废热利用技术研究-注汽锅炉
网址：www.adore-japan.com 更新时间：2017-01-05 16:59 浏览次数：：131次
摘要：为有效提高注汽锅炉热利用率，本文对注汽锅炉废热利用技术进行了研究。根据现场特点，使用闪蒸罐+饱和蒸汽汽轮机对废热能量进行回收再利用;对小型化闪蒸系统进行了优化设计，并对单级饱和蒸汽轮机的效率进行了分析计算。分析结果表明，本系统可以做到对注汽锅炉废热的较好利用，年发电量可达30多万千瓦时。
关键词：注汽锅炉;闪蒸;饱和蒸汽轮机;优化设计
引言
胜利油田作为我国第二大油田，稠油储量十分丰富。目前稠油开采主要采用的是热蒸汽驱油技术，即将干度80%左右的过热蒸汽通过管网注入油井，通过过热蒸汽加热地下油层，降低稠油的黏度使之便于流动，然后通过抽油机抽出油水混合物后静置分离后得到油层。其中的核心就是产生过热蒸汽的注汽锅炉。
注汽锅炉不同于一般意义上的热水锅炉或蒸汽锅炉，它的产物是干度80%左右的汽水混合物，剩余的20%部分为高温高压水，一般作为废水排放。胜利油田现有23t/h和10t/h的注汽锅炉82台，在用56台，每年消耗燃油22.7万吨，年产干烟气31.3×108m3。以单台蒸汽干度80%的23t/h注汽锅炉为例，汽水分离后排掉高压17MPa、高温316℃的过热水3400kg/h，同时又排掉了高达230℃的大量烟气。在增加了原油产量的同时，也排放了大量的工业废热。
胜利油田从94年起开始研究对注汽锅炉的余热进行利用，但只限于使用换热器进行取暖或者预加热给水，排放水的回收再利用尚处空白。为了响应国家节能减排的号召，我们提出了对利用低温发电技术对注汽锅炉排放废水进行回收再利用的研究，以期提高能源利用效率，减少能源生产过程中的环境污染，达到减排发电的目的。
1利用模式的确定
1.1现场情况说明
胜利油田滨南采油机械工程厂单家寺区块注气五队8号站有三台规格不同注汽锅炉。分别为1台上海四方锅炉厂的SF-52.8/17.2-YQ型注汽锅炉(额定蒸汽压力21MPa、额定蒸发量17.2t/h)注汽锅炉以及2台中国石油天然气第八建设有限公司YZF11-21-P型注汽锅炉(额定蒸汽压力21MPa、额定蒸发量11.2t/h)。
现场使用的汽水分离器为中油八建生产的FLQ20-21/K型汽水分离器。设计压力22MPa，设计温度为370℃。注汽锅炉产生的蒸汽通过汽水分离器分离为20%的水和80%的蒸汽。热水流量约为7t/h，压力为8.5MPa，温度为295℃，接近饱和状态。分离的蒸汽通过管网注入稠油热采井，而热水则注入储液罐内与冷水混合后降温到90℃用于洗井作业，对余能的利用率并不高，浪费的热能达5.4×109J/h。
1.2废热的利用
模式考虑到注汽锅炉排放水高温高压接近饱和的特点，对设备的工艺要求较高。为了减少高压设备的使用，结合纯低温余热发电技术，设计了利用闪蒸扩容蒸汽发电方案。纯低温余热发电技术是利用中低温的废水或者废气，通过纯低温余热锅炉或者利用闪蒸技术产生低品位蒸汽，来推动低参数的汽轮机组做功发电。闪蒸是指水的一种相变过程，即在一定压力和温度下的未饱和水，当压力下降至某温度下的饱和压力时，就会进入饱和区而开始汽化，并且随着压力的下降，其汽化程度不断提高[1]。
整套的闪蒸扩容发电系统由闪蒸罐、饱和蒸汽轮机、发电机、泵、换热器、压力表和压力控制阀门等组成。闪蒸罐的作用就是将高温高压水降压得到低压的饱和蒸汽，它和饱和蒸汽轮机是整套系统关键组成部分。
