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注汽系统散热损失的测试与研究

2018-03-27王玉敏

科学与技术 2018年7期
关键词:热效率节能

王玉敏

摘要:注汽锅炉广泛应用于油田的稠油开采过程,提高采收率的关键是最大程度降低注汽系统的散热损失,提高注入油层的蒸汽质量。通过对锅炉热效率及管线热损失的测试,掌握在用注汽锅炉及管线的能耗情况,查找注汽系统的薄弱环节,评价注汽系统是否满足设计及相关标准要求,从而为实施节能技改,提高注汽系统效率,提供依据和技术支持。

关键词:注汽锅炉;注汽系统;散热损失;热效率;节能

1.测试依据及方法

1.1评价指标

锅炉评价指标依据GB/T 10180-2017《工业锅炉热工性能试验规程》及TSG G0003-2010《工业锅炉能效测试与评价规则》中的相关要求进行测试及评价。注汽管线评价指标依据GB/T 8174-2008《设备及管道绝热效果的测试与评价》中的相关要求进行测试。以上评价标准在结合公司设备现状的基础上,制定了锅炉保温、排烟温度、热效率及注汽管线热损失指标:

(1)表面温度:发生器正常运行时,辐射段表面平均温度≤50℃,最高点不得超过80℃;过渡段、对流段表面平均温度≤80℃,最高点不得超过100℃。

(2)排烟温度:发生器正常运行时,若以天然气为燃料,要求排烟温度≤160℃;若以其它物质为燃料,要求排烟温度≤260℃。

(3)热效率:要求湿蒸汽发生器实际运行效率≥86%。

(4)注汽管线保温:地面热注管线按设计要求进行保温隔热,热流密度不超过209W/m2

1.2测试方法及理论

对注汽锅炉设备用正、反平衡法得到锅炉的热效率,找出影响锅炉热效率的主要影响因素;对管道用表面热流法、表面温度法及能量平衡原理法,得到注汽管线的能效及热损失主要影响因素。

1.3施工方案及布点原则

首先了解锅炉及管线运行的工艺参数及保温状况,利用红外成像的方法得到表面温度场,分析确定锅炉及管线的等温区域;然后根据普测结果及相关要求布置测点,对测点处的表面温度与表面热流进行详测;同时利用节点能量守恒的原理,分别对锅炉入口天然气焓值、冷水焓值、锅炉出口蒸汽焓值及井口蒸汽焓值进行取样测试,得到不同节点热工设备的能效值。最后对测试数据处理及分析得到影响热工设备的主要因素,找出薄弱环节并提出改造建议。

2.注汽锅炉能效测试评价

根据标准GB10180-2017中规定,通过计算蒸汽进出口焓值、燃料热值、锅炉散热损失、排烟热损失及气体不完全燃料热损失等,利用正平衡法和反平衡法来确定锅炉的效率。

以某台型号为SG-50-NDS-27,额定蒸发量23t/h的美国丹尼尔锅炉为例,其设计额定蒸发量为23t/h,额定压力17.2MPa,蒸汽干度为80%,热效率>85%。经过测试,其正平衡效率90.64%,反平衡效率为87.85%,两者差值小于3%,根据相关标准要求取两者平均值,则该锅炉的效率为89.2%。

2.1锅炉散热损失测试分析

结合红外热像测试结果,对锅炉不同换热面进行表面温度和热流密度测试,计算锅炉的散热损失。

锅炉的换热面主要包括辐射段、对流段、过渡段及外置换热盘管。通过对8个辐射段和7个接箍的测试统计,各换热面的平均温度多在60~80℃之间,不存在局部保温破损现象,平均热流密度222~697 W/m2区间内变化,总散热损失为1.6×105kJ/h,约占锅炉系统热效率的0.6%,大部分辐射换热面虽未超过最高温度80℃的要求,但均已超过平均温度大于50℃的相关规定,所以该锅炉辐射段所有换热面不合格。

通过对锅炉对流段表面温度及红外成像测试,该锅炉的下对流段平均温度均超过80℃;上对流段超温现象严重,大部分换热面超过平均温度80℃要求,是锅炉节能改造的重点部位。该锅炉对流段换热面的平均温度多在60~90℃,平均热流密度在263~1418 W/m2区间变化,整个对流段的散热损失为1.97×105kJ/h,约占锅炉系统热效率的0.74%。

2.2锅炉散热损失测试分析

现场测试人员利用烟气分析仪对锅炉烟温及氧含量进行测试,该锅炉的排烟温度179℃,含氧6.2%,过量空气系数1.42,经计算在该温度及过量空气系数时的排烟热损失为10.6%,是影响锅炉热效率的最主要因素。

