廢熱利用技術(shù)研究-注汽鍋爐
網(wǎng)址：xixr.cn 更新時(shí)間：2017-01-05 16:59 瀏覽次數：：131次
摘要：為有效提高注汽鍋爐熱利用率，本文對注汽鍋爐廢熱利用技術(shù)進(jìn)行了研究。根據現場(chǎng)特點(diǎn)，使用閃蒸罐+飽和蒸汽汽輪機對廢熱能量進(jìn)行回收再利用;對小型化閃蒸系統進(jìn)行了優(yōu)化設計，并對單級飽和蒸汽輪機的效率進(jìn)行了分析計算。分析結果表明，本系統可以做到對注汽鍋爐廢熱的較好利用，年發(fā)電量可達30多萬(wàn)千瓦時(shí)。
關(guān)鍵詞：注汽鍋爐;閃蒸;飽和蒸汽輪機;優(yōu)化設計
引言
勝利油田作為我國第二大油田，稠油儲量十分豐富。目前稠油開(kāi)采主要采用的是熱蒸汽驅油技術(shù)，即將干度80%左右的過(guò)熱蒸汽通過(guò)管網(wǎng)注入油井，通過(guò)過(guò)熱蒸汽加熱地下油層，降低稠油的黏度使之便于流動(dòng)，然后通過(guò)抽油機抽出油水混合物后靜置分離后得到油層。其中的核心就是產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽的注汽鍋爐。
注汽鍋爐不同于一般意義上的熱水鍋爐或蒸汽鍋爐，它的產(chǎn)物是干度80%左右的汽水混合物，剩余的20%部分為高溫高壓水，一般作為廢水排放。勝利油田現有23t/h和10t/h的注汽鍋爐82臺，在用56臺，每年消耗燃油22.7萬(wàn)噸，年產(chǎn)干煙氣31.3×108m3。以單臺蒸汽干度80%的23t/h注汽鍋爐為例，汽水分離后排掉高壓17MPa、高溫316℃的過(guò)熱水3400kg/h，同時(shí)又排掉了高達230℃的大量煙氣。在增加了原油產(chǎn)量的同時(shí)，也排放了大量的工業(yè)廢熱。
勝利油田從94年起開(kāi)始研究對注汽鍋爐的余熱進(jìn)行利用，但只限于使用換熱器進(jìn)行取暖或者預加熱給水，排放水的回收再利用尚處空白。為了響應國家節能減排的號召，我們提出了對利用低溫發(fā)電技術(shù)對注汽鍋爐排放廢水進(jìn)行回收再利用的研究，以期提高能源利用效率，減少能源生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境污染，達到減排發(fā)電的目的。
1利用模式的確定
1.1現場(chǎng)情況說(shuō)明
勝利油田濱南采油機械工程廠(chǎng)單家寺區塊注氣五隊8號站有三臺規格不同注汽鍋爐。分別為1臺上海四方鍋爐廠(chǎng)的SF-52.8/17.2-YQ型注汽鍋爐(額定蒸汽壓力21MPa、額定蒸發(fā)量17.2t/h)注汽鍋爐以及2臺中國石油天然氣第八建設有限公司YZF11-21-P型注汽鍋爐(額定蒸汽壓力21MPa、額定蒸發(fā)量11.2t/h)。
現場(chǎng)使用的汽水分離器為中油八建生產(chǎn)的FLQ20-21/K型汽水分離器。設計壓力22MPa，設計溫度為370℃。注汽鍋爐產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)汽水分離器分離為20%的水和80%的蒸汽。熱水流量約為7t/h，壓力為8.5MPa，溫度為295℃，接近飽和狀態(tài)。分離的蒸汽通過(guò)管網(wǎng)注入稠油熱采井，而熱水則注入儲液罐內與冷水混合后降溫到90℃用于洗井作業(yè)，對余能的利用率并不高，浪費的熱能達5.4×109J/h。
