化工項目供熱系統蒸汽管網和設備選型設計優化

景宇蓉（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西 西安710075）

1 研究背景

隨著我國社會經濟的發展，化工產品的需求越來越大，種類越來越多，化工工程項目的設計開始走“大化工”的路子，化工裝置少則幾套，多則十幾套同時配建，以便綜合有效的利用資源，實現最佳經濟效益。在化工項目中，熱動力站既是耗煤大戶，又是熱能供給站，在全廠生產中扮演著重要角色，主要體現在為全廠各裝置提供生產用汽、加熱用汽、管網伴熱、冬季采暖等。此外，熱動力站富余蒸汽可帶動蒸汽透平發電，供全廠各用電設備使用，解決了工業用電電價高的問題，節省了生產運行成本。

熱動力站的設計主要包括蒸汽管網等級的確定，鍋爐、汽輪機以及各輔助設備的選型方案等。為貫徹《中華人民共和國節約能源法》，落實國家的能源產業政策，在熱動力站的設計中，應該從全局出發，優化設計方案，提高設計水平。

2 蒸汽管網優化

2.1 蒸汽管網等級

大化工項目全廠用汽裝置多，用汽參數各不相同，此外還有裝置副產蒸汽等，在管網參數設置時，應依據化工裝置熱負荷需求量和用熱參數，多參考同類工程經驗，分析工藝余熱特征和熱電聯產方案，并結合當地氣候條件，盡力保證工藝需求，盡量減少管網等級，適宜選取過熱度。煉油工程和化工工程蒸汽管網常用參數分為四個等級：9.0～12.5MPa(G)，500～540℃高壓管網；3.1～4.4MPa(G)，370～425℃中壓管網；0.8～1.8MPa(G)，飽和～300℃低壓管網；0.3～0.6MPa(G)，飽和～250℃低低壓管網[1]。

2.2 全廠熱平衡方案

熱平衡方案貫穿設計全過程，在蒸汽管網等級設計時，應該先要列出全廠熱負荷表，繪制出各種工況的熱負荷曲線，再以此為依據進行全廠熱平衡計算，計算過程中應統一協調，小平衡服從大平衡。當鍋爐、汽輪機發電機、工藝裝置及其透平等任何一方故障、停運時，需有足夠的靈活手段保證對系統的壓力、溫度、流量進行調控，常用方法有：在各等級母管間設置備用減溫減壓裝置，在蒸汽母管上設置放空調節閥，安全閥，給汽輪機旁路設置“一秒閥”等[2]。

2.3 優化節能措施

供熱系統管網節能優化措施包括：（1）管網間設置減溫減壓器；（2）蒸汽凝液盡可能回收利用；（3）補充脫鹽水升溫回收余熱，包括工藝裝置的余熱廢熱和熱動力站內的取樣器、冷渣機余熱等；（4）設置高加提高鍋爐給水溫度[3]。

3 主要設備選型優化

根據全廠熱平衡方案確定供熱系統的建設規模和裝機容量，在對鍋爐和汽輪機的選型進行綜合考慮。

3.1 鍋爐選型優化

化工項目鍋爐爐型常見為煤粉鍋爐和循環流化床鍋爐。影響鍋爐選型的主要因素包括[4]：

（1）燃料煤種情況，主要是揮發分、灰分、水分、熱值、灰熔融性溫度。干燥無灰基揮發分Vdaf≤12%的煤種因為難燃不宜選用煤粉鍋爐，Vdaf≥35%的煤種在采用煤粉爐時應考慮防爆。循環流化床鍋爐正常運行要建立起灰平衡，才能保證爐內物料的正常流化態，經驗表明，當燃料干燥基灰分Ad≤10%時，不宜采用循環流化床鍋爐。水分含量高的煤種會影響循環流化床鍋爐的給煤系統，但是煤粉鍋爐的可以配備熱風干燥制粉系統以解決高水分問題。熱值低的煤種易造成爐膛熄火，收到基低位發熱量Qar，net＜12000KJ/kg 的煤種不應采用煤粉鍋爐。煤灰熔融性溫度DT＜1160℃者為易熔煤，煤粉鍋爐爐膛出口溫度高達1000～1200℃，對于易熔煤鍋爐結焦可能性大，不宜選用。

