石油化工企業(yè)余熱在供暖系統(tǒng)的應用

劉金武，簡廷強

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

某石化公司化肥業(yè)務(wù)區(qū)兩套化肥裝置，分別是20世紀70 年代和90 年代從國外引進的生產(chǎn)裝置，隨著幾十年運行和發(fā)展，依托原公用工程新建的小生產(chǎn)裝置不斷增加，使得裝置在冬季用汽高峰時期，低壓蒸汽缺口在90 t/h 左右，不得不采取降低生產(chǎn)負荷來保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。為了緩解冬季蒸汽緊張的局面，公司利用以吸收式熱泵技術(shù)為核心的吸收式換熱機組，回收化肥裝置工業(yè)余熱用于廠內(nèi)及家屬區(qū)的冬季采暖，從而降低采暖蒸汽用量。

1 余熱資源分布

經(jīng)過對公司化肥一、二廠裝置內(nèi)余熱資源充分調(diào)研和論證，確定了可以回收用于冬季廠區(qū)和家屬區(qū)采暖的余熱資源，其品位分布（見表1、表2）。

2 采暖系統(tǒng)簡介

公司化肥業(yè)務(wù)區(qū)冬季采暖分為廠內(nèi)采暖和家屬區(qū)居民采暖。廠內(nèi)采暖分為2 個部分：一化肥供熱站和二化肥供熱站；其中一化肥供熱站除負責一化肥裝置區(qū)和控制室等構(gòu)筑物的采暖外，還承擔公司總部大樓等辦公區(qū)域的采暖；共有2 個直供的供熱站，2 個供熱站的供熱管網(wǎng)已聯(lián)網(wǎng)。二化肥供熱站負責二化肥裝置區(qū)和控制室等構(gòu)筑物的采暖，采用直供方式，因其規(guī)模較小，和家屬區(qū)采暖供熱首站布置在一起。家屬區(qū)供熱首站負責家屬區(qū)居民采暖，采用間供方式，供熱負荷（見表3）。

表1 化肥一廠余熱資源列表

表2 化肥二廠余熱資源列表

表3 廠區(qū)、家屬區(qū)供熱負荷一覽表

3 吸收式換熱機組

近幾年，隨著熱泵技術(shù)的日趨成熟與發(fā)展，各種熱泵供熱技術(shù)在我國得到了普遍的推廣應用[1]。熱泵是一種利用高位能（電、蒸汽等）使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置。熱泵所供給的熱量是消耗的高位能與吸取的低位熱量的總和，因此采用熱泵裝置可以充分利用低品位能量而節(jié)約高位能量[2]。

清華大學在常規(guī)吸收式熱泵技術(shù)基礎(chǔ)上，提出基于吸收式循環(huán)的新型集中供熱專利技術(shù)，巧妙地解決了化工余熱大量回收和熱網(wǎng)輸配能力兩個制約化工企業(yè)供熱發(fā)展的瓶頸。通過在用戶換熱站設(shè)置吸收式換熱機組，實現(xiàn)供熱管網(wǎng)的大溫差運行，回水溫度降至30 ℃左右，回到化工廠區(qū)后可以高效地回收化工裝置的廢熱，整個供熱系統(tǒng)全采暖季運行節(jié)能率提高到60 %以上。同時現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)的輸配能力提高一倍以上，使得大量化工廠區(qū)余熱能通過現(xiàn)有管網(wǎng)輸送到熱用戶，從而節(jié)能潛力翻番。

常規(guī)換熱技術(shù)中采用的普通換熱器與吸收式換熱機組的換熱效果對比示意圖（見圖1）。

圖1 板式換熱器、吸收式換熱機組換熱效果對比示意圖

從圖1 可知，在用戶熱力站內(nèi)設(shè)置的吸收式換熱機組，在二次側(cè)供、回水溫差及一次側(cè)供水溫度不變的情況下，一次側(cè)回水溫度由原來的70 ℃左右大幅度降低至30 ℃左右，即吸收式換熱機組最大的優(yōu)點就是較大幅度地增大了集中供熱系統(tǒng)一次側(cè)熱水的供、回水溫差，大幅度降低熱網(wǎng)回水溫度，甚至顯著低于二次側(cè)進水溫度，從而可以大大減少一次網(wǎng)管路系統(tǒng)的初投資和循環(huán)泵運行電耗，同時為回收利用化工廠內(nèi)循環(huán)水廢熱創(chuàng)造條件，提高系統(tǒng)綜合能源利用效率，降低供熱成本[3]。

