(中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司 渤海石油研究院, 天津 300459)

0 引 言

渤海油田稠油儲(chǔ)量豐富，隨著油田開發(fā)速度加快，稠油熱采開發(fā)成為必然趨勢(shì)。注汽鍋爐是稠油熱采的重要耗能設(shè)備之一，在陸地油田已成熟應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究集中于稠油熱采注汽鍋爐燃料適用性、熱效率提升、內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化、余熱回收等方面，海上稠油熱采開發(fā)研究起步較晚[1]，對(duì)注汽鍋爐海上應(yīng)用、鍋爐用水要求的研究較少，受平臺(tái)空間有限，運(yùn)輸及設(shè)備安裝工作量大，淡水、燃料寶貴等制約條件的影響，海上注汽鍋爐的選型難度和研究必要性增加。從鍋爐燃料選擇、鍋爐用水、余熱利用、鍋爐型式、清潔維修和總體布置等方面對(duì)海上注汽鍋爐選型進(jìn)行分析，為海上注汽鍋爐選型提供新思路。

1 注汽鍋爐類型及選型原則

注汽鍋爐按制造級(jí)別(A級(jí)蒸汽壓力)可分為：中壓鍋爐、次高壓鍋爐、高壓鍋爐、超高壓鍋爐、亞臨界鍋爐、超臨界鍋爐等，如表1所示。

表1 A級(jí)注汽鍋爐制造級(jí)別

注汽鍋爐的主要工藝參數(shù)有：蒸汽出口壓力、蒸汽流量、蒸汽干度、蒸汽出口溫度。為保證熱采效率，到達(dá)井底的蒸汽需有足夠的流量、溫度、壓力和干度，注汽鍋爐選型時(shí)應(yīng)優(yōu)先保證其工藝需求。其次，鑒于海上運(yùn)輸和淡水、燃料的獲取相對(duì)陸地都更為困難，需著重考慮燃料油及鍋爐用水問(wèn)題，在滿足工藝需求的同時(shí)，保證鍋爐的使用壽命，減少大修和事故，并從經(jīng)濟(jì)適用性方面加以余熱利用的考慮。另外，由于海上設(shè)備安裝和占地的特殊性，需考慮鍋爐型式、布置和維修操作空間。

2 注汽鍋爐系統(tǒng)配置方案

2.1 注汽鍋爐燃料選擇

考慮到燃料成本，陸上稠油開發(fā)常采用原油、稠油、重油、渣油或煤作為鍋爐的主要燃料。海上稠油油田注汽鍋爐一般利用伴生氣，其他平臺(tái)生產(chǎn)外輸至本平臺(tái)的原油，或本平臺(tái)開采的稠油經(jīng)處理后滿足鍋爐要求的稠油作為燃料。渤海稠油油田區(qū)塊較零散，利用伴生氣需新建輸氣管線，可能會(huì)增加開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)；利用原油或稠油作為燃料時(shí)需增加燃料油處理設(shè)備，燃料成本和設(shè)備投資相對(duì)較高。注汽鍋爐燃料選擇應(yīng)從經(jīng)濟(jì)性和適用性兩方面進(jìn)行考慮。

以兩臺(tái)15 t/h注汽鍋爐(1用1備)為例，鍋爐燃?xì)?燃油模式全生命周期經(jīng)濟(jì)投資對(duì)比如表2所示。

表2 鍋爐燃?xì)?燃油模式全生命周期經(jīng)濟(jì)投資對(duì)比

續(xù)表2 鍋爐燃?xì)?燃油模式全生命周期經(jīng)濟(jì)投資對(duì)比

經(jīng)過(guò)對(duì)比計(jì)算：按1 a注汽6個(gè)月，注采時(shí)間為25 a計(jì)算，如果不考慮平臺(tái)其他用氣設(shè)備(如電站)的影響，當(dāng)平臺(tái)距離(或海管長(zhǎng)度)大于3.14 km時(shí)，不建議新建引氣海管使用伴生氣作為注汽鍋爐燃料。

在使用燃料油的情況下，需對(duì)注汽鍋爐燃料油進(jìn)行處理。影響注汽鍋爐的燃料油物性主要有兩點(diǎn)，一是燃料油含水量，二是燃料油在一定溫度下的黏度。燃料油含水量過(guò)高會(huì)影響燃料油的燃燒質(zhì)量并加重?zé)煔夂剂?，影響燃燒器和盤管壽命，降低鍋爐效率和蒸汽質(zhì)量；燃料油黏度過(guò)大會(huì)影響燃燒質(zhì)量且容易堵塞燃燒器。二者直接影響鍋爐的效率以及燃燒器和鍋爐盤管壽命，從而間接影響熱采效果和設(shè)備維修投資。國(guó)產(chǎn)注汽鍋爐常用燃燒器燃料適用性如表3所示。

