张洪江 王东 单长城 万腾飞 李世武

（1.中国石油辽河油田分公司；2.西北工业大学动力与能源学院）

我国有较为丰富的稠油资源，目前世界上稠油开采的主要方式为稠油热采。在稠油热采过程中大量使用注汽锅炉，注汽锅炉不仅是稠油热采的核心设备，而且还是耗能设备。要使稠油热采获得高的采收率和经济性，其中一个重要环节就是提高注汽锅炉的热效率。

注汽锅炉的热效率是表征其能效水平的重要指标，锅炉的经济运行，就是使锅炉在热效率高效区运行，并且运行参数安全合理。为此需要掌握影响锅炉热效率的因素，抓住主要因素。在锅炉的各项热损失中，因为排烟热损失所占比例最大超过85%，所以掌握锅炉排烟热损失的影响因素，减小排烟热损失是锅炉经济运行的关键，尤其对注汽锅炉更是如此。由锅炉热平衡测算数据及结果分析可知，锅炉热效率在不同过量空气系数下随排烟温度升高呈现出线性递减的关联曲线，排烟温度越高，排烟热损失越大；过量空气系数越大，排烟热损失越大，并且过量空气系数越大，排烟热损失的曲线斜率越大。减小排烟热损失可采取过量空气系数的调节技术、化学清烟垢技术和烟气余热回收技术的措施来实现[1-5]。虽然减小过量空气系数有利于减少锅炉的排烟热损失，然而过小的过量空气系数会引发化学不完全燃烧热损失，所以存在着最佳过量空气系数，应确定在锅炉运行中采用的最佳过量空气系数[4-7]。锅炉排烟热损失与过量空气系数、排烟温度、冷空气温度相关联，掌握了它们之间的关联式，可揭示减小锅炉排烟热损失的方向[8]。

1 注汽锅炉热效率影响因素分析

对于燃气或（油气混烧）注汽锅炉，因为燃用的燃料常为燃气或燃油，不同于电厂锅炉燃用的是煤炭，所以注汽锅炉的热损失就只有排烟热损失、化学不完全燃烧损失和散热损失，而不出现机械不完全燃烧损失和其他热损失。

在注汽锅炉的排烟热损失、化学不完全燃烧损失和散热损失这三项中，最主要也是最重要的是排烟热损失，因为它是三者之中最大者，对注汽锅炉热效率的影响极大；所以，注汽锅炉经济运行的关键因素就在于研究和掌握注汽锅炉排烟热损失对热效率的影响。

表1 为2014 年辽河油田29 台注汽锅炉在正常运行状况下的热平衡测算数据。以下对表1的测算数据，进行注汽锅炉热效率与排烟温度的关联分析、注汽锅炉热效率与过量空气系数的关联分析，以及注汽锅炉热效率与净排烟温度和过量空气系数的关联分析。

1.1 注汽锅炉热效率与排烟温度的关联分析

根据表1的排烟温度与注汽锅炉热效率的测算数据，为了反映注汽锅炉热效率随排烟温度的变化趋势，采用线性拟合回归计算，经过拟合计算，得到如图1所示的热效率与排烟温度的关联曲线。由图1可知，热效率与排烟温度之间呈现出良好的线性关系，排烟温度越低，注汽锅炉热效率越高。

表1 排烟温度、过量空气系数及热效率的测算值

图1 热效率与排烟温度的关联曲线

1.2 注汽锅炉热效率与过量空气系数的关联分析

根据表1的过量空气系数与注汽锅炉热效率的测算数据，为了反映注汽锅炉热效率随过量空气系数的变化趋势，采用线性拟合回归计算，经拟合计算得到如图2所示的热效率与过量空气系数的关联曲线。由图2可知，热效率与过量空气系数之间呈现出准线性关系，过量空气系数越低，热效率越高。

由图1、图2 可知，热效率与排烟温度、过量空气系数之间都存在准线性关系，为了研究其内在性和机理性，考虑到过量空气系数的影响，由此把表1的过量空气系数按四个区段进行分区：过量空气系数小于1.2为第一区段，过量空气系数大于1.2小于1.3 为第二区段，过量空气系数大于1.3 小于1.4 为第三区段，过量空气系数大于1.4 为第四区段。由此四个区段研究热效率随排烟温度的变化趋势。

对于上述四个区段的过量空气系数，根据表1的排烟温度和热效率的测试数据，经拟合计算得到如图3 所示的热效率与排烟温度的关联曲线。图3的1、2、3、4 分别对应着第一至第四过量空气系数区段。由图3 可知，在各过量空气系数区段内，热效率与排烟温度之间呈现着强线性关系，排烟温度越低，热效率越高；过量空气系数越大，热效率与排烟温度之间的曲线斜率越大。

