化工項(xiàng)目供熱系統(tǒng)蒸汽管網(wǎng)和設(shè)備選型設(shè)計(jì)優(yōu)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(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，化工產(chǎn)品的需求越來越大，種類越來越多，化工工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)開始走“大化工”的路子，化工裝置少則幾套，多則十幾套同時(shí)配建，以便綜合有效的利用資源，實(shí)現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)效益。在化工項(xiàng)目中，熱動(dòng)力站既是耗煤大戶，又是熱能供給站，在全廠生產(chǎn)中扮演著重要角色，主要體現(xiàn)在為全廠各裝置提供生產(chǎn)用汽、加熱用汽、管網(wǎng)伴熱、冬季采暖等。此外，熱動(dòng)力站富余蒸汽可帶動(dòng)蒸汽透平發(fā)電，供全廠各用電設(shè)備使用，解決了工業(yè)用電電價(jià)高的問題，節(jié)省了生產(chǎn)運(yùn)行成本。

熱動(dòng)力站的設(shè)計(jì)主要包括蒸汽管網(wǎng)等級(jí)的確定，鍋爐、汽輪機(jī)以及各輔助設(shè)備的選型方案等。為貫徹《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》，落實(shí)國(guó)家的能源產(chǎn)業(yè)政策，在熱動(dòng)力站的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該從全局出發(fā)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)水平。

2 蒸汽管網(wǎng)優(yōu)化

2.1 蒸汽管網(wǎng)等級(jí)

大化工項(xiàng)目全廠用汽裝置多，用汽參數(shù)各不相同，此外還有裝置副產(chǎn)蒸汽等，在管網(wǎng)參數(shù)設(shè)置時(shí)，應(yīng)依據(jù)化工裝置熱負(fù)荷需求量和用熱參數(shù)，多參考同類工程經(jīng)驗(yàn)，分析工藝余熱特征和熱電聯(lián)產(chǎn)方案，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，盡力保證工藝需求，盡量減少管網(wǎng)等級(jí)，適宜選取過熱度。煉油工程和化工工程蒸汽管網(wǎng)常用參數(shù)分為四個(gè)等級(jí)：9.0～12.5MPa(G)，500～540℃高壓管網(wǎng)；3.1～4.4MPa(G)，370～425℃中壓管網(wǎng)；0.8～1.8MPa(G)，飽和～300℃低壓管網(wǎng)；0.3～0.6MPa(G)，飽和～250℃低低壓管網(wǎng)[1]。

2.2 全廠熱平衡方案

熱平衡方案貫穿設(shè)計(jì)全過程，在蒸汽管網(wǎng)等級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該先要列出全廠熱負(fù)荷表，繪制出各種工況的熱負(fù)荷曲線，再以此為依據(jù)進(jìn)行全廠熱平衡計(jì)算，計(jì)算過程中應(yīng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，小平衡服從大平衡。當(dāng)鍋爐、汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)、工藝裝置及其透平等任何一方故障、停運(yùn)時(shí)，需有足夠的靈活手段保證對(duì)系統(tǒng)的壓力、溫度、流量進(jìn)行調(diào)控，常用方法有：在各等級(jí)母管間設(shè)置備用減溫減壓裝置，在蒸汽母管上設(shè)置放空調(diào)節(jié)閥，安全閥，給汽輪機(jī)旁路設(shè)置“一秒閥”等[2]。

2.3 優(yōu)化節(jié)能措施

供熱系統(tǒng)管網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化措施包括：（1）管網(wǎng)間設(shè)置減溫減壓器；（2）蒸汽凝液盡可能回收利用；（3）補(bǔ)充脫鹽水升溫回收余熱，包括工藝裝置的余熱廢熱和熱動(dòng)力站內(nèi)的取樣器、冷渣機(jī)余熱等；（4）設(shè)置高加提高鍋爐給水溫度[3]。

3 主要設(shè)備選型優(yōu)化

根據(jù)全廠熱平衡方案確定供熱系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模和裝機(jī)容量，在對(duì)鍋爐和汽輪機(jī)的選型進(jìn)行綜合考慮。

3.1 鍋爐選型優(yōu)化

化工項(xiàng)目鍋爐爐型常見為煤粉鍋爐和循環(huán)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(fā)分、灰分、水分、熱值、灰熔融性溫度。干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf≤12%的煤種因?yàn)殡y燃不宜選用煤粉鍋爐，Vdaf≥35%的煤種在采用煤粉爐時(shí)應(yīng)考慮防爆。循環(huán)流化床鍋爐正常運(yùn)行要建立起灰平衡，才能保證爐內(nèi)物料的正常流化態(tài)，經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)燃料干燥基灰分Ad≤10%時(shí)，不宜采用循環(huán)流化床鍋爐。水分含量高的煤種會(huì)影響循環(huán)流化床鍋爐的給煤系統(tǒng)，但是煤粉鍋爐的可以配備熱風(fēng)干燥制粉系統(tǒng)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(fā)熱量Qar，net＜12000KJ/kg 的煤種不應(yīng)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(dá)1000～1200℃，對(duì)于易熔煤鍋爐結(jié)焦可能性大，不宜選用。

