提高油田燃氣工業(yè)鍋爐運行效率初探

于松義

江蘇石油勘探局 技術(shù)監(jiān)督（監(jiān)測）中心節(jié)能監(jiān)測站(江蘇 揚州225012)

工業(yè)鍋爐是油田組織開展油氣開采、集輸和儲運等工作必不可少的耗能設(shè)備之一。隨著科技的發(fā)展和國家對節(jié)能環(huán)保工作重視程度的日益加強，工業(yè)鍋爐無論在本體結(jié)構(gòu)設(shè)計，還是在燃料種類選擇等方面均發(fā)生了較大改變。目前，油田生產(chǎn)領(lǐng)域在用容量2 t/h、4 t/h的工業(yè)鍋爐主要以單鍋筒縱置式室燃爐為主，燃料種類也由原油、油氣混燒向油田伴生氣轉(zhuǎn)變。針對油田燃氣工業(yè)鍋爐普遍存在使用年限較長，本體和排煙道與換熱器連接處漏風，以及人為調(diào)節(jié)難度大和自控能力欠缺等問題，采取巡查堵漏措施，優(yōu)化運行管理手段，并積極引進節(jié)能新技術(shù)，是油田降本增效的一項重要舉措。

1 影響工業(yè)鍋爐運行效率的因素分析

工業(yè)鍋爐熱效率是指投入爐膛內(nèi)的燃料，在理論上所能釋放的化學熱中有多少被水吸收而產(chǎn)生熱水或蒸汽，即單位時間內(nèi)工業(yè)鍋爐有效利用熱量占輸入熱量的百分比[1]。從油田部分工業(yè)鍋爐監(jiān)測結(jié)果看（表1），工業(yè)鍋爐由于受使用年限較長、燃料在爐膛內(nèi)燃燒時人為配風不合理、鍋爐本體及排煙煙道與換熱器連接處漏風點較多和容量配置偏大等因素影響，普遍存在工業(yè)鍋爐尾部排煙處過量空氣系數(shù)超標和運行負荷率較低等不足，從而導(dǎo)致部分工業(yè)鍋爐熱效率距標準[2]中規(guī)定的3級能效水平存在一定差距。下面分別從燃料在爐膛內(nèi)燃燒通風、本體運行參數(shù)調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)對熱效率的影響進行分析。

表1 油田在用部分工業(yè)鍋爐監(jiān)測結(jié)果

1.1 燃料燃燒通風的影響

燃料燃燒是指燃料中可燃物與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)后釋放化學熱的過程[3]。而合理通風是保證燃料在爐膛內(nèi)充分燃燒的關(guān)鍵要素。一般工業(yè)鍋爐基本通風方式分別為自然通風和機械通風。油田生產(chǎn)領(lǐng)域在用工業(yè)鍋爐主要以機械通風為主，而機械通風又分為負壓、正壓和平衡3種通風方式。

1.1.1 負壓通風

負壓通風指借引風機產(chǎn)生的引力，克服風、煙道阻力使爐膛維持負壓。此通風方式具有操作便捷優(yōu)點，但工業(yè)鍋爐運行中各部位均處于負壓狀態(tài)，一旦鍋爐本體、輔機和煙道等處密封不嚴，會造成漏風量增加、過量空氣系數(shù)超標、風機耗電量升高和鍋爐熱效率偏低等不良后果。負壓通風方式，在油田勘探開發(fā)建設(shè)中期，大部分集油站（庫）燃油工業(yè)鍋爐上應(yīng)用“DT”型燃燒器（機械霧化式）時極為普遍。為滿足生產(chǎn)需要，在調(diào)節(jié)工業(yè)鍋爐運行負荷時，一般通過控制燃油閥門和調(diào)節(jié)引風機入口擋板開度進行通風，由于燃油量與吸入爐膛內(nèi)空氣量調(diào)配不合理，既增加了風機的通風阻力，也使工業(yè)鍋爐熱效率一直處于75%左右的運行水平。

