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摘 要：对湿蒸汽焓值、压力以及负荷之间关系进行分析，揭示了注汽锅炉的运行特点，提出在变工况下，以保证干度和安全性为前提，计算合理负荷值的一种计算方法。根据锅炉原理和现场使用情况，对注汽锅炉进行充分的研究和认识，指出在负荷发生变化时应注意的问题和解决办法。
关键词：注汽锅炉 变化运行工况 负荷 安全性 蒸发量
辽河油田是以生产稠油和超稠油为主的大油田，随着近年来开采工艺的发展，其产量逐年上升，与之相配套的热采工艺亦日趋完善，注汽锅炉就是其中一个重要的环节，由于地层结构千差万别，稠油埋藏深度、油层厚度、渗透率不尽相同，导致不同井的油层压力各不相同，同一口井的压力在不同注汽阶段也存在差异。而注汽锅炉的运行对应额定的运行参数，为了适应不同的开采条件，需要注汽锅炉在非额定工况下能够正常运行。
一、注汽锅炉基本情况
目前使用的注汽锅炉在结构设计上基本是单管程，水平往复式布置的强制流动直流锅炉。经过水处理系统软化处理的水，由柱塞泵升压，依次通过给水预热器、对流段和辐射段，在流动和传热的双重作用下最后被加热成千度为80%的湿蒸汽送到注汽管线。根据油田的实际生产需要，注汽锅炉均设计成高压低容量的形式，辽河油田最常见的是额定热负荷为0.59×104、0.74×104、1.47×104kW，工作压力为18 Map和10 Map的锅炉。按通用的表示方法即分为额定蒸发量9.2、11.2、23.0 t/h3种。其水容量小，工质流动通畅，炉管能得到很好的冷却，并可迅速启动和停用，迅速适应压力的变化。注汽锅炉在某一油层注汽时，由于该地层参数是定值，其运行压力也就相应确定。因此，在注汽时，水在注汽锅炉内加热过程是一个等压加热过程。由于辽河油田的注汽锅炉经常在变化的工况下运行，时常由于负荷的不合理调整而导致注入井内的湿蒸汽焓值受到影响，从而影响注汽的效果。另外，负荷的不合理调整也经常影响到锅炉的安全运行，甚至造成传热恶化，发生爆管事故。
二、湿蒸汽焓值不变情况下注汽
注汽的目的是为了向油层注入热量，而热量的多少反映到蒸汽的特性参数上也就是焓值的大小。实际情况往往要求注汽在湿蒸汽焓值不变的情况下进行。下面简要分析在何种条件下可以保证其不变。湿蒸汽的焓值在一定压力下只与干度有关。
三、湿蒸汽压力与焓值的关系
当蒸汽干度低于60%时，见随着压力升高而升高；但干度大于60%后，湿蒸汽的焓在压力大于某个值以后，反而随着压力的继续升高而下降。以常用干度80%为例，当压力为7 Map时，达到最大值2470.42kJ/kg；当压力大于7 Map后，反而下降，在4～10 Map的压力范围内处于高值，而且变化甚微，近似于一条水平线。在这个压力范围内只要焓值有轻微变动，压力就会有相当大的变动。即只要输入热量有微小变动，蒸汽出口压力就会有大幅度的变化，这对于控制注汽锅炉平稳运行带来一定的难度。所以，在调节锅炉火量时，要循序渐进，幅度不要过大。
四、非额定压力下合理负荷计算
对于一个特定的注汽锅炉，低于设计压力运行时，设备的比容增大，炉管内湿蒸汽流速明显增加。此时，水蒸汽在管内停留时间缩短，蒸汽还未及时吸收烟气侧放热时，炉管热量就已送出炉膛，聚集的热量滞留在管壁上极有可能破坏炉管强度，这显然对注汽锅炉的运行是极为不利的。为使注汽锅炉在远低于额定工作压力下运行，且出口湿蒸汽干度稳定在80%，应按照保持蒸汽在炉管内流速不变的条件来推算，计算出锅炉相应的合理负荷，并以此作为该压力下运行的推荐蒸发量，以确保锅炉安全。
