段永華

（中薪油武漢化工工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430223）

煤化工項(xiàng)目富裕低壓飽和蒸汽回收方案介紹及案例分析

段永華

（中薪油武漢化工工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430223）

由于各種原因，已投運(yùn)或正在設(shè)計(jì)的煤化工項(xiàng)目經(jīng)常出現(xiàn)低壓蒸汽富裕的情況，采用合理方式回收利用是減少蒸汽損失和實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)利用的必然選擇。對(duì)可用于低壓飽和蒸汽回收利用的方案進(jìn)行了較為全面的介紹，結(jié)合某實(shí)際改造項(xiàng)目進(jìn)行分析，并對(duì)改造效果和效益進(jìn)行了評(píng)估。

煤化工；低壓飽和蒸汽；回收利用；效益評(píng)價(jià)

目前國(guó)內(nèi)已建成的煤化工項(xiàng)目較多，由于煤化工項(xiàng)目包含的工藝及公用工程裝置較多、工藝系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)計(jì)考慮不周全等原因，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)工藝裝置副產(chǎn)蒸汽無(wú)法全部利用、非采暖期低壓蒸汽大量富裕等問(wèn)題。目前部分企業(yè)結(jié)合全廠實(shí)際現(xiàn)狀，采用了一些措施盡可能地回收利用富裕蒸汽，以減少能源浪費(fèi)。根據(jù)目前的實(shí)際應(yīng)用情況及技術(shù)儲(chǔ)備，可選的方案較多，但具體采用哪種方式，需要根據(jù)可選方案的技術(shù)特點(diǎn)以及企業(yè)的實(shí)際情況進(jìn)行分析，以確定安全可靠并盡可能經(jīng)濟(jì)的方案。本文對(duì)各可選方案進(jìn)行了介紹，針對(duì)某化工企業(yè)電動(dòng)循環(huán)水泵改透平驅(qū)動(dòng)工程實(shí)際案例進(jìn)行了分析，并對(duì)改造效果進(jìn)行了評(píng)估。

1 低壓飽和蒸汽回收利用可選方案分析

1.1 飽和透平發(fā)電

低壓蒸汽驅(qū)動(dòng)飽和透平發(fā)電是已經(jīng)較為成熟的余熱回收技術(shù)，國(guó)內(nèi)外均有應(yīng)用，尤其是隨著國(guó)內(nèi)節(jié)能減排政策的影響及飽和透平國(guó)產(chǎn)化的逐步成熟，國(guó)內(nèi)應(yīng)用逐漸增多。因?yàn)轱柡屯钙桨l(fā)電可以根據(jù)低壓蒸汽管網(wǎng)和生產(chǎn)要求靈活調(diào)節(jié)，較好地適應(yīng)了化工蒸汽系統(tǒng)變工況運(yùn)行的要求，是低壓飽和蒸汽回收利用的可靠方案。目前國(guó)內(nèi)飽和透平發(fā)電機(jī)組的最大出力可以到50MW左右，國(guó)外廠商機(jī)組可以做的更大，具體情況需要廠家根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行確定。

由于飽和透平發(fā)電主機(jī)及輔機(jī)均需要一定的占地，尤其是采用空冷凝汽方式，因此更適合新建項(xiàng)目考慮；一般已經(jīng)建成的化工廠不會(huì)額外預(yù)留用地，新建飽和透平發(fā)電裝置較為困難；飽和透平發(fā)電一次投資相對(duì)偏大，尤其是采用進(jìn)口機(jī)組時(shí)投資更大，對(duì)投資敏感的企業(yè)需要謹(jǐn)慎考慮；另外對(duì)于非采暖期運(yùn)行，采暖期停運(yùn)的機(jī)組，存在機(jī)組利用率不高、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用偏高的問(wèn)題。

1.2 驅(qū)動(dòng)工業(yè)透平

工業(yè)透平是驅(qū)動(dòng)機(jī)泵的方式之一，它是依靠蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，再由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)泵。與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，透平驅(qū)動(dòng)減少了發(fā)電至用電設(shè)備之間的輸電損失及電機(jī)本身的損失，效率較高；采用透平驅(qū)動(dòng)避免了電機(jī)啟動(dòng)電流過(guò)大對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

