试验・研究，Ｔｅｓｔｉｎｇ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ 注汽锅炉能流分析与节能优化研究 王辉 杨元亮 张建 王增林 徐明海 （１．中国石化石油工程设计有限公司；２．胜利油田新春采油厂； ３．中国石化胜利油田分公司；４．中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院） 摘要 为了有效提高注汽系统用能效率，减少稠油生产能耗和污染排放，提高经济效益， 以注汽锅炉本体及机组系统为研究对象，建立了能量平衡模型和两箱炯平衡模型。对春风油田 注汽系统进行了能耗测试，并根据测试数据计算得出用能评价指标，确定了能流分布规律，找 出用能薄弱环节，即排烟热损失、固体未完全燃烧热损失占较大比重，低温燃烧和大温差传热 是造成娴效率低的主要原因 提出了二次燃烧、烟气余热回收、空气过量优化控制、额定负荷 运行等工艺节能优化措施，为实现注汽系统高效用能提供了理论依据。 关键词 注汽系统 能耗测试能流分析节能优化 Ｄ０Ｉ：１ ０．３９６９／ｉ．ｉ ｓｓｎ．２０９５－１４９３．２０１ ５．１ ０．００６ 全球对温室气体和污染气体减排要求越来越 高，与此同时，全球油价正在经历着史上少有的低 １ 注汽站工艺流程 谷时期。国内油田生产企业面临着越来越严峻的减 春风油田北部注汽站内锅炉额定流量为４８ ｔ／ｈ、 少排放和降低成本的双重压力，节能降耗逐渐成为 额定压力１４．２ ＭＰａ，类型为链排式燃煤直流锅炉。 石油生产企业保持可持续发展的必要手段。稠油注 汽水流程为：经过处理后合格的软化除氧水进入高 汽系统是油田生产企业最主要的耗能环节，因此了 压柱塞泵入口端，经柱塞泵升压后打入套管式给水 解注汽系统用能水平，找出与先进企业的差距，确 预热器，使给水超过烟气“酸露点”温度，通常要 定节能潜力以便科学指导企业节能工作，变得非常 求在１１０～１２０℃左右，以避免烟气对翅片管的低 有意义” 。注汽系统能耗的影响因素较多，且各因 温腐蚀。经预热后的水进入一、二级对流段，吸收 素之间的相互作用非常复杂，很难单独就某种因素 烟气热量后再进入水一水换热器作为热源加热给 对系统的能耗影响规律进行合理分析，需要通过科 水，经冷却后进人三级对流段并被加热到饱和后再 学、有效的能耗分析手段，建立系统用能分析模 送入辐射段，水在辐射段经加热汽化后变为１．４．２ ＭＰａ 型 ，对影响能耗的各因素进行系统全面的分解剖 高压湿蒸汽，干度达到７０％～８０％，然后送出系 析，确定合理的用能分析与评价指标，确定注汽系 统。烟风流程则较为简单：外部冷空气经过送风机 统节能降耗的方向，为制定能耗控制措施和指导生 升压后进入空气预热器，受高温烟气加热后再由链 产工艺节能奠定基础［６－１ｏ］ｏ以春风油田为例，对注 排底部的送风口吹入炉膛，原煤燃烧后产生的高温 汽锅炉系统进行能耗测试，并进行平衡计算，得出 烟气分别流经辐射段和三、二、一级对流段并释放 用能指标… ，确定能流分布，把握薄弱环节，并 热量后送入排烟管道，在排放之前通过空预器回收 依此提出节能优化措施。 部分热量，再经过脱硫除尘后通过烟囱外排到大气 中。具体工艺流程如图１所示。 第一作者简介：王辉，高级工程师，２０１２年毕业于中国石油大学 （华东）（热能工程专业），博士，从事稠油热采和热能利用研究， ２ 能量平衡模型及正反平衡测试 Ｅ—ｍａｉｌ：３１６３２８６９３＠ｑｑ ｍ，地址：山东省东营市中石化石油工程 锅炉的能量平衡是指在稳定运行状态下，锅炉 设计有限公司科研所，２５７０２６。 基金项目：国家科技重大专项（２０１１ＺＸ０５０１７－００４一ＨＺ０１）；中石化 输入热量与输出热量及各项热损失之和的热量平 胜利油田重点科技攻关项目（ＹＫＤ１２０１）；中石化胜利油田博士后 衡。