五、应用中需注意问题分析
1.在注汽锅炉运行时，炉内火焰温度随着负荷的增减而升降。但是，炉内辐射换热量的变化与燃料量的变化并不成正比。根据实验证明，锅炉从半负荷增加到额定负荷时，炉内换热量的增加不超过50%一80%，并不是成倍增加。总而言之，炉内换热量的变化率小于负荷的变化率。因此，为保证出口干度不变，在运行时火量要比水量调节得大一些。
2.燃烧方面，由于要求使用较少供油，且炉内燃油在低负荷配风时火焰的周界风相对减弱，易导致压降低造成雾化不良。此时很可能会造成燃烧器旋口结焦，遮挡了周界风风口，使火焰偏斜甚至飘至炉管上。因此，低负荷时要特别注意观察火焰形状，调整火焰位置，改进配风，经常清焦，以避免火焰方向偏斜上窜。
3.辐射段承受的热负荷较高，根据资料显示约占总热负荷的82%，而炉管内又是汽、水两相流动，因此当设备负荷减小至一定数值或在运行中突遇停电时，爐管就很有可能出现传热恶化现象，导致炉管因超温而损坏。
六、结论
1.注汽锅炉运行时，应保持其湿蒸汽焓值不变，燃料量和给水量保持一定的比率关系。
2.调节注汽锅炉运行工况时，注意缓慢调节火量，避免压力产生较大波动。
3.注汽锅炉在非额定压力下运行时，可先计算其合理蒸发量以作参照，保证设备安全运行。
4.应充分运用工程热力学、燃烧学以及传热学，分析解决实际运行中的问题。
参考文献：
[1]刘继和，孙素凤.注汽锅炉[M].北京：石油工业出版社，2007：131—134.
[2]沈维道，蒋智敏，童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2001：216—218.
[3]刘文章.稠油注蒸汽热采工程[M].北京：石油工业出版社，1997：35～39.
[4]Holman J P.Heattransfer[M].New York：McGRAW—HI！.L，1997：526～527.
关键词：注汽锅炉 变化运行工况 负荷 安全性 蒸发量
辽河油田是以生产稠油和超稠油为主的大油田，随着近年来开采工艺的发展，其产量逐年上升，与之相配套的热采工艺亦日趋完善，注汽锅炉就是其中一个重要的环节，由于地层结构千差万别，稠油埋藏深度、油层厚度、渗透率不尽相同，导致不同井的油层压力各不相同，同一口井的压力在不同注汽阶段也存在差异。而注汽锅炉的运行对应额定的运行参数，为了适应不同的开采条件，需要注汽锅炉在非额定工况下能够正常运行。
一、注汽锅炉基本情况
目前使用的注汽锅炉在结构设计上基本是单管程，水平往复式布置的强制流动直流锅炉。经过水处理系统软化处理的水，由柱塞泵升压，依次通过给水预热器、对流段和辐射段，在流动和传热的双重作用下最后被加热成千度为80%的湿蒸汽送到注汽管线。根据油田的实际生产需要，注汽锅炉均设计成高压低容量的形式，辽河油田最常见的是额定热负荷为0.59×104、0.74×104、1.47×104kW，工作压力为18 Map和10 Map的锅炉。按通用的表示方法即分为额定蒸发量9.2、11.2、23.0 t/h3种。其水容量小，工质流动通畅，炉管能得到很好的冷却，并可迅速启动和停用，迅速适应压力的变化。注汽锅炉在某一油层注汽时，由于该地层参数是定值，其运行压力也就相应确定。因此，在注汽时，水在注汽锅炉内加热过程是一个等压加热过程。由于辽河油田的注汽锅炉经常在变化的工况下运行，时常由于负荷的不合理调整而导致注入井内的湿蒸汽焓值受到影响，从而影响注汽的效果。另外，负荷的不合理调整也经常影响到锅炉的安全运行，甚至造成传热恶化，发生爆管事故。
