水热媒余热回收系统热平衡影响因素分析

2012-01-13杨军卫成慧禹肖家治

石油炼制与化工 2012年12期

李明，杨军卫，成慧禹，肖家治

（1.中国石油天然气华东勘察设计研究院，山东青岛266071；2.中国石油大学重质油国家重点实验室；3.中国石化洛阳分公司）

水热媒余热回收系统是一种利用中压除氧水（2.0MPa）作热媒，通过建立闭路循环实现烟气热量回收的技术。因其具有负荷调节灵活、占地空间小、使用寿命长等特点，已在常减压加热炉、延迟焦化加热炉等［1－3］装置上得到成功应用。该系统主要由烟气换热器、空气换热器和热水循环泵组成，通过热媒水作媒介，将烟气热量传给空气。为防止烟气换热器发生露点腐蚀，在空气换热器进出口间设置旁路调节阀，以保证进烟气换热器热媒水温度高于露点温度。为确保系统操作稳定，防止热媒水汽化导致循环泵气蚀，操作中控制热媒水出烟气换热器温度不高于除氧水饱和温度。

水热媒系统平稳运行的关键是热媒水的吸热量等于放热量，即系统处于热平衡状态，不产生热量积累。本课题以某延迟焦化加热炉水热媒系统为例，以实际设计结构和操作条件为基础，考察热媒水流量、燃料单耗、空气用量和热媒水入烟气换热器温度4个因素对水热媒系统热平衡的影响，并提出相关建议。

1 结构及操作参数

本课题所研究的水热媒系统流程示意见图1，烟气换热器和空气换热器设计性能参数列于表1，设备结构参数见表2。

2 理论基础

2.1 传热速率

图1 水热媒系统流程示意

表1 水热媒系统换热器设计性能参数

表2 水热媒系统换热器结构参数 mm

水热媒系统的热平衡状态主要由烟气换热器与空气换热器的换热量决定，而设备换热量受其传热能力，即传热速率的限制。烟气或空气换热器传热速率方程为：

式中：Q 为传热速率，W；K 为总传热系数，W/（m2·K）；A为传热面积，m2；ΔTm为对数平均温差，℃。

式中：Do为外径，m；nw为每排管根数；Nc为管排数；Lc为管子有效长度，m。

式中：δ为管壁厚度，m；λm为管壁导热系数，W/（m·℃）；Ao为光管外表面积，m2；Ai为光管内表面积，m2；Am为光管平均表面积，m2；At为光管部分面积，m2；Af为翅片外表面积，m2；Ω为翅片效率；αi为管内包括结垢热阻在内的对流给热系数，W/（m2·℃）；ho为管外包括结垢热阻在内的综合对流给热系数，W/（m2·℃）。相关参数计算方法可参考文献［4］。

水热媒系统传热计算主要是联解热平衡方程和传热速率方程，通过迭代，求解介质进出口温度和传热量。

2.2 系统不平衡率

为便于讨论说明，在此引入系统不平衡率参数（η），作为评价系统热量平衡的指标。式中：Q吸、Q放分别为热媒水全部通过烟气换热器和空气换热器的传热速率。η＝0，代表系统传热速率恰好平衡；η＞0，表明系统出现热量累积，可能导致热媒水汽化，但可通过调整操作改变平衡状态；η＜0，表明系统需通过旁路调节达到平衡，能够承受一定程度的系统负荷波动。

3 影响因素分析

由于本课题所研究的水热媒系统在实际操作中存在热量累积现象，导致热媒水汽化，循环泵气蚀。为分析水热媒系统出现热量累积的原因，首先对其设计工况进行剖析。

系统设计所采用的过剩空气系数为1.6左右，导致空气用量为22kg/kg，远高于实际操作值14～17kg/kg（按过剩空气系数1.15～1.40计算）。

设计所采用的燃料单耗为1 260MJ/t，高于实际操作值756～1 050MJ/t（根据焦化炉实际操作负荷波动计算）。

3.1 热媒水流量的影响

实际操作中热媒水流量调整是调节系统换热量的主要手段，因此对热媒水流量为20，15，10，5 t/h时的不平衡率进行考察。根据加热炉实际操作状况，确定燃料单耗为840MJ/t，空气用量为14 kg/kg，热媒水进烟气换热器温度为133℃。各工况计算结果如图2所示。由图2可知，增大热媒水流量将导致系统不平衡率增加，系统热量累积的可能性增加。

图2 热媒水流量对不平衡率的影响

3.2 燃料单耗的影响

燃料单耗的改变一方面影响燃烧生成的烟气量，另一方面又影响空气用量。在热媒水流量15 t/h、空气用量14kg/kg、热媒水进烟气换热器温度133℃的情况下，分别考察燃料单耗为1 260，1 050，840，630MJ/t时的不平衡率，结果见图3。由图3可知，随着燃料单耗的增加，系统不平衡率降低。设计状态下燃料单耗为1 260MJ/t，而实际操作燃料单耗为756～1 050MJ/t，增加了系统热量累积的可能性。设计燃料单耗与实际操作值差别较大，可能是由于工艺条件改变较大，或设计基础参数不合理造成的。

图3 燃料单耗对不平衡率的影响

3.3 空气用量的影响

由于燃料组成及过剩空气系数的波动都会影响烟气流量和空气流量，两者的具体影响程度又不便于考察，而两者最终都导致空气用量的变化，因此，可将燃料组成和过剩空气系数的影响最终归结为空气用量对系统热平衡的影响。在热媒水流量15t/h、燃料用量840MJ/t、热媒水进烟气换热器温度133℃的条件下，分别考察空气用量为14，15，16，17kg/kg时的不平衡率，结果见图4。由图4可知，随着空气用量的增加，系统不平衡率迅速降低。设计状态下空气用量为22kg/kg，远高于实际操作值14～17kg/kg，导致实际操作工况下系统不平衡率大大增加。

图4 空气用量对不平衡率的影响

3.4 热媒水入烟气换热器温度的影响

热媒水入烟气换热器温度是水热媒系统的重要控制指标，该温度将直接影响到排烟温度，间接影响到加热炉效率和热媒水取热量。在热媒水流量15t/h、燃料用量840MJ/t、空气用量14kg/kg的条件下，分别考察热媒水入烟气换热器温度为130，150，160，180℃时的不平衡率，结果见图5。由图5可知，随着热媒水入烟气换热器温度的提高，系统不平衡率降低，但同时将导致排烟温度升高，实际操作中希望该温度尽量降低，通常控制该温度比烟气露点腐蚀温度高20～30℃。