表3 國(guó)產(chǎn)注汽鍋爐燃燒器燃料適用性

在燃料油處理工藝上可以采用靜電聚結(jié)(一級(jí))+破乳劑、電脫水(二級(jí))+破乳劑的方式進(jìn)行稠油脫水。進(jìn)行電脫水試驗(yàn)時(shí)應(yīng)考慮各種可能情況，優(yōu)化破乳劑使用量、電脫電壓、稠油停留時(shí)間、電脫溫度，從而選擇最經(jīng)濟(jì)的電脫水方案。以某油田為例，處理流程：一級(jí)，靜電聚結(jié)脫水，破乳劑BH-33用量200 μg/g以上，溫度130 ℃左右，電壓3 000～3 500 V，停留時(shí)間40～60 min，將含水率降低至25%以下；二級(jí)，電脫水，破乳劑BH-33用量200 μg/g以上，溫度130 ℃左右，停留時(shí)間40～60 min，電壓1 100 V(電場(chǎng)強(qiáng)度800 V/cm)，裸電極脫水將含水率降低至2%～5%。

海上平臺(tái)常用添加降黏劑和升溫的方法降低稠油作為燃料油時(shí)的黏度，此方法適用于使用量大的燃料油，例如：注汽鍋爐用燃料、熱介質(zhì)鍋爐用燃料、電站用燃料(一般為燒渣油、重油的原油電站，渤海應(yīng)用較少)。使用摻原油或柴油的方法降黏，成本相對(duì)較高，但工藝簡(jiǎn)單，可短期使用或在用量少的情況下使用，例如鍋爐引燃。

2.2 注汽鍋爐水處理

海水礦化度高，直接作為鍋爐水易結(jié)垢、堵塞盤管，因此，鍋爐水礦化度越低，對(duì)鍋爐的壽命越有利。國(guó)產(chǎn)注汽鍋爐大多數(shù)只能使用淡水作為鍋爐用水。根據(jù)稠油集輸及注蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范 (SY0027-1994)，海水淡化出口水(鍋爐用軟化水，pH 7.5～11.0)質(zhì)量如表4所示，選型時(shí)應(yīng)考慮生產(chǎn)中是否有足夠余量的水源井水供給鍋爐。由于平臺(tái)井?dāng)?shù)有限，新鉆1口水源井投資較大，如果水源井水不足，應(yīng)優(yōu)先考慮海水淡化裝置。

表4 海水淡化出口水質(zhì)量要求 mg/L

現(xiàn)階段海上平臺(tái)鍋爐用水多來(lái)自于海水淡化裝置或水源井水，水源的對(duì)比如表5所示。

表5 海上平臺(tái)鍋爐用水水源對(duì)比

2.3 注汽鍋爐余熱利用

注汽鍋爐在產(chǎn)生蒸汽的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一定量的熱水和煙氣。15 t/h的注汽鍋爐可產(chǎn)生2～3 t/h的熱水。如果產(chǎn)生的熱水流量符合原油摻水外輸?shù)挠昧?，就可將注汽鍋爐熱水和稠油摻水一起外輸，從而簡(jiǎn)化一部分工藝流程和設(shè)備。如果熱水量不足但水溫高，可作為應(yīng)急置換用水，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生應(yīng)急關(guān)斷時(shí)，可直接利用鍋爐熱水進(jìn)行應(yīng)急置換，無(wú)需再用應(yīng)急電加熱熱水后進(jìn)行置換，從而降低海上平臺(tái)應(yīng)急電負(fù)荷。

目前實(shí)際運(yùn)行的注汽鍋爐排煙溫度較高，一般在140～270 ℃[2]，為有效利用鍋爐廢熱：一方面，可從設(shè)計(jì)上選用排煙溫度低、熱效率高的注汽鍋爐，例如增加自動(dòng)控制煙氣含氧量技術(shù)，使燃料燃燒更完全，避免冒黑煙問(wèn)題[3]；另一方面，可從利用煙氣余熱角度進(jìn)行流程設(shè)計(jì)，例如利用煙氣余熱加熱生產(chǎn)水，或者設(shè)置余熱回收裝置，合理控制排煙溫度[4]。

3 注汽鍋爐布置方案

海上平臺(tái)空間有限，設(shè)備安裝難度和工作量大，選型時(shí)應(yīng)充分考慮鍋爐型式、維修操作空間及總體布置等因素。

3.1 注汽鍋爐型式對(duì)比

臥式、立式鍋爐的布置、熱效率對(duì)比如表6所示。

表6 注汽鍋爐型式對(duì)比

選擇注汽鍋爐型式時(shí)需考慮以下4點(diǎn)：

(1) 優(yōu)先考慮平臺(tái)空間使用情況。海上平臺(tái)布置緊湊，大井口平臺(tái)、中心平臺(tái)上層甲板空間有限，注汽鍋爐一般不可放置于上層甲板。中層甲板受層高限制(渤海海上平臺(tái)中層甲板層高一般為8～9 m)，無(wú)法布置立式注汽鍋爐。即使層高滿足立式鍋爐布置維修要求，平臺(tái)空間也很難充分利用，層高過(guò)高還會(huì)增加平臺(tái)的用鋼量。因此，當(dāng)平臺(tái)上甲板空間不足時(shí)，一般不推薦選用立式注汽鍋爐。

