提高注汽锅炉排量研究

2012-07-26张国军于显勇申龙涉张纯静

节能技术 2012年3期

张国军，于显勇，申龙涉，张纯静

(1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001;2.辽河油田分公司锦州采油厂，辽宁锦州121209)

稠油开采主要有蒸汽吞吐和蒸汽驱两种方式，其中主要的设备就是注汽锅炉，其运行成本是热注开采的主要部分，提高锅炉的效率，降低注汽锅炉的运行成本具有重要意义［1］。基于某采油厂注汽锅炉效率较低，为了使注汽锅炉设备的工作潜力得到充分的发挥和应用，通过对当前排量下注汽锅炉的运行状态进行调研统计分析和提高排量试验研究，寻找制约提高排量的影响因素，并提出提高排量的可行性分析和提高排量的综合技术方案，以实现注汽锅炉运行在更加合理的负荷范围内，降低单位负荷下的注汽锅炉运行成本。

1 现有注汽锅炉运行状态分析

从2011年5月至11月，分别对某采油厂两个注汽作业区的31个自然注汽站的50台注汽锅炉进行了系统调研。调研内容主要包括以下几方面:

1.1 锅炉自然状态调研统计

按注汽时率来统计(注汽锅炉在某段时间内实际参加注汽时间与总时间之比为注汽时率)，为了调查各锅炉的使用频率、服役年限和锅炉耗损状态对提高排量的影响，做如下统计，将2011年上半年所有锅炉的注汽时率列出，其中注汽时率最低的为0，最高的为45.42%，采用相对比较的方法，取注汽时率大于24%的锅炉作为相对使用比效频繁的锅炉作统计，注汽时率大于24%的锅炉总计有35台，如图1所示，从注汽锅炉注汽时率和使用年限上可以看出，相对使用频率高的注汽锅炉的服役年限在20年以下的注汽锅炉占总数的69%，在所有注汽锅炉中所占的比例很高，所以从锅炉的总体使用耗损上，该部分注汽锅炉还有很大提高排量的空间。对于提高热注效率，降低注汽成本有很大实际操作性。

图1 注汽锅炉按注汽时率和使用年限统计

1.2 注汽锅炉供水系统的调研统计

通过对供水系统大量调研可知，柱塞泵的额定排量，常用排量如图2所示，所有柱塞泵均采用变频器控制，结合变频器使用可以节约电能［2－3］，在相应的注汽排量量程上控制频率为0～60 Hz，实际变频器的常用频率在35 Hz左右。提高现运行排量的10%后，23 t/h注汽锅炉的注汽排量提高至额定排量的73%，11.2 t/h注汽锅炉的注汽排量提高至额定排量的59%，9.2 t/h注汽锅炉的注汽排量提高至额定排量的50%［4］。所以，从注汽锅炉柱塞泵的供水能力和泵的变频控制能力上分析，将现有注汽锅炉提高现在运行注汽排量的10%是可行的。

图2 柱塞泵的额定与实际排量的比对统计

1.3 注汽锅炉供风和燃烧系统调研统计

1.3.1 供风系统调研统计

注汽锅炉的供风系统中主要设备为空压机，实际风机的运行排量大多为额定排量的45%～65%之间。所以，在加强运行巡检和定期保养的前提下，注汽锅炉供风系统的现状完全可以满足提高10%常用排量运行的要求。

1.3.2 燃料燃烧系统调研统计

现行的50台注汽锅炉的燃烧器主要有两种类型，其中48台为美国的北美，2台为德国的扎克。燃烧器多为原油和天然气两用。燃烧系统主要问题集中于执行器响应速度下降，风门联动不灵活。

2 提高注汽排量的试验研究

为了解提高常用排量前后注汽锅炉运行状态变化，以及有无影响提高排量的影响因素。于2011年11月20日至29日，在一台锅炉上进行了提高正常注汽排量10%的试验，实验过程中采用辽宁石油化工大学自主研发的注汽锅炉蒸汽干度在线监测装置，同时对锅炉的蒸汽压力，蒸汽干度，温度，质量流量等参数进行监测，保证注汽锅炉提高排量后安全运行，同时实现对蒸汽干度的自动控制，并对试验结果进行分析。

