張紹良,孫文山,魏學軍
(1.中海油 惠州石化有限公司,廣東 惠州 516086;2.中石油 華東設計院有限公司,北京 100029)
管式加熱爐是石油化工生產(chǎn)裝置中的主要設備之一,能耗較大[1]。在延遲焦化裝置的能耗組成中,加熱爐燃料能耗約占70%[2]。連續(xù)重整裝置中加熱爐能耗一般約占裝置能耗的80%[3-9],部分裝置中加熱爐能耗甚至超過90%[10]。隨著國家對節(jié)能環(huán)保要求的提高,各大石油化工企業(yè)對加熱爐的熱效率及排煙溫度也提出了更高的要求,推出了多種提高加熱爐熱效率的方案及方法。例如當燃料中H2S的質量濃度能控制在20 mg/m3以內(nèi)時,可以通過設置煙氣余熱回收系統(tǒng)加燃燒空氣的方法將加熱爐計算熱效率提高到93%以上[11]。中石化洛陽石化工程公司鄭戰(zhàn)利等[12]研制出1種新型組合式的熱管空氣預熱器,中石化洛陽石化工程公司王德瑞等[13-14]研制出1種新型復式空氣預熱器及1種新型擾流子空氣預熱器,江陰市石油化工設備有限公司葛京鵬等[15]發(fā)明了1種工業(yè)爐煙氣低溫熱量利用方法,這些方法都大幅提高了加熱爐的熱效率,因此有些學者認為加熱爐熱效率越高越好,排煙溫度越低越好。針對這種觀點,筆者提出了經(jīng)濟排煙溫度的概念,并通過計算對比來確定較為經(jīng)濟的加熱爐熱效率。
當余熱回收系統(tǒng)方案,包括余熱回收系統(tǒng)采取的結構形式、材料及襯里結構等確定后,在結構設計合理、施工質量良好且工藝操作穩(wěn)定的情況下,節(jié)能效果主要取決于余熱回收芯體的換熱面積,即空氣預熱器的換熱面積。降低排煙溫度可減少排煙熱損失,節(jié)省燃料消耗,從而提高加熱爐熱效率,節(jié)約能源。但同時需增大芯體換熱面積,使余熱回收系統(tǒng)投資增加。為了獲得最佳的經(jīng)濟效益,所選取的排煙溫度應滿足余熱回收系統(tǒng)年節(jié)省燃料費用與余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入的年分攤費用之差為最大值的要求,該最大值所對應的排煙溫度稱為經(jīng)濟排煙溫度。管式加熱爐的排煙溫度應按經(jīng)濟排煙溫度的計算方法來確定。
管式加熱爐排煙溫度與年費用的關系曲線見圖1。
圖1 管式加熱爐排煙溫度與年費用關系曲線
余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入費用為余熱回收系統(tǒng)的投資費用與運營期內(nèi)的維護費用之和,余熱回收系統(tǒng)的年節(jié)省燃料費用A與余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入的年分攤費用B的差值即為管式加熱爐的年總收益C。A和B均隨排煙溫度的降低而增大,但兩者增大的斜率不同。隨著排煙溫度的降低,A的增大由越來越大變?yōu)樵絹碓叫?,即斜率由大變??;而B的增大則由越來越小變?yōu)樵絹碓酱?,即斜率由小變大。C在某排煙溫度時達到最大值Cmax,該值所對應的排煙溫度即為經(jīng)濟排煙溫度。
余熱回收系統(tǒng)的年節(jié)省燃料費用A是指增加余熱回收系統(tǒng)后,加熱爐所節(jié)省的燃料費用。文中將增加余熱回收系統(tǒng)后幾種熱效率下的燃料消耗量,與不設置余熱回收系統(tǒng)的燃料消耗量進行比較,計算出不同熱效率對應不同排煙溫度下節(jié)省的燃料費用,作為不同工況下余熱回收系統(tǒng)的年節(jié)省燃料費用。