在锅炉系统中，输入系统的能量有燃料释放的 课题（ＧＫＢ１３０１）。 热能，燃料泵系统、风机系统输入的电能以及燃料 口Ｉ ５年第１口期 ，－口，：比Ｉ，－口 ｌＪ 日１．， Ｉ １５ ■ 试验・砜究／Ｔｅｓｔｉｎｇ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ 采用氯根滴定法测量出口蒸汽干度量；使用温度计 测试水进口温度与环境温度，以此为基础完成锅炉 正平衡效率的测试。通过对烟气、灰渣进行组成分 析、温度测试，对锅炉外表进行热流密度测试，以 此为基础完成锅炉反平衡效率的测试 。测试结果 如表１所示。 表１ 注汽站锅炉正反平衡测试结果 图１ 锅炉内部汽水及烟风工艺流程 携带的显热等。输出系统的能量有蒸汽所带走的热 能、烟气带走的热能，气体不完全燃烧热损失、固 体不完全燃烧热损失、炉体的散热损失以及灰渣物 理热损失等。从能量守恒的角度考虑，对整个锅炉 机组而言，输入锅炉的热量应等于输出锅炉的热 量，对应１ ｋｇ燃料的锅炉热平衡，其数学模型表示 如下： Ｑ ＝Ｑ ＋Ｑ：十Ｑ ＋Ｑ ＋Ｑ ＋Ｑ （１） 式中：Ｑ 为锅炉输入热量，ｋＪ／ｋｇ；Ｑ．为锅炉 输出热量，ｋＪ／ｋｇ；Ｑ 为排烟热损失，ｋＪ／ｋｇ；Ｑ 为 气体不完全燃烧热损失，ｋＪ／ｋｇ；Ｑ 为固体不完全 燃烧热损失，ｋＪ／ｋｇ；Ｑ 为炉体散热损失，ｋＪ／ｋｇ； Ｑ 为灰渣物理热损失，ｋＪ／ｋｇ。将式（１）用方程右 侧各项热量占输入热量的比值百分数来表示，则有 １００＝ｑＩ＋ｑ２＋ｑ３＋ｑ４＋ｇ５＋ｑ６ （２） 其中 ｑｌ＝ ，ｑ ＝ ’ｚ ……。．，ｑ６：， 罟 ｃ肺糊 ℃０ ３， 锅炉用能效果评定准则为热效率，可通过正、烟排 反平衡两种方法计算求得。其中正平衡法为锅炉有 气量 效利用热量与燃料输入锅炉热量的比值，按下式 计算： 越致撒 卵 ＝ （４）粹％ 反平衡法则是测定锅炉的各项热损失，然后反 算热效率，即 叼一：ｌ１００一（ｑ：＋ｑ，＋ｑ ＋ｑ ＋ｑ６）］／１００（５） 对注汽锅炉进行能耗测试的依据是ＳＹ／Ｔ ６２７５－－２００７《油田生产系统节能监测规范》、ＧＢ／Ｔ １５３１７—２００９《燃煤工业锅炉节能监测》、ＳＹ／Ｔ ６８３５－－２０１ １《稠油热采蒸汽发生器节能监测规 范》，以及ＳＹ／Ｔ ５２６４－－２００６《油田生产系统能耗测 试和计算方法》等。首先通过元素分析了解燃煤的 组成，并测出平均热值；利用锅炉在线仪表测试燃 煤耗量、给水的流量，并读取蒸汽的压力、温度； １ ６ ｊ ＷＷＷ．ｓｙｓｈｊｎ．ＣＯＷｌ 固体不 炉体 灰渣 排烟气体不完全完全燃 散热 物理 损失／燃烧损失／烧损失／ 损失／ 热损／ ％ ％ ％ ％ ％ 由以上数据可以看出：锅炉系统正反平衡效率 绝对误差小于５％，说明系统的测算调研准备充 分，测试过程合理，调研所得测试数据较为准确， 测试计算结果具有较高可靠性；锅炉额定工况下效 率为８２％，而实际运行平均效率只有７７．８６％，主要 原因在于排烟热损失、固体未完全燃烧热损失比例 较大，并且锅炉实际负荷率低，造成较大的散热损 失；过量空气系数大，导致锅炉的对流换热情况下 降，同时锅炉的辐射换热过程不够充分，相比效率 较高的锅炉烟气量过大。一般油田锅炉过量空气系 数稍高，维持在１．２～１．４之间，可以看出本锅炉过 量空气系数过大，甚至超过１．８，必然造成更大的 能量损失与燃料的浪费，带来更多的污染。 ３炯平衡两箱分析模型 炯平衡由黑、白两箱模型组成，黑箱模型如图 ２所示，原理为锅炉输出炯等于产品炯增量与锅炉 炯损之和。其中：ＥｘＷ为给水炯；ＥｘＳ为蒸汽带 出炯；Ｅｘｓｕｐ为注汽锅炉供给炯。