1.1.2 正壓通風

正壓通風指依靠鼓風機產(chǎn)生的壓頭克服風、煙道阻力使鍋爐維持微正壓。這種通風方式對鍋爐本體、輔機和煙道等處的密封性要求較高，一般適用于燃油、燃氣鍋爐。目前，這種通風方式雖在油田生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用較少，但依據(jù)GB 50041—2020《鍋爐房設(shè)計標準》[4]中7.0.1規(guī)定，微正壓通風由于具有配風速度快、燃燒強度大和傳熱效率高等特點，現(xiàn)已成為國內(nèi)部分企業(yè)燃氣工業(yè)鍋爐的首選。

1.1.3 平衡配風

平衡配風指在工業(yè)鍋爐上，既配置鼓風機又安裝引風機，靠鼓風機產(chǎn)生的壓頭克服風道阻力，借引風機產(chǎn)生的吸力克服煙道阻力，從而使爐膛維持20～40 Pa的負壓。這種配風方式在油田生產(chǎn)領(lǐng)域工業(yè)鍋爐上應(yīng)用較為普遍。雖然油田近年來已在大部分工業(yè)鍋爐鼓風機、引風機上應(yīng)用了變頻調(diào)速控制技術(shù)，但由于受設(shè)備陳舊、不能實現(xiàn)閉環(huán)控制和人為調(diào)節(jié)不及時等因素影響，工業(yè)鍋爐尾部排煙處過量空氣系數(shù)達標率約50%，制約了工業(yè)鍋爐熱效率進一步提升。

1.1.4 過量空氣系數(shù)的影響

過量空氣系數(shù)（α）是指爐膛內(nèi)燃料燃燒時，實際供給的空氣量與理論空氣量之比[5]。一般燃料中的可燃物不可能與空氣中的氧完全反應(yīng)產(chǎn)生化學熱，為了保證燃料中可燃物全部燒掉，實際提供的空氣量要大于理論空氣量。依據(jù)Q/SH 3145 0627—2019《油田重點耗能設(shè)備（系統(tǒng)）能效限定值及能效等級》規(guī)定，2 t/h≤D＜10 t/h（D為鍋爐容量）的工業(yè)鍋爐，α≤1.6。在實際生產(chǎn)中，若工業(yè)鍋爐在一定的負荷條件下α較小時，會使燃料中可燃物不完全燃燒，排煙中部分高溫可燃物會粘結(jié)在爐膛內(nèi)水冷壁和尾部換熱器上，從而造成局部熱阻和氣體不完全燃燒損失增加，既降低了爐效，又污染了環(huán)境；當α偏大時，由于爐膛內(nèi)冷空氣富裕量增多，相對降低了爐膛溫度，不僅破壞了爐膛內(nèi)燃料燃燒環(huán)境，也造成鍋爐排煙熱損失增加，極易導(dǎo)致鍋爐尾部二次燃燒等不良現(xiàn)象的發(fā)生。因此，α偏大或偏小都會對工業(yè)鍋爐熱效率產(chǎn)生不良影響。

分析油田近年來在用工業(yè)鍋爐監(jiān)測結(jié)果，影響其尾部排煙處過量空氣系數(shù)不達標的主要因素如圖1所示。

圖1 影響過量空氣系數(shù)的主要因素

1.2 工業(yè)鍋爐運行參數(shù)的影響

1.2.1 汽壓

工業(yè)鍋爐供汽壓力主要以設(shè)計參數(shù)為依據(jù)。供汽壓力波動范圍一般控制在規(guī)程規(guī)定范圍內(nèi)，當工業(yè)鍋爐運行負荷發(fā)生變化時，供汽壓力也隨之發(fā)生變動，一般汽壓調(diào)節(jié)滯后于汽壓的變化，滯后時間越長，工業(yè)鍋爐運行效率越低。因此，當班工人在滿足生產(chǎn)需要調(diào)整燃燒和供汽時，應(yīng)具有超前意識和快速反應(yīng)能力，避免因供汽壓力波動過大和持續(xù)時間較長帶來工業(yè)鍋爐低效運行。目前油田生產(chǎn)領(lǐng)域熱需求量相對穩(wěn)定，工業(yè)鍋爐供汽壓力一般控制在0.3～0.5 MPa。

