遼河油田注汽鍋爐節(jié)能改造

馬銘澤（中油遼河工程有限公司）

遼河油田作為國(guó)內(nèi)千萬(wàn)噸大油田之一，已經(jīng)連續(xù)37 a 穩(wěn)產(chǎn)1 000×104t，其中稠油產(chǎn)量占主產(chǎn)量的70%左右，是國(guó)內(nèi)最大的稠油生產(chǎn)基地，稠油開(kāi)發(fā)方式主要以蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、SACD、火驅(qū)為主[1-3]。蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、SACD 的開(kāi)采主要依靠對(duì)地層注入高溫蒸汽以驅(qū)使原油流動(dòng)達(dá)到可以開(kāi)采的條件[4-5]。由此可見(jiàn)，高溫蒸汽對(duì)于稠油開(kāi)采以至于遼河油田的千萬(wàn)噸產(chǎn)量至關(guān)重要，高溫蒸汽的產(chǎn)生依靠注汽鍋爐，遼河油田共有可運(yùn)行注汽站299座，注汽鍋爐376 臺(tái)。近幾年油田總體注汽量在2 400×104t/a 以上，注汽鍋爐能耗占稠油開(kāi)發(fā)總能耗的70%以上，注汽鍋爐是遼河油田稠油開(kāi)發(fā)中最重要和能耗最大的設(shè)備[6]，提高注汽鍋爐熱效率，降低燃料消耗將會(huì)降低油田的生產(chǎn)成本，并產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，遼河油田的主要稠油生產(chǎn)區(qū)塊位于遼河三角洲國(guó)家自然保護(hù)區(qū)，通過(guò)對(duì)注汽鍋爐節(jié)能改造，不僅可以節(jié)約能源，還可以減少碳排放，為生態(tài)保護(hù)做出巨大貢獻(xiàn)，產(chǎn)生顯著的社會(huì)效益。

1 注汽鍋爐工藝流程及熱量損失

1.1 工藝流程

注汽鍋爐工藝流程見(jiàn)圖1。首先污水站的軟化污水到水罐緩沖儲(chǔ)存，給水泵抽取水罐中的軟化污水加壓至注汽鍋爐柱塞泵處，柱塞泵加壓至17.2 MPa 后軟化污水進(jìn)入給水預(yù)熱器換熱內(nèi)管，通過(guò)閥門對(duì)給水預(yù)熱器出口水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)給水預(yù)熱器換熱之后的軟化污水進(jìn)入注汽鍋爐的預(yù)熱段提升溫度，在這里吸收約40%的熱量，然后從預(yù)熱段出口再進(jìn)入給水預(yù)熱器外管對(duì)軟化污水進(jìn)行換熱，換熱后的水溫降低，直接進(jìn)入注汽鍋爐輻射段。軟化污水在依次流經(jīng)注汽鍋爐輻射段串聯(lián)的全部爐管，吸收約60%的熱量，最后產(chǎn)生干度為75%高溫濕飽和蒸汽，通過(guò)注汽管線輸送至井口，達(dá)到驅(qū)油、補(bǔ)充地層壓力的目的。

圖1 注汽鍋爐工藝流程Fig.1 Process flow of steam injection boiler

1.2 熱量損失

因遼河油田目前注汽鍋爐大部分為燃?xì)庾⑵仩t，極少部分為燃油燃?xì)饣鞜淖⑵仩t，不同于電廠中的燃煤鍋爐，注汽鍋爐熱量損失方面不會(huì)存在機(jī)械不完全燃燒熱損失和其他熱損失，所以注汽鍋爐熱損失主要有三項(xiàng)：排煙熱損失，爐體散熱損失，燃料未完全燃燒熱損失。張洪江等[7]對(duì)注汽鍋爐熱效率與排煙溫度進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，陳軍等[8]分析了給水預(yù)熱器及膜式水冷壁對(duì)注汽鍋爐熱效率的影響，王建勛[9]、秦成[10]介紹了節(jié)能涂料對(duì)爐體散熱損失的應(yīng)用。