4 余熱回收系統(tǒng)工藝流程

4.1 化肥一廠流程圖

化肥一廠尿素及合成氨裝置的高溫凝液余熱用于冬季廠區(qū)所有辦公樓及生產(chǎn)車間等建筑物的采暖，原則工藝流程圖（見圖2）。

在廠區(qū)新建的供熱末站安裝一臺吸收式換熱機組，利用廠內(nèi)供應來的120 ℃一次網(wǎng)熱水驅(qū)動吸收式換熱機組工作，供應廠區(qū)內(nèi)所有辦公樓和生產(chǎn)車間等建筑物的采暖，同時將一次網(wǎng)回水溫度降低至35 ℃送回廠內(nèi)，35 ℃的低溫回水分成若干股進入各凝液換熱器換熱后匯集至尖峰加熱器，利用蒸汽將溫度提升至120 ℃送出，為了保證生產(chǎn)裝置運行的穩(wěn)定安全，在一次網(wǎng)回水總管上加裝了一個熱網(wǎng)水調(diào)峰冷卻換熱器，以保證當供熱末站出現(xiàn)事故的時候，進入裝置區(qū)各換熱器的熱網(wǎng)水溫度保持在35 ℃。

4.2 化肥二廠流程圖

化肥二廠余熱回收利用工藝流程與化肥一廠內(nèi)余熱利用工藝流程相同，但由于場地條件限制，未在熱網(wǎng)回水管路上安裝調(diào)峰冷卻換熱器。化肥二廠凝液余熱用于家屬區(qū)采暖方案原則工藝流程圖（見圖3）。

圖2 化肥一廠凝液余熱用于廠內(nèi)采暖工藝流程圖

圖3 化肥二廠凝液余熱用于家屬區(qū)采暖工藝流程圖

在家屬區(qū)新建的供熱末站安裝一臺吸收式換熱機組，利用廠內(nèi)供應來的120 ℃一次網(wǎng)熱水驅(qū)動吸收式換熱機組工作，供應家屬區(qū)內(nèi)居民及辦公建筑物的采暖，同時將一次網(wǎng)回水溫度降低至35 ℃送回廠內(nèi)，35 ℃的低溫回水分成若干股進入各凝液換熱器換后匯集至尖峰加熱器，利用蒸汽將溫度提升至120 ℃送出。

5 運行效益分析

余熱回收系統(tǒng)包括兩套吸收式換熱機組和兩套化肥裝置相配套的管線及換熱設(shè)備，整個投資費用為3 500 萬元，投資回收期為2.5 年。吸收式換熱機組從2013 年10 月投入運行，由于實際運行工況的復雜性，出現(xiàn)蒸汽+板換；蒸汽+機組；蒸汽+余熱+機組運行工況，并且中途還存在如裝置停車切換、裝置因客觀因素無法投運、中途檢修等問題，因此在計算節(jié)能量時按實際運行工況分段和未投用換熱機組的2012-2013 采暖季進行對比統(tǒng)計分析。

5.1 節(jié)能效益計算標準

以2012-2013 未投用吸收式換熱機組的采暖季作為基準值，0.5 MPa 蒸汽單價為100 元/噸。

項目節(jié)能收益＝蒸汽單價×節(jié)約蒸汽量

5.2 項目實施前廠區(qū)、家屬區(qū)運行情況和數(shù)據(jù)統(tǒng)計

5.2.1 項目實施前廠區(qū)運行情況和數(shù)據(jù)統(tǒng)計 項目實施前，2012-2013 采暖季為原系統(tǒng)運行，由1#熱水站、2#熱水站、3#熱水站構(gòu)成，均采用汽水換熱器，利用蒸汽進行供熱，系統(tǒng)運行模式為蒸汽+板換。廠區(qū)原采暖系統(tǒng)2012-2013 采暖季的實際運行情況和數(shù)據(jù)統(tǒng)計（見表4）。

表4 廠區(qū)原采暖系統(tǒng)2012-2013 采暖季運行數(shù)據(jù)

表5 家屬區(qū)原采暖系統(tǒng)2012-2013 采暖季運行數(shù)據(jù)

