本課題以活動式油田注汽鍋爐的余熱利用為主要研究對象。油田注汽鍋爐是稠油開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計熱效率在85%左右。注汽鍋爐的熱損失主要為排煙熱損失、鍋爐散熱損失及燃料不完全燃燒熱損失。針對以上三點，分別在實踐中尋找有效的節(jié)油措施。鑒于燃料不完全燃燒熱損失所占比例很小，熱采鍋爐節(jié)能方案從兩方面入手：一是廢熱再利用，二是降低熱損失?；谝陨纤悸?，采取兩步措施，一是對鍋爐爐水取樣流程進行改造，利用鍋爐入口冷水冷卻高溫樣品蒸汽，同時高溫樣品蒸汽提高鍋爐入口水溫;二是在對流段后部加裝給水預(yù)熱器，利用高溫?zé)煔馓岣咤仩t入口水溫。通過以上兩個措施來提高鍋爐入口水溫之后，經(jīng)鍋爐燃燒加熱后達到70%濕蒸汽所需要的熱量減少，從而達到節(jié)約燃料油的目的。
一、概述：
我國油田蘊藏有豐富的稠油、超稠油油藏，主要分布在遼寧、新疆及山東等地區(qū)。近年來，隨著原油價格的不斷攀升及尋找新的油氣資源的難度不斷增加，我國稠油及超稠油開發(fā)規(guī)模越來越大。當(dāng)前稠油開發(fā)的主要工藝為注汽熱采，即用專用設(shè)備產(chǎn)生蒸汽后注入稠油層，一方面加熱稠油層，稠油升溫后粘度降低，有更好的流動性;另一方面高壓蒸汽注入油層增加了地層能量，增加地層滲透率。熱采注汽又分為吞吐式和蒸汽驅(qū)。吞吐式適用于大部分稠油區(qū)塊，為單井注入，悶井?dāng)U散后采出;蒸汽驅(qū)適用于油層較厚且區(qū)塊大的油層，由一口井連續(xù)注入，周邊多口井同時采出。油田注汽鍋爐又稱為濕蒸汽發(fā)生器，是油田開采稠油的專用注汽設(shè)備。它是利用所生產(chǎn)的高溫高壓濕蒸汽注入油井，加熱地底油層中的原油以降低稠油的粘度，從而增加稠油的流動性，大幅度地提高稠油的采收率。現(xiàn)用油田注汽鍋爐熱效率為85%左右。根據(jù)油田注汽鍋爐的特性可知，油田注汽鍋爐的熱損失主要為排煙熱損失、鍋爐散熱損失及燃料不完全燃燒熱損失，各項損失所占比例中排煙熱損失所占比例為最大。各油田針對這一項目均開展了許多節(jié)能降耗的工作，取得了很好的效果。我們吸取了各地經(jīng)驗，總結(jié)并實施了一套自己的方案。
二、余熱利用方案及效果：
1、針對廢熱再利用，對高溫爐水取樣流程進行了改造。
注汽鍋爐高溫爐水取樣，被常溫水換熱降溫后取出用做干度化驗。取樣系統(tǒng)由兩條對流水路組成，改造前高溫爐水由單獨冷凝水冷卻，冷凝水最終變?yōu)槲鬯欧?，熱量白白損失。為減少熱浪損失浪費，并減少冷凝污水外排，我們通過分析，對取樣流程進行了改造。用φ10mm不銹鋼管盤成螺旋狀，置于鍋爐給水管線內(nèi)，不銹鋼管內(nèi)走高溫取樣水，由鍋爐給水作為冷凝水冷凝取樣水。用鍋爐給水代替單獨冷凝水，冷卻樣品爐水，既免去冷凝水外排污染，又提高鍋爐入口水溫。采用內(nèi)外套管形式，以爐給水代替取樣冷凝水。冷卻樣品爐水的同時，提高了鍋爐入口水溫，并消除了冷凝水外排造成的環(huán)境污染及污水回收費用。
改造前流程：
高溫爐水由單獨的低溫水經(jīng)過冷凝器進行降溫取樣，變?yōu)榈蜏厝铀?，冷凝水?jīng)過換熱后變?yōu)楦邷貜U水，排污處理。
改造后流程：
相比舊取樣流程，改造后簡化了流程，免去取樣冷凝水，樣品爐水直接在鍋爐給水管線中冷卻，避免了冷凝水的外排，從根本上減少了污水產(chǎn)生，同時提高鍋爐入口水溫，最終提高注汽干度，節(jié)省燃料原油。改造后，簡化了流程，高溫爐水由鍋爐的入口水經(jīng)過冷凝器降溫后變?yōu)槿铀仩t入口水經(jīng)過換熱后溫度提升，進入柱塞泵。這樣免去單獨冷凝水的排放，每臺鍋爐每天節(jié)水10方，日節(jié)約收污水車一臺運費392元;同時提高了鍋爐的入口水溫2～3℃，達到同樣干度的蒸汽所需熱量減少。按照水的比熱是4.2KJ/Kg，入口水溫提高2℃，鍋爐排量8.0t/h，燃油熱值40000kj/kg計算：每天每臺鍋爐所需水量為：
