水熱媒余熱回收系統熱平衡影響因素分析

李　明１，楊軍衛２，成慧禹３，肖家治２

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

    摘　要：水熱媒余熱回收裝置平穩運行的關鍵是系統應處于熱平衡狀態。為分析影響系統熱平衡的主要因素，以某延遲焦化加熱爐水熱媒系統為例，考察了熱媒水流量、燃料單耗、空氣用量和熱媒水進煙氣換熱器溫度等參數對系統熱平衡的影響。結果表明，熱媒水流量、燃料單耗及空氣用量均是影響系統熱平衡的重要因素，系統設計時應根據加熱爐實際運行情況，確定合適的燃料單耗和空氣用量作為設計基礎。
    關鍵詞：水熱媒　余熱回收　熱平衡　對流傳熱
    水熱媒余熱回收系統是一種利用中壓除氧水（２．０ＭＰａ）作熱媒，通過建立閉路循環實現煙氣熱量回收的技術。因其具有負荷調節靈活、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］裝置上得到成功應用。該系統主要由煙氣換熱器、空氣換熱器和熱水循環泵組成，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生露點腐蝕，在空氣換熱器進出口間設置旁路調節閥，以保證進煙氣換熱器熱媒水溫度高于露點溫度。為確保系統操作穩定，防止熱媒水汽化導致循環泵氣蝕，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。
    水熱媒系統平穩運行的關鍵是熱媒水的吸熱量等于放熱量，即系統處于熱平衡狀態，不產生熱量積累。本課題以某延遲焦化加熱爐水熱媒系統為例，以實際設計結構和操作條件為基礎，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熱平衡的影響，并提出相關建議。
    １　結構及操作參數
    本課題所研究的水熱媒系統流程示意見圖１，煙氣換熱器和空氣換熱器設計性能參數列于表１，設備結構參數見表２。

    ２　理論基礎
    ２．１　傳熱速率
    水熱媒系統的熱平衡狀態主要由煙氣換熱器與空氣換熱器的換熱量決定，而設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：δ 為管壁厚度，ｍ；λｍ為管壁導熱系數，Ｗ/（ｍ·℃）；Ａｏ為光管外表面積，ｍ２；Ａｉ為光管內表面積，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為管內包括結垢熱阻在內的對流給熱系數，Ｗ/（ｍ２·℃）；ｈｏ為管外包括結垢熱阻在內的綜合對流給熱系數，Ｗ/（ｍ２·℃）。相關參數計算方法可參考文獻［４］。水熱媒系統傳熱計算主要是聯解熱平衡方程和傳熱速率方程，通過迭代，求解介質進出口溫度和傳熱量。
    ２．２　系統不平衡率
    為便于討論說明，在此引入系統不平衡率參數（η），作為評價系統熱量平衡的指標。

        
    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，代表系統傳熱速率恰好平衡；η＞０，表明系統出現熱量累積，可能導致熱媒水汽化，但可通過調整操作改變平衡狀態；η＜０，表明系統需通過旁路調節達到平衡，能夠承受一定程度的系統負荷波動。
    ３　影響因素分析
    由于本課題所研究的水熱媒系統在實際操作中存在熱量累積現象，導致熱媒水汽化，循環泵氣蝕。為分析水熱媒系統出現熱量累積的原因，首先對其設計工況進行剖析。
    系統設計所采用的過剩空氣系數為１．６左右，導致空氣用量為２２ｋｇ/ｋｇ，遠高于實際操作值１４～１７ｋｇ/ｋｇ（按過剩空氣系數１．１５～１．４０計算）。設計所采用的燃料單耗為１　２６０ＭＪ/ｔ，高于實際操作值７５６～１　０５０ＭＪ/ｔ（根據焦化爐實際操作負荷波動計算）。
    ３．１　熱媒水流量的影響
    實際操作中熱媒水流量調整是調節系統換熱量的主要手段，因此對熱媒水流量為２０，１５，１０，５ｔ/ｈ時的不平衡率進行考察。根據加熱爐實際操作狀況，確定燃料單耗為８４０ＭＪ/ｔ，空氣用量為１４ｋｇ/ｋｇ，熱媒水進煙氣換熱器溫度為１３３℃。各工況計算結果如圖２所示。由圖２可知，增大熱媒水流量將導致系統不平衡率增加，系統熱量累積的可能性增加。

        
    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１５ｔ/ｈ、空氣用量１４ｋｇ/ｋｇ、熱媒水進煙氣換熱器溫度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，結果見圖３。

        
    由圖３可知，隨著燃料單耗的增加，系統不平衡率降低。設計狀態下燃料單耗為１　２６０ＭＪ/ｔ，而實際操作燃料單耗為７５６～１　０５０ＭＪ/ｔ，增加了系統熱量累積的可能性。設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，或設計基礎參數不合理造成的。
    ３．３　空氣用量的影響
    由于燃料組成及過剩空氣系數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，而兩者最終都導致空氣用量的變化，因此，可將燃料組成和過剩空氣系數的影響最終歸結為空氣用量對系統熱平衡的影響。在熱媒水流量１５ｔ/ｈ、燃料用量８４０ＭＪ/ｔ、熱媒水進煙氣換熱器溫度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，結果見圖４。

        
    由圖４可知，隨著空氣用量的增加，系統不平衡率迅速降低。設計狀態下空氣用量為２２ｋｇ/ｋｇ，遠高于實際操作值１４～１７ｋｇ/ｋｇ，導致實際操作工況下系統不平衡率大大增加。
    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的重要控制指標，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，系統不平衡率降低，但同時將導致排煙溫度升高，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℃。

        
    ４·結束語
    （１）減小熱媒水流量，系統不平衡率降低。因此，實際操作中減小熱媒水流量對緩解熱量累積現象是有利的。
    （２）隨著燃料單耗的降低，系統不平衡率增大。原設計燃料用量為１　２６０ ＭＪ/ｔ，遠高于實際值，對系統平穩操作是不利的，這是導致系統產生汽化現象的原因之一。
    （３）隨著空氣用量的減少，系統不平衡率迅速增大。因此，水熱媒系統設計時空氣用量以２２ｋｇ/ｋｇ為基礎，遠高于實際操作值，對系統平穩操作是極為不利的，這也是導致系統產生汽化現象的原因。
    （４）為確保水熱媒系統平穩運行，系統設計時應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計基礎。
參考文獻
［１］錢衛國．水熱媒空氣預熱裝置在常減壓加熱爐上的應用［Ｊ］．工業爐，２００３，２４（３）：５－９
［２］王瑜，屈武第，黃桂云，等．水熱媒空氣預熱器與熱管式空氣預熱器的比較［Ｊ］．石油煉制與化工，２００４，３５（１）：７４－７６
［３］陳齊全，鄒圣武，蔡智，等．水熱媒空氣預熱器在延遲焦化加熱爐上的應用［Ｊ］．煉油技術與工程，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