饱和水通过闪蒸罐后，减压扩容产生饱和蒸汽。为了防止扩容蒸汽中所携带的少量水分进入汽轮机，在闪蒸罐上部蒸汽出口处设置丝网除沫器，以便进行汽水分离。分离后的饱和蒸汽通过换热器与注汽锅炉所排放的烟气进行换热以吸收热量，适当增加过热度。加热后的饱和蒸汽通过饱和蒸汽轮机做功带动发电机发电。从闪蒸罐排出的水用于洗井作业。
在流量不是很大的情况下，只进行一级闪蒸即可，此时所用的汽轮机为背压式饱和蒸汽轮机。当排放水压力提高，流量增大时，可以在现有的基础上增加闪蒸规模，使用二级或者三级闪蒸以提高热水利用率，但此时的汽轮机应为补汽式汽轮机[2]。
汽轮机做功后的乏汽通过换热器在职工程对注汽锅炉的给水进行预热，预热后的乏汽变为液态，再重新注入注汽锅炉循环使用。由于闪蒸罐产生的是饱和蒸汽，闪蒸罐的压力和温度调节都是通过蒸汽出口处的压力控制阀来实现。整套系统通过对闪蒸罐的入口流量的调节来控制发电机的电量输出。
透平采用低压饱和蒸汽轮机，较常规的过热蒸汽轮机相比，蒸汽的理想比焓降较小，在汽机内膨胀过程中产生的水份多，必须考虑轮机叶片带水去湿措施。在机内采取使用硬质合金和去除水滴装置等，防止凝结水对汽轮机叶片的腐蚀。由于低压饱和蒸汽的比焓较低，同常规汽轮机相比，其耗汽量要大得多，汽轮机本体设计时，须采用大直径低压缸叶片以满足排汽通道大的要求[3]。
利用闪蒸扩容发电技术可以减少高压设备的使用，排放水直接通过闪蒸罐减压，压力可以从10MPa以上降低到2MPa以下，对现场环境的要求也较低。闪蒸扩容发电系统结构比较简单，闪蒸罐的制造工艺较高压容器也较容易，由于降低了压力，对压能的利用率不高，发电量会较低。闪蒸扩容蒸汽发电利用的是饱和蒸汽作为工质，热效率上较过热蒸汽低，需要另外设计适合饱和蒸汽的汽轮机，但是对设备的工艺条件要求较低，比较易于实现。
2系统的设计与研究
2.1闪蒸系统的优化
设计在整套系统中，闪蒸罐是重要的组成部分。闪蒸软件工程根据有无外力，可以分为强制闪蒸和自然闪蒸。强制闪蒸是指借助外力的降压过程，自然闪蒸就是不借助外力的自然降压过程[4]。
在出口蒸汽流量上，强制闪蒸要高于自然闪蒸;但是由于需要借助外力进行减压，因此只在较大型的设备中才会使用。在本套系统中，采用自然闪蒸方式对饱和水进行降压，考虑到现场环境对安装施工的限制，闪蒸罐采用卧式结构。
由于闪蒸罐体积限制，入水口改由封头进入，底部为支座和排污口，蒸汽出口在闪蒸罐顶部，封头的另一侧为液位柱，压力表和温度计都安装在顶部。由于体积的限制，进水口处未接弯头，而至在出口处焊接一钢板，保证了闪蒸效果。
锅炉排放水直接通过管道接进入闪蒸罐，中间不经过加压泵等设备。闪蒸罐工作在1.6MPa之下，属于低压容器，采用单层圆筒作为其受压圆筒。封头采用椭圆型封头。它是由半个椭球面和短圆筒组成，直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆型封头深度较半球型封头小得多，易于冲压成型[5]，是目前中低压容器中应用较多的封头。
根据闪蒸罐出口压力的不同，可以计算出闪蒸罐的各项参数。随着出口压力的升高，罐体体积，蒸汽流量和热效率都与出口压力都出现了下降，与出口压力成反比关系。
2.2闪蒸压力的确定