1.2廢熱的利用
模式考慮到注汽鍋爐排放水高溫高壓接近飽和的特點(diǎn)，對設備的工藝要求較高。為了減少高壓設備的使用，結合純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，設計了利用閃蒸擴容蒸汽發(fā)電方案。純低溫余熱發(fā)電技術(shù)是利用中低溫的廢水或者廢氣，通過(guò)純低溫余熱鍋爐或者利用閃蒸技術(shù)產(chǎn)生低品位蒸汽，來(lái)推動(dòng)低參數的汽輪機組做功發(fā)電。閃蒸是指水的一種相變過(guò)程，即在一定壓力和溫度下的未飽和水，當壓力下降至某溫度下的飽和壓力時(shí)，就會(huì )進(jìn)入飽和區而開(kāi)始汽化，并且隨著(zhù)壓力的下降，其汽化程度不斷提高[1]。
整套的閃蒸擴容發(fā)電系統由閃蒸罐、飽和蒸汽輪機、發(fā)電機、泵、換熱器、壓力表和壓力控制閥門(mén)等組成。閃蒸罐的作用就是將高溫高壓水降壓得到低壓的飽和蒸汽，它和飽和蒸汽輪機是整套系統關(guān)鍵組成部分。
飽和水通過(guò)閃蒸罐后，減壓擴容產(chǎn)生飽和蒸汽。為了防止擴容蒸汽中所攜帶的少量水分進(jìn)入汽輪機，在閃蒸罐上部蒸汽出口處設置絲網(wǎng)除沫器，以便進(jìn)行汽水分離。分離后的飽和蒸汽通過(guò)換熱器與注汽鍋爐所排放的煙氣進(jìn)行換熱以吸收熱量，適當增加過(guò)熱度。加熱后的飽和蒸汽通過(guò)飽和蒸汽輪機做功帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。從閃蒸罐排出的水用于洗井作業(yè)。
在流量不是很大的情況下，只進(jìn)行一級閃蒸即可，此時(shí)所用的汽輪機為背壓式飽和蒸汽輪機。當排放水壓力提高，流量增大時(shí)，可以在現有的基礎上增加閃蒸規模，使用二級或者三級閃蒸以提高熱水利用率，但此時(shí)的汽輪機應為補汽式汽輪機[2]。
汽輪機做功后的乏汽通過(guò)換熱器在職工程對注汽鍋爐的給水進(jìn)行預熱，預熱后的乏汽變?yōu)橐簯B(tài)，再重新注入注汽鍋爐循環(huán)使用。由于閃蒸罐產(chǎn)生的是飽和蒸汽，閃蒸罐的壓力和溫度調節都是通過(guò)蒸汽出口處的壓力控制閥來(lái)實(shí)現。整套系統通過(guò)對閃蒸罐的入口流量的調節來(lái)控制發(fā)電機的電量輸出。
透平采用低壓飽和蒸汽輪機，較常規的過(guò)熱蒸汽輪機相比，蒸汽的理想比焓降較小，在汽機內膨脹過(guò)程中產(chǎn)生的水份多，必須考慮輪機葉片帶水去濕措施。在機內采取使用硬質(zhì)合金和去除水滴裝置等，防止凝結水對汽輪機葉片的腐蝕。由于低壓飽和蒸汽的比焓較低，同常規汽輪機相比，其耗汽量要大得多，汽輪機本體設計時(shí)，須采用大直徑低壓缸葉片以滿(mǎn)足排汽通道大的要求[3]。
利用閃蒸擴容發(fā)電技術(shù)可以減少高壓設備的使用，排放水直接通過(guò)閃蒸罐減壓，壓力可以從10MPa以上降低到2MPa以下，對現場(chǎng)環(huán)境的要求也較低。閃蒸擴容發(fā)電系統結構比較簡(jiǎn)單，閃蒸罐的制造工藝較高壓容器也較容易，由于降低了壓力，對壓能的利用率不高，發(fā)電量會(huì )較低。閃蒸擴容蒸汽發(fā)電利用的是飽和蒸汽作為工質(zhì)，熱效率上較過(guò)熱蒸汽低，需要另外設計適合飽和蒸汽的汽輪機，但是對設備的工藝條件要求較低，比較易于實(shí)現。