该模型不考虑内 部各个子过程的炯的损失情况，直接计算体系的炯 效率，也就是系统有效耗炯与供给炯之比，即正平 衡炯效率： ｒ／ ＝——＝——一Ｅｘ：—Ｓ－ＥｘＷ——＿＿＝＝＿＿ ×１００％（６）０， 也 ｓｕｐ 白箱模型对体系内、外部的各个用能设备和过 程逐个分析，除需要计算输入、输出体系的物流炯 （能）值，还需计算设备各个能量传递和转换过程 ＿ 的炯（能）损失及炯损系数。锅炉白箱分析模型如 在相同的锅炉工况下，可以降低锅炉燃料的化学炯 图３所示，其中：Ｅｘｒｋ为热空气的物理炯，Ｅｘｒｌ为 供应量从而提高锅炉炯效率。燃料供给炯，两者之和为供入炯Ｅｘｓｕｐ；Ｅｘｓｒ和 Ｅｘｌｚ分别表示锅炉的散热炯损失和锅炉排渣炯损 ２）燃料燃烧过程是从能量存储的化学能变为 高温烟气热能的过程，必然要损失一定的做功能 失；Ｅｘｑ和Ｅｘｇ分别为气体和固体未完全燃烧所带 力，这是由功与能的本质区别造成的；当高温烟气 Ｃ的水 走的化学炯损；Ｅｘｐｙ表示锅炉的排烟炯损失； 向锅炉给水传热时，温度从１２００℃向１２０ ｏＥｘｌｒｓ为燃烧炯损；Ｅｘｌｃｒｌ、Ｅｘｌｃｒ２为注汽锅炉中的 传热，巨大的不可逆传热温差是造成系统炯损失大 的原因，加上烟气排放携带炯损失，综合造成的炯 烟气分别对水和对空气的传热炯损失。由此可得到 反平衡炯效率： 图２注汽锅炉“黑箱”模型 图３注汽锅炉“自稻”模型 Ａ．＝（１一 ！ ！ ！ ！ ！！ ！ ］×１。。％ （７） 对注汽锅炉运行数据按照炯平衡进行了计算， 得到了正反平衡测算结果（表２）。 表２ 注汽站锅炉炯平衡两箱分析结果 由以上表格数据可以看出： １）从炯提高的方面讲，给水带入炯是最容易 提高的进入系统炯；因此，通过提高给水带人炯， 效率远远低于系统的热效率。 ３）由于能量损失的主要形式为排烟热损失， 而炯损失主要形式为燃料燃烧和炉内大温差传热炯 损失，炯效率也比能量效率低，提高系统的炯效率 对提高系统能效有重要作用。 ４）从损失分类可以看到，炯系统的能量损失 是系统内部损失，能量系统损失主要是向外界通过 介质散热，即通过传质散热；外部炯损（包括排烟 和炉体散热烟损失）占系统炯损的比例较小，因此 不可逆损失在炯损失中占最大比重。 ５）炯损失主要形式为能量的转化过程，即能 量的高温燃烧和传热过程。因此从降低系统的炯损 失角度讲，应以降低高温传热与能量转化损失为依 据，提高系统的炯效率。 ４提高锅炉效率的途径 根据能量平衡和炯平衡的计算结果以及对用能 分析和薄弱环节的确定，提出了相应的节能增效措 施和建议［１６－１９］。 ４．１ 节能措施建议 １）排烟温度过高，说明燃烧释放的热量没有 被工质充分吸收，因此对蒸汽锅炉可以采取如下的 改进措施：通过定期吹灰和除垢措施保持换热面的 清洁，增强烟气与水管表面间的热量传递过程，从 而降低排烟温度；增加对流段的传热面积，更多地 吸收烟气中的热量；增设其他余热回收装置。由于 蒸汽锅炉因结构所限难以改造，可在烟管与烟囱之 间增设小型的余热回收装置，以降低加热炉排烟 温度。 ２）固体不完全燃烧是仅次于锅炉排烟的热损 失环节 。通过延长灰渣在炉内停留时间，收集飞 灰中的固体可燃物重新利用，改善炉排结构以减少 漏煤量，采用分区配风、送二次风、改进炉拱结构 等方法都可以减少链条炉排锅炉的固体不完全燃烧 热损。 ３）锅炉送风优化控制。为了使锅炉中的燃料 Ｅ－ｌ１１ ５年第ｌ口期石油石化节能ｆ １７ ■ 试验・研究，Ｔｅｓｔｉｎｇ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ 尽可能地燃烧完全，实际供给的空气量总要大于理 热管换热器后，经过７２天即可收回全部成本。因 论空气量，即过量空气系数总是大于ｌ。考虑到配 此，采用余热回收装置预热给水的方案其节能及经 风量小不完全燃烧热损失增加，配风量大则排烟损 济效益非常显著，从技术上与经济上都具有可 失增加，因此过量空气系数Ｏｌ过大或过小都对燃烧 行性。 不利。