馬建國 張洪江 王東 柳慶新 李世武

1 現(xiàn)狀

石油是重要的能源資源，它分為稀油和稠油兩類，目前世界上可供開采的石油儲量中，稠油所占比例高達約70%，稠油開采的地位日趨受到世界重視，將成為21世紀的重要能源[1]。我國有較為豐富的稠油資源，稠油開采已成為我國石油開采的重要組成部分。目前，世界上稠油開采的主要方式為稠油熱采，稠油熱采是世界上開采稠油最有效的方法。在稠油熱采生產(chǎn)過程中，由注汽鍋爐產(chǎn)生高溫高壓濕蒸汽，經(jīng)過蒸汽管網(wǎng)將濕蒸汽從注汽鍋爐輸送到各稠油熱注井口，然后再通過稠油井內(nèi)的熱注管筒將濕蒸汽灌注到地下的稠油油層中，對稠油油層加熱、大幅降低稠油的黏度，使固體或難于流動的稠油變?yōu)榭闪鲃拥某碛土黧w，再用抽油機將稠油從地下抽取上來。在稠油熱采生產(chǎn)中，大量使用著注汽鍋爐，注汽鍋爐不僅是核心設備，而且還是稠油熱采的重要耗能設備。要使稠油熱采能夠有效提高稠油的采收率和經(jīng)濟性，其中一個重要環(huán)節(jié)就是提高注汽鍋爐的效能。

為了提高稠油熱采的經(jīng)濟性和節(jié)能，應提高注汽鍋爐的熱效率。注汽鍋爐的熱效率是評價注汽鍋爐性能的重要指標，它反映了注汽鍋爐能量轉(zhuǎn)換與利用的效能，即進入注汽鍋爐中燃料化學能有多大比例被利用來加熱水蒸氣，它是注汽鍋爐設計、制造、尤其是運行的重要評價指標。

提高注汽鍋爐的熱效率，就是提高注汽鍋爐的有效利用熱，根據(jù)稠油熱采注汽過程的技術(shù)要求，注汽鍋爐的出力（即熱負荷）是經(jīng)常變動的，尤其是注汽鍋爐熱效率受各種因素影響。當獲知了注汽鍋爐的熱效率及各項熱損失，就可對注汽鍋爐熱損失的成因以及如何提高熱效率的途徑進行了分析[2-8]，并在此基礎(chǔ)了研究和開發(fā)注汽鍋爐的在線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)[9-10]，從而實現(xiàn)使注汽鍋爐在熱效率高效區(qū)內(nèi)運行。然而，現(xiàn)運行的注汽鍋爐基本上都未裝配熱效率在線儀表來實時與在線揭示注汽鍋爐的熱效率，這為注汽鍋爐操作人員的日常操作、工況調(diào)節(jié)、期望保持注汽鍋爐長期在熱效率高效區(qū)運行，都造成了相當大的技術(shù)難度。為了提高注汽鍋爐的熱效率，注汽鍋爐操作人員期盼有注汽鍋爐熱效率在線檢測系統(tǒng)，作為操作指導、現(xiàn)場揭示、方向明示的監(jiān)測儀器和工具[11]。

為此，對如何建立注汽鍋爐熱效率在線監(jiān)測系統(tǒng)這一問題進行研究，尤其是側(cè)重這一在線監(jiān)測系統(tǒng)的實用性與經(jīng)濟性，力圖研究出一種實用且經(jīng)濟的注汽鍋爐熱效率在線監(jiān)測系統(tǒng)。

2 技術(shù)方案

注汽鍋爐熱效率在線監(jiān)測系統(tǒng)，不僅應能在線監(jiān)測注汽鍋爐的熱效率，還能在線揭示注汽鍋爐的排煙熱損失、不完全燃燒損失、散熱熱損失、過量空氣系數(shù)、負荷率、蒸汽干度等重要運行參數(shù)，并且還能為注汽鍋爐的節(jié)能診斷和熱效率的提高提供方向和途徑，無論在任何負荷率工況下都能使注汽鍋爐長期處在熱效率高效區(qū)運行。然而，要達到上述這些功能，僅依靠注汽鍋爐熱效率在線監(jiān)測系統(tǒng)是不夠的，這就需要建立注汽鍋爐在線經(jīng)濟運行系統(tǒng)。注汽鍋爐在線經(jīng)濟運行運行系統(tǒng)，由于其研制成本和制造費用都很高，難于在稠油熱采生產(chǎn)中推廣和應用。稠油熱采生產(chǎn)中，既很需要注汽鍋爐熱效率在線監(jiān)測系統(tǒng)，又期望它經(jīng)濟與實用。為達到這一目標，注意到注汽鍋爐具有如下三個特點，一是，注汽鍋爐均裝配了一些在線熱工儀表，這些在線熱工儀表為在線獲知注汽鍋爐熱效率有輔助作用；二是，注汽鍋爐產(chǎn)生的濕蒸汽，其蒸汽干度與注汽鍋爐熱效率相關(guān)，而蒸汽干度還是稠油熱采效能的重要參數(shù)，然而，目前絕大多數(shù)注汽鍋爐并沒有裝配在線測量蒸汽干度的儀表，僅有用化學滴定法人工離線化驗蒸汽干度的現(xiàn)場采樣設施；三是，注汽鍋爐燃用的燃料主要為天然氣（或燃油），而這類燃料的組分或熱值在較長時間內(nèi)可視為定值。若能充分利用注汽鍋爐上述這三個特點，就可為研制經(jīng)濟實用的注汽鍋爐熱效率在線監(jiān)測系統(tǒng)創(chuàng)造便利條件。