遼河油田對(duì)近百臺(tái)次注汽鍋爐的測(cè)試結(jié)果表明，注汽鍋爐排煙溫度一般在170～220 ℃，通常，這些煙氣攜帶了大量熱量被排到大氣中，排煙熱損失是鍋爐各項(xiàng)損失中最大的一項(xiàng)，約占總熱損失的90%～96%；爐體散熱損失次之，約占總熱損失的3.5%～6.0%；燃料未完全燃燒熱損失占總熱損失的0.5%～4.0%。眾所周知，降低排煙溫度可提高注汽鍋爐效率，注汽鍋爐煙氣溫度每降低15～20 ℃，爐效可提高1%，如果將這部分熱量回收并利用起來(lái)，在節(jié)約能源方面將具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 現(xiàn)狀及改造方案

2.1 現(xiàn)狀

遼河油田某注汽站有兩臺(tái)額定蒸發(fā)量為19.5 t/h，額定壓力為17.2 MPa，產(chǎn)生75%干度濕飽和蒸汽的注汽鍋爐。目前，每臺(tái)注汽鍋爐年注汽量約為11×104t，預(yù)計(jì)未來(lái)注汽量基本保持不變，擬先對(duì)其中的一臺(tái)注汽鍋爐的對(duì)流段進(jìn)行改造，改造前注汽鍋爐的排煙溫度為170～190 ℃，排煙溫度較高，高溫?zé)煔庵苯优湃氪髿庵?，造成較大的排煙熱能損失，同時(shí)造成污染環(huán)境。注汽鍋爐燃料為天然氣，鍋爐用水為軟化污水，水溫為67 ℃。

2.2 改造方案

通過(guò)改造注汽鍋爐對(duì)流段，降低排煙溫度以提高注汽鍋爐效率，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的，改造方案不改變?cè)猩a(chǎn)流程，不增加定員，提高了能源的利用效率。通過(guò)在注汽鍋爐對(duì)流段頂部安裝空氣預(yù)熱器，利用鍋爐煙氣的余熱將送風(fēng)機(jī)吹入的冷空氣加熱，經(jīng)過(guò)風(fēng)道將熱空氣送入爐膛內(nèi)，提高爐膛溫度，即節(jié)約燃料又降低了排煙溫度，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

具體方案為：在注汽鍋爐尾部煙道安裝空氣預(yù)熱器，風(fēng)道吸風(fēng)口設(shè)于室內(nèi)，室內(nèi)空氣通過(guò)增壓風(fēng)機(jī)輸送至空氣預(yù)熱器，經(jīng)過(guò)換熱后的空氣，通過(guò)風(fēng)道輸送至鍋爐鼓風(fēng)機(jī)，風(fēng)道架空布置，風(fēng)機(jī)安裝在室內(nèi)，風(fēng)道外設(shè)保溫層?？諝忸A(yù)熱器進(jìn)出口配帶壓力表，出口設(shè)置風(fēng)門，用以調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓。工藝流程效果見(jiàn)圖2，藍(lán)色箭頭方向?yàn)槔淇諝饬飨?，紅色箭頭方向?yàn)闊峥諝饬飨?。改造完成后現(xiàn)場(chǎng)裝置見(jiàn)圖3。

圖2 工藝流程效果Fig.2 Effect of process flow

圖3 現(xiàn)場(chǎng)裝置Fig.3 Field device

空氣預(yù)熱器系統(tǒng)組成如下：該系統(tǒng)由空氣預(yù)熱器、送風(fēng)機(jī)（9 kW）、輸風(fēng)管道(分冷風(fēng)管道、熱風(fēng)管道)、風(fēng)量分配閥、鍋爐入口轉(zhuǎn)換閥、變頻調(diào)速控制柜、溫度測(cè)控系統(tǒng)以及其他附件等組成。