2.3气体不完全燃烧热损失测试分析

对锅炉燃气进行燃料工业分析,获得燃料收到基低位发热量Qnet,v,ar,35118kJ/m3,同时利用烟气分析仪测试,知CO含量为0 ppm,未完全燃烧气体含量近乎为零,结合燃料组分化验结果,根据标准GBT10180-2017规定,确定氣体不完全燃烧热损失为0.2%。

2.4锅炉系统整体测试评价

通过对锅炉系统测试分析,得出如下结论:

(1)该锅炉的系统效率为89.2%。

(2)锅炉外表面散热损失占总热损失的1.34%。辐射段大部分换热面的平均温度虽未超过辐射段最高温度80℃,但均已超过平均温度不大于50℃的要求,应不定期跟踪监测。

(3)该锅炉对流段换热面的平均温度多在60~90℃,外观虽保持完好,但部分换热保温内部已失效,上对流段超温现象严重,大部分换热面超过平均温度80℃要求,是锅炉节能改造的重点部位。

(4)该锅炉的排烟温度为179℃,已超过国家标准规定的160℃排烟温度要求,排烟热损失为10.6%,是下步提高锅炉热效率的重点。

3.输汽系统保温效果测试评价

整条注汽管道长度210.5米,分别对固定管段、活动管段、阀门法兰、管托及井口设备等几部分进行热损失测试。输汽系统热损失测试结果如下:

3.1管道保温效果测试评价

整条注汽管道划分为固定管段和活动管段。固定管段共划分为47个等温面,共157.1m,经过表面温度、表面热流及红外成像测试。锅炉出口管段由于安装的阀门仪表部件较多,临近阀门处的管道表面温度较高,热损失很大。固定管段保温效果较好,实测表面平均温度多在20~25℃范围内,实测平均热流多在120~200W/m2之间,满足国家规范的相关要求,但是管道的过桥、弯头及保温接缝处依然是保温的薄弱环节,是导致保温失效范围扩大的主要因素,应不定期进行跟踪测试。

固定管道造成的熱流损失为0.009×107kJ/h,约占整输汽系统热损失的40.3%左右,平均热流密度184W/m2。小于209 W/m2的管段是合格管段,长度为131.7米左右,占固定管线长度的83.8%;209~300 W/m2之间基本合格,长度22米,点固定管线长度的14.3%;不合格管段长度2.9米,约点固定管线总长度的1.8%。

实测活动管线平均温度大都在40℃以上,热流范围在405~1015W/m2之间,其热损失为0.008×107kJ/h,占输汽系统热损失的36.4%左右,整条活动管段不合格。

3.2 管道中阀门、管托及井口热损失测试

该注汽管线共有阀门4个,管托约35个,这些部件没有保温或保温结构不好,形成热桥,是造成输汽系统热损失过高的主要因素。

经测试该井沿程200米管线,阀门4个,阀门底部的温度大都在200℃以上,等效热流密度大都超过5000W/m2,其热损失0.19×105 kJ/h,约占输汽系统总热损的8.7%左右。

该管道共有管托35个,这些支架与管道直接接触,管架温度多在60~90℃左右,其等效平均热流在1976 W/m2左右,其热损失为1.57×105 kJ/h,占整个输气系统总热损失的9.1%左右。

井口装置平均温度为59.5℃,换算后散热损失约为0.1×105 kJ/h,占输汽系统总散热损失的4.7%左右。

5.结论

通过对注汽锅炉及注汽管线进行热损失测试,得出如下结论:

(1)通过测试,整个注汽系统的效率为88.6%,实测的井口干度值为74%,输汽系统折算千米沿程干度降约为5.3%。

(2)该锅炉系统效率为89.2%,排烟温度为179℃,超过国家标准规定的160℃排烟温度要求,是影响锅炉效率的直接原因。

(3)该锅炉对流段换热面的平均温度多在60~90℃,外观虽保持完好,但部分换热面保温内部已经失效,上对流段超温现象严重,应进行节能技改。

(4)注汽管线固定管段平均热流密度为184 W/m2,不需要进行节能技改,整条活动管道达不到标准要求,应进行保温更换或优化选线选址,尽量缩短活动管线长度。

参考文献

[1]刘雨文,徐宏国.稠油热采注汽系统效率评价研究.辽宁石油化工大学学报,2014.(34).

[2]陈英杰.小洼油田注汽管网热能损失分析及对策.石油和化工节能,2013,(6).

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