油田注汽鍋爐煙氣冷凝節(jié)能技術(shù)

王 華，張 偉，武建飛，馬樹杰，陳 杰

（1. 克拉瑪依市科力節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司， 新疆 克拉瑪依 834000； 2. 上海晟煜科貿(mào)有限公司， 上海 200233）

油田注汽鍋爐煙氣冷凝節(jié)能技術(shù)

王 華1，張 偉1，武建飛2，馬樹杰2，陳 杰1

（1. 克拉瑪依市科力節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司， 新疆 克拉瑪依 834000； 2. 上海晟煜科貿(mào)有限公司， 上海 200233）

油田注汽鍋爐是隨著稠油熱力開采而迅速發(fā)展起來的新型工業(yè)鍋爐，熱效率普遍偏低，它的熱損失主要包括化學未完全燃燒熱損失、排煙熱損失、鍋爐向環(huán)境散熱熱損失等，其中排煙熱損失和散熱熱損失是影響注汽鍋爐熱效率的兩個主要因素。針對油田注汽鍋爐的排煙熱損失進行了一些措施與研究，有效的降低鍋爐排煙溫度，降低排煙熱損失，在一定程度上提高了鍋爐的熱效率。

油田；注汽鍋爐；煙氣冷凝；節(jié)能

隨著油田的開發(fā)，現(xiàn)已趨向于特、超稠油的開采，而蒸汽輔助重力泄油是較成熟的手段，因此油田專用注汽鍋爐作為生產(chǎn)高溫、高壓蒸汽的特種設(shè)備，在目前油田稠油注采設(shè)備中起著非常重要且不可替代的作用，但與此同時，它也是油田稠油開采中的主要耗能設(shè)備，其能耗占開采總成本的60%以上[1-5]。根據(jù)新疆油田注汽鍋爐的熱損失特點，重點針對排煙熱損失進行分析研究，并實施一系列試驗，可將鍋爐的熱效率提高至90%以上。

1 注汽鍋爐煙氣冷凝技術(shù)

1.1 煙氣冷凝

通常碳氫燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中的水以氣態(tài)存在，以此得到的燃料熱值稱低熱值（燃料的低位發(fā)熱量），若使煙氣中的水以液態(tài)存在，則得到高熱值（燃料的高位發(fā)熱量），兩者的差值等于煙氣中水蒸氣的汽化潛熱。

熱能工程領(lǐng)域為控制尾部煙道的低溫腐蝕，排煙溫度高于煙氣中水蒸氣的露點，故而計算鍋爐的熱效率都是用燃料的低位發(fā)熱量為基準的，因此存在排煙損失、散熱損失等鍋爐的熱效率小于100%。

如果排煙溫度降低得足夠低（低于露點），不僅使排煙的顯熱損失降低，并使煙氣中部分水蒸汽凝結(jié)放出潛熱加以利用，鍋爐的熱效率會提高。若能使排煙顯熱損失、散熱損失等之和小于蒸汽凝結(jié)利用的潛熱，鍋爐的熱效率甚至會達到和超過100%。在一些能源利用率較高的歐美國家，燃氣冷凝式余熱回收的熱水鍋爐熱效率高達 103%以上。國內(nèi)開發(fā)的家用冷凝式燃氣熱水器，其熱效率也已提高到105%。

1.2 注汽鍋爐煙氣冷凝節(jié)能效益分析

為了回收煙氣中的水蒸汽的潛熱，必須把煙溫降到露點溫度以下。因此，在回收利用潛熱前，先通過空氣復合換熱器吸收煙氣顯熱，降低煙氣溫度。

1.2.1 煙氣顯熱的回收

圖1為不同空氣過量系數(shù)α下的回收顯熱提高的熱效率圖（效率提高以180 ℃的排煙溫度的熱效率為基準）。

圖1 回收顯熱提高熱效率圖Fig.1 Recovery of sensible heat to improve the thermal efficiency

該圖是通過熱工計算及經(jīng)驗公式得出，由于計算過程繁瑣，因此不在此詳細敘述計算過程。從圖中可知，空氣過量系數(shù)越大，熱損耗就越大，可回收的顯熱就越多。經(jīng)多年的實踐證明，正常工況下，該圖與實際測算結(jié)果基本一致。