(2) 充分考慮水質(zhì)、燃料、生產(chǎn)維修頻率對(duì)注汽鍋爐盤管壽命、熱效率的影響。注汽鍋爐受水質(zhì)、燃料的影響，平均熱效率為81.61%[5]，達(dá)不到設(shè)備預(yù)期的熱效率(90%)。在進(jìn)行注汽鍋爐選型時(shí)，應(yīng)充分考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)適用性，并為鍋爐熱負(fù)荷預(yù)留適當(dāng)?shù)挠嗔俊?/p>

(3) 應(yīng)考慮注汽鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化的可能性，如臥式鍋爐可在對(duì)流段增加固定旋轉(zhuǎn)式蒸汽吹灰器，翅片管采用順排布置，增加部分翅片管，以提高鍋爐效率[6]。

(4) 考慮廠家主要生產(chǎn)的鍋爐類型，綜合對(duì)比各廠家鍋爐型式、應(yīng)用業(yè)績(jī)及鍋爐實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行選型。

3.2 注汽鍋爐清潔與維修

設(shè)備布置時(shí)應(yīng)留有適當(dāng)?shù)牟僮?、維修空間，保證在吹灰、維修、抽芯時(shí)有必要的安全空間。建議鍋爐前后預(yù)留2 m，左右預(yù)留1.5 m。同時(shí)，充分考慮注汽鍋爐在更換較大部件(如換熱管)時(shí)吊裝所需的高度，留有適當(dāng)?shù)目臻g。應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)常風(fēng)向(或風(fēng)玫瑰圖)布置鍋爐排煙方向，保證注汽鍋爐排煙不會(huì)被風(fēng)回吹至甲板，對(duì)操作人員造成傷害。為了注汽鍋爐維修及排煙的便利，盡量不要將注汽鍋爐布置在平臺(tái)的中部。

3.3 注汽鍋爐總體布置優(yōu)化

海上平臺(tái)造價(jià)昂貴，布置注汽鍋爐及其輔機(jī)設(shè)備時(shí)，應(yīng)考慮平臺(tái)其他設(shè)備的布置情況，盡量減少占地面積，并充分利用平臺(tái)空間。水處理設(shè)備可與注汽鍋爐錯(cuò)層布置，同時(shí)將注汽鍋爐的控制方式改為計(jì)算機(jī)方式，將水處理控制儀表盤及所需操作的儀器儀表放置在其他層甲板上，最大化利用平臺(tái)現(xiàn)有面積和空間。如果選用臥式鍋爐，可將側(cè)放于鍋爐的部分水-水換熱器改為布置在鍋爐筒體上方。

在進(jìn)行鍋爐及其輔機(jī)設(shè)備總圖布置時(shí)，應(yīng)考慮注汽鍋爐質(zhì)量對(duì)平臺(tái)的影響，如偏心、承重等。

4 結(jié)束語(yǔ)

海上稠油油田注汽鍋爐燃料的選擇和處理直接關(guān)系到成本投資，需選擇經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)捷的處理流程，并保證處理后的稠油滿足燃燒器和注汽鍋爐的要求。進(jìn)行燃料處理流程設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮混摻周邊油田原油的可行性，通過(guò)調(diào)節(jié)化學(xué)藥劑使用量、電脫水溫度和電壓，優(yōu)化工藝流程，減少處理級(jí)數(shù)，從而優(yōu)化處理設(shè)備。

海上平臺(tái)注汽鍋爐的熱效率一般為：煙管鍋爐70%～80%，水管鍋爐80%～90%。在熱效率上各廠家沒有特別的優(yōu)劣之分?，F(xiàn)階段，注汽鍋爐的主要發(fā)展方向?yàn)椋?1)通過(guò)優(yōu)化盤管、燃燒器、火焰控制，提高熱效率；(2)優(yōu)化鍋爐結(jié)構(gòu)、盤管涂層，抑制鍋爐結(jié)垢、盤管堵塞等問(wèn)題；(3)提高鍋爐適用性，如：煙氣回收、利用污水作為鍋爐水。

充分利用注汽鍋爐熱水、加設(shè)廢熱回收裝置是現(xiàn)階段注汽鍋爐余熱利用的主要方式，在鍋爐選型時(shí)，考慮利用鍋爐余熱的同時(shí)應(yīng)該綜合計(jì)算投資，從而達(dá)到降本增效的目的。海上平臺(tái)空間有限，設(shè)備安裝難度和工作量大，選型時(shí)應(yīng)充分考慮鍋爐型式、維修操作空間及總體布置等因素。

在開發(fā)海上稠油油田的前期研究階段，注汽鍋爐選型應(yīng)兼顧工藝、機(jī)械、總體等專業(yè)的要求統(tǒng)籌考慮，充分借鑒陸上稠油油田選型經(jīng)驗(yàn)，并考慮海上與陸上油田的差別，從設(shè)備全生命周期的角度，優(yōu)化工藝流程、設(shè)備選型及布置，達(dá)到海上平臺(tái)降本增效的目的。