2.1 实验过程

在锅炉运行平稳的状态下，对锅炉的运行参数进行记录，利用蒸汽干度在线监控装置调节柱塞泵的频率，提高锅炉供水量，将排量在现运行的基础上提高10%，同时严格监视锅炉运行参数的变化，注意锅炉提高排量后的变化情况。

随着天然气量的增加，蒸汽干度随之增加，在干度未达到标准值时，蒸汽干度不再随天然气供应量的增大而升高。同时燃烧不稳定，火焰形状不规则，出现燎管现象，造成局部过热，存在安全隐患。这是由于锅炉设备使用年限的限制，燃烧器与风门连杆联动不灵敏，天然气与空气的配比达不到最佳值，同时风向影响了火焰形状，其热效率大大降低，锅炉性能不能得到充分发挥，实验过程中通过氧化锆探头监测烟气含氧量［5－7］，流程如图3。并结合干度监测装置对含氧量的控制，这样就保证了过剩空气系数控制在1.1～1.2之间［8－9］，装置根据天然气量调节风量的大小，同时改变风门的大小及风机叶轮角度，控制火焰形状在最理想状态。

图3 烟气含氧量控制流程图

3 提高排量后各参数影响分析

注汽锅炉提高排量后，系统的各个参数均发生变化，防止由于排量提高造成安全事故的发生，对各参数的变化情况进行分析。

3.1 提高排量后对井压的影响分析

如图4锅炉在提高排量前运行时蒸汽压力在14.5 MPa左右，并且比较稳定;而当锅炉提高排量以后，压力也随之上升到16 MPa左右。锅炉出口蒸汽压力的升高值仍在注汽锅炉设计范围内(现场锅炉额定压力为16.5 MPa)，所以提高排量后蒸汽压力的升高不会给锅炉正常运行带来影响。

图4 提高排量前后压力变化

值得注意的是与提高排量前相比，蒸汽压力的升高加大了锅炉、泵阀以及管线的压力负荷，容易加大机械磨损甚至严重事故的可能性。所以在提高锅炉排量的同时必须及时控制压力，并定期对炉管壁厚和管线各部分进行安全检测。

3.2 提高排量后锅炉单耗的分析

提高常用排量10%后，将单位时间内的燃气消耗量除以单位时间内的注汽排量，计算出试验过程中注汽锅炉的单耗量，其统计如表1所示。

表1 注汽锅炉提高排量前后参数

如图5所示，取提高排量前后蒸汽干度相同的注汽锅炉单耗做统计，蒸汽排量在现有的基础上提高10%以后，蒸汽单耗明显下降，提高排量前平均每吨蒸汽需要的天然气为87.64 m3;提高排量后平均每吨蒸汽消耗的天然气为85.12 m3，平均每吨蒸汽消耗的天然气降低2.52 m3，节能率在2.8%左右［10－12］。

图5 注汽锅炉提高排量前后单耗比对

从上述分析看到，提高注汽排量后有效利用了注汽锅炉的额定工作能力，锅炉热效率也明显提高，节约了开采成本，增加了公司经济效益。从工作效率上，提高排量可以节约注汽时间，可以有效的提高单位的工作效率。

3.3 提高排量后燃烧状态的分析

通过对比提高锅炉排量前、后喷嘴火焰的形状可以发现:当锅炉在较低排量运行时火焰成集束状如图6所示，火焰比较集中，使得炉管受热均匀;当排量提高以后火焰成分散状如图7所示，这样部分火焰就可以直接燎到炉管，使得炉管受热不均匀［13］，容易造成爆管。

图6 注汽提高排量前火焰形状

图7 注气提高排量后火焰形状

造成火焰形状变化的主要原因为风压过小所致。所以，当锅炉提高排量后对天然气的消耗量也随之增加，这时对进入燃烧器的风压也要及时调整，以免出现风压较小而导致火焰燎管的情况，这样容易造成锅炉爆管事故，为避免这一情况，就要提高进入燃烧器的风压，可以通过改变风机叶轮的角度或通过添加变频装置来提高风压并控制火焰形状。