水熱媒余熱回收系統(tǒng)熱平衡影響因素分析

李 明，楊軍衛(wèi)，成慧禹，肖家治

（1.中國石油天然氣華東勘察設(shè)計研究院，山東青島266071；2.中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點實驗室；3.中國石化洛陽分公司）

水熱媒余熱回收系統(tǒng)是一種利用中壓除氧水（2.0MPa）作熱媒，通過建立閉路循環(huán)實現(xiàn)煙氣熱量回收的技術(shù)。因其具有負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活、占地空間小、使用壽命長等特點，已在常減壓加熱爐、延遲焦化加熱爐等［1－3］裝置上得到成功應(yīng)用。該系統(tǒng)主要由煙氣換熱器、空氣換熱器和熱水循環(huán)泵組成，通過熱媒水作媒介，將煙氣熱量傳給空氣。為防止煙氣換熱器發(fā)生露點腐蝕，在空氣換熱器進(jìn)出口間設(shè)置旁路調(diào)節(jié)閥，以保證進(jìn)煙氣換熱器熱媒水溫度高于露點溫度。為確保系統(tǒng)操作穩(wěn)定，防止熱媒水汽化導(dǎo)致循環(huán)泵氣蝕，操作中控制熱媒水出煙氣換熱器溫度不高于除氧水飽和溫度。

水熱媒系統(tǒng)平穩(wěn)運行的關(guān)鍵是熱媒水的吸熱量等于放熱量，即系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，不產(chǎn)生熱量積累。本課題以某延遲焦化加熱爐水熱媒系統(tǒng)為例，以實際設(shè)計結(jié)構(gòu)和操作條件為基礎(chǔ)，考察熱媒水流量、燃料單耗、空氣用量和熱媒水入煙氣換熱器溫度4個因素對水熱媒系統(tǒng)熱平衡的影響，并提出相關(guān)建議。

1 結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)

本課題所研究的水熱媒系統(tǒng)流程示意見圖1，煙氣換熱器和空氣換熱器設(shè)計性能參數(shù)列于表1，設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 傳熱速率

圖1 水熱媒系統(tǒng)流程示意

表1 水熱媒系統(tǒng)換熱器設(shè)計性能參數(shù)

表2 水熱媒系統(tǒng)換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

水熱媒系統(tǒng)的熱平衡狀態(tài)主要由煙氣換熱器與空氣換熱器的換熱量決定，而設(shè)備換熱量受其傳熱能力，即傳熱速率的限制。煙氣或空氣換熱器傳熱速率方程為：

式中：Q 為傳熱速率，W；K 為總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；A為傳熱面積，m2；ΔTm為對數(shù)平均溫差，℃。

式中：Do為外徑，m；nw為每排管根數(shù)；Nc為管排數(shù)；Lc為管子有效長度，m。

式中：δ為管壁厚度，m；λm為管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；Ao為光管外表面積，m2；Ai為光管內(nèi)表面積，m2；Am為光管平均表面積，m2；At為光管部分面積，m2；Af為翅片外表面積，m2；Ω為翅片效率；αi為管內(nèi)包括結(jié)垢熱阻在內(nèi)的對流給熱系數(shù)，W/（m2·℃）；ho為管外包括結(jié)垢熱阻在內(nèi)的綜合對流給熱系數(shù)，W/（m2·℃）。相關(guān)參數(shù)計算方法可參考文獻(xiàn)［4］。

水熱媒系統(tǒng)傳熱計算主要是聯(lián)解熱平衡方程和傳熱速率方程，通過迭代，求解介質(zhì)進(jìn)出口溫度和傳熱量。

2.2 系統(tǒng)不平衡率

為便于討論說明，在此引入系統(tǒng)不平衡率參數(shù)（η），作為評價系統(tǒng)熱量平衡的指標(biāo)。式中：Q吸、Q放分別為熱媒水全部通過煙氣換熱器和空氣換熱器的傳熱速率。η＝0，代表系統(tǒng)傳熱速率恰好平衡；η＞0，表明系統(tǒng)出現(xiàn)熱量累積，可能導(dǎo)致熱媒水汽化，但可通過調(diào)整操作改變平衡狀態(tài)；η＜0，表明系統(tǒng)需通過旁路調(diào)節(jié)達(dá)到平衡，能夠承受一定程度的系統(tǒng)負(fù)荷波動。

3 影響因素分析

由于本課題所研究的水熱媒系統(tǒng)在實際操作中存在熱量累積現(xiàn)象，導(dǎo)致熱媒水汽化，循環(huán)泵氣蝕。為分析水熱媒系統(tǒng)出現(xiàn)熱量累積的原因，首先對其設(shè)計工況進(jìn)行剖析。

系統(tǒng)設(shè)計所采用的過剩空氣系數(shù)為1.6左右，導(dǎo)致空氣用量為22kg/kg，遠(yuǎn)高于實際操作值14～17kg/kg（按過剩空氣系數(shù)1.15～1.40計算）。