2系統的設計與研究
2.1閃蒸系統的優(yōu)化
設計在整套系統中，閃蒸罐是重要的組成部分。閃蒸軟件工程根據有無(wú)外力，可以分為強制閃蒸和自然閃蒸。強制閃蒸是指借助外力的降壓過(guò)程，自然閃蒸就是不借助外力的自然降壓過(guò)程[4]。
在出口蒸汽流量上，強制閃蒸要高于自然閃蒸;但是由于需要借助外力進(jìn)行減壓，因此只在較大型的設備中才會(huì )使用。在本套系統中，采用自然閃蒸方式對飽和水進(jìn)行降壓，考慮到現場(chǎng)環(huán)境對安裝施工的限制，閃蒸罐采用臥式結構。
由于閃蒸罐體積限制，入水口改由封頭進(jìn)入，底部為支座和排污口，蒸汽出口在閃蒸罐頂部，封頭的另一側為液位柱，壓力表和溫度計都安裝在頂部。由于體積的限制，進(jìn)水口處未接彎頭，而至在出口處焊接一鋼板，保證了閃蒸效果。
鍋爐排放水直接通過(guò)管道接進(jìn)入閃蒸罐，中間不經(jīng)過(guò)加壓泵等設備。閃蒸罐工作在1.6MPa之下，屬于低壓容器，采用單層圓筒作為其受壓圓筒。封頭采用橢圓型封頭。它是由半個(gè)橢球面和短圓筒組成，直邊段的作用是避免封頭和圓筒的連接焊縫處出現經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。由于封頭的橢球部分經(jīng)線(xiàn)曲率變化平滑連續，故應力分布比較均勻，且橢圓型封頭深度較半球型封頭小得多，易于沖壓成型[5]，是目前中低壓容器中應用較多的封頭。
根據閃蒸罐出口壓力的不同，可以計算出閃蒸罐的各項參數。隨著(zhù)出口壓力的升高，罐體體積，蒸汽流量和熱效率都與出口壓力都出現了下降，與出口壓力成反比關(guān)系。
2.2閃蒸壓力的確定
根據流程圖可以看出，從閃蒸罐中產(chǎn)生的蒸汽，通過(guò)換熱器與注汽鍋爐的排煙進(jìn)行熱交換。排煙溫度在230℃左右，由于其中含有的2SO在200℃時(shí)會(huì )出現結露現象，為了避免產(chǎn)生硫酸腐蝕換熱器，要求換熱后的煙氣溫度要大于200攝氏度。根據對閃蒸罐的計算，當閃蒸罐的壓力在1.6MPa時(shí)，飽和溫度在201℃，但此時(shí)蒸汽與煙氣的溫差較小不會(huì )結露，但換熱效果較為一般;而當閃蒸壓力低于0.6MPa時(shí)，溫度又過(guò)低，結露比較嚴重;綜合考慮，當閃蒸罐壓力保持在1.0-0.8MPa時(shí)，出口溫度在180-170℃之間，溫差較為適中，此時(shí)利用換熱器進(jìn)行換熱，效果較好也不會(huì )產(chǎn)生2SO結露現象。根據對閃蒸的熱效率計算，在0.8MPa下的熱效率最高，因此確定閃蒸罐壓力為0.8MPa。
3飽和蒸汽輪機的優(yōu)化與計算
3.1汽輪機的設計與優(yōu)化