工業(yè)透平根據(jù)全廠蒸汽系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以采用背壓式或凝汽式，而低壓工業(yè)透平常規(guī)采用凝汽式，凝汽器基本采用水冷。與發(fā)電機(jī)組相比工業(yè)透平一般功率偏小，機(jī)組較為緊湊，占地面積較小，改造或新建項(xiàng)目均適用，且對(duì)公用工程的影響較小。另外單個(gè)工業(yè)透平機(jī)組的總體投資較小，建設(shè)周期較短，能較快實(shí)現(xiàn)改造目標(biāo)。

1.3 驅(qū)動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)組

溴化鋰吸收式制冷機(jī)組采用低位熱能作為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)組連續(xù)制取冷量（冷水），即可用于建筑的空氣調(diào)節(jié)，也可用于工廠工藝介質(zhì)或設(shè)備降溫等?；厥盏蛪赫羝刹捎谜羝椭评錂C(jī)組，蒸汽型根據(jù)蒸汽壓力又可分為單效和雙效，單效型采用蒸汽壓力一般為0.1MPa（表壓），雙效型采用蒸汽壓力為0.25～0.8MPa（表壓），具體選型需要根據(jù)蒸汽參數(shù)及用戶(hù)要求進(jìn)行確定。

溴化鋰吸收式制冷機(jī)組選型及布置較為靈活，冷水管線輸送受長(zhǎng)度的影響較小，管線布置較為靈活，可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的輸送，較為適合化工企業(yè)余熱利用改造或新建項(xiàng)目；溴化鋰機(jī)組負(fù)荷可調(diào)節(jié)范圍較寬，對(duì)外界輸入蒸汽壓力變化適應(yīng)性較強(qiáng)，可以較好地適應(yīng)化工廠生產(chǎn)負(fù)荷的變化。由于受季節(jié)和用戶(hù)冷量消耗的限制，溴化鋰機(jī)組的總裝機(jī)容量一般不宜過(guò)大，因此其應(yīng)用于回收余熱量較小的生產(chǎn)企業(yè)是比較合適的，若要大量應(yīng)用，需要對(duì)全廠余熱、冷量消耗、生產(chǎn)變化、季節(jié)變化等因素綜合考慮后確定。

1.4 高壓蒸汽引射升壓

引射升壓是采用噴射器，以高壓蒸汽為動(dòng)力引射并混合低壓蒸汽，混合后二次蒸汽壓力高于被引射蒸汽壓力，達(dá)到低壓蒸汽升壓目的，但相應(yīng)損失了高壓蒸汽部分壓力。此種回收低壓蒸汽方式簡(jiǎn)單易行、較為可靠、投資較低，但高壓蒸汽系統(tǒng)需要由足夠的供汽能力以便于二次蒸汽壓力調(diào)節(jié)，當(dāng)?shù)蛪赫羝辉Ａ枯^少時(shí)，可以?xún)?yōu)先考慮此方式。若此種方式用于大量低壓蒸汽的回收，高壓蒸汽能量損失較大，能量利用不經(jīng)濟(jì)，不優(yōu)先推薦使用。

1.5 有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）余熱發(fā)電

有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）是通過(guò)低沸點(diǎn)的有機(jī)工質(zhì)（如：五氟丙烷R245fa）吸收熱能（熱源包括：蒸汽、熱水、熱煙氣等）后蒸發(fā)，蒸發(fā)后的氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入發(fā)電模塊發(fā)電，實(shí)現(xiàn)熱能到電能的轉(zhuǎn)化，做功后的有機(jī)工質(zhì)再通過(guò)冷凝單元進(jìn)行回收循環(huán)再利用。整個(gè)有機(jī)朗肯循環(huán)實(shí)現(xiàn)了將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程。與傳統(tǒng)朗肯循環(huán)（如汽輪機(jī)采用帶壓水蒸汽進(jìn)行做功發(fā)電）相比，有機(jī)郎肯循環(huán)實(shí)現(xiàn)了更低溫位熱量的回收利用，使用的領(lǐng)域更為廣闊。