1.2.2 水位

工業(yè)鍋爐水位控制對其安全、高效運行十分重要。當水位偏低時，若大量補水，會使鍋爐汽壓明顯下降。為滿足生產(chǎn)需要，保證汽壓穩(wěn)定，勢必加大燃燒，增加燃料消耗。當水位過高時，極易發(fā)生滿水事故，使過量的水汽流失，從而造成能量浪費。因此，應(yīng)按照規(guī)程規(guī)定嚴格控制鍋筒水位，避免工業(yè)鍋爐水位偏低或過高帶來的經(jīng)濟損失。近年來，鍋筒恒水位變頻閉環(huán)控制已作為一項較成熟的技術(shù)在油田推廣應(yīng)用，確保了工業(yè)鍋爐安全可靠運行。

2 采取的主要整改措施

2.1 降低工業(yè)鍋爐尾部排煙處過量空氣系數(shù)

尾部排煙處過量空氣系數(shù)不達標是制約工業(yè)鍋爐熱效率提高的主要因素。因此，從已測試的工業(yè)鍋爐中選取兩臺不同容量的鍋爐作為整改對象。從測試分析中發(fā)現(xiàn)，兩臺工業(yè)鍋爐由于受鼓風機、引風機人為調(diào)節(jié)運行頻率不合理的影響，使爐膛負壓計顯示結(jié)果在10～15 mm水柱間擺動，爐膛負壓大，燃燒不穩(wěn)定，尾部排煙處存在二次燃燒現(xiàn)象。按照滿足生產(chǎn)需要和平穩(wěn)供汽的要求，并遵循燃料消耗量、鼓風量和引風量調(diào)節(jié)順序原則[5]，通過調(diào)節(jié)鼓風機、引風機運行頻率，在爐膛負壓計顯示結(jié)果在3 mm水柱時，經(jīng)復(fù)測，達到了較滿意的運行效果。陳3站兩臺工業(yè)鍋爐整改前后測試結(jié)果見表2。

由表2知，在工業(yè)鍋爐過量空氣系數(shù)、尾部排煙溫度均下降的情況下，2#、3#工業(yè)鍋爐熱效率分別提高了6.10%和6.04%，形成年節(jié)約能源折合標準煤205 t的能力。

表2 陳3站兩臺工業(yè)鍋爐整改前后測試結(jié)果對比

2.2 采取堵漏措施

2020年5 月，使用煙氣分析儀對運行中接轉(zhuǎn)站兩臺工業(yè)鍋爐測試時發(fā)現(xiàn)，工業(yè)鍋爐尾部排煙測點處，儀器顯示排煙中氧含量高達19%和17.4%，過量空系數(shù)分別達到9.409和5.322，直接影響工業(yè)鍋爐的正常運行。因此，分別對這兩臺工業(yè)鍋爐采取了巡查、堵漏和鼓風、引風優(yōu)化措施調(diào)配整改。接轉(zhuǎn)站兩臺工業(yè)鍋爐整改前后對比測試結(jié)果見表3。

由表3知，經(jīng)整改后，兩臺工業(yè)鍋爐尾部排煙處過量空氣系數(shù)較整改前大幅度下降，熱效率也分別增加了13.93%和3.74%，既恢復(fù)了工業(yè)鍋爐的正常運行，也使引風機輸入功率下降了5.8 kW，形成年節(jié)約能源折合標準煤270 t的能力。

表3 接轉(zhuǎn)站兩臺工業(yè)鍋爐整改前后測試結(jié)果對比

3 提高工業(yè)鍋爐運行效率的建議

3.1 采取巡查整改措施

針對目前油田在用工業(yè)鍋爐存在的不足，吸收運行管理中的經(jīng)驗，削減不利因素造成的影響，在巡查、堵漏、監(jiān)督和技術(shù)改造等方面落實，并形成常態(tài)化、制度化。