根据流程图可以看出，从闪蒸罐中产生的蒸汽，通过换热器与注汽锅炉的排烟进行热交换。排烟温度在230℃左右，由于其中含有的2SO在200℃时会出现结露现象，为了避免产生硫酸腐蚀换热器，要求换热后的烟气温度要大于200摄氏度。根据对闪蒸罐的计算，当闪蒸罐的压力在1.6MPa时，饱和温度在201℃，但此时蒸汽与烟气的温差较小不会结露，但换热效果较为一般;而当闪蒸压力低于0.6MPa时，温度又过低，结露比较严重;综合考虑，当闪蒸罐压力保持在1.0-0.8MPa时，出口温度在180-170℃之间，温差较为适中，此时利用换热器进行换热，效果较好也不会产生2SO结露现象。根据对闪蒸的热效率计算，在0.8MPa下的热效率最高，因此确定闪蒸罐压力为0.8MPa。
3饱和蒸汽轮机的优化与计算
3.1汽轮机的设计与优化
饱和蒸汽轮机的工质一般为湿度在0-10%左右的湿蒸汽，这就决定了饱和蒸汽轮机的理想焓降较少，一般比火电站的过热蒸汽轮机焓降减少50%，湿蒸汽的容积流量相对常规电站汽轮机的容积流量大很多。在相同的功率下，饱和蒸汽轮机的进气体积流量要比过热蒸汽大2.5-3.5倍，排气体积流量为常规火电厂的1.65倍。根据汽轮机理论，当汽轮机内蒸汽湿度增加时，冷凝的水滴会对叶片产生腐蚀效果，与此同时湿气损失会增加，而反动度对于湿气损失有着较为重要的影响。湿气损失可以通过鲍威尔曲线进行计算，如图4所示[6]。图中曲线A表示湿度对于冲动式级损失系数的影响，曲线B代表对于反动级损失系数的影响。可以看出，随着湿度的增加，反动级比冲动级有着较小湿气损失。但是由于反动级的做功能力不如冲动级，因此在湿度不大的情况下，也可以使用冲动式。
结合本课题的特点，由于饱和蒸汽通过与烟气的换热增加了一定的过热度，在蒸汽湿度不大的情况下，考虑到反动级的做功能力较小，可以使用冲动级作为汽轮机的级。由于蒸汽的流量并不大，0.8MPa下的蒸汽流量只有2090.72kg/h，因此使用复速级作为汽轮机的单一级。它的好处是可以在一级内承担较大的比焓降;这样汽轮机的结构比较简单，易于制造和保养，还可以降低成本。
3.2汽轮机的级内效率级的相对内效率ηri定义为级的有效比焓降Δhi与级的理想能量0E的比值，由于复速级的流动效率较低，可以在级内增加动叶以及导叶的反动度，这样就使蒸汽在动叶以及导叶中也可以得到适度的膨胀。取第一列动叶Ω=0.05b，导叶Ω=0.1gb，第二列动叶Ω'=0.15b，由于汽轮机只有单一级，可以认为蒸汽的湿度变化较小。根据条件可以计算单列复速级汽轮机的级内效率。
通过将饱和蒸汽与注汽锅炉排放烟气进行换热，提高了蒸汽的干度，将饱和蒸汽转化为过热蒸汽，因此在级内损失中，湿气损失并不大，只有2.54kj/kg，不到2%;叶高损失成为了影响汽轮机热效率的最大因素。综合其原因，主要是由于部分进气度e过小对影响了叶高从而使叶高损失增加，而蒸汽流量过小限制了部分进气度，所以主要原因是由于蒸汽流量过小引起的。一般情况下复速级汽轮机，当e=0.2时可以达到最佳的轮周效率，在本例中由于流量的限制只能取e=0.15,造成了叶高损失的增加。如果在未来本系统可以较大规模的使用，在增加流量的情况下，叶高损失过大的情况可以得到较好的改善。
4经济性分析
胜利石油管理局对废热利用的要求是利用率达到20%以上，本套方案闪蒸系统热效率为67%，汽轮机热效率为36.6%，整套系统热效率为23%，达到了胜利油田提出的20%的要求。由于一个注汽队一般都有2-3台注汽锅炉，锅炉交替使用，年工作时间在300天以上，以每天平均工作20小时计算，则年发电量可以达到3.6×105kw/h，每年节约电费开支19多万元。两年即可收回投资。考虑到注汽锅炉一般点火之后都是24小时运行，实际年发电量还会更大，不到两年即可收回投资，经济效益十分明显
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