二、湿蒸汽焓值不变情况下注汽
注汽的目的是为了向油层注入热量，而热量的多少反映到蒸汽的特性参数上也就是焓值的大小。实际情况往往要求注汽在湿蒸汽焓值不变的情况下进行。下面简要分析在何种条件下可以保证其不变。湿蒸汽的焓值在一定压力下只与干度有关。
三、湿蒸汽压力与焓值的关系
当蒸汽干度低于60%时，见随着压力升高而升高；但干度大于60%后，湿蒸汽的焓在压力大于某个值以后，反而随着压力的继续升高而下降。以常用干度80%为例，当压力为7 Map时，达到最大值2470.42kJ/kg；当压力大于7 Map后，反而下降，在4～10 Map的压力范围内处于高值，而且变化甚微，近似于一条水平线。在这个压力范围内只要焓值有轻微变动，压力就会有相当大的变动。即只要输入热量有微小变动，蒸汽出口压力就会有大幅度的变化，这对于控制注汽锅炉平稳运行带来一定的难度。所以，在调节锅炉火量时，要循序渐进，幅度不要过大。
四、非额定压力下合理负荷计算
对于一个特定的注汽锅炉，低于设计压力运行时，设备的比容增大，炉管内湿蒸汽流速明显增加。此时，水蒸汽在管内停留时间缩短，蒸汽还未及时吸收烟气侧放热时，炉管热量就已送出炉膛，聚集的热量滞留在管壁上极有可能破坏炉管强度，这显然对注汽锅炉的运行是极为不利的。为使注汽锅炉在远低于额定工作压力下运行，且出口湿蒸汽干度稳定在80%，应按照保持蒸汽在炉管内流速不变的条件来推算，计算出锅炉相应的合理负荷，并以此作为该压力下运行的推荐蒸发量，以确保锅炉安全。
五、应用中需注意问题分析
1.在注汽锅炉运行时，炉内火焰温度随着负荷的增减而升降。但是，炉内辐射换热量的变化与燃料量的变化并不成正比。根据实验证明，锅炉从半负荷增加到额定负荷时，炉内换热量的增加不超过50%一80%，并不是成倍增加。总而言之，炉内换热量的变化率小于负荷的变化率。因此，为保证出口干度不变，在运行时火量要比水量调节得大一些。
2.燃烧方面，由于要求使用较少供油，且炉内燃油在低负荷配风时火焰的周界风相对减弱，易导致压降低造成雾化不良。此时很可能会造成燃烧器旋口结焦，遮挡了周界风风口，使火焰偏斜甚至飘至炉管上。因此，低负荷时要特别注意观察火焰形状，调整火焰位置，改进配风，经常清焦，以避免火焰方向偏斜上窜。
3.辐射段承受的热负荷较高，根据资料显示约占总热负荷的82%，而炉管内又是汽、水两相流动，因此当设备负荷减小至一定数值或在运行中突遇停电时，爐管就很有可能出现传热恶化现象，导致炉管因超温而损坏。
六、结论
1.注汽锅炉运行时，应保持其湿蒸汽焓值不变，燃料量和给水量保持一定的比率关系。
2.调节注汽锅炉运行工况时，注意缓慢调节火量，避免压力产生较大波动。
3.注汽锅炉在非额定压力下运行时，可先计算其合理蒸发量以作参照，保证设备安全运行。
4.应充分运用工程热力学、燃烧学以及传热学，分析解决实际运行中的问题。
参考文献：
[1]刘继和，孙素凤.注汽锅炉[M].北京：石油工业出版社，2007：131—134.
[2]沈维道，蒋智敏，童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2001：216—218.
[3]刘文章.稠油注蒸汽热采工程[M].北京：石油工业出版社，1997：35～39.
[4]Holman J P.Heattransfer[M].New York：McGRAW—HI！.L，1997：526～527.