目前ORC余熱發(fā)電在美日歐等國(guó)應(yīng)用較多，且技術(shù)較為成熟，可靠性較高。國(guó)內(nèi)也有較多高校及科研院所等對(duì)ORC進(jìn)行研究和應(yīng)用推廣，目前已經(jīng)有實(shí)際工程應(yīng)用并取得一定收獲，隨著ORC的應(yīng)用和推廣以及不斷的完善更新，其應(yīng)用前景廣闊。ORC余熱發(fā)電一般采用撬裝，集成度較高、輔助系統(tǒng)少、占地較小，比較適合企業(yè)余熱回收節(jié)能改造。但相比較傳統(tǒng)汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)，ORC余熱發(fā)電機(jī)組單位發(fā)電量的設(shè)備投資大、發(fā)電效率低、系統(tǒng)整體可靠性有待進(jìn)一步提高。

2 某煤化工項(xiàng)目蒸汽系統(tǒng)現(xiàn)狀及富裕低壓蒸汽利用方案選擇

2.1 某煤化工項(xiàng)目蒸汽系統(tǒng)現(xiàn)狀

北方某已投運(yùn)大型煤化工項(xiàng)目，全廠包含多個(gè)蒸汽等級(jí)，各等級(jí)蒸汽系統(tǒng)現(xiàn)狀如下：

（1）9.8MPa等級(jí)蒸汽系統(tǒng)。本等級(jí)蒸汽來(lái)自高壓燃煤鍋爐，主要用戶(hù)為抽凝汽輪發(fā)電機(jī)組、空壓機(jī)透平、合成氣壓縮機(jī)透平等，該等級(jí)蒸汽由鍋爐直接供汽，鍋爐可根據(jù)用戶(hù)需要調(diào)節(jié)供汽負(fù)荷，正常生產(chǎn)中該等級(jí)蒸汽產(chǎn)用較好的實(shí)現(xiàn)了平衡。

（2）4.2MPa等級(jí)蒸汽系統(tǒng)。本等級(jí)蒸汽來(lái)自抽凝汽輪發(fā)電機(jī)組抽汽和壓縮機(jī)透平抽汽，主要用戶(hù)為CO2壓縮機(jī)透平、氨壓縮機(jī)透平及各工藝裝置等，該等級(jí)汽源為透平抽汽，由于透平抽汽具有一定的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，正常生產(chǎn)中該等級(jí)蒸汽產(chǎn)用較好的實(shí)現(xiàn)了平衡。

（3）2.6MPa等級(jí)蒸汽系統(tǒng)。本等級(jí)蒸汽主要來(lái)自CO2壓縮機(jī)透平抽汽和工藝廢鍋副產(chǎn)蒸汽，用戶(hù)為尿素裝置等。該等級(jí)汽源中大量蒸汽來(lái)自透平抽汽，由于透平抽汽具有一定的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，正常生產(chǎn)中該等級(jí)蒸汽產(chǎn)用較好的實(shí)現(xiàn)了平衡。

（4）0.6MPa等級(jí)蒸汽系統(tǒng)。本等級(jí)蒸汽主要來(lái)自變換廢鍋及抽凝汽輪發(fā)電機(jī)組低壓抽汽等，用戶(hù)包括各工藝裝置、公用工程裝置及全廠采暖伴熱等。

正常工況下，采暖期工藝廢鍋和汽輪發(fā)電機(jī)組抽汽共同供汽，負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)由汽輪機(jī)低壓抽汽實(shí)現(xiàn)；非采暖期，采暖蒸汽消耗停止，汽輪發(fā)電機(jī)組低壓抽汽停止后，仍有約24t/h低壓飽和蒸汽富裕，由于此部分蒸汽全部來(lái)自工藝廢鍋，且廢鍋產(chǎn)汽量是由工藝裝置負(fù)荷所決定的，正常生產(chǎn)中工藝裝置負(fù)荷較為穩(wěn)定，也決定了廢鍋產(chǎn)汽負(fù)荷較差的可調(diào)節(jié)性，非采暖期富裕低壓蒸汽全部放空，損失很大，且對(duì)企業(yè)形象帶來(lái)了一定負(fù)面影響。