1.2.2 煙氣的潛熱回收

對于煙氣溫度從100 ℃降到50 ℃時，冷凝換熱器工作在濕工況下工作，此時可對回收的熱量進行估算。表1是以700 kW為計算基礎(chǔ)，多次試驗冷凝換熱器在相同的工作條件下余熱回收量的平均值（鍋爐容量為1 t）。

表1 回收煙氣余熱提高熱效率經(jīng)驗數(shù)據(jù)表Table 1 Experience data about recovery of flue gas waste heat to improve thermal efficiency

對于不同功率的鍋爐，以此表為基礎(chǔ)乘以相應的倍數(shù)，即可得出粗略的余熱回收量。

1.2.3 煙氣顯熱與潛熱提高鍋爐熱效率分析

圖2給出了空氣過剩系數(shù)α=1.1回收煙氣顯熱與潛熱提高鍋爐熱效率圖。

從圖2可知，鍋爐熱效率的提高分為兩個比較明顯的區(qū)域，60～160 ℃變化較緩慢，而在30～60 ℃變化較大。這主要是因為煙氣的熱焓中水蒸汽的潛熱所占的比重要大于煙氣顯熱的結(jié)果。

圖2 煙氣顯熱與潛熱提高鍋爐熱效率圖Fig.2 Sensible heat and latent heat of flue gas to improve the thermal efficiency

1. 3 系統(tǒng)工藝

針對燃用天然氣燒清水的鍋爐，在其尾部裝氣-氣換熱器和煙氣冷凝換熱器（圖3）。 考慮到余熱回收系統(tǒng)發(fā)生故障時不影響油田注汽鍋爐本體運行，方案設(shè)計為通過風機從現(xiàn)有煙道中抽取煙氣，整個煙氣余熱深度利用系統(tǒng)須新增一個獨立的煙道系統(tǒng)。并在整個新增煙道入口處設(shè)置煙氣開關(guān)閥。同時由于位于冷凝換熱器下游的煙道排出煙氣為濕煙氣，煙道做了耐腐蝕處理。

圖3 煙氣冷凝換熱流程簡圖Fig.3 Flue gas condensation heat transfer process diagram

為適應油田簡配站鍋爐安裝形式，設(shè)計采用模塊化冷凝器裝置集成單元結(jié)構(gòu)。該單元為一個撬裝式的彩板房，集中安裝了氣-氣換熱器、煙氣冷凝換熱器、引風機 、鍋爐原鼓風機、冷凝水回收箱及相關(guān)煙風道等。

1.3.1 模塊化冷凝器裝置集成單元

模塊化冷凝器裝置集成單元主要包含氣-氣換熱器和煙氣冷凝器以及送、引風機四部分。

（1）氣-氣換熱器主要回收煙氣中顯熱，以煙氣中不出現(xiàn)冷凝為最大顯熱回收極限。設(shè)計氣-氣換熱器將把鍋爐排煙溫度從170 ℃降到80 ℃（不出現(xiàn)冷凝），煙溫下降90 ℃，空氣溫升120℃。冬天空氣溫度可以從大約-20 ℃（室外進風）加熱到90 ℃，夏天空氣溫度從40 ℃加熱到130 ℃。為增強傳熱效果，降低煙道阻力，傳熱管采用復合鋁翅熱管型式。

（2）煙氣冷凝換熱器回收煙氣的顯熱與潛熱。是煙氣余熱深度利用系統(tǒng)中回收煙氣潛熱的主要設(shè)備。以進入注汽鍋爐的常溫給水為換熱器冷源介質(zhì)，可以把排煙溫度從 90 ℃ 降到 70～50 ℃。煙氣冷凝換熱使用間壁式換熱器，采用一系列強化傳熱技術(shù)的換熱管。該換熱器采用逆向?qū)α鲹Q熱，即煙氣流動方向與冷卻水流動方向相反。為便于冷凝水及時排出，煙氣流動方向與冷凝水流向相同。

