化工项目供热系统蒸汽管网和设备选型设计优化

景宇蓉（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西 西安710075）

1 研究背景

随着我国社会经济的发展，化工产品的需求越来越大，种类越来越多，化工工程项目的设计开始走“大化工”的路子，化工装置少则几套，多则十几套同时配建，以便综合有效的利用资源，实现最佳经济效益。在化工项目中，热动力站既是耗煤大户，又是热能供给站，在全厂生产中扮演着重要角色，主要体现在为全厂各装置提供生产用汽、加热用汽、管网伴热、冬季采暖等。此外，热动力站富余蒸汽可带动蒸汽透平发电，供全厂各用电设备使用，解决了工业用电电价高的问题，节省了生产运行成本。

热动力站的设计主要包括蒸汽管网等级的确定，锅炉、汽轮机以及各辅助设备的选型方案等。为贯彻《中华人民共和国节约能源法》，落实国家的能源产业政策，在热动力站的设计中，应该从全局出发，优化设计方案，提高设计水平。

2 蒸汽管网优化

2.1 蒸汽管网等级

大化工项目全厂用汽装置多，用汽参数各不相同，此外还有装置副产蒸汽等，在管网参数设置时，应依据化工装置热负荷需求量和用热参数，多参考同类工程经验，分析工艺余热特征和热电联产方案，并结合当地气候条件，尽力保证工艺需求，尽量减少管网等级，适宜选取过热度。炼油工程和化工工程蒸汽管网常用参数分为四个等级：9.0～12.5MPa(G)，500～540℃高压管网；3.1～4.4MPa(G)，370～425℃中压管网；0.8～1.8MPa(G)，饱和～300℃低压管网；0.3～0.6MPa(G)，饱和～250℃低低压管网[1]。

2.2 全厂热平衡方案

热平衡方案贯穿设计全过程，在蒸汽管网等级设计时，应该先要列出全厂热负荷表，绘制出各种工况的热负荷曲线，再以此为依据进行全厂热平衡计算，计算过程中应统一协调，小平衡服从大平衡。当锅炉、汽轮机发电机、工艺装置及其透平等任何一方故障、停运时，需有足够的灵活手段保证对系统的压力、温度、流量进行调控，常用方法有：在各等级母管间设置备用减温减压装置，在蒸汽母管上设置放空调节阀，安全阀，给汽轮机旁路设置“一秒阀”等[2]。

2.3 优化节能措施

供热系统管网节能优化措施包括：（1）管网间设置减温减压器；（2）蒸汽凝液尽可能回收利用；（3）补充脱盐水升温回收余热，包括工艺装置的余热废热和热动力站内的取样器、冷渣机余热等；（4）设置高加提高锅炉给水温度[3]。

3 主要设备选型优化

根据全厂热平衡方案确定供热系统的建设规模和装机容量，在对锅炉和汽轮机的选型进行综合考虑。

3.1 锅炉选型优化

化工项目锅炉炉型常见为煤粉锅炉和循环流化床锅炉。影响锅炉选型的主要因素包括[4]：

（1）燃料煤种情况，主要是挥发分、灰分、水分、热值、灰熔融性温度。干燥无灰基挥发分Vdaf≤12%的煤种因为难燃不宜选用煤粉锅炉，Vdaf≥35%的煤种在采用煤粉炉时应考虑防爆。循环流化床锅炉正常运行要建立起灰平衡，才能保证炉内物料的正常流化态，经验表明，当燃料干燥基灰分Ad≤10%时，不宜采用循环流化床锅炉。水分含量高的煤种会影响循环流化床锅炉的给煤系统，但是煤粉锅炉的可以配备热风干燥制粉系统以解决高水分问题。热值低的煤种易造成炉膛熄火，收到基低位发热量Qar，net＜12000KJ/kg 的煤种不应采用煤粉锅炉。煤灰熔融性温度DT＜1160℃者为易熔煤，煤粉锅炉炉膛出口温度高达1000～1200℃，对于易熔煤锅炉结焦可能性大，不宜选用。