2.2 富裕低壓蒸汽利用方案選擇

為了解決非采暖期低壓蒸汽富裕的現(xiàn)狀，需要對(duì)回收利用方案進(jìn)行選擇并進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)狀和用戶(hù)要求，對(duì)各種方案進(jìn)行了取舍分析如下：

（1）飽和透平發(fā)電。根據(jù)富裕蒸汽量24t/h進(jìn)行計(jì)算，飽和透平發(fā)電量約2 800kW，考慮到一定的調(diào)節(jié)彈性，汽輪機(jī)組出力至少按照3 000kW選型配制，由于需要新建廠房，而現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況并不允許，且新建發(fā)電裝置面臨建設(shè)周期長(zhǎng)、投資偏高等諸多問(wèn)題，此方案暫不考慮。

（2）驅(qū)動(dòng)工業(yè)透平。由于主要工藝裝置的機(jī)泵等動(dòng)設(shè)備改造難度較大且存在風(fēng)險(xiǎn)，首先不予考慮；公用工程中可供改造的較大功率電動(dòng)泵有鍋爐給水泵和循環(huán)水泵，其中高壓鍋爐泵4臺(tái)（單臺(tái)電機(jī)功率1 400kW），正常3開(kāi)1備，由于高壓鍋爐給水泵布置在汽機(jī)房，且設(shè)備布置較為緊湊，不具備電泵改汽泵條件，難以實(shí)施，暫不予考慮。循環(huán)水站配制循環(huán)水泵9臺(tái)（單臺(tái)電機(jī)功率1 400kW），正常8開(kāi)1備，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查看，循環(huán)水泵房設(shè)備布置相對(duì)間隔距離較大，有一定空間，較利于布置和施工，且施工周期較短，比較符合企業(yè)盡快完成改造的預(yù)期，改造循環(huán)水泵屬于較優(yōu)方案。

（3）溴化鋰吸收式制冷機(jī)組?；厥盏蛪赫羝梢赃x擇蒸汽型雙效制冷機(jī)組，按照蒸汽壓力0.6MP考慮，對(duì)應(yīng)溴化鋰吸收式制冷機(jī)組單位制冷量蒸汽消耗≤1.31kg/（kW·h），初步估算24t/h低壓蒸汽至少可以輸出18 320 kW·h的制冷量，而全廠公用工程只有不到300kW·h的制冷量需求，如此多的冷量難以找到外在用戶(hù)，暫不考慮。

（4）高壓蒸汽引射升壓。由于高壓及中壓蒸汽管網(wǎng)均設(shè)置有抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組或工藝透平，可以保證較低壓力管網(wǎng)的供汽要求，并且相對(duì)于噴射器引射升壓，透平抽汽實(shí)現(xiàn)了“熱電聯(lián)產(chǎn)和熱功聯(lián)產(chǎn)”，具有較高的效率和熱經(jīng)濟(jì)性，本項(xiàng)目再考慮高壓引射已不經(jīng)濟(jì)，并且24t/h蒸汽量較大，噴射器引射升壓就更不經(jīng)濟(jì)，此方式不推薦。

（5）ORC余熱發(fā)電。由于ORC目前處于推廣應(yīng)用階段，其可靠性和穩(wěn)定性用戶(hù)較為懷疑，且其投資較高，無(wú)法達(dá)到用戶(hù)經(jīng)濟(jì)性要求。此方式也不考慮。

綜合以上分析最終確定工業(yè)透平驅(qū)動(dòng)方案，即對(duì)現(xiàn)有部分電動(dòng)循環(huán)水泵改透平驅(qū)動(dòng)。

3 某煤化工項(xiàng)目低壓飽和蒸汽利用方案介紹及效益評(píng)價(jià)

