戴 立

（中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223）

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化工裝置蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化和節(jié)能技術(shù)應用

戴 立

（中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223）

摘 要：以內(nèi)蒙古某大型化工項目所配套的蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)為例，闡述了蒸汽分級合理利用的管網(wǎng)優(yōu)化設置原則，并提出了“熱、電、功”聯(lián)產(chǎn)及回收低位熱能的節(jié)能思路。

關(guān)鍵詞：蒸汽管網(wǎng)；優(yōu)化；節(jié)能；化工裝置

隨著我國化工行業(yè)裝置規(guī)模的日趨增大，大型化的化工項目包含更多的生產(chǎn)單元，對工業(yè)蒸汽的需求也更加復雜多樣。因此，蒸汽管網(wǎng)的設計任務主要是保證化工工藝生產(chǎn)裝置能夠在不同工況條件下安全、穩(wěn)定運行。目前蒸汽系統(tǒng)在整體設計規(guī)范及運行管理上已具有一定的先進性，但在降低能耗研究方面，以前則偏重在大型節(jié)能裝備上［1］。本文將以內(nèi)蒙古某化工企業(yè)為例，重點對化工裝置蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化和節(jié)能技術(shù)進行深入分析研究。

1 項目蒸汽管網(wǎng)

本項目屬于大型化工項目，化工產(chǎn)品為合成氨和尿素?；ぱb置的蒸汽需求主要來自2方面：①驅(qū)動大型壓縮機的蒸汽透平：如空壓機、氨壓機、合成氣壓縮機、氮壓機和CO2壓縮機等；②提供化學反應所需的蒸汽和換熱伴熱的熱源等。同時為貫徹國家熱電聯(lián)產(chǎn)的政策要求，本項目將設置1臺25 MW蒸汽發(fā)電機組，以滿足全廠部分用電需求，全廠蒸汽管網(wǎng)見圖1。結(jié)合整個項目熱負荷、動力負荷和用電負荷綜合考慮，本項目蒸汽管網(wǎng)的設計參數(shù)見表1。

表1 全廠蒸汽管網(wǎng)參數(shù)

全廠主要汽源為項目配套動力站3×240 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐出口蒸汽將采用單母管制與9.8 MPa（g）高壓等級蒸汽管網(wǎng)直接連接，作為全廠高壓等級蒸汽的直接來源。同時工藝裝置也會由自身的化學放熱反應副產(chǎn)部分低品位蒸汽，作為補充的蒸汽汽源。

2 管網(wǎng)的優(yōu)化節(jié)能措施

管網(wǎng)主要遵循蒸汽分級合理利用的設計原則，實現(xiàn)熱、電、功聯(lián)產(chǎn)，節(jié)能降耗，以提高全廠熱效率。根據(jù)本項目蒸汽管網(wǎng)所設置的高、中、低三個蒸汽壓力等級，各級采取的節(jié)能措施分析如下。

圖1 某大型化工項目的全廠蒸汽管網(wǎng)

2.1 9.8 MPa（g）高壓蒸汽管網(wǎng)

由于壓縮機驅(qū)動用的蒸汽透平功率較大，因此對蒸汽做功的能力要求較高。所以考慮將大功率的蒸汽透平設置在高壓蒸汽等級，利用鍋爐出口的高品位蒸汽（焓值大，做功能力高）直接驅(qū)動透平。一方面可保證驅(qū)動大功率透平的汽耗率維持在較低的合理量級，避免中壓管網(wǎng)因設置太多透平后蒸汽需求量較大，導致管網(wǎng)管徑超出合理范圍；另一方面也可減少中、低壓管網(wǎng)的蒸汽需求量，避免高品質(zhì)蒸汽在不同壓力等級管網(wǎng)下輸送而造成蒸汽品位和做功能力的降低。

2.2 5.1 MPa（g）中壓蒸汽管網(wǎng)

本級管網(wǎng)并無直接汽源，中壓蒸汽的來源主要是由化工裝置壓縮機的蒸汽透平抽汽提供。抽凝式蒸汽透平的主要特點是從透平中壓缸抽出蒸汽，在壓差作用下蒸汽的部分內(nèi)能將轉(zhuǎn)化為驅(qū)動透平的機械能，同時該蒸汽還保持一定的壓力和焓值可供熱用戶使用。將此蒸汽抽至中壓管網(wǎng)，能夠為該等級的蒸汽用戶提供能量，從而實現(xiàn)“熱功聯(lián)產(chǎn)”的目的。選用抽凝式透平機組的優(yōu)點是可調(diào)節(jié)性強，熱、動負荷都可以在很大范圍內(nèi)自由變動［2］。所以考慮將驅(qū)動小功率壓縮機的蒸汽透平設置在中壓等級管網(wǎng)，另外對蒸汽壓力有較高要求的工藝裝置也將設置在該等級。

由于此級蒸汽管網(wǎng)的汽源來自壓縮機蒸汽透平的直接抽汽，因此該蒸汽透平的運行狀況直接影響中壓蒸汽管網(wǎng)的壓力，一旦蒸汽透平運行不穩(wěn)定，將導致中壓蒸汽管網(wǎng)的壓力發(fā)生波動，進而影響該級管網(wǎng)下的蒸汽透平和工藝裝置的運行。鑒于上述因素，在高壓蒸汽管網(wǎng)和中壓蒸汽管網(wǎng)之間設置具備快開功能的減溫減壓器，確保在壓縮機透平運行故障或抽汽不足時，壓力調(diào)節(jié)閥能夠在1s內(nèi)迅速打開，高壓蒸汽經(jīng)過減壓后能夠快速補充至中壓管網(wǎng)，以維持管網(wǎng)的蒸汽壓力恒定在正常范圍。

