余熱鍋爐能效監控系統研究與應用

施連勇

（中國石油錦州石化公司熱電公司設備科，遼寧錦州 121001）

0 引言

催化裂化裝置余熱鍋爐輸出的中壓過熱蒸汽占整個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于降低整個催化裝置的能耗十分關鍵。

通過對催化裂化裝置余熱鍋爐工作原理、設計理念、運行規律的研究，建立起催化裂化裝置余熱鍋爐能效監控系統。采用能效監控系統通過催化裂化裝置（DCS）對余熱鍋爐進行能效監測，在確保余熱鍋爐安全運行的前提下，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，因此催化裝置產生的高溫再生煙氣分為：①貧氧再生產生含CO的高溫煙氣（CO 含量3%～7%）；②富氧再生產生不含CO 的高溫煙氣。與此相對應催化裂化裝置配帶的余熱鍋爐也分為兩種形式：①針對含CO 再生煙氣（貧氧再生）的燃燒式CO 余熱鍋爐；②針對不含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評價指標

催化裂化裝置余熱鍋爐是裝置的附屬設備，和普通余熱鍋爐不同，該余熱鍋爐不僅承擔回收煙氣余熱（物理顯熱和化學能，如CO 煙氣），而且還需過熱裝置外取熱器和油漿蒸發器產生的中壓飽和蒸汽，確保裝置中壓過熱蒸汽品質。催化裂化裝置余熱鍋爐應建立如下評價指標。

（1）全部再生煙氣進余熱鍋爐進行能量回收，沒有煙氣直排煙囪。

（2）全部裝置（外取熱器和油漿蒸發器等）產中壓飽和蒸汽進余熱鍋爐過熱，裝置產中壓飽和蒸汽沒有直接放空或串入低壓蒸汽管網。

（3）余熱鍋爐出口過熱蒸汽品質（過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度等）達標并控制在裝置汽輪機要求的最佳參數狀態。

（4）在確保余熱鍋爐避免露點腐蝕情況下，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，防止煙機因背壓升高影響煙機出力。

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

（7）確保余熱鍋爐高可靠性，確保余熱鍋爐長周期安全運行。

3 催化裂化裝置余熱鍋爐能效監控系統的研究

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、可靠長周期運行，需要建立催化裂化余熱鍋爐能效監控系統。通過該系統能實時了解余熱鍋爐運行狀態，并根據該系統顯示和計算結果進行實時判斷。

3.1 催化裂化裝置能效監控系統主要內容

（1）余熱鍋爐各種運行參數的實時測量及顯示，并根據顯示值判斷余熱鍋爐運行狀態。

（2）根據余熱鍋爐各種實時運行參數計算余熱鍋爐熱效率。

（3）根據余熱鍋爐各種運行參數進行計算和分析，自動調控余熱鍋爐運行狀態。在確保余熱鍋爐安全運行的前提下，調控余熱鍋爐熱效率達到最佳。

3.2 催化裂化裝置余熱鍋爐熱效率計算公式

一般情況下，普通余熱鍋爐僅僅是完成回收裝置工藝過程中產生的高溫煙氣余熱，產生蒸汽供生產過程或驅動汽輪機發電。余熱鍋爐無需過熱外來同參數飽和蒸汽，也無需預熱外送熱水，熱源單一，只有進余熱鍋爐的高溫煙氣。對于一般余熱鍋爐，余熱鍋爐熱效率計算公式：ηe=Q2/Q1，其中，Q1是余熱鍋爐進口煙氣帶入熱量，kW；Q2是余熱鍋爐產蒸汽的吸熱量，kW。該公式無法反映催化裂化裝置余熱鍋爐既要回收煙氣余熱，又要完成裝置產中壓飽和蒸汽過熱的實際情況。對于催化裂化裝置余熱鍋爐，它產出的中壓過熱蒸汽熱源由兩部分組成：①高溫煙氣余熱；②裝置外取熱器和油漿蒸發器發生中壓飽和蒸汽的工藝過熱熱源。二者共同組成一個中壓蒸汽發生完整系統。因此，為準確反映催化裂化裝置余熱鍋爐的熱效率，將余熱鍋爐外來飽和蒸汽也看成余熱鍋爐系統的輸入熱量，而將余熱鍋爐輸出的全部中壓過熱蒸汽產出（包含自產中壓飽和蒸汽+外來中壓飽和蒸汽過熱成的過熱蒸汽）的吸熱量和外送熱水的熱量之和當成余熱鍋爐輸出熱量，把高溫煙氣帶入的煙氣余熱和外來飽和蒸汽帶入的熱量作為整個系統的總輸入熱量。

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

3.3 余熱鍋爐能效監控系統建立實例

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，說明如何建立催化裂化裝置余熱鍋爐能效監控系統，以及利用該系統指導車間操作人員對余熱鍋爐進行調控。3.3.1 某煉油廠三催化裝置中壓蒸汽發生系統簡介

某煉油廠三催化裝置為140 萬噸/a 重油催化裂化裝置，該裝置工藝過程中有3 個中壓產汽汽包，分別是一個外取熱器和兩個油漿蒸發器，并且設有兩個余熱鍋爐，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器產中壓飽和蒸汽除約10 t/h 去二再煙氣余熱鍋爐過熱器過熱外，其余全部進一再煙氣余熱鍋爐過熱器過熱。外取熱器和油漿蒸發器汽包上水除約10 t/h 進二再煙氣余熱鍋爐省煤器預熱外，其余全部進一再煙氣余熱鍋爐預熱。

3.3.2 某煉油廠三催化裝置一再煙氣余熱鍋爐主要運行參數分析及調控

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

有些余熱鍋爐運行參數需要經過計算，根據計算結果才能判斷余熱鍋爐是否處于安全運行狀態。如，余熱鍋爐低溫省煤器上水溫度，需要根據余熱鍋爐煙氣成份計算出煙氣露點溫度。只有余熱鍋爐省煤器上水溫度高于煙氣露點溫度，余熱鍋爐才能避免露點腐蝕，導致省煤器泄漏，危及余熱鍋爐長周期運行。

根據余熱鍋爐運行參數計算出余熱鍋爐的熱效率，可以根據余熱鍋爐的熱效率判斷余熱鍋爐的節能潛力等。

（2）余熱鍋爐運行參數調控。在確保余熱鍋爐安全運行前提下，可以根據余熱鍋爐運行參數對余熱鍋爐進行調控，使余熱鍋爐處于熱效率最高狀態，以調節省煤器上水溫度為例進行說明。根據研究，余熱鍋爐省煤器是否發生露點腐蝕，取決于省煤器管壁溫度是否高于煙氣露點溫度（煙氣露點溫度DCS 可以通過煙氣成份計算得出）。因此在余熱鍋爐省煤器上水流程中增設了給水預熱器，來提高低溫省煤器上水溫度。但是，省煤器上水溫度過高，將降低省煤器與煙氣換熱的對數平均溫差，影響省煤器換熱量，導致排煙溫度偏高，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溫度高5～10 ℃。

通過傳熱學計算知道，省煤器水側的換熱系數比煙氣側高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，在實際操作中，只要控制省煤器上水溫度高于露點溫度5 ℃以上，就能確保省煤器最低管壁溫度高于煙氣露點溫度5～10 ℃，從而確保余熱鍋爐既安全運行，又處于最佳熱效率狀態。