淺談遼河油田注汽鍋爐余熱回收應用

柴京偉

摘要：

遼河油田是全國最大的稠油生產基地，稠油產量占總產量的70%左右。目前稠油開采主要采取蒸汽吞吐、蒸汽驅和SAGD等方式，現有固定式或移動式注汽鍋爐三百多臺，大部分注汽鍋爐是2000年前投產使用的老鍋爐，隨著運行時間的增長，注汽鍋爐燃燒器老化問題最為嚴重，部分鍋爐燃燒器使用年限在24年以上，并且鍋爐排煙溫度達到270℃，鍋爐熱效率低（生產單位核算熱效率平均為79.9-84.1%），因此降低排煙溫度是提高鍋爐熱效率的途徑之一。本文通過選用新型設備，對注汽站注汽鍋爐煙氣系統進行改造，流程中增加煙氣余熱回收設備，降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率，為遼河油田注汽鍋爐節能能源開辟新的思路。

關鍵詞：注汽現狀；設計方案；效率計算

中圖分類號：TK229文獻標識碼： A

1.注汽現狀

錦州采油廠、特種油開發公司、金馬油田為遼河油田三個稠油生產廠，擁有固定式、移動式注汽鍋爐146臺，特別是金馬油田的注汽鍋爐，運行時間較長，鍋爐排煙溫度高（平均為260/270℃），浪費能源，污染環境。結合金馬油田大七站、大三站和大二站3處注汽站煙氣溫度高，并且煙氣流量大的特點，進行注汽爐煙氣余熱回收改造，利用煙氣的余熱對柱塞泵前的鍋爐給水進行加熱，以達到節能降耗的目的。

本文相關技術參數如下：水流量按18-20噸/小時，入口水溫按35-40℃考慮；注汽站鍋爐排煙溫度按200℃，煙氣流量對應注汽鍋爐產汽能力，相應地，10噸鍋爐的煙氣流量為10000Nm3/h，依次，20噸鍋爐的煙氣流量為20000Nm3/h。

2.設計方案

綜合考慮北京市中科天一環境技術有限公司的蜂窩板式換熱器質量輕，比表面積大，換熱能力強、以及中國科學院工程熱物理研究所的新型高效換熱管傳熱技術，該技術可以有效控制壁溫，確保組合換熱系統整體換熱能力強，重量輕，不發生露點腐蝕等優點。其結構形式如圖1所示。

圖1 新型組合式注汽爐余熱回收系統

該系統的蜂窩板式傳熱元件為左右兩排各7塊串聯組合而成，組合成抽屜式。該系統的新型傳熱元件是由長2.0m的外翅片管復合內部光管、中間添加傳熱工質構成。其在余熱回收系統的排列方式為：前3排29/28/29），后2排16/17共120根。外翅片管的光管為Φ32×2.5，翅片高15，翅片間距5，翅片厚度1.0，新型傳熱元件的內管為Φ16×2.0的光管。新型傳熱元件均采用正三角形排列方式，其中心距為76。

整個系統的煙氣流動方式為：高溫煙氣首先橫掠新型傳熱元件的前3排，溫度有所降低。隨后分3路，左右兩路橫掠蜂窩板式傳熱元件，中間1路橫掠后2排新型傳熱元件。整個系統的水路流動方式為：經過處理的鍋爐給水首先依次串聯經過前3排新型傳熱元件中的各排內管，在各排管內，水流量并聯進行分配；隨后進入到后2排組合成一個系統的34根內管；被加熱的水溫達到50℃以上進入到左右兩排的蜂窩板式傳熱元件內再次提溫，最后進入到柱塞泵前。

圖2 余熱回收系統與注汽爐的相對位置關系

圖2為本余熱回收系統與注汽爐的位置關系。截留注汽鍋爐煙囪，讓溫度較高的排煙進入到組合式注汽爐余熱回收系統，進行能量交換后，煙氣溫度降低排入大氣?？紤]余熱回收系統的阻力降，采用組合地基形式，將換熱器支撐在截留煙囪對應的高度，形成空氣預熱器撬裝設備（鍋爐房部分外）。

3.熱設計方案設計

綜合上面提到的換熱結構和傳熱方式，給出本設計方案中的熱設計方案和阻力計算結果。

煙氣流過隔板的一側，將熱量傳給帶有翅片的熱管，并通過熱管將熱量傳至另一側。煙氣沿流動的方向不斷被冷卻。原則上可以把新型傳熱元件群看成是一塊熱阻很小的“間壁”，煙氣通過“間壁”的一側不斷冷卻，冷流體通過“間壁”的另一側不斷被加熱，因而熱管換熱器的設計計算基本上與常規間壁式換熱器的計算方法相同，現在就熱管換熱器的傳熱路線進行逐段分析。

3.1.肋片導熱

一般熱管換熱器的熱管外部總帶有翅片，增大換熱面積，彌補換熱時傳熱系數小的缺陷。但是并非所加翅片并非全部有效，如圖3所示，沿熱流方向翅片本身存在溫度梯度，因而長引進肋效率（肋片效率）的概念。

圖3 翅片擴展散熱

圖4翅片效率

查閱相關文獻可知，這里的是翅片高，是流體對翅片管的換熱系數，是翅片材料的熱導率，是翅片厚度，是翅片的外半徑，是管子的外半徑，圖4表示出在不同的情況下隨的變化情況。由圖4可見，當一定時，越大，則越低，故翅片太高并不有利，一般熱管翅片的高度取管子的外半徑。另一方面還可看出，大，則也大，故翅片過薄不僅不耐腐蝕，而且效率也不高。

3.2.翅片管的傳熱

圖5 翅片管傳熱

在圖5中管外流體溫度為,管內流體溫度為，管子外壁面溫度為,管子內表面溫度為，為管外流體的換熱系數，為管內流體的換熱系數。在穩態傳熱時可列出以下的方程式（設）:

(1)煙氣傳熱給管外表面

(2)

(2)熱量從外管壁傳到內管壁(為簡便計，將圓管看成為平壁導熱，當

時，可作為平壁計算，一般熱管均滿足此條件)

(3)

式中，為以管子中徑為基準的圓管面積；為管材的熱導率；為管壁厚度。

(3)熱量從內管壁傳到管內流體

(4)

式中，為管子內表面積。

將式子(2)-式(4)3式整理后可得

(5)

其中

(6)

式中，A為基準的傳熱面積。U對不同的計算基準面有不同的值，對于以翅片側總面積而言的肋壁傳熱系數為：

(7)

式中，,此時有

(8)

對于以光管表面積而言，肋壁傳熱系數為

(9)

此時

(10)

4、熱效率計算

對回收熱效率的定義，有兩套模式，具體如下：

模式1：采用余熱回收方式將40℃，0.4MPa的水提升到65℃所吸收的能量，占從40℃，10Mpa的水提升到313℃所需要的總量的比率。

Δh1=h60℃-h40℃=251.5-167.88=83.62kJ/kg

Δh2=h302℃-h40℃=1354.385-175.743=1178.642kJ/kg

由此，余熱回收的節能率

模式2：采用余熱回收方式將40℃，0.4MPa的水提升到65℃所吸收的能量，與燃氣燃燒所產生的總能量的比值

根據這個定義，模式2的節能效率為模式1的節能效率與實際鍋爐效率的乘積。

結論：

經計算，本項目理論上能實現節能降耗，效率提高很多。對于遼河油田確保生產、增加收入，也有著社會效益，現場試驗及使用證明，本技術應用實現了節能減排、降本增效，建議在更大的范圍推廣應用。