图2 热效率与过量空气系数的关联曲线

图3 四区段热效率与排烟温度的关联曲线

1.3 注汽锅炉热效率与净排烟温度和过量空气系数的关联分析

排烟热损失对注汽锅炉热效率的影响极大，排烟热损失不仅与排烟温度和过量空气系数密切相关，而且还与注汽锅炉的给风温度即冷空气温度相关。为了反映冷空气温度对热效率的影响，引入净排烟温度这一参数，净排烟温度为排烟温度与冷空气温度的差值。注汽锅炉经济运行的主要因素就在于研究和掌握注汽锅炉排烟热损失对热效率的影响。

选择净排烟温度、过量空气系数为自变量，确定注汽锅炉热效率与其之间的非线性关系。用多种非线性拟合算法计算，优选出拟合计算误差最小的结果，得到注汽锅炉热效率与净排烟温度和过量空气系数的关联图（图4），以及注汽锅炉热效率与净排烟温度和过量空气系数的关联式（1）。

式中：η——注汽锅炉热效率，%；

α——注汽锅炉过量空气系数；

Tjp——净排烟温度，℃。

由图4可知，注汽锅炉热效率与净排烟温度和过量空气系数之间呈现出单调曲面关联，表现为：随着净排烟温度的降低，注汽锅炉热效率升高；随着过量空气系数的降低，注汽锅炉热效率升高。

通过注汽锅炉热效率与净排烟温度和过量空气系数的关联式计算，不仅可根据净排烟温度和过量空气系数的数值来预测未来注汽锅炉的热效率，而且还可由净排烟温度变化量和过量空气系数变化量来预测未来注汽锅炉热效率的变化量，这有助于注汽锅炉的提效调节和经济运行。

图4 热效率与净排烟温度和过量空气系数的关联图

2 注汽锅炉经济运行的调节方向与途径

为使注汽锅炉经济运行，除做好注汽锅炉炉体外保温、使注汽锅炉在高热负荷下运行之外，更应关注减小注汽锅炉的排烟热损失；为此，基于1.3章节的研究，可导出热效率与空气系数、净排烟温度的关系式，见式（3）、（4）、（5），明确提高注汽锅炉热效率的方向与途径。

由注汽锅炉热效率即式（1）得

热效率的偏差量为

式（3）可变为如下型式，即

其中

对于某注汽锅炉，在净排烟温度和过量空气系数(Tjp,α)确定的工况下，由式（1）可知该工况下的注汽锅炉热效率；由式（4）可知，通过对注汽锅炉的调节，可改变注汽锅炉净排烟温度和过量空气系数，以及提升注汽锅炉热效率。

若通过式（4）改变注汽锅炉净排烟温度和过量空气系数，还不能提高注汽锅炉热效率，这就表明注汽锅炉已在热效率高效区运行，即注汽锅炉已达到经济运行。

对注汽锅炉净排烟温度和过量空气系数的调节，就是在保持注汽锅炉加热负荷不变的前提下，对注汽锅炉燃料量和冷空气量的调节。表2 给出4台注汽锅炉依据某工况（净排烟温度、空气系数）、由式（1）求得该工况下的热效率。对注汽锅炉按照优化方案进行调节，即降低净排烟温度和空气系数，再由式（4）、（5）、（6）求得调节后预估的热效率。

表2 净排烟温度和过量空气系数的调节效果

3 结论

1）注汽锅炉热效率与排烟温度之间呈现出良好的线性关系，排烟温度越低，注汽锅炉热效率越高。

2）注汽锅炉热效率与过量空气系数之间呈现出准线性关系，过量空气系数越低，热效率越高，但存在最佳过量空气系数。

3）在各过量空气系数区段内，注汽锅炉热效率与排烟温度之间呈现着强线性关系，排烟温度越低，热效率越高；过量空气系数越大，注汽锅炉热效率与排烟温度之间的曲线斜率越大。

4）注汽锅炉热效率与净排烟温度和过量空气系数之间呈现出单调曲面关联，表现为：随着净排烟温度的降低，注汽锅炉热效率升高；随着过量空气系数的降低，注汽锅炉热效率升高。

5）通过注汽锅炉热效率与净排烟温度和过量空气系数的关联式计算，不仅可预测未来注汽锅炉热效率，而且还可由净排烟温度变化量和过量空气系数变化量来预测未来注汽锅炉热效率的变化量，并由此判断注汽锅炉是否达到经济运行，以及提高注汽锅炉热效率的方向与途径。