此外，在煤化工项目中有大量的副产气固废弃物，如气化炉膨胀槽出来的膨胀气、粉煤气化炉经洗涤排出的细灰滤渣、溶煤气化炉产生的含尘焦油，还有煤泥等[5]，这些气固废弃物有一定的回收利用价值，对其进行再利用还可以节省填满成本和环境污染，常考虑将这些劣质燃料送入动力站锅炉进行燃烧处理，循环流化床锅炉在解决这个问题上具有先天优势。

（2）环保政策。根据最新的环保政策《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020 年）》，到2020 年全国所有具备改造条件的燃煤电厂力争实现超低排放（即在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50mg/m3米）。根据此政策，无论是煤粉锅炉还是循环流化床锅炉，都需要配套炉外脱硫脱硝除尘装置才能满足超低排放标准。循环流化床锅炉因为炉膛出口燃烧温度较煤粉炉低，只有800℃～900℃，氮氧化物生成少，配套SNCR+SCR 脱硝整体投资较煤粉炉少。循环流化床锅炉可炉内石灰石脱硫，节省了炉外脱硫投资费用。循环流化床锅炉煤粉燃烧后生成的灰渣中灰含量为40%～60%，而煤粉锅炉为80%～90%，所以在满足除尘标准上循环流化床锅炉也有优势。

（3）运行要求。化工项目供热系统所带下游工艺装置多，且高压管网常挂空分透平，空分透平若跳车则会导致下游停摆，所以锅炉配置应能满足工艺装置的稳定用汽需求。目前在全国范围内，煤粉锅炉运行周期至少可长达1年，承压部件损坏时停炉检修耗时约为72h，而循环流化床锅炉运行周期约为3～4个月，受检修工艺（浇注料）、检修后的烘炉（热养生）等因素制约，通常检修耗时约168h，所以化工项目若配置循环流化床锅炉，应设置备用锅炉，以满足生产用汽需求。

（4）投资占地情况等因素。不同炉型对应不同的辅助设备，环保方案，占地布置等，这些因素都会影响整个投资成本和运行费用，需要对不同的方案分别做技术经济比较，再根据业主投资费用控制和整体需求进行权衡最终确定。

3.2 汽轮机选型优化

化工项目中汽轮机常见型式为抽汽凝汽式和抽汽背压式。抽凝式机组生产运行时蒸汽量调节更灵活，各级调整抽汽对外供汽，凝汽量作为调节，即保障了化工装置用汽需求，又可以保持一定的发电量。此外，一旦下游工艺装置跳车，富余蒸汽可用来凝汽发电，对下游装置的负荷影响小。抽背式机组无冷源损失，其抽汽和排汽都用于化工装置，对于化工项目，其热经济性较凝气式机组好，而且抽背式机组无需设置冷端设备，节省了大量循环冷却水或空冷设施。

以往在化工项目中常配置抽凝式汽轮机组，但在配置时太过于重视发电的经济性，而忽略了化工项目中动力站的主要功能，即热动力站是整个化工厂的蒸汽供给站，应以为工艺装置提供稳定可靠蒸汽为重。根据当前国家发展改革委、国家能源局的政策“关于印发《热电联产管理办法》的通知发改能源[2016]617 号”文件，化工项目汽轮机选型中应遵循“以热定电”的原则，化工企业若配置抽凝式机组注重发电，这不符合国家“上大压小”的能源政策，需经过国家发改委审批后才能立项，就目前已知情况，报批很难通过，所以在化工项目设计中应优先考虑选用抽背式机组。

4 结语

综上所述，在化工项目供热系统设计中，一定要准确把控“以热定电”的原则，综合考虑各种工况对热平衡方案进行反复研究讨论，只有做好热平衡确定好管网，才能定好锅炉和汽轮机规模，进而选好锅炉和机组型号，反之，炉型和机型的选择又影响了热平衡方案，这是一个全厂均衡的反复工程，只有在工作中积累经验并善于总结，才能做出最合理的设计方案。