3.2 提高工業(yè)鍋爐運行負荷率

由于受到油田勘探開發(fā)后期產(chǎn)液含水逐年升高和供熱方式轉(zhuǎn)變等多方面因素的影響，全年大半時間油田大部分工業(yè)鍋爐處于低于額定負荷60%的現(xiàn)狀。油田相關(guān)部門在滿足生產(chǎn)需要的基礎(chǔ)上，根據(jù)季節(jié)變化，應(yīng)合理調(diào)整不同容量供熱設(shè)備組合，加大耗能設(shè)備經(jīng)濟運行范圍，優(yōu)化主要運行參數(shù)，進一步提高工業(yè)鍋爐運行效率。

3.3 健全約束與激勵機制，加大科學考核力度

針對油田工業(yè)鍋爐普遍存在補水、供汽流量等計量儀表配置不足問題，油田相關(guān)部門或單位應(yīng)按照GB 17167—2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》要求，在合理配置工業(yè)鍋爐燃氣、供汽和補水流量等監(jiān)控儀器儀表基礎(chǔ)上，結(jié)合油田有關(guān)工業(yè)鍋爐運行維護、技術(shù)改造和巡查監(jiān)督等規(guī)章制度，下達燃氣消耗量等硬性考核指標，細化分、量化比、嚴考核、硬兌現(xiàn)，切實將約束與激勵機制貫穿于工作中的各個環(huán)節(jié)，營造節(jié)能文化氛圍。

3.4 積極引進節(jié)能新技術(shù)，提升能源利用效率

為根除存在的問題，油田應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實際，以自籌資金或采取合同化能源管理的方式，并按照引進試用、測試評價和逐步推廣的工作思路，以點帶面對已使用20年以上、設(shè)備陳舊、控制通風難度較大的2 t/h或4 t/h工業(yè)鍋爐實施替換。目前，國內(nèi)市場中、小型容量超低氮冷凝余熱蒸汽鍋爐，已成為不少企業(yè)燃氣供熱裝置的首選，如圖2所示。

圖2 工業(yè)鍋爐工藝圖

該裝置采用高效低應(yīng)力內(nèi)燃煙氣二回程結(jié)構(gòu)，圓弧形對開爐門設(shè)計，并配置了超低氮燃燒器、高效空氣預(yù)熱器和節(jié)能冷凝一體機等設(shè)備。其中，超低氮燃燒器利用自身再循環(huán)技術(shù)，使煙氣再循環(huán)，燃燒溫度降低，氮氧化物減少；高效空氣預(yù)熱器采用前煙箱煙氣與進爐膛助燃空氣雙向逆流換熱，具有較高的換熱效率；節(jié)能冷凝一體機采用逆向沖刷對流換熱技術(shù)，通過錯排分布的硅鎂鋁合金翅片管與工業(yè)鍋爐補水逆向?qū)α鲹Q熱，進一步回收煙氣中的顯熱和潛熱。另外，該設(shè)備燃氣、配風和補水，均根據(jù)生產(chǎn)熱負荷需要實現(xiàn)變頻閉環(huán)控制，從而使工業(yè)鍋爐由過去的平衡通風向微正壓通風轉(zhuǎn)變，確保工業(yè)鍋爐經(jīng)濟高效運行。

對一臺裝機容量4 t/h的工業(yè)鍋爐實施替換后，鍋爐排放煙氣中氮氧化物含量控制在30 mg/m3以下，尾部排煙處過量空氣系數(shù)降至1.15～1.25，熱效率由油田平均值的85%升至97%；并形成年節(jié)約油田伴生氣8.13×104m3，折合人民幣12.2萬元，償還周期僅需4.5年，具有一定的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)束語

針對油田生產(chǎn)領(lǐng)域在用工業(yè)鍋爐存在的不足，節(jié)能監(jiān)測人員有針對性地對部分工業(yè)鍋爐進行了整改，通過整改前后測試數(shù)據(jù)表明，工業(yè)鍋爐尾部排煙處過量空氣系數(shù)大幅度下降，提高了工業(yè)鍋爐熱效率，取得了一定的經(jīng)濟和社會效益。另外，對油田在用大部分使用年限長、運行負荷率偏低的工業(yè)鍋爐，分別在優(yōu)化運行管理與引進節(jié)能新技術(shù)等方面提出了建議。