飽和蒸汽輪機的工質(zhì)一般為濕度在0-10%左右的濕蒸汽，這就決定了飽和蒸汽輪機的理想焓降較少，一般比火電站的過(guò)熱蒸汽輪機焓降減少50%，濕蒸汽的容積流量相對常規電站汽輪機的容積流量大很多。在相同的功率下，飽和蒸汽輪機的進(jìn)氣體積流量要比過(guò)熱蒸汽大2.5-3.5倍，排氣體積流量為常規火電廠(chǎng)的1.65倍。根據汽輪機理論，當汽輪機內蒸汽濕度增加時(shí)，冷凝的水滴會(huì )對葉片產(chǎn)生腐蝕效果，與此同時(shí)濕氣損失會(huì )增加，而反動(dòng)度對于濕氣損失有著(zhù)較為重要的影響。濕氣損失可以通過(guò)鮑威爾曲線(xiàn)進(jìn)行計算，如圖4所示[6]。圖中曲線(xiàn)A表示濕度對于沖動(dòng)式級損失系數的影響，曲線(xiàn)B代表對于反動(dòng)級損失系數的影響?？梢钥闯?，隨著(zhù)濕度的增加，反動(dòng)級比沖動(dòng)級有著(zhù)較小濕氣損失。但是由于反動(dòng)級的做功能力不如沖動(dòng)級，因此在濕度不大的情況下，也可以使用沖動(dòng)式。
結合本課題的特點(diǎn)，由于飽和蒸汽通過(guò)與煙氣的換熱增加了一定的過(guò)熱度，在蒸汽濕度不大的情況下，考慮到反動(dòng)級的做功能力較小，可以使用沖動(dòng)級作為汽輪機的級。由于蒸汽的流量并不大，0.8MPa下的蒸汽流量只有2090.72kg/h，因此使用復速級作為汽輪機的單一級。它的好處是可以在一級內承擔較大的比焓降;這樣汽輪機的結構比較簡(jiǎn)單，易于制造和保養，還可以降低成本。
3.2汽輪機的級內效率級的相對內效率ηri定義為級的有效比焓降Δhi與級的理想能量0E的比值，由于復速級的流動(dòng)效率較低，可以在級內增加動(dòng)葉以及導葉的反動(dòng)度，這樣就使蒸汽在動(dòng)葉以及導葉中也可以得到適度的膨脹。取第一列動(dòng)葉Ω=0.05b，導葉Ω=0.1gb，第二列動(dòng)葉Ω'=0.15b，由于汽輪機只有單一級，可以認為蒸汽的濕度變化較小。根據條件可以計算單列復速級汽輪機的級內效率。
通過(guò)將飽和蒸汽與注汽鍋爐排放煙氣進(jìn)行換熱，提高了蒸汽的干度，將飽和蒸汽轉化為過(guò)熱蒸汽，因此在級內損失中，濕氣損失并不大，只有2.54kj/kg，不到2%;葉高損失成為了影響汽輪機熱效率的最大因素。綜合其原因，主要是由于部分進(jìn)氣度e過(guò)小對影響了葉高從而使葉高損失增加，而蒸汽流量過(guò)小限制了部分進(jìn)氣度，所以主要原因是由于蒸汽流量過(guò)小引起的。一般情況下復速級汽輪機，當e=0.2時(shí)可以達到最佳的輪周效率，在本例中由于流量的限制只能取e=0.15,造成了葉高損失的增加。如果在未來(lái)本系統可以較大規模的使用，在增加流量的情況下，葉高損失過(guò)大的情況可以得到較好的改善。
4經(jīng)濟性分析
勝利石油管理局對廢熱利用的要求是利用率達到20%以上，本套方案閃蒸系統熱效率為67%，汽輪機熱效率為36.6%，整套系統熱效率為23%，達到了勝利油田提出的20%的要求。由于一個(gè)注汽隊一般都有2-3臺注汽鍋爐，鍋爐交替使用，年工作時(shí)間在300天以上，以每天平均工作20小時(shí)計算，則年發(fā)電量可以達到3.6×105kw/h，每年節約電費開(kāi)支19多萬(wàn)元。兩年即可收回投資?？紤]到注汽鍋爐一般點(diǎn)火之后都是24小時(shí)運行，實(shí)際年發(fā)電量還會(huì )更大，不到兩年即可收回投資，經(jīng)濟效益十分明顯
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