

1.1 注汽鍋爐熱效率與排煙溫度的關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)表1的排煙溫度與注汽鍋爐熱效率的測算數(shù)據(jù)，為了反映注汽鍋爐熱效率隨排煙溫度的變化趨勢，采用線性擬合回歸計(jì)算，經(jīng)過擬合計(jì)算，得到如圖1所示的熱效率與排煙溫度的關(guān)聯(lián)曲線。由圖1可知，熱效率與排煙溫度之間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，排煙溫度越低，注汽鍋爐熱效率越高。

表1 排煙溫度、過量空氣系數(shù)及熱效率的測算值

圖1 熱效率與排煙溫度的關(guān)聯(lián)曲線

1.2 注汽鍋爐熱效率與過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)表1的過量空氣系數(shù)與注汽鍋爐熱效率的測算數(shù)據(jù)，為了反映注汽鍋爐熱效率隨過量空氣系數(shù)的變化趨勢，采用線性擬合回歸計(jì)算，經(jīng)擬合計(jì)算得到如圖2所示的熱效率與過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)曲線。由圖2可知，熱效率與過量空氣系數(shù)之間呈現(xiàn)出準(zhǔn)線性關(guān)系，過量空氣系數(shù)越低，熱效率越高。

由圖1、圖2 可知，熱效率與排煙溫度、過量空氣系數(shù)之間都存在準(zhǔn)線性關(guān)系，為了研究其內(nèi)在性和機(jī)理性，考慮到過量空氣系數(shù)的影響，由此把表1的過量空氣系數(shù)按四個(gè)區(qū)段進(jìn)行分區(qū)：過量空氣系數(shù)小于1.2為第一區(qū)段，過量空氣系數(shù)大于1.2小于1.3 為第二區(qū)段，過量空氣系數(shù)大于1.3 小于1.4 為第三區(qū)段，過量空氣系數(shù)大于1.4 為第四區(qū)段。由此四個(gè)區(qū)段研究熱效率隨排煙溫度的變化趨勢。

對(duì)于上述四個(gè)區(qū)段的過量空氣系數(shù)，根據(jù)表1的排煙溫度和熱效率的測試數(shù)據(jù)，經(jīng)擬合計(jì)算得到如圖3 所示的熱效率與排煙溫度的關(guān)聯(lián)曲線。圖3的1、2、3、4 分別對(duì)應(yīng)著第一至第四過量空氣系數(shù)區(qū)段。由圖3 可知，在各過量空氣系數(shù)區(qū)段內(nèi)，熱效率與排煙溫度之間呈現(xiàn)著強(qiáng)線性關(guān)系，排煙溫度越低，熱效率越高；過量空氣系數(shù)越大，熱效率與排煙溫度之間的曲線斜率越大。

圖2 熱效率與過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)曲線

圖3 四區(qū)段熱效率與排煙溫度的關(guān)聯(lián)曲線

1.3 注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)分析

排煙熱損失對(duì)注汽鍋爐熱效率的影響極大，排煙熱損失不僅與排煙溫度和過量空氣系數(shù)密切相關(guān)，而且還與注汽鍋爐的給風(fēng)溫度即冷空氣溫度相關(guān)。為了反映冷空氣溫度對(duì)熱效率的影響，引入凈排煙溫度這一參數(shù)，凈排煙溫度為排煙溫度與冷空氣溫度的差值。注汽鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要因素就在于研究和掌握注汽鍋爐排煙熱損失對(duì)熱效率的影響。

選擇凈排煙溫度、過量空氣系數(shù)為自變量，確定注汽鍋爐熱效率與其之間的非線性關(guān)系。用多種非線性擬合算法計(jì)算，優(yōu)選出擬合計(jì)算誤差最小的結(jié)果，得到注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)圖（圖4），以及注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)式（1）。

