楊衛(wèi)東 高 軍 范昌海 田俊凱*

1 浙江衛(wèi)星石化股份有限公司 （浙江嘉興 314000）

2 浙江衛(wèi)星能源有限公司 （浙江嘉興 314000）

化工自動化連續(xù)生產中的三大動力指電動機、蒸汽輪機（蒸汽透平）、燃氣輪機（燃氣透平）。電機應用最為常見、應用范圍最廣、操作最簡單，但對于驅動大型壓縮機而言，電機抗電網晃電能力最弱；蒸汽透平是目前最常見的大型壓縮機驅動力，尤其在乙烯、丙烯制備，原料油重整、裂化等反應中。蒸汽透平操作相對簡單、平穩(wěn)，在保證蒸汽品質的前提下可以連續(xù)運行3～5 年，甚至更長時間。蒸汽透平發(fā)展歷史悠久，積累的經驗最為豐富，從運行成本、安全系數等方面來看，是目前大型壓縮機驅動力的首選。

燃氣輪機的發(fā)展可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)之前，其在航空航天發(fā)動機方面得到很好的應用。近年來，燃氣輪機在發(fā)電行業(yè)發(fā)展勢頭很快，但在化工領域的應用屈指可數[1]。燃料氣直接轉化為動力是最節(jié)能的應用方式，理論上，燃氣輪機在化工自動化連續(xù)生產中運行成本最低，但并未得到廣泛應用，原因在于燃氣輪機操作難度高，環(huán)境溫度高時效率下降，空氣質量影響壓氣機效率等。在荷蘭等歐美發(fā)達國家，為了更好地優(yōu)化燃氣資源，已經有50%以上的化工企業(yè)安裝燃氣輪機[2]。燃氣輪機在中國的發(fā)展和應用推廣較晚，加上進口設備價格高昂，其在化工領域的應用更是少見。伴隨著能源結構的變化[3]，國家對能耗指標要求越來越高，人們對環(huán)境日益重視，燃氣輪機在化工領域的市場前景十分廣闊。

對燃氣輪機在化工領域的應用進行討論分析，通過在丙烷脫氫行業(yè)燃氣輪機、電機、蒸汽輪機的應用對比，發(fā)現燃氣輪機的運行能耗最低，對目前國內發(fā)展方興未艾的輕烴脫氫的設計具有一定指導意義。通過對燃氣輪機空氣過濾系統(tǒng)、空氣冷卻系統(tǒng)的技術升級，實現了燃氣輪機在化工連續(xù)化生產中的長周期運行。

1 燃氣輪機綜述

燃氣輪機依據負荷一般分為重型燃氣輪機、輕型燃氣輪機和微型燃氣輪機。重型燃氣輪機主要應用在發(fā)電、航母等機械驅動領域，輕型燃氣輪機主要應用于飛機、化工生產等驅動領域，微型燃氣輪機主要分布于家庭發(fā)電、移動式發(fā)電、化工生產等領域。當前，美國通用電氣公司（GE）的工業(yè)燃氣輪機處于世界領先地位，德國西門子燃氣輪機以其低NOx的先進控制系統(tǒng)正加速發(fā)展，日本（三菱）、英國、法國、俄羅斯、中國等在燃氣輪機方面都取得突破性進展。

在能源發(fā)電領域，國內外逐步注重節(jié)能減排和能源供給安全。美國、日本、韓國和歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)已經逐步增加天然氣的發(fā)電份額，裝機容量占比越來越高，其中美國42%、英國42%、韓國27%；中國目前還處于天然氣發(fā)電的起步階段。

燃氣輪機通常由空氣壓縮機、燃燒室、動力透平、排氣組成，動力透平可選擇發(fā)電機、壓縮機等作為驅動力。輕型和微型燃氣輪機可靠性高、運行成本低、NOx排放低、啟動快速、消耗水量低，廣泛應用于電力組網發(fā)電調整、居家發(fā)電、野外發(fā)電，化工、能源等領域。下面著重介紹在化工生產領域的應用。

2 燃氣輪機在化工自動化連續(xù)生產裝置中的應用

2.1 壓縮機驅動和天然氣運輸

北京化學工業(yè)集團有限責任公司（原北京市氧氣廠）液化天然氣綠色奧運項目，選用天然氣作為燃料，以燃氣輪機來驅動制冷壓縮機，省去蒸汽輪機需要的大量輔助設施，余熱還可以發(fā)蒸汽，鍋爐熱水在冬季用于城市供暖。西氣東輸工程是我國一項重要的民生工程，是我國能源管道的代表工程，也是目前燃氣輪機大規(guī)模服役的項目。目前，西氣東輸沿線裝機了115 套燃氣輪機，其中，通用電氣公司PGT25+系列71 套，羅爾斯- 羅伊斯公司RB211 系列39套，中船重工 703 所國產燃氣輪機 5 套[5]。2006 年運行至今，燃氣輪機在西氣東輸中發(fā)揮了核心驅動作用，有效保障天然氣的平穩(wěn)輸送。