設(shè)計所采用的燃料單耗為1 260MJ/t，高于實際操作值756～1 050MJ/t（根據(jù)焦化爐實際操作負(fù)荷波動計算）。

3.1 熱媒水流量的影響

實際操作中熱媒水流量調(diào)整是調(diào)節(jié)系統(tǒng)換熱量的主要手段，因此對熱媒水流量為20，15，10，5 t/h時的不平衡率進(jìn)行考察。根據(jù)加熱爐實際操作狀況，確定燃料單耗為840MJ/t，空氣用量為14 kg/kg，熱媒水進(jìn)煙氣換熱器溫度為133℃。各工況計算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，增大熱媒水流量將導(dǎo)致系統(tǒng)不平衡率增加，系統(tǒng)熱量累積的可能性增加。

圖2 熱媒水流量對不平衡率的影響

3.2 燃料單耗的影響

燃料單耗的改變一方面影響燃燒生成的煙氣量，另一方面又影響空氣用量。在熱媒水流量15 t/h、空氣用量14kg/kg、熱媒水進(jìn)煙氣換熱器溫度133℃的情況下，分別考察燃料單耗為1 260，1 050，840，630MJ/t時的不平衡率，結(jié)果見圖3。由圖3可知，隨著燃料單耗的增加，系統(tǒng)不平衡率降低。設(shè)計狀態(tài)下燃料單耗為1 260MJ/t，而實際操作燃料單耗為756～1 050MJ/t，增加了系統(tǒng)熱量累積的可能性。設(shè)計燃料單耗與實際操作值差別較大，可能是由于工藝條件改變較大，或設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)不合理造成的。

圖3 燃料單耗對不平衡率的影響

3.3 空氣用量的影響

由于燃料組成及過剩空氣系數(shù)的波動都會影響煙氣流量和空氣流量，兩者的具體影響程度又不便于考察，而兩者最終都導(dǎo)致空氣用量的變化，因此，可將燃料組成和過剩空氣系數(shù)的影響最終歸結(jié)為空氣用量對系統(tǒng)熱平衡的影響。在熱媒水流量15t/h、燃料用量840MJ/t、熱媒水進(jìn)煙氣換熱器溫度133℃的條件下，分別考察空氣用量為14，15，16，17kg/kg時的不平衡率，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著空氣用量的增加，系統(tǒng)不平衡率迅速降低。設(shè)計狀態(tài)下空氣用量為22kg/kg，遠(yuǎn)高于實際操作值14～17kg/kg，導(dǎo)致實際操作工況下系統(tǒng)不平衡率大大增加。

圖4 空氣用量對不平衡率的影響

3.4 熱媒水入煙氣換熱器溫度的影響

熱媒水入煙氣換熱器溫度是水熱媒系統(tǒng)的重要控制指標(biāo)，該溫度將直接影響到排煙溫度，間接影響到加熱爐效率和熱媒水取熱量。在熱媒水流量15t/h、燃料用量840MJ/t、空氣用量14kg/kg的條件下，分別考察熱媒水入煙氣換熱器溫度為130，150，160，180℃時的不平衡率，結(jié)果見圖5。由圖5可知，隨著熱媒水入煙氣換熱器溫度的提高，系統(tǒng)不平衡率降低，但同時將導(dǎo)致排煙溫度升高，實際操作中希望該溫度盡量降低，通常控制該溫度比煙氣露點腐蝕溫度高20～30℃。

圖5 熱媒水入煙氣換熱器溫度對不平衡率的影響

4 結(jié)束語

（1）減小熱媒水流量，系統(tǒng)不平衡率降低。因此，實際操作中減小熱媒水流量對緩解熱量累積現(xiàn)象是有利的。

（2）隨著燃料單耗的降低，系統(tǒng)不平衡率增大。原設(shè)計燃料用量為1 260MJ/t，遠(yuǎn)高于實際值，對系統(tǒng)平穩(wěn)操作是不利的，這是導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生汽化現(xiàn)象的原因之一。

（3）隨著空氣用量的減少，系統(tǒng)不平衡率迅速增大。因此，水熱媒系統(tǒng)設(shè)計時空氣用量以22kg/ kg為基礎(chǔ)，遠(yuǎn)高于實際操作值，對系統(tǒng)平穩(wěn)操作是極為不利的，這也是導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生汽化現(xiàn)象的原因。

（4）為確保水熱媒系統(tǒng)平穩(wěn)運行，系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)以實際加熱爐操作波動核算的燃料單耗和空氣用量作為設(shè)計基礎(chǔ)。

［1］ 錢衛(wèi)國.水熱媒空氣預(yù)熱裝置在常減壓加熱爐上的應(yīng)用［J］.工業(yè)爐，2003，24（3）：5－9

［2］ 王瑜，屈武第，黃桂云，等.水熱媒空氣預(yù)熱器與熱管式空氣預(yù)熱器的比較［J］.石油煉制與化工，2004，35（1）：74－76

［3］ 陳齊全，鄒圣武，蔡智，等.水熱媒空氣預(yù)熱器在延遲焦化加熱爐上的應(yīng)用［J］.煉油技術(shù)與工程，2007，37（2）：24－27

［4］ 錢家麟.管式加熱爐［M］.2版.北京：中國石化出版社，2002：144－164