此外，在煤化工項目中有大量的副產氣固廢棄物，如氣化爐膨脹槽出來的膨脹氣、粉煤氣化爐經洗滌排出的細灰濾渣、溶煤氣化爐產生的含塵焦油，還有煤泥等[5]，這些氣固廢棄物有一定的回收利用價值，對其進行再利用還可以節省填滿成本和環境污染，常考慮將這些劣質燃料送入動力站鍋爐進行燃燒處理，循環流化床鍋爐在解決這個問題上具有先天優勢。

（2）環保政策。根據最新的環保政策《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020 年）》，到2020 年全國所有具備改造條件的燃煤電廠力爭實現超低排放（即在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/m3米）。根據此政策，無論是煤粉鍋爐還是循環流化床鍋爐，都需要配套爐外脫硫脫硝除塵裝置才能滿足超低排放標準。循環流化床鍋爐因為爐膛出口燃燒溫度較煤粉爐低，只有800℃～900℃，氮氧化物生成少，配套SNCR+SCR 脫硝整體投資較煤粉爐少。循環流化床鍋爐可爐內石灰石脫硫，節省了爐外脫硫投資費用。循環流化床鍋爐煤粉燃燒后生成的灰渣中灰含量為40%～60%，而煤粉鍋爐為80%～90%，所以在滿足除塵標準上循環流化床鍋爐也有優勢。

（3）運行要求。化工項目供熱系統所帶下游工藝裝置多，且高壓管網常掛空分透平，空分透平若跳車則會導致下游停擺，所以鍋爐配置應能滿足工藝裝置的穩定用汽需求。目前在全國范圍內，煤粉鍋爐運行周期至少可長達1年，承壓部件損壞時停爐檢修耗時約為72h，而循環流化床鍋爐運行周期約為3～4個月，受檢修工藝（澆注料）、檢修后的烘爐（熱養生）等因素制約，通常檢修耗時約168h，所以化工項目若配置循環流化床鍋爐，應設置備用鍋爐，以滿足生產用汽需求。

（4）投資占地情況等因素。不同爐型對應不同的輔助設備，環保方案，占地布置等，這些因素都會影響整個投資成本和運行費用，需要對不同的方案分別做技術經濟比較，再根據業主投資費用控制和整體需求進行權衡最終確定。

3.2 汽輪機選型優化

化工項目中汽輪機常見型式為抽汽凝汽式和抽汽背壓式。抽凝式機組生產運行時蒸汽量調節更靈活，各級調整抽汽對外供汽，凝汽量作為調節，即保障了化工裝置用汽需求，又可以保持一定的發電量。此外，一旦下游工藝裝置跳車，富余蒸汽可用來凝汽發電，對下游裝置的負荷影響小。抽背式機組無冷源損失，其抽汽和排汽都用于化工裝置，對于化工項目，其熱經濟性較凝氣式機組好，而且抽背式機組無需設置冷端設備，節省了大量循環冷卻水或空冷設施。

以往在化工項目中常配置抽凝式汽輪機組，但在配置時太過于重視發電的經濟性，而忽略了化工項目中動力站的主要功能，即熱動力站是整個化工廠的蒸汽供給站，應以為工藝裝置提供穩定可靠蒸汽為重。根據當前國家發展改革委、國家能源局的政策“關于印發《熱電聯產管理辦法》的通知發改能源[2016]617 號”文件，化工項目汽輪機選型中應遵循“以熱定電”的原則，化工企業若配置抽凝式機組注重發電，這不符合國家“上大壓小”的能源政策，需經過國家發改委審批后才能立項，就目前已知情況，報批很難通過，所以在化工項目設計中應優先考慮選用抽背式機組。

4 結語

綜上所述，在化工項目供熱系統設計中，一定要準確把控“以熱定電”的原則，綜合考慮各種工況對熱平衡方案進行反復研究討論，只有做好熱平衡確定好管網，才能定好鍋爐和汽輪機規模，進而選好鍋爐和機組型號，反之，爐型和機型的選擇又影響了熱平衡方案，這是一個全廠均衡的反復工程，只有在工作中積累經驗并善于總結，才能做出最合理的設計方案。