8.0t/h×24h=192000kg
日節(jié)油量：
按照每臺鍋爐運行時率55%計算，年運行200天，每天排放冷卻水10方，原油價格按3000元/噸計，每臺鍋爐每年：
節(jié)約燃料費用：0.04噸×200天×3000元/噸=24000元
節(jié)收污水運費：392元×200天=78400元
2、針對高溫?zé)煔?，在對流段后部加裝給水預(yù)熱器。
以一臺9.2t/h注汽鍋爐為例，按7000m3煙氣量計算，假定排煙溫度由250℃降到180℃，煙氣余熱利用熱量可達185KW。因此，油田注汽鍋爐煙氣余熱利用的空間巨大，針對油田注汽鍋爐開展煙氣余熱利用節(jié)能研究不僅符合當(dāng)前國家節(jié)能減排要求，而且也會為企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟效益。
高溫?zé)煔饪梢杂脕砑訜嶂伎諝狻⑷加图板仩t入口水。
(1)加熱空氣方案需附設(shè)大量風(fēng)道，增加注汽鍋爐高度2m，只適合固定安裝蒸發(fā)量大的注汽鍋爐，考慮到活動式油田注汽鍋爐搬遷較頻繁，固不宜選用。
(2)加熱燃油方案。一臺9.2t/h注汽鍋爐燃油消耗量約為520kg/h，燃油比熱容以1.94kJ/Kg?K計，即使按燃油從40℃加熱到90℃，溫升達50℃計算加熱所需熱量也只有14KW，占可利用煙氣余熱總熱量的7.6%，效率很低，故不太適宜。
(3)鑒于活動式注汽鍋爐搬遷頻繁，不適宜加裝大尺寸復(fù)雜性高的裝置，針對比例最大的排煙熱損失，所能利用的熱量的方法為利用排煙余熱提高鍋爐入口水溫。以9.2t/h注汽鍋爐運行水量為9t/h測算，取20℃鍋爐進水比熱容為4.175kJ/Kg?K，全部185KW煙氣余熱可使鍋爐進水溫度升高20℃。鍋爐進水溫度升到40℃，進口水溫不超過60℃，柱塞泵無須改造即可正常運行。因此，利用煙氣余熱加熱鍋爐進水方案應(yīng)為活動式油田注汽鍋爐最佳余熱利用方案。
在煙氣與水的換熱中，換熱器的選擇主要有普通管式換熱器和熱管換熱器兩種。熱管換熱器是近年來隨著熱管技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種換熱器。因其管壁溫度較高，對防止低溫腐蝕和粘結(jié)性結(jié)灰有利，在低溫余熱回收利用中得到較快推廣。 熱管傳熱技術(shù)是國際上60年代以來發(fā)展起來的先進、高效傳熱技術(shù)。熱管一般由管殼和內(nèi)部工作液體(工質(zhì))組成。管殼是鋼制的、抽成真空的密封管殼，工質(zhì)是經(jīng)過特殊處理的液體。熱管加熱段吸收熱流體熱量，熱量通過熱管壁傳給管內(nèi)工質(zhì)，工質(zhì)吸熱后蒸發(fā)和沸騰，轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?。蒸汽在微小壓差的作用下上升至放熱段，受管外冷流體的冷卻作用，蒸汽冷凝并向外放出汽化潛熱，冷流體獲得到加熱。由于熱管內(nèi)部抽成真空，工質(zhì)極易蒸發(fā)與沸騰，熱管起動迅速。
熱管換熱器是利用熱管傳熱元件制作而成的一種換熱器。它可以通過調(diào)整熱管元件蒸發(fā)段和冷凝段外表擴張傳熱面的大小等手段來調(diào)節(jié)管壁溫度，使之高于煙氣露點或避開最大腐蝕區(qū)，對防止鍋爐尾部的低溫腐蝕、積堵灰非常有效。
普通管式換熱器與熱管換熱器的優(yōu)缺點對比：