（3）從煙氣冷凝換熱流程圖看出，應用煙氣冷凝技術(shù)后鍋爐煙、風系統(tǒng)與原設(shè)計相比，煙風阻力均有一定增加。為使煙、風系統(tǒng)運行參數(shù)符合設(shè)計要求，確保鍋爐安全運行，需增加引風機。引風機的參數(shù)根據(jù)煙、風系統(tǒng)實際情況進行校核后選型確定。

現(xiàn)場試驗中，鍋爐燃燒器為北美燃燒器，送風機利用原裝風機，只是移位安裝在模塊化冷凝器裝置單元內(nèi)。引風機采用變頻器控制。

1.4 現(xiàn)場試驗情況

試驗結(jié)果如表2，表3記錄所示。

表2 節(jié)能技術(shù)改造前后設(shè)備運行參數(shù)變化Table 2 Equipment operation parameters before and after energy-saving technological transformation

表3 節(jié)能技術(shù)改造后設(shè)備運行報表Table 3 The equipment run data after energy saving technical transformation

2 結(jié) 論

本項目為煙氣余熱深度利用，是煙氣冷凝技術(shù)在油田注汽鍋爐上首次應用，國內(nèi)沒有先例，現(xiàn)場試驗后，經(jīng)中國石油天然氣集團公司西北油田節(jié)能監(jiān)測中心對節(jié)能技術(shù)改造后的油田注汽鍋爐進行節(jié)能效果測試，測試結(jié)果為：煙氣冷凝裝置的節(jié)能率達到9.4%，鍋爐平均熱效率達到100.9%。以該試驗設(shè)備為例，改造后，累計運行150天，節(jié)約天然氣43.2萬方，折標煤575噸，按天然氣成本價格2.29元/立方米，節(jié)約成本98.93萬元，改造成本投資回收期約為2年。

［1］武占. 油田注汽鍋爐[M].上海:上海交通大學出版社,2008.

［2］周杰．正壓通風燃氣鍋爐的排煙熱能利用系統(tǒng)[J].煤氣與熱力,2005, 25(7):12-17.

［3］趙鳳香，楊可耕．燃氣鍋爐燃燒及煙氣冷凝回收原理[J].區(qū)域供熱,2007(4):51-54．

［4］周建平，謝強，等. 稠油熱采注汽鍋爐節(jié)能減排措施實踐[J].油田環(huán)境保護,2011，21（3）:29-32.

［5］婁桂云,魏敦崧．天然氣燃燒煙氣的冷凝傳熱特性[J]. 煤氣與熱力,2005,25(1):6-10;14.

Flue Gas Condensing Energy-saving Technology for Oilfield Steam Injection Boilers

WANG Hua1，ZHANG Wei1, WU Jian-fei2， MA Shu-jie2, CHEN Jie1
（1. Karamay City Keli Energy-saving Technology Co.,Ltd., Xinjiang Karamay 834000，China；2. Shanghai Shengyu Trade Co.,Ltd., Shanghai 200233，China）

With development of steam injection thermal recovery of heavy oil, a new type of steam injection boiler is developed. But the boiler has low thermal efficiency; its heat loss includes incomplete combustion heat loss, heat loss due to exhaust gas, and boiler heat loss to the environment. Among them, heat loss due to exhaust gas and boiler heat loss to the environment are the two main factors to affect steam injection boiler thermal efficiency. In this paper, the heat loss due to exhaust gas for oilfield injection steam boiler was researched. It’s pointed out that effectively reducing the boiler exhaust gas temperature can decrease the heat losses to improve the thermal efficiency of the boiler to a certain extent.

Oilfield; Steam injection boiler; Flue gas condensation; Energy saving

TE 357

A

1671-0460（2014）11-2316-03

克拉瑪依市科技局基金項目，項目號：SK2013-30。

2014-05-18

王華（1988-），女，遼寧東港人，助理工程師，2011年畢業(yè)于大連工業(yè)大學自動化專業(yè)，研究方向：從事油田節(jié)能技術(shù)工作。E-mail：651305745@qq.com。