余热锅炉能效监控系统研究与应用

施连勇

（中国石油锦州石化公司热电公司设备科，辽宁锦州 121001）

0 引言

催化裂化装置余热锅炉输出的中压过热蒸汽占整个催化裂化装置输入总能耗的50%左右，因此提高余热锅炉的效率对于降低整个催化装置的能耗十分关键。

通过对催化裂化装置余热锅炉工作原理、设计理念、运行规律的研究，建立起催化裂化装置余热锅炉能效监控系统。采用能效监控系统通过催化裂化装置（DCS）对余热锅炉进行能效监测，在确保余热锅炉安全运行的前提下，提高余热锅炉效率，降低装置能耗。

1 催化裂化装置余热锅炉分类

催化裂化装置催化剂再生形式分为贫氧再生和富氧再生，因此催化装置产生的高温再生烟气分为：①贫氧再生产生含CO的高温烟气（CO 含量3%～7%）；②富氧再生产生不含CO 的高温烟气。与此相对应催化裂化装置配带的余热锅炉也分为两种形式：①针对含CO 再生烟气（贫氧再生）的燃烧式CO 余热锅炉；②针对不含CO 再生烟气（富氧再生）的纯余热锅炉。

2 催化裂化装置余热锅炉技术评价指标

催化裂化装置余热锅炉是装置的附属设备，和普通余热锅炉不同，该余热锅炉不仅承担回收烟气余热（物理显热和化学能，如CO 烟气），而且还需过热装置外取热器和油浆蒸发器产生的中压饱和蒸汽，确保装置中压过热蒸汽品质。催化裂化装置余热锅炉应建立如下评价指标。

（1）全部再生烟气进余热锅炉进行能量回收，没有烟气直排烟囱。

（2）全部装置（外取热器和油浆蒸发器等）产中压饱和蒸汽进余热锅炉过热，装置产中压饱和蒸汽没有直接放空或串入低压蒸汽管网。

（3）余热锅炉出口过热蒸汽品质（过热蒸汽压力、过热蒸汽温度等）达标并控制在装置汽轮机要求的最佳参数状态。

（4）在确保余热锅炉避免露点腐蚀情况下，降低余热锅炉排烟温度，尽可能多回收烟气余热，提高余热锅炉热效率。

（5）控制余热锅炉烟气压降，防止烟机因背压升高影响烟机出力。

（6）吹灰措施有效，确保余热锅炉受热面保持良好换热状态，确保余热锅炉长周期高效运行。

（7）确保余热锅炉高可靠性，确保余热锅炉长周期安全运行。

3 催化裂化装置余热锅炉能效监控系统的研究

为了确保催化裂化装置余热锅炉在各种操作工况下，安全、高效、可靠长周期运行，需要建立催化裂化余热锅炉能效监控系统。通过该系统能实时了解余热锅炉运行状态，并根据该系统显示和计算结果进行实时判断。

3.1 催化裂化装置能效监控系统主要内容

（1）余热锅炉各种运行参数的实时测量及显示，并根据显示值判断余热锅炉运行状态。

（2）根据余热锅炉各种实时运行参数计算余热锅炉热效率。

（3）根据余热锅炉各种运行参数进行计算和分析，自动调控余热锅炉运行状态。在确保余热锅炉安全运行的前提下，调控余热锅炉热效率达到最佳。

3.2 催化裂化装置余热锅炉热效率计算公式

一般情况下，普通余热锅炉仅仅是完成回收装置工艺过程中产生的高温烟气余热，产生蒸汽供生产过程或驱动汽轮机发电。余热锅炉无需过热外来同参数饱和蒸汽，也无需预热外送热水，热源单一，只有进余热锅炉的高温烟气。对于一般余热锅炉，余热锅炉热效率计算公式：ηe=Q2/Q1，其中，Q1是余热锅炉进口烟气带入热量，kW；Q2是余热锅炉产蒸汽的吸热量，kW。该公式无法反映催化裂化装置余热锅炉既要回收烟气余热，又要完成装置产中压饱和蒸汽过热的实际情况。对于催化裂化装置余热锅炉，它产出的中压过热蒸汽热源由两部分组成：①高温烟气余热；②装置外取热器和油浆蒸发器发生中压饱和蒸汽的工艺过热热源。二者共同组成一个中压蒸汽发生完整系统。因此，为准确反映催化裂化装置余热锅炉的热效率，将余热锅炉外来饱和蒸汽也看成余热锅炉系统的输入热量，而将余热锅炉输出的全部中压过热蒸汽产出（包含自产中压饱和蒸汽+外来中压饱和蒸汽过热成的过热蒸汽）的吸热量和外送热水的热量之和当成余热锅炉输出热量，把高温烟气带入的烟气余热和外来饱和蒸汽带入的热量作为整个系统的总输入热量。

