余熱鍋爐能效監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

施連勇

（中國(guó)石油錦州石化公司熱電公司設(shè)備科，遼寧錦州 121001）

0 引言

催化裂化裝置余熱鍋爐輸出的中壓過(guò)熱蒸汽占整個(gè)催化裂化裝置輸入總能耗的50%左右，因此提高余熱鍋爐的效率對(duì)于降低整個(gè)催化裝置的能耗十分關(guān)鍵。

通過(guò)對(duì)催化裂化裝置余熱鍋爐工作原理、設(shè)計(jì)理念、運(yùn)行規(guī)律的研究，建立起催化裂化裝置余熱鍋爐能效監(jiān)控系統(tǒng)。采用能效監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)催化裂化裝置（DCS）對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行能效監(jiān)測(cè)，在確保余熱鍋爐安全運(yùn)行的前提下，提高余熱鍋爐效率，降低裝置能耗。

1 催化裂化裝置余熱鍋爐分類

催化裂化裝置催化劑再生形式分為貧氧再生和富氧再生，因此催化裝置產(chǎn)生的高溫再生煙氣分為：①貧氧再生產(chǎn)生含CO的高溫?zé)煔猓–O 含量3%～7%）；②富氧再生產(chǎn)生不含CO 的高溫?zé)煔?。與此相對(duì)應(yīng)催化裂化裝置配帶的余熱鍋爐也分為兩種形式：①針對(duì)含CO 再生煙氣（貧氧再生）的燃燒式CO 余熱鍋爐；②針對(duì)不含CO 再生煙氣（富氧再生）的純余熱鍋爐。

2 催化裂化裝置余熱鍋爐技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

催化裂化裝置余熱鍋爐是裝置的附屬設(shè)備，和普通余熱鍋爐不同，該余熱鍋爐不僅承擔(dān)回收煙氣余熱（物理顯熱和化學(xué)能，如CO 煙氣），而且還需過(guò)熱裝置外取熱器和油漿蒸發(fā)器產(chǎn)生的中壓飽和蒸汽，確保裝置中壓過(guò)熱蒸汽品質(zhì)。催化裂化裝置余熱鍋爐應(yīng)建立如下評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（1）全部再生煙氣進(jìn)余熱鍋爐進(jìn)行能量回收，沒(méi)有煙氣直排煙囪。

（2）全部裝置（外取熱器和油漿蒸發(fā)器等）產(chǎn)中壓飽和蒸汽進(jìn)余熱鍋爐過(guò)熱，裝置產(chǎn)中壓飽和蒸汽沒(méi)有直接放空或串入低壓蒸汽管網(wǎng)。

（3）余熱鍋爐出口過(guò)熱蒸汽品質(zhì)（過(guò)熱蒸汽壓力、過(guò)熱蒸汽溫度等）達(dá)標(biāo)并控制在裝置汽輪機(jī)要求的最佳參數(shù)狀態(tài)。

（4）在確保余熱鍋爐避免露點(diǎn)腐蝕情況下，降低余熱鍋爐排煙溫度，盡可能多回收煙氣余熱，提高余熱鍋爐熱效率。

（5）控制余熱鍋爐煙氣壓降，防止煙機(jī)因背壓升高影響煙機(jī)出力。

（6）吹灰措施有效，確保余熱鍋爐受熱面保持良好換熱狀態(tài)，確保余熱鍋爐長(zhǎng)周期高效運(yùn)行。

（7）確保余熱鍋爐高可靠性，確保余熱鍋爐長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。

3 催化裂化裝置余熱鍋爐能效監(jiān)控系統(tǒng)的研究

為了確保催化裂化裝置余熱鍋爐在各種操作工況下，安全、高效、可靠長(zhǎng)周期運(yùn)行，需要建立催化裂化余熱鍋爐能效監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)了解余熱鍋爐運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)該系統(tǒng)顯示和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷。