5.2.2 項目實施前家屬區(qū)運行情況和數(shù)據(jù)統(tǒng)計 項目實施前，2012-2013 采暖季為原系統(tǒng)運行，由家屬區(qū)一級加熱站構(gòu)成，利用蒸汽進行供熱，系統(tǒng)運行模式為蒸汽+板換。家屬區(qū)原采暖系統(tǒng)2012-2013 采暖季的實際運行情況和數(shù)據(jù)統(tǒng)計（見表5）。

5.3 項目實施后2013-2014 采暖季廠區(qū)、家屬區(qū)運行情況和數(shù)據(jù)統(tǒng)計

5.3.1 項目實施后2013-2014 采暖季廠區(qū)運行情況和數(shù)據(jù)統(tǒng)計 項目實施后，2013-2014 采暖季為新系統(tǒng)運行，廠區(qū)現(xiàn)采暖系統(tǒng)由新建的廠區(qū)一級加熱站構(gòu)成，利用化肥一廠余熱和蒸汽進行供熱，遇到檢修等情況切換回原系統(tǒng)運行。廠區(qū)新采暖系統(tǒng)2013-2014 采暖季的實際運行情況和數(shù)據(jù)統(tǒng)計（見表6）。

5.3.2 項目實施后2013-2014 采暖季家屬區(qū)運行情況和數(shù)據(jù)統(tǒng)計 項目實施后，2013-2014 采暖季為新系統(tǒng)運行，家屬區(qū)現(xiàn)采暖系統(tǒng)由改造后的家屬區(qū)一級加熱站構(gòu)成，利用化肥二廠余熱和蒸汽進行供熱，遇到檢修等情況切換回原系統(tǒng)運行。家屬區(qū)新采暖系統(tǒng)2013-2014 采暖季的實際運行情況和數(shù)據(jù)統(tǒng)計（見表7）。

5.4 廠區(qū)和家屬區(qū)總體節(jié)能效益

綜合上述廠區(qū)以及家屬區(qū)項目實施前后節(jié)能量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，則2013-2014 采暖季比2012-2013 未投用吸收式換熱機組的采暖季總體節(jié)能效益（見表8）。

表6 廠區(qū)采暖系統(tǒng)2013-2014 采暖季運行數(shù)據(jù)

表7 家屬區(qū)采暖系統(tǒng)2013-2014 采暖季運行數(shù)據(jù)

表8 2013-2014 比2012-2013 采暖季總體節(jié)能量

6 存在問題及解決措施

由于在原有暖汽系統(tǒng)進行改造，同時裝置運行年數(shù)較長，現(xiàn)場施工空間和部分工藝參數(shù)沒有計量儀表，造成實際運行過程和設(shè)計有些偏差。具體如下：

（1）原設(shè)計中尖峰加熱器使用低壓飽和蒸汽，但由于蒸汽管網(wǎng)經(jīng)常會波動，使得低壓過熱蒸汽進入，造成尖峰加熱器的板式換熱器膠墊變形泄漏，不得不切回老系統(tǒng)后進行檢修。后來改造成新型汽水混合器后，徹底解決這一問題。

（2）化肥一廠裝置幾股冷凝液原設(shè)計15.6 t/h，但實際運行過程中有25 t/h，造成配套的閃蒸罐和冷凝液泵不能滿足要求，需要重新進行改造。

（3）現(xiàn)場舊暖汽系統(tǒng)管線標識存在部分不全和脫落，在新舊管線施工碰頭過程中由于監(jiān)督確認不到位，造成給水和回水管線接反，后來經(jīng)過檢查進行了整改。

7 結(jié)論

通過對公司兩套化肥裝置生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱資源進行梳理，找出可回收的單元，利用清華大學基于吸收式循環(huán)的新型集中供熱專利技術(shù)，制備熱水用于廠區(qū)和生活區(qū)的供暖，減少了用于供暖加熱的蒸汽用量，緩解了化肥裝置冬季蒸汽緊張的局面，保證了裝置高負荷地穩(wěn)定運行，從而降低生產(chǎn)運行成本，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益。

［1］ 陳東，謝繼紅.熱泵技術(shù)及其應用［M］. 北京：化學工業(yè)出版社，2006.

［2］ 張旭.熱泵技術(shù)［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［3］ 董瑞芬.低溫熱源驅(qū)動溴化鋰第二類吸收式熱泵的實驗研究［D］.天津大學，2007.