根据以上分析，催化裂化装置余热锅炉的热效率计算公式：ηe=（Q2+Q4）/（Q1+Q3），其中，Q1是余热锅炉进口烟气带入热量，kW；Q2是余热锅炉总输出过热蒸汽吸热量，kW；Q3是余热锅炉外来饱和蒸汽发生吸热量，kW；Q4是余热锅炉外送热水吸热量，kW。

3.3 余热锅炉能效监控系统建立实例

以某炼油厂三催化装置一再烟气和二再烟气余热锅炉为例，说明如何建立催化裂化装置余热锅炉能效监控系统，以及利用该系统指导车间操作人员对余热锅炉进行调控。3.3.1 某炼油厂三催化装置中压蒸汽发生系统简介

某炼油厂三催化装置为140 万吨/a 重油催化裂化装置，该装置工艺过程中有3 个中压产汽汽包，分别是一个外取热器和两个油浆蒸发器，并且设有两个余热锅炉，分别是回收一再烟气的余热锅炉和回收二再烟气的余热锅炉。

外取热器和油浆蒸发器产中压饱和蒸汽除约10 t/h 去二再烟气余热锅炉过热器过热外，其余全部进一再烟气余热锅炉过热器过热。外取热器和油浆蒸发器汽包上水除约10 t/h 进二再烟气余热锅炉省煤器预热外，其余全部进一再烟气余热锅炉预热。

3.3.2 某炼油厂三催化装置一再烟气余热锅炉主要运行参数分析及调控

（1）余热锅炉运行参数分析。有些余热锅炉运行参数本身就可以判断余热锅炉是否处于安全运行状态。如，余热锅炉过热蒸汽出口温度在460 ℃以下，如果高于460 ℃，余热锅炉过热器管壁温度可能超温，导致过热器爆管，危及余热锅炉安全。

有些余热锅炉运行参数需要经过计算，根据计算结果才能判断余热锅炉是否处于安全运行状态。如，余热锅炉低温省煤器上水温度，需要根据余热锅炉烟气成份计算出烟气露点温度。只有余热锅炉省煤器上水温度高于烟气露点温度，余热锅炉才能避免露点腐蚀，导致省煤器泄漏，危及余热锅炉长周期运行。

根据余热锅炉运行参数计算出余热锅炉的热效率，可以根据余热锅炉的热效率判断余热锅炉的节能潜力等。

（2）余热锅炉运行参数调控。在确保余热锅炉安全运行前提下，可以根据余热锅炉运行参数对余热锅炉进行调控，使余热锅炉处于热效率最高状态，以调节省煤器上水温度为例进行说明。根据研究，余热锅炉省煤器是否发生露点腐蚀，取决于省煤器管壁温度是否高于烟气露点温度（烟气露点温度DCS 可以通过烟气成份计算得出）。因此在余热锅炉省煤器上水流程中增设了给水预热器，来提高低温省煤器上水温度。但是，省煤器上水温度过高，将降低省煤器与烟气换热的对数平均温差，影响省煤器换热量，导致排烟温度偏高，余热锅炉热效率下降。因此，为确保余热锅炉既避免露点腐蚀，又尽可能降低余热锅炉排烟温度，提高余热锅炉热效率，需要将余热锅炉省煤器最低管壁温度控制在比烟气露点温度高5～10 ℃。

通过传热学计算知道，省煤器水侧的换热系数比烟气侧高100 倍以上，省煤器的管壁温度主要由省煤器水温决定（比省煤器水温高2～3 ℃）。因此，在实际操作中，只要控制省煤器上水温度高于露点温度5 ℃以上，就能确保省煤器最低管壁温度高于烟气露点温度5～10 ℃，从而确保余热锅炉既安全运行，又处于最佳热效率状态。