3.1 催化裂化裝置能效監(jiān)控系統(tǒng)主要內(nèi)容

（1）余熱鍋爐各種運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量及顯示，并根據(jù)顯示值判斷余熱鍋爐運(yùn)行狀態(tài)。

（2）根據(jù)余熱鍋爐各種實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算余熱鍋爐熱效率。

（3）根據(jù)余熱鍋爐各種運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，自動(dòng)調(diào)控余熱鍋爐運(yùn)行狀態(tài)。在確保余熱鍋爐安全運(yùn)行的前提下，調(diào)控余熱鍋爐熱效率達(dá)到最佳。

3.2 催化裂化裝置余熱鍋爐熱效率計(jì)算公式

一般情況下，普通余熱鍋爐僅僅是完成回收裝置工藝過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥酂?，產(chǎn)生蒸汽供生產(chǎn)過(guò)程或驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。余熱鍋爐無(wú)需過(guò)熱外來(lái)同參數(shù)飽和蒸汽，也無(wú)需預(yù)熱外送熱水，熱源單一，只有進(jìn)余熱鍋爐的高溫?zé)煔?。?duì)于一般余熱鍋爐，余熱鍋爐熱效率計(jì)算公式：ηe=Q2/Q1，其中，Q1是余熱鍋爐進(jìn)口煙氣帶入熱量，kW；Q2是余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽的吸熱量，kW。該公式無(wú)法反映催化裂化裝置余熱鍋爐既要回收煙氣余熱，又要完成裝置產(chǎn)中壓飽和蒸汽過(guò)熱的實(shí)際情況。對(duì)于催化裂化裝置余熱鍋爐，它產(chǎn)出的中壓過(guò)熱蒸汽熱源由兩部分組成：①高溫?zé)煔庥酂?；②裝置外取熱器和油漿蒸發(fā)器發(fā)生中壓飽和蒸汽的工藝過(guò)熱熱源。二者共同組成一個(gè)中壓蒸汽發(fā)生完整系統(tǒng)。因此，為準(zhǔn)確反映催化裂化裝置余熱鍋爐的熱效率，將余熱鍋爐外來(lái)飽和蒸汽也看成余熱鍋爐系統(tǒng)的輸入熱量，而將余熱鍋爐輸出的全部中壓過(guò)熱蒸汽產(chǎn)出（包含自產(chǎn)中壓飽和蒸汽+外來(lái)中壓飽和蒸汽過(guò)熱成的過(guò)熱蒸汽）的吸熱量和外送熱水的熱量之和當(dāng)成余熱鍋爐輸出熱量，把高溫?zé)煔鈳氲臒煔庥酂岷屯鈦?lái)飽和蒸汽帶入的熱量作為整個(gè)系統(tǒng)的總輸入熱量。

根據(jù)以上分析，催化裂化裝置余熱鍋爐的熱效率計(jì)算公式：ηe=（Q2+Q4）/（Q1+Q3），其中，Q1是余熱鍋爐進(jìn)口煙氣帶入熱量，kW；Q2是余熱鍋爐總輸出過(guò)熱蒸汽吸熱量，kW；Q3是余熱鍋爐外來(lái)飽和蒸汽發(fā)生吸熱量，kW；Q4是余熱鍋爐外送熱水吸熱量，kW。

3.3 余熱鍋爐能效監(jiān)控系統(tǒng)建立實(shí)例

以某煉油廠三催化裝置一再煙氣和二再煙氣余熱鍋爐為例，說(shuō)明如何建立催化裂化裝置余熱鍋爐能效監(jiān)控系統(tǒng)，以及利用該系統(tǒng)指導(dǎo)車間操作人員對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行調(diào)控。3.3.1 某煉油廠三催化裝置中壓蒸汽發(fā)生系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某煉油廠三催化裝置為140 萬(wàn)噸/a 重油催化裂化裝置，該裝置工藝過(guò)程中有3 個(gè)中壓產(chǎn)汽汽包，分別是一個(gè)外取熱器和兩個(gè)油漿蒸發(fā)器，并且設(shè)有兩個(gè)余熱鍋爐，分別是回收一再煙氣的余熱鍋爐和回收二再煙氣的余熱鍋爐。