为使蒸汽锅炉过量空气系数处于合理、科学 的范围，可以采用送风自控系统，实现锅炉送风优 化控制。 ４）泵机组普遍在低负荷区域运行导致电能利 用率低，仅为６５％左右。为了提高机泵运行效率， 表３单台热管省煤器工艺参数 应从以下方面人手：避免负载率低，使机泵满负荷 运行；提高电动机的功率因数，如采用变频调速 技术。 ４．２节炯技术建议 １）降低炉内燃烧娴损失。因为进入系统的燃 料的化学炯是固定的，因此降低锅炉的化学炯损失 必须从燃料的燃烧温度人手，只有提高锅炉的燃烧 温度，才能降低锅炉内部化学炯转化的损失。如果 要提高锅炉的燃烧温度，必须合理地控制过量空气 系数；另一方面，可以通过改善锅炉系统燃烧条 件，采用耐火材料以及保温材料，保持炉膛内高温 燃烧。 ２）降低锅炉内高温传热的炯损失。降低高温 传炯损失的主要方法为降低传热系统的传热温差， 此部分措施简单易行，而且对提高系统的炯效率， 降低燃料的消耗量作用明显。首先，炉膛内的传热 主要有２种形式，饱和水与高温烟气的对流换热以 及饱和水与高温火焰的辐射换热。因此，降低传热 温差，减少传热的炯损失，可以从以下２个方面 人手： ， ①提高锅炉给水温度。通过锅炉给水和尾部排 烟的换热，提高给水温度同时降低烟气温度，综合 进行会降低系统的炯损失量。由于锅炉给水由给水 泵提供，余热温度过高给水泵会发生气蚀现象，因 此需要综合考虑锅炉的给水预热温度。 ②提高预热空气温度。通过空气预热器，可以 提高供风温度，一方面可以降低化学能转换的传热 温差，另一方面有利于维持锅炉内部高温条件，减 少燃烧过程的炯损失。 ４．３烟气余热装置设计与节能评价 为减少排烟热损失，有效提高系统热效率和炯 效率，可以考虑在烟道尾部空气预热器之后加装热 管式省煤器用于预热给水，这样既能回收余热，又 能减少材料腐蚀。单台热管省煤器工艺参数如表３ 所示。经过效益分析（表４）可见，加装锅炉尾部 １ ８ １ ｗｗｗ．ｓｙｓｈｊｎ．ｃ。ｍ 按照上述工艺方案可以给出其经济型评价结果 （表４）。 表４单台省煤器节能效果分析 ５ 结论 １）通过能耗测试和能量平衡计算可知，锅炉 用能薄弱环节主要在于排烟热损失、固体未完全燃 烧热损失，锅炉散热损失比重小，但不可忽略。 ２）通过烟气余热回收、延长灰渣停留时间、 二次燃烧、空气过量优化控制、额定负荷运行等工 艺，可以大大减少系统热损失，从而提高总体热 效率。 ３）低温燃烧和大温差传热是造成炯效率低的 主要原因，保持炉膛内高温燃烧，提高系统给水温 度和空气温度可以大大提高系统炯效率。 ４）烟气预热给水方案工艺简单，投资少见效 快，只要系统参数控制得当，完全能满足降低锅炉 排烟热损失，从而提高锅炉热效率。 参考文献： ［１］王志国．项新耀．李东明，等．稠油热采注汽系统能损分 析及节能途径［ｃ］／／热力学分析与节能论文集．北京：科 学出版社，１ ９９９：７７—８６． ［２］王志国，马一太，李东明，等．稠油开采注汽过程能量转 换分析模型及评价准则［Ｊ］．大庆石油学院学报，２００４， ２８（５）：２８－３０． 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（上接第４页） 参考文献： ［１］万仁溥，罗英俊．采油技术手册［Ｍ］．３版．北京：石油工业 出版社．２００５：５６－５９． ３）降低运行能耗。保证产量不变的情况下， 降低油井冲速，达到降低产液单耗、提高系统效率 的目的。 ［２］姜大为．提高新井抽油机载荷利用率方法的研究与应用 ［Ｊ】．石油石化节能。２０１２（６）：７－８． ４）消除安全隐患。针对部分长期存在载荷、 扭矩超载现象的抽油机井，实施机型优化，可消除 优化井的安全隐患。 （收稿日期：２０１５—０２—１２） ５）延长检泵周期。大幅度地降低冲速，可以 减少杆不下、杆管偏磨等检泵问题。 ＝；ＤＩ ５年第１口期石油石化节能｛１９
