水熱媒余熱回收系統(tǒng)熱平衡影響因素分析

水熱媒余熱回收系統(tǒng)熱平衡影響因素分析

李　明１，楊軍衛(wèi)２，成慧禹３，肖家治２

（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）

    摘　要：水熱媒余熱回收裝置平穩(wěn)運行的關(guān)鍵是系統(tǒng)應(yīng)處于熱平衡狀態(tài)。為分析影響系統(tǒng)熱平衡的主要因素，以某延遲焦化加熱爐水熱媒系統(tǒng)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(shù)對系統(tǒng)熱平衡的影響。結(jié)果表明，熱媒水流量、燃料單耗及空氣用量均是影響系統(tǒng)熱平衡的重要因素，系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)根據(jù)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(shè)計基礎(chǔ)。
    關(guān)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(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，在空氣換熱器進出口間設(shè)置旁路調(diào)節(jié)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(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
    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：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［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。

        
    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)達到平衡，能夠承受一定程度的系統(tǒng)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(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)計工況進行剖析。
    系統(tǒng)設(shè)計所采用的過?？諝庀禂?shù)為１．６左右，導(dǎo)致空氣用量為２２ｋｇ/ｋｇ，遠高于實際操作值１４～１７ｋｇ/ｋｇ（按過?？諝庀禂?shù)１．１５～１．４０計算）。設(shè)計所采用的燃料單耗為１?。玻叮埃停?ｔ，高于實際操作值７５６～１?。埃担埃停?ｔ（根據(jù)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(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２０，１５，１０，５ｔ/ｈ時的不平衡率進行考察。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１４ｋｇ/ｋｇ，熱媒水進煙氣換熱器溫度為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。

        
    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?。玻叮?，１?。埃担?，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?。玻叮埃停?ｔ，而實際操作燃料單耗為７５６～１?。埃担埃停?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。
    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?？諝庀禂?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。
    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，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℃。

        
    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?。玻叮?nbsp;ＭＪ/ｔ，遠高于實際值，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)。
參考文獻
［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