系統(tǒng)中空氣預(yù)熱器是最重要的部件，超導(dǎo)熱管是空氣預(yù)熱器的主要熱傳導(dǎo)元件，與普通的熱交換器有著本質(zhì)的不同。熱管余熱回收裝置的換熱效率可達(dá)98%以上，這是任何一種普通熱交換器無(wú)法達(dá)到的。超導(dǎo)熱管空氣換熱器體積小，只是普通熱交換器的1/3。超導(dǎo)熱管裝置見(jiàn)圖4，左邊為煙氣通道，右邊為清潔空氣(水或其它介質(zhì))通道，中間有隔板分開(kāi)互不干擾。高溫?zé)煔庥勺筮呁ǖ琅欧?，排放時(shí)高溫?zé)煔鉀_刷熱管，當(dāng)煙氣溫度大于30 ℃時(shí)，熱管被激活便自動(dòng)將熱量傳導(dǎo)至右邊，這時(shí)熱管左邊吸熱，高溫?zé)煔饬鹘?jīng)熱管后溫度下降，熱量被熱管吸收并傳導(dǎo)至右邊。常溫清潔空氣在鼓風(fēng)機(jī)作用下，沿右邊通道反方向流動(dòng)沖刷熱管，這時(shí)熱管右邊放熱，將清潔空氣加熱，空氣流經(jīng)熱管后溫度升高。

圖4 超導(dǎo)熱管裝置Fig.4 Superconducting heat pipe device

由若干根熱管組成的空氣預(yù)熱器，安裝在鍋爐煙口，將煙氣中的熱量吸收并高速傳導(dǎo)至另一端，使排煙溫度降低至高于露點(diǎn)而減少熱量排放損失。加熱后的清潔空氣可補(bǔ)充到鍋爐前端（入風(fēng)口），提高鍋爐的熱效率，降低燃料消耗，將送風(fēng)溫度提高，爐膛溫度上升40 ℃左右，使燃料能夠充分燃燒，延長(zhǎng)燃燒時(shí)間，并使排煙溫度降低40 ℃左右，且減少了吹灰次數(shù)從而達(dá)到節(jié)能的目的。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

改造完成后室內(nèi)空氣通過(guò)增壓風(fēng)機(jī)輸送至空氣預(yù)熱器，經(jīng)過(guò)換熱后，空氣溫度由12 ℃提升至50 ℃，再經(jīng)由風(fēng)道送至注汽鍋爐鼓風(fēng)機(jī)入口，經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)加壓后送入注汽鍋爐。換熱后的煙氣由189 ℃降低至137 ℃，由煙囪排入大氣。改造前后注汽鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 改造前后注汽鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison of operation data of steam injection boiler before and after renovation

通過(guò)表1 可以得出，改造后注汽鍋爐熱效率提升1.7%，按每年注汽鍋爐運(yùn)行330 d 考慮，進(jìn)注汽鍋爐軟化水為67 ℃，給水焓值為292.37 kJ/kg，注汽鍋爐出口蒸汽為15.7 MPa，75%干度的飽和蒸汽，焓值為2 352.05 kJ/kg，天然 氣熱 值按35 000 kJ/m3，每年可節(jié)約消耗天然氣16×104m3，天然氣價(jià)格按1.69 元/m3計(jì)算，可節(jié)約運(yùn)行成本27 萬(wàn)元，減少碳排放量14.3×104t/a。

空氣預(yù)熱器系統(tǒng)組成中包括一臺(tái)9 kW 送風(fēng)機(jī)，每年耗電71 280 kWh，電價(jià)按0.907 1 元/kWh，每年增加電費(fèi)6.5 萬(wàn)元，綜合節(jié)約天然氣費(fèi)27 萬(wàn)元，每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用20.5 萬(wàn)元，注汽鍋爐改造的工程投資為64.8 萬(wàn)元，預(yù)計(jì)3.2 a 可收回成本。

4 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)遼河油田某注汽站的一臺(tái)19.5 t/h 注汽鍋爐進(jìn)行改造，對(duì)其對(duì)流段改造加裝空氣預(yù)熱器，降低注汽鍋爐的排煙溫度，提高進(jìn)入注汽鍋爐燃燒的空氣溫度，改造后可使注汽鍋爐熱效率提升1.7%。

2）改造后注汽鍋爐每年可節(jié)約消耗天然氣16×104m3，節(jié)約成本27 萬(wàn)元，減少碳排放量14.3×104t/a，該項(xiàng)改造對(duì)遼河油田今后稠油生產(chǎn)降本增效，實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”具有重要的借鑒意義。

3）改造中新增耗電設(shè)備，送風(fēng)機(jī)一臺(tái)每年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用20.5 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，可在遼河油田大范圍推廣。