余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入的年分攤費用B=余熱回收系統(tǒng)投資費用×年分攤率+年運行維護費用。其中余熱回收系統(tǒng)投資費用指設置余熱回收系統(tǒng)所需的各項投資之和,包括各項設備購置費、安裝工程費和建筑工程費等。年運行維護費用指在回收系統(tǒng)運行期限內(nèi),每年所需要的運行及維護費用的總和,包括設備管理費、運行費、維修維護費和人工費用等。
年分攤率是指余熱回收系統(tǒng)投資費用在其投資償還年限內(nèi),每年平均費用占整個投資的百分數(shù)[16]。根據(jù)項目建設費用來源的不同,可以將年分攤率分為以下3種情況。
(1)當工程項目有財政撥款,投產(chǎn)后企業(yè)向國家上交利潤時,其年分攤率N1計算公式為:
(1)
式中,P為余熱回收系統(tǒng)的年運行維護費用率,取P=11%;m為投資償還年限,一般取m=5~10 a。
(2)當工程項目采用貸款,投產(chǎn)后企業(yè)按單利償還時,年分攤率N2計算公式為:
(2)
式中,n為貸款利率,取為6%~10%;m一般取5~10 a。
(3)當工程項目采用貸款,投產(chǎn)后企業(yè)按復利償還時,年分攤率N3計算公式為[17]:
(3)
式(1)~式(3)的計算方法在國內(nèi)都有應用。公式中的償還年限和貸款利率,應按具體工程的實際情況確定,在無資料提供具體數(shù)據(jù)時,可以參考上述推薦值。
以實際設計的1臺管式加熱爐作為案例計算經(jīng)濟排煙溫度。該加熱爐為芳烴聯(lián)合裝置中的抽余液塔底重沸爐,設計熱負荷84.84 MW,爐型為單對流-雙輻射型圓筒爐,燃燒方式為底燒型。余熱回收系統(tǒng)采用熱煙氣經(jīng)空氣預熱器直接預熱空氣的方式,預熱后的熱空氣進加熱爐燃燒,預熱后的冷煙氣經(jīng)煙囪排放至大氣。空氣預熱器采用組合式板式空氣預熱器,高溫段采用304ss材質,低溫段采用耐腐蝕的鑄鐵材質。
設定增加空氣預熱器的管式加熱爐的熱效率分別為92%、93%、94%、95%、96%,其對應排煙溫度分別為145 ℃、124 ℃、103 ℃、80 ℃、60 ℃。無空氣預熱器時管式加熱爐熱效率為84.8%,對應排煙溫度為289.5 ℃。本設計中燃料氣采用天然氣,其分子量為17.3、熱值為36 843.2 kJ/m3。按運行年限10 a、運行時間8 400 h/a、天然氣價格3 500元/t計算不同加熱爐熱效率下余熱回收系統(tǒng)的年節(jié)省燃料費用A,結果見表1。
從表1可以看出,余熱回收系統(tǒng)年節(jié)省燃料費用A隨著排煙溫度的降低逐漸增大。
表1 不同加熱爐熱效率下余熱回收系統(tǒng)年節(jié)省燃料費用A計算結果
首先根據(jù)熱平衡法計算出空氣預熱器的熱負荷,根據(jù)空氣預熱器的熱負荷及空氣預熱器進、出口的排煙溫度計算出對數(shù)平均溫差,計算得出空氣預熱器的換熱面積,由此詢價得出空氣預熱器的價格。余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入=余熱回收系統(tǒng)投資費用(空氣預熱器價格+余熱回收系統(tǒng)其他部件費用)×年分攤率×運營期年限Y+年運行維護費用×運營期年限Y。采用目前經(jīng)常采用的式(2)計算年分攤率,并假定投資償還年限與余熱回收系統(tǒng)使用年限相同。
根據(jù)空氣預熱器的換熱面積,通過已制造的熱效率為93%的空氣預熱器的質量,根據(jù)換熱面積之比乘以已知空氣預熱器的質量,折算得出不同熱效率下空氣預熱器的質量。余熱回收系統(tǒng)其他部件費用則根據(jù)已經(jīng)設計完成的熱效率為93%的加熱爐的實際價格確定。假定m=10 a、n=10%、Y=10 a,年運行維護費用為余熱回收系統(tǒng)投資費用的11%,按式(4)~式(9)計算得出不同加熱爐熱效率下余熱回收運營期內(nèi)總投入的年分攤費用B,結果見表2。
(4)
(5)
P1=2.5m′