優(yōu)點：
普通管式換熱器：1.結(jié)構(gòu)簡單，外觀簡捷
2.耗鋼材少，造價較低
熱管換熱器：1.可避開低溫腐蝕，設(shè)備壽命較長(5～7年)
2.煙道內(nèi)換熱管干燥不粘灰
3.二次間壁換熱，不會造成兩側(cè)介質(zhì)相混現(xiàn)象
缺點：
普通管式換熱器：1.無法避免低溫腐蝕，設(shè)備壽命較短(1～2年)
2.換熱管腐蝕穿孔后，會造成進水竄入煙氣，使鍋爐被迫停爐
3.換熱管外壁濕潤粘灰，會逐漸加大煙道阻力
熱管換熱器：1.設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜
2.耗鋼材多，造價較高
可見，在低溫?zé)煔庥酂峄厥罩杏捎诘蜏馗g的不可避免，普通管式換熱器壽命很短。既使改用耐腐蝕材質(zhì)，但因其壁溫太低造成的管壁粘灰亦會加大尾部煙道阻力，甚至堵灰，從而增大清灰工作量。而熱管換熱器因其真空相變傳熱方式使壁溫較高，設(shè)備壽命期長;同時，二次間壁傳熱等優(yōu)點又提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。
綜上分析，活動式油田注汽鍋爐煙氣余熱利用方案應(yīng)選用熱管換熱器加熱鍋爐進水為宜。
軟化水由水處理出口首先進入對流段尾部熱管加熱，升溫后進入鍋爐柱塞泵。以9.2t/h注汽鍋爐運行水量為9t/h測算，取20℃鍋爐進水比熱容為4.175kJ/Kg?K，全部185KW煙氣余熱可使鍋爐進水溫度升高20℃。鍋爐進水溫度升到40℃，進口水溫不超過60℃，柱塞泵無須改造即可正常運行。因此，利用煙氣余熱加熱鍋爐進水方案應(yīng)為活動式油田注汽鍋爐最佳余熱利用方案。
熱管換熱器設(shè)計參數(shù)：
型號：SGR―11.2II
煙氣量：7000Nm3/h
煙氣進口溫度：250℃ 煙氣出口溫度：180℃
水量：9t/h
給水進口溫度：15℃ 給水出口溫度：35℃
回收熱量：217KW
換熱器計算阻力：≤150Pa
外形尺寸：(接口法蘭和鍋爐對流段法蘭相同)
以一臺11.5t/h注汽鍋爐為例，按7000m3煙氣量計算，假定排煙溫度由250℃降到180℃，煙氣余熱利用熱量可達185KW。以11.5t/h注汽鍋爐運行水量為8t/h測算，取20℃鍋爐進水比熱容為4.175kJ/Kg?K，全部185KW煙氣余熱可使鍋爐進水溫度升高20℃。鍋爐進水溫度升到40℃，進口水溫不超過60℃，柱塞泵使用水溫要求小于70℃，無須改造即可正常運行。因此，利用煙氣余熱加熱鍋爐進水方案應(yīng)為活動式油田注汽鍋爐最佳余熱利用方案，該方案資金預(yù)算25萬元。
煙氣量：7000Nm3/h
煙氣進口溫度：250℃ 煙氣出口溫度：180℃
水量：8t/h
給水進口溫度：15℃ 給水出口溫度：35℃
回收熱量：185KW換熱器計算阻力：≤150Pa
該方案預(yù)計一次性投入資金為25萬元左右，使用年限為5-7年。
假定注汽鍋爐原運行熱效率為84%，經(jīng)煙氣余熱利用后排煙溫度降低了約60℃。按注汽鍋爐煙溫每降15～20℃，鍋爐熱效率提高1%的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，熱效率提高了近3%。注汽鍋爐運行以8t/h排量，燃油消耗量約為520kg/h。
考慮注汽鍋爐維護保養(yǎng)及搬遷需要，以鍋爐全年運行200天計，每年每臺鍋爐可節(jié)約燃料油為：200×430.56/1000=86.112噸
以每噸原油3000元計算，每臺鍋爐每年可節(jié)約費用為：3000×86.112=258336元
通過以上分析可以看出，該節(jié)能方案一年即可收回投資，具有良好的經(jīng)濟效益和推廣價值。