式中：η——注汽鍋爐熱效率，%；

α——注汽鍋爐過量空氣系數(shù)；

Tjp——凈排煙溫度，℃。

由圖4可知，注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)之間呈現(xiàn)出單調(diào)曲面關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)為：隨著凈排煙溫度的降低，注汽鍋爐熱效率升高；隨著過量空氣系數(shù)的降低，注汽鍋爐熱效率升高。

通過注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)式計(jì)算，不僅可根據(jù)凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的數(shù)值來預(yù)測未來注汽鍋爐的熱效率，而且還可由凈排煙溫度變化量和過量空氣系數(shù)變化量來預(yù)測未來注汽鍋爐熱效率的變化量，這有助于注汽鍋爐的提效調(diào)節(jié)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖4 熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)圖

2 注汽鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的調(diào)節(jié)方向與途徑

為使注汽鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，除做好注汽鍋爐爐體外保溫、使注汽鍋爐在高熱負(fù)荷下運(yùn)行之外，更應(yīng)關(guān)注減小注汽鍋爐的排煙熱損失；為此，基于1.3章節(jié)的研究，可導(dǎo)出熱效率與空氣系數(shù)、凈排煙溫度的關(guān)系式，見式（3）、（4）、（5），明確提高注汽鍋爐熱效率的方向與途徑。

由注汽鍋爐熱效率即式（1）得

熱效率的偏差量為

式（3）可變?yōu)槿缦滦褪?，?/p>

其中

對(duì)于某注汽鍋爐，在凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)(Tjp,α)確定的工況下，由式（1）可知該工況下的注汽鍋爐熱效率；由式（4）可知，通過對(duì)注汽鍋爐的調(diào)節(jié)，可改變注汽鍋爐凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)，以及提升注汽鍋爐熱效率。

若通過式（4）改變注汽鍋爐凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)，還不能提高注汽鍋爐熱效率，這就表明注汽鍋爐已在熱效率高效區(qū)運(yùn)行，即注汽鍋爐已達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

對(duì)注汽鍋爐凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的調(diào)節(jié)，就是在保持注汽鍋爐加熱負(fù)荷不變的前提下，對(duì)注汽鍋爐燃料量和冷空氣量的調(diào)節(jié)。表2 給出4臺(tái)注汽鍋爐依據(jù)某工況（凈排煙溫度、空氣系數(shù)）、由式（1）求得該工況下的熱效率。對(duì)注汽鍋爐按照優(yōu)化方案進(jìn)行調(diào)節(jié)，即降低凈排煙溫度和空氣系數(shù)，再由式（4）、（5）、（6）求得調(diào)節(jié)后預(yù)估的熱效率。

表2 凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的調(diào)節(jié)效果

3 結(jié)論

1）注汽鍋爐熱效率與排煙溫度之間呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，排煙溫度越低，注汽鍋爐熱效率越高。

2）注汽鍋爐熱效率與過量空氣系數(shù)之間呈現(xiàn)出準(zhǔn)線性關(guān)系，過量空氣系數(shù)越低，熱效率越高，但存在最佳過量空氣系數(shù)。

3）在各過量空氣系數(shù)區(qū)段內(nèi)，注汽鍋爐熱效率與排煙溫度之間呈現(xiàn)著強(qiáng)線性關(guān)系，排煙溫度越低，熱效率越高；過量空氣系數(shù)越大，注汽鍋爐熱效率與排煙溫度之間的曲線斜率越大。

4）注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)之間呈現(xiàn)出單調(diào)曲面關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)為：隨著凈排煙溫度的降低，注汽鍋爐熱效率升高；隨著過量空氣系數(shù)的降低，注汽鍋爐熱效率升高。

5）通過注汽鍋爐熱效率與凈排煙溫度和過量空氣系數(shù)的關(guān)聯(lián)式計(jì)算，不僅可預(yù)測未來注汽鍋爐熱效率，而且還可由凈排煙溫度變化量和過量空氣系數(shù)變化量來預(yù)測未來注汽鍋爐熱效率的變化量，并由此判斷注汽鍋爐是否達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，以及提高注汽鍋爐熱效率的方向與途徑。