外取熱器和油漿蒸發(fā)器產(chǎn)中壓飽和蒸汽除約10 t/h 去二再煙氣余熱鍋爐過(guò)熱器過(guò)熱外，其余全部進(jìn)一再煙氣余熱鍋爐過(guò)熱器過(guò)熱。外取熱器和油漿蒸發(fā)器汽包上水除約10 t/h 進(jìn)二再煙氣余熱鍋爐省煤器預(yù)熱外，其余全部進(jìn)一再煙氣余熱鍋爐預(yù)熱。

3.3.2 某煉油廠三催化裝置一再煙氣余熱鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)分析及調(diào)控

（1）余熱鍋爐運(yùn)行參數(shù)分析。有些余熱鍋爐運(yùn)行參數(shù)本身就可以判斷余熱鍋爐是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)。如，余熱鍋爐過(guò)熱蒸汽出口溫度在460 ℃以下，如果高于460 ℃，余熱鍋爐過(guò)熱器管壁溫度可能超溫，導(dǎo)致過(guò)熱器爆管，危及余熱鍋爐安全。

有些余熱鍋爐運(yùn)行參數(shù)需要經(jīng)過(guò)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果才能判斷余熱鍋爐是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)。如，余熱鍋爐低溫省煤器上水溫度，需要根據(jù)余熱鍋爐煙氣成份計(jì)算出煙氣露點(diǎn)溫度。只有余熱鍋爐省煤器上水溫度高于煙氣露點(diǎn)溫度，余熱鍋爐才能避免露點(diǎn)腐蝕，導(dǎo)致省煤器泄漏，危及余熱鍋爐長(zhǎng)周期運(yùn)行。

根據(jù)余熱鍋爐運(yùn)行參數(shù)計(jì)算出余熱鍋爐的熱效率，可以根據(jù)余熱鍋爐的熱效率判斷余熱鍋爐的節(jié)能潛力等。

（2）余熱鍋爐運(yùn)行參數(shù)調(diào)控。在確保余熱鍋爐安全運(yùn)行前提下，可以根據(jù)余熱鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行調(diào)控，使余熱鍋爐處于熱效率最高狀態(tài)，以調(diào)節(jié)省煤器上水溫度為例進(jìn)行說(shuō)明。根據(jù)研究，余熱鍋爐省煤器是否發(fā)生露點(diǎn)腐蝕，取決于省煤器管壁溫度是否高于煙氣露點(diǎn)溫度（煙氣露點(diǎn)溫度DCS 可以通過(guò)煙氣成份計(jì)算得出）。因此在余熱鍋爐省煤器上水流程中增設(shè)了給水預(yù)熱器，來(lái)提高低溫省煤器上水溫度。但是，省煤器上水溫度過(guò)高，將降低省煤器與煙氣換熱的對(duì)數(shù)平均溫差，影響省煤器換熱量，導(dǎo)致排煙溫度偏高，余熱鍋爐熱效率下降。因此，為確保余熱鍋爐既避免露點(diǎn)腐蝕，又盡可能降低余熱鍋爐排煙溫度，提高余熱鍋爐熱效率，需要將余熱鍋爐省煤器最低管壁溫度控制在比煙氣露點(diǎn)溫度高5～10 ℃。

通過(guò)傳熱學(xué)計(jì)算知道，省煤器水側(cè)的換熱系數(shù)比煙氣側(cè)高100 倍以上，省煤器的管壁溫度主要由省煤器水溫決定（比省煤器水溫高2～3 ℃）。因此，在實(shí)際操作中，只要控制省煤器上水溫度高于露點(diǎn)溫度5 ℃以上，就能確保省煤器最低管壁溫度高于煙氣露點(diǎn)溫度5～10 ℃，從而確保余熱鍋爐既安全運(yùn)行，又處于最佳熱效率狀態(tài)。