由于高壓至中壓減溫減壓器主要應用在開車和事故工況，考慮到其特殊的重要性，該減溫減壓器將采取分體式控制，高壓透平蒸汽旁路系統(tǒng)見圖2，其中閥PCV001作為正常中壓管網(wǎng)的壓力調(diào)節(jié)閥，根據(jù)中壓蒸汽管線的壓力隨時調(diào)整閥門開度；PCV002作為壓縮機透平抽汽的流量跟蹤。PCV001 和PCV002互為備用，可以起到雙重保險的功能。雙旁路系統(tǒng)的冗余設計能夠防止一套旁路故障導致全廠都需緊急停車的事故發(fā)生。

圖2 高壓透平蒸汽旁路系統(tǒng)

2.3 0.6 MPa（g）低壓蒸汽管網(wǎng)

由于該級蒸汽的品位較低，雖然仍具有一定的過熱度，但與高壓蒸汽相比，低壓蒸汽的做功能力明顯下降，不適合作為驅(qū)動蒸汽透平的動力來源。因此本級蒸汽主要用于設備、管線的伴熱或采暖的熱源。同樣，本級管網(wǎng)上并無換熱設備能夠穩(wěn)定、持續(xù)地提供副產(chǎn)低壓蒸汽，所以考慮利用高壓管網(wǎng)上汽輪發(fā)電機組的低壓抽汽作為低壓管網(wǎng)的蒸汽汽源，實現(xiàn)“熱電聯(lián)產(chǎn)”的目的［3］。

另外尿素裝置的換熱反應可副產(chǎn)25t/h的低壓飽和蒸汽（0.3 MPa（g）），但壓力過低，無法并入低壓蒸汽管網(wǎng)。若這部分蒸汽直接排放，又將造成能量的浪費?，F(xiàn)考慮采用蒸汽噴射器，以中壓蒸汽作為噴射動力汽源，將低壓飽和蒸汽由0.3 MPa（g）提壓升至0.6 MPa（g）后并入低壓蒸汽管網(wǎng)，供該級蒸汽用戶使用。蒸汽噴射器示意見圖3。

圖3 蒸汽噴射器示意

中壓驅(qū)動蒸汽進入噴射器的壓力適配器驅(qū)動入口，通過噴嘴形成高速汽流，將0.3 MPa（g）的低壓蒸汽吸入，經(jīng)混合、擴壓后形成0.6 MPa（g）的低壓蒸汽供出。25 t低壓蒸汽（0.3 MPa（g））大約需30t的中壓驅(qū)動蒸汽。按照5.1 MPa（g）中壓蒸汽90元/t，0.6 MPa（g）低壓蒸汽70元/t，0.3 MPa（g）低壓蒸汽30元/t的價格計算［4］，增加蒸汽噴射器后，每年回收該股低壓飽和蒸汽即可增加約300萬元的經(jīng)濟效益。

3 結(jié)語

一般而言，可按下述措施考慮蒸汽管網(wǎng)的設計和優(yōu)化：①對蒸汽分級合理利用，實現(xiàn)熱、電、功聯(lián)產(chǎn)；②盡量回收低品位熱源，達到節(jié)能降耗的目的。

由于化工系統(tǒng)運行工況復雜，整個裝置的熱負荷、動力負荷和用電負荷會伴隨化工工藝裝置的負荷波動而發(fā)生變化。因此配套蒸汽管網(wǎng)的設計和優(yōu)化應著眼于蒸汽系統(tǒng)的可靠性、安全性和穩(wěn)定性，并結(jié)合化工裝置的實際需求考慮相應的節(jié)能措施。

參考文獻：

［1］李明君，等.大型蒸汽管網(wǎng)降壓運行的可行性分析［J］.上海理工大學學報，2010，32（1）：79-83.

［2］李國俊，等.大型蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)的運行優(yōu)化調(diào)度［J］.化工進展，2007，26（1）：77-81.

［3］洪向道.中小型熱電聯(lián)產(chǎn)工程設計手冊［M］.中國電力出版社，2008.

［4］趙仁平，等.制漿造紙業(yè)蒸汽價格及能源優(yōu)化利用的探討［J］.中華紙業(yè)，2012，33（16）：56-60.

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.014 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.014

中圖分類號：TK284.1

文獻標識碼：B

文章編號：1004-8901（2016）02-0049-03

作者簡介：戴立（1982年-），男，湖北黃岡人，2007年畢業(yè)于華中科技大學熱能工程專業(yè)，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事熱力系統(tǒng)的工藝設計工作。

收稿日期：2016-01-18

Optimization and Energy-saving Technology Application of Steam Pipe Network of Chemical Plant

DAI Li
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

Abstract：This paper takes the steam pipe network system of a certain large chemical plant in Inner Mongolia as an example，expounds the steam pipe network optimization setup principles for reasonable steam grading utilization and puts forward the energy-saving idea of cogeneration of heat，electricity and power and recovery of low grade heat energy.

Keywords：steam pipe network；optimization；energy-saving；chemical plant