(6)
P3=0.11(P1+P2)
(7)
P4=P1+P2+YP3
(8)
(9)
式(4)~式(9)中,Δt為對數(shù)平均溫差,t1為空氣入口溫度,t2為空氣出口溫度,t1′為煙氣入口溫度,t2′為煙氣出口溫度,℃;S為換熱面積,m2;Q為空氣預熱器熱負荷,MW;K為傳熱系數(shù),W/(m2·℃);P1為空氣預熱器價格,P2為余熱回收系統(tǒng)其他部件費用,P3為年運行維護費用,P4為余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入,萬元。
由余熱回收系統(tǒng)年節(jié)省燃料費用A和余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入的年分攤費用B的差值,得到加熱爐熱效率為92%、93%、94%、95%以及96%時管式加熱爐的年總收益C分別為546.5萬元、603.8萬元、620.7萬元、574.7萬元和126.7萬元。
表2 不同加熱爐熱效率下余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入的年分攤費用B計算結果
管式加熱爐年總收益C與排煙溫度關系曲線見圖2。從圖2可以看出,排煙溫度約為103 ℃時管式加熱爐年總收益C有最大值,所以可得出本項目設計方案下的經(jīng)濟排煙溫度約為103 ℃,此時加熱爐的熱效率為94%。
圖2 管式加熱爐年總收益與排煙溫度關系曲線
余熱回收系統(tǒng)的年節(jié)省燃料費用A受燃料價格的影響較大,文中計算對比過程中采用的天然氣價格是目前的市場價格。天然氣價格的波動會對計算結果造成影響,天然氣價格越高,排煙溫度越低,余熱回收系統(tǒng)的年節(jié)省燃料費用越多,所以應根據(jù)運行周期內(nèi)的天然氣均價來核算余熱回收系統(tǒng)的年實際節(jié)省燃料費用。
進入空氣預熱器的煙氣溫度、煙氣量等對經(jīng)濟排煙溫度也有重要影響。煙氣溫度越高,煙氣量越大,一次性投入越大;煙氣溫度越低,煙氣量越小,一次性投入越小。隨著煙氣溫度、煙氣量的變動計算所得的經(jīng)濟排煙溫度會有所不同。
空氣預熱器形式、結構、材質等的不同對余熱回收系統(tǒng)投資費用影響較大,空氣預熱器結構形式越復雜,材質等級越高,投資費用就越大。計算的經(jīng)濟排煙溫度不同,其對應的加熱爐年總收益C也不同。因此也可通過比較年總收益C來優(yōu)選余熱回收系統(tǒng)設計方案。
為了防止露點腐蝕,要求空氣預熱器尾部傳熱管表面溫度不低于煙氣露點溫度。為確保不發(fā)生露點腐蝕,有些企業(yè)要求空氣預熱器尾部傳熱管表面溫度不低于煙氣露點溫度再加上20 ℃。從經(jīng)濟排煙溫度的概念看,需要把因露點腐蝕引起的維修成本納入到余熱回收系統(tǒng)運營期內(nèi)總投入的年分攤費用B中。
銀行貸款利率、項目建設資金的來源及模式對年分攤總費用也有較大影響,銀行利率越高,年分攤總費用就越大。不同年分攤率計算方式對年分攤總費用的影響依次為N1>N2>N3。
文中首次提出了用于管式加熱爐余熱回收系統(tǒng)設計的經(jīng)濟排煙溫度概念,并對經(jīng)濟排煙溫度進行了實例演算,得出了該管式加熱爐的經(jīng)濟排煙溫度。經(jīng)濟排煙溫度并不是一個確定的溫度,其在不同的項目中可能有不同的數(shù)值。經(jīng)濟排煙溫度受燃料價格、余熱回收系統(tǒng)工藝參數(shù)及設計方案、煙氣露點溫度、貸款利率以及建設模式等因素的影響,這些影響因素確定之后,便可計算出經(jīng)濟排煙溫度。在今后的設計過程中,可采用數(shù)學上逐步逼近法的原理,精確計算出每個項目的經(jīng)濟排煙溫度,以提高加熱爐性價比,同時優(yōu)選余熱回收系統(tǒng)的設計方案。