3.1 低壓飽和蒸汽回收利用方案介紹

本次需要回收利用的低壓飽和蒸汽參數(shù)如下：

表1 低壓飽和蒸汽參數(shù)：

根據(jù)計(jì)算汽耗率8.57kg/（kW·h）進(jìn)行核算，改造兩臺(tái)循環(huán)水泵（單臺(tái)功率1 400kW）才可滿(mǎn)足全部回收24t/h富裕蒸汽的要求。為謹(jǐn)慎起見(jiàn)，決定分兩期進(jìn)行改造，一期先對(duì)一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)條件較好的循環(huán)水泵進(jìn)行改造，待一期改造完成后，確認(rèn)效果較好，再改造第二臺(tái)。根據(jù)單臺(tái)循環(huán)水泵參數(shù)要求，確定一期選擇配套驅(qū)動(dòng)透平及輔機(jī)參數(shù)如下表2：

表2 透平及減速箱設(shè)備參數(shù)

本次選擇的工業(yè)透平本體結(jié)構(gòu)較為緊湊，潤(rùn)滑油箱集成在汽輪機(jī)公用底座上，輔機(jī)系統(tǒng)如凝汽系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、汽輪機(jī)進(jìn)口汽水分離器等就近布置，TSI等熱工控制系統(tǒng)布置在循環(huán)水站控制室內(nèi)，透平所需的公用工程條件全部依托現(xiàn)有循環(huán)水泵房或附近外管網(wǎng)。一期改造完成后，系統(tǒng)和機(jī)組均進(jìn)行了驗(yàn)收試驗(yàn)，結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，機(jī)組投運(yùn)后運(yùn)行穩(wěn)定，減少了富裕低壓蒸汽放空。

在一期改造的基礎(chǔ)上，二期針對(duì)第二臺(tái)改造進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮到二期改造的水泵周?chē)臻g已經(jīng)較為狹窄，為了滿(mǎn)足設(shè)備布置要求，二期決定取消射水箱和射水泵，射水抽氣器引射用水取自循環(huán)水供水母管，射水抽氣器布置在現(xiàn)有循環(huán)水吸水池蓋板上，這既保證了噴射供水的穩(wěn)定又滿(mǎn)足了布置需要，除此之外其他配置均與一期相同。

3.2 回收方案經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

通過(guò)將兩臺(tái)電動(dòng)循環(huán)水泵改造成汽動(dòng)，解決了企業(yè)因非采暖期低壓蒸汽富裕導(dǎo)致大量連續(xù)放空的問(wèn)題，避免了能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。兩期改造項(xiàng)目全部完成后，按照北方非采暖期6個(gè)月、用電費(fèi)用0.5元/度計(jì)算，每年非采暖期循環(huán)水泵房可減少用電約112萬(wàn)度，節(jié)約電費(fèi)約56萬(wàn)元，直接降低了企業(yè)運(yùn)行成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié)論

已進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行的項(xiàng)目或正在設(shè)計(jì)中的項(xiàng)目的都難免會(huì)出現(xiàn)低等級(jí)蒸汽富裕的情況，面對(duì)此問(wèn)題，企業(yè)技術(shù)管理人員和設(shè)計(jì)人員必須綜合考慮全廠實(shí)際情況及各種低壓蒸汽回收方案的特點(diǎn)，經(jīng)科學(xué)分析后確定較為可靠有效的方案，以達(dá)到“高效利用、節(jié)能降耗”的目標(biāo)，為項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文對(duì)其他等級(jí)蒸汽或余熱回收利用方案選擇均具有一定的參考價(jià)值。

[1] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].（第二版）上冊(cè)、下冊(cè).北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

Schemes Introduction and Case Analysis of SurplusLow Pressure Saturated Steam Recycling in Coal Chemical Projects

Duan Yong-hua

Because of various reasons，low pressure saturated steam is often surplus in coal chemical projects that have been put into operation or under design.Taking reasonable ways to recycling and utilize is the inevitable choice of reducing steam loss and realizing sustainable development of energy.In this paper，the schemes for recovery and utilization of low pressure saturated steam is introduced，and the actual project of transformation is analyzed，and the effect and benefit of transformation project were also evaluated.

coal chemical industry；low pressure saturated steam；recovery and utilization；benefit evaluation

TH223.121

B

1003-6490（2017）12-0010-03

2017-09-25

段永華（1983—），男，河南扶溝人，動(dòng)力工程師，主要從事熱工工藝設(shè)計(jì)工作。