由上分析，制定了實用型注汽鍋爐熱效率在線監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)方案：以在線監(jiān)測注汽鍋爐熱效率、排煙熱損失、過量空氣系數(shù)、排煙溫度、負荷率、蒸汽干度為目標，以注汽鍋爐標準配置的現(xiàn)場熱工儀表為基礎(chǔ)，充分利用注汽鍋爐存在的三種便利條件，即注汽鍋爐有可輔助熱效率監(jiān)測的部分在線熱工儀表、注汽鍋爐有可用化學滴定法人工離線化驗蒸汽干度的現(xiàn)場采樣設施、以及注汽鍋爐燃用的燃料其組分或熱值在較長時間內(nèi)可視作定值，由此，再增補幾個在線儀表和注汽鍋爐熱效率集算器，就組成了實用型注汽鍋爐熱效率在線監(jiān)測系統(tǒng)（圖1）。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

以燃氣注汽爐熱效率在線測試系統(tǒng)為例，它由如下在線遠傳儀表組成：天然氣流量、給水流量、給水溫度、蒸汽壓力、蒸汽溫度、在線蒸汽干度儀、煙氣溫度、在線煙氣儀、磁鐵溫度表、給風溫度表、信號集成器和熱效率監(jiān)測儀。系統(tǒng)可充分利用注汽鍋爐原油儀器儀表。燃氣注汽鍋爐監(jiān)測系統(tǒng)儀表配備見表1。

圖1 注汽鍋爐熱效率在線測試系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)

表1 燃氣注汽鍋爐監(jiān)測系統(tǒng)的儀表配備明細

為形成實用型燃氣注汽鍋爐熱效率在線監(jiān)測系統(tǒng)，增添了如下幾個在線儀表，其中：在線煙氣分析儀用來測量排煙口的煙氣中氧氣和一氧化碳體積量；在線蒸汽干度儀通過測試生水和爐水電導率，生水電導率表安裝在給水采樣管，爐水爐水電導率表安裝在蒸汽冷凝水采樣管，進而測定蒸汽干度；給風溫度表安裝在給風道上，用來測定給風溫度或環(huán)境溫度；還有磁鐵溫度表安放在爐體表面，測試爐體外表面溫度等。

信號集成器和熱效率監(jiān)測儀整合在儀表箱內(nèi)。它包括通信電纜、多路信號接口隔離器、多路AD轉(zhuǎn)換器、CPU處理顯示器、供電線和穩(wěn)壓直流電源。

圖2 注汽鍋爐熱效率在線測試系統(tǒng)據(jù)計算及結(jié)果顯示

穩(wěn)壓直流電源用供電線向信號接口隔離器、AD轉(zhuǎn)換器和CPU處理顯示器供電，多路信號接口隔離器輸入接口分別與注汽鍋爐標準配置的現(xiàn)場儀表和增添的現(xiàn)場儀表用通信電纜連接，再分別經(jīng)輸出接口用通信電纜與AD轉(zhuǎn)換器的輸入接口連接，AD轉(zhuǎn)換器將這些儀表的4～20 mA模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并通過其輸出接口送入CPU處理顯示器中，CPU處理顯示器按照系統(tǒng)模型進行數(shù)據(jù)處理計算及結(jié)果顯示，如圖2。

3.2 系統(tǒng)的計算模型

1）實時壓力水焓和壓力汽焓。按公式（1）、（2）分別計算出對應的實時壓力水焓和實時壓力汽焓：

式中：PZ——蒸汽壓力表的實時蒸汽壓力，MPa；

hW、hS——分別為壓力時蒸汽壓力的水焓和蒸汽焓，kJ/h；

A1、A2、A3、A4、A5——分別為飽和水焓系數(shù)，數(shù)值分別為1 511.41、39.87、-0.38、0.08、12.50；

B1、B2、B3、B4、B5——分別為干飽和蒸汽焓系數(shù)，數(shù)值分別為2 675.28、-22.58、-1.15、-0.05、12.50。

2）空氣系數(shù)。對于燃（油）氣鍋爐空氣系數(shù)主要與排煙處氧含量有關(guān)，計算公式為

式中：RF——注汽鍋爐空氣系數(shù)，無量綱；

VO2——煙氣中體積含氧量，%。

3）排煙損失。對于燃氣鍋爐排煙損失主要與環(huán)境溫度、排煙溫度及空氣系數(shù)有關(guān)，計算公式為

式中：qY——排煙損失，%；

TY、TF——分別為煙氣溫度和環(huán)境溫度，℃。

4 結(jié)論

1）實用型注汽鍋爐熱效率在線監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能在線監(jiān)測注汽鍋爐熱效率、空氣系數(shù)、排煙溫度、運行負荷率、蒸汽干度，還能揭示排煙熱損失，并且還能指出提高注汽鍋爐熱效率的方向與途徑；

2）實用型注汽鍋爐熱效率在線監(jiān)測系統(tǒng)，可成為注汽鍋爐操作人員日常操作、工況調(diào)節(jié)、不同注汽鍋爐負荷率下仍保持在熱效率高效區(qū)運行的有效工具；

3）實用型注汽鍋爐熱效率在線監(jiān)測系統(tǒng)，由注汽鍋爐標準配置的現(xiàn)場儀表、增添的煙氣含氧量表、爐水電導率表、給風溫度表、給水溫度表、給水電導率表和熱效率集算器組成。

4）實用型注汽鍋爐熱效率在線監(jiān)測系統(tǒng)不僅造價低、而且實用性強，易于在稠油熱采的注汽鍋爐中推廣應用。

克拉瑪依油田風城采油作業(yè)區(qū)

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