此外，在煤化工項(xiàng)目中有大量的副產(chǎn)氣固廢棄物，如氣化爐膨脹槽出來的膨脹氣、粉煤氣化爐經(jīng)洗滌排出的細(xì)灰濾渣、溶煤氣化爐產(chǎn)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(jià)值，對(duì)其進(jìn)行再利用還可以節(jié)省填滿成本和環(huán)境污染，?？紤]將這些劣質(zhì)燃料送入動(dòng)力站鍋爐進(jìn)行燃燒處理，循環(huán)流化床鍋爐在解決這個(gè)問題上具有先天優(yōu)勢(shì)。

（2）環(huán)保政策。根據(jù)最新的環(huán)保政策《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020 年）》，到2020 年全國(guó)所有具備改造條件的燃煤電廠力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)超低排放（即在基準(zhǔn)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(jù)此政策，無論是煤粉鍋爐還是循環(huán)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(biāo)準(zhǔn)。循環(huán)流化床鍋爐因?yàn)闋t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(huán)流化床鍋爐可爐內(nèi)石灰石脫硫，節(jié)省了爐外脫硫投資費(fèi)用。循環(huán)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(biāo)準(zhǔn)上循環(huán)流化床鍋爐也有優(yōu)勢(shì)。

（3）運(yùn)行要求?；ろ?xiàng)目供熱系統(tǒng)所帶下游工藝裝置多，且高壓管網(wǎng)常掛空分透平，空分透平若跳車則會(huì)導(dǎo)致下游停擺，所以鍋爐配置應(yīng)能滿足工藝裝置的穩(wěn)定用汽需求。目前在全國(guó)范圍內(nèi)，煤粉鍋爐運(yùn)行周期至少可長(zhǎng)達(dá)1年，承壓部件損壞時(shí)停爐檢修耗時(shí)約為72h，而循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行周期約為3～4個(gè)月，受檢修工藝（澆注料）、檢修后的烘爐（熱養(yǎng)生）等因素制約，通常檢修耗時(shí)約168h，所以化工項(xiàng)目若配置循環(huán)流化床鍋爐，應(yīng)設(shè)置備用鍋爐，以滿足生產(chǎn)用汽需求。

（4）投資占地情況等因素。不同爐型對(duì)應(yīng)不同的輔助設(shè)備，環(huán)保方案，占地布置等，這些因素都會(huì)影響整個(gè)投資成本和運(yùn)行費(fèi)用，需要對(duì)不同的方案分別做技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，再根據(jù)業(yè)主投資費(fèi)用控制和整體需求進(jìn)行權(quán)衡最終確定。

3.2 汽輪機(jī)選型優(yōu)化

化工項(xiàng)目中汽輪機(jī)常見型式為抽汽凝汽式和抽汽背壓式。抽凝式機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)蒸汽量調(diào)節(jié)更靈活，各級(jí)調(diào)整抽汽對(duì)外供汽，凝汽量作為調(diào)節(jié)，即保障了化工裝置用汽需求，又可以保持一定的發(fā)電量。此外，一旦下游工藝裝置跳車，富余蒸汽可用來凝汽發(fā)電，對(duì)下游裝置的負(fù)荷影響小。抽背式機(jī)組無冷源損失，其抽汽和排汽都用于化工裝置，對(duì)于化工項(xiàng)目，其熱經(jīng)濟(jì)性較凝氣式機(jī)組好，而且抽背式機(jī)組無需設(shè)置冷端設(shè)備，節(jié)省了大量循環(huán)冷卻水或空冷設(shè)施。

以往在化工項(xiàng)目中常配置抽凝式汽輪機(jī)組，但在配置時(shí)太過于重視發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，而忽略了化工項(xiàng)目中動(dòng)力站的主要功能，即熱動(dòng)力站是整個(gè)化工廠的蒸汽供給站，應(yīng)以為工藝裝置提供穩(wěn)定可靠蒸汽為重。根據(jù)當(dāng)前國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局的政策“關(guān)于印發(fā)《熱電聯(lián)產(chǎn)管理辦法》的通知發(fā)改能源[2016]617 號(hào)”文件，化工項(xiàng)目汽輪機(jī)選型中應(yīng)遵循“以熱定電”的原則，化工企業(yè)若配置抽凝式機(jī)組注重發(fā)電，這不符合國(guó)家“上大壓小”的能源政策，需經(jīng)過國(guó)家發(fā)改委審批后才能立項(xiàng)，就目前已知情況，報(bào)批很難通過，所以在化工項(xiàng)目設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先考慮選用抽背式機(jī)組。

4 結(jié)語

綜上所述，在化工項(xiàng)目供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一定要準(zhǔn)確把控“以熱定電”的原則，綜合考慮各種工況對(duì)熱平衡方案進(jìn)行反復(fù)研究討論，只有做好熱平衡確定好管網(wǎng)，才能定好鍋爐和汽輪機(jī)規(guī)模，進(jìn)而選好鍋爐和機(jī)組型號(hào)，反之，爐型和機(jī)型的選擇又影響了熱平衡方案，這是一個(gè)全廠均衡的反復(fù)工程，只有在工作中積累經(jīng)驗(yàn)并善于總結(jié)，才能做出最合理的設(shè)計(jì)方案。