2.2 合成氨領域

20 世紀80 年代，中原化肥廠首次在合成氨裝置中使用燃氣輪機驅動工藝空氣壓縮機，至今已經運行30 多年。國內幾套新引進的大氮肥裝置，例如海南富島復合肥有限公司一期/二期項目、中國石油天然氣股份有限公司烏魯木齊石化分公司化肥廠、四川省合江縣化肥廠、錦西化肥廠、重慶建峰化工股份有限公司一期/二期項目等，都采用燃氣輪機驅動空氣壓縮機。國內對于燃氣輪機驅動空氣壓縮機已經累積了很多運行經驗，在節(jié)能環(huán)保方面取得顯著效果。合成氨裝置燃氣輪機煙氣的余熱利用主要有兩種方式：（1）利用13%～15%的過剩氧作為加熱爐的燃燒氣體；（2）利用補燃技術加熱鍋爐形成蒸汽，蒸汽作為其他驅動力[6]。

2.3 輕烴脫氫領域

燃氣輪機在石油化工領域用途廣泛、潛力較大。目前主要應用包括：建立聯合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電，保障化工廠區(qū)電力安全；作為驅動力直接驅動壓縮機；作為驅動力直接驅動泵。燃氣輪機的尾氣余熱，大部分化工裝置可直接作為熱源加熱工藝氣體，這樣可以提高燃氣輪機的效率與加熱爐的綜合熱效率，避免化工生產中能量多次轉化的效能損失。

乙烯、丙烯是國家戰(zhàn)略物質，輕烴脫氫是當下石油化工領域研究最多的工藝，未來競爭中成本優(yōu)勢、環(huán)保優(yōu)勢是根本。國內第一套魯姆斯技術丙烷脫氫（PDH）裝置（天津渤化石化有限公司）的催化劑再生空氣壓縮機利用兩臺燃氣輪機直接驅動壓縮機，以天然氣為原料，在降本增效方面發(fā)揮了重要作用；國內第一套UOP 技術PDH 裝置（浙江衛(wèi)星能源有限公司）產品氣壓縮機以燃氣輪機作為驅動力，以丙烷的副產碳二為主要燃料，運行成本低于同行業(yè)的運行成本，二期項目依然選擇燃氣輪機作為驅動力。

2.4 燃氣輪機經濟指標分析

以45 萬t/a PDH 裝置為例，比較燃氣輪機、蒸汽輪機、電機作為產品氣壓縮機驅動力的經濟指標。裝置的主要燃料來源是副產氫氣、脫乙塔碳二、脫丙烷塔碳三，上述燃料不足時外輸天然氣/丙烷。對比分析中，僅假設產品氣壓縮的驅動力不同，其他后續(xù)工藝相同。其分離系統(tǒng)碳二可以直接作為燃氣輪機的燃料，設計指標如表1 所示。其中：噸產品損失0.196 t 脫鹽水[7]，補水脫鹽水自產，價格為 10 元 /t；電費均價0.67 元/（kW·h）；燃氣輪機燃料輸入均價3 300 元 /t，燃料外輸 3 000 元 /t；循環(huán)水 0.3 元 /t；1 t蒸汽需要90 m3天然氣，天然氣價格按照2.7 元/m3折算。

表1 3 種驅動力設計指標

按年運行8 000 h 計算，年度運行成本如表2 所示。用燃氣輪機比蒸汽輪機節(jié)約8 300 余萬元，電機比蒸汽輪機節(jié)約5 538 萬元，這是建立在鍋爐以天然氣和丙烷脫氫裝置副產氣體為燃料的基礎上，如果有燃煤能耗指標，結果會不同。從操作穩(wěn)定性看，蒸汽輪機相對最穩(wěn)定，燃氣輪機投資最高。如果靠近裝置發(fā)電廠，電力價格可降到0.53 元/（kW·h），則電機運行成本低于燃氣輪機。如果選擇的工程園區(qū)沒有完善的蒸汽、電力系統(tǒng)、PDH 副產物、碳二，副氫，LPG 又沒有很好的下游，那么綜合考慮，選擇燃氣輪機是最合適的方案。如果裝置缺少水源，那么電機和燃氣輪機也是較佳選擇。

表2 3 種驅動力運行費用對比

3 燃氣輪機長周期運行技術升級

3.1 溫度對燃氣輪機效率的影響

燃氣輪機效率隨溫度升高而下降，夏季溫度高于35 ℃后，效率下降比較明顯；冬季溫度低于5 ℃及濕度大于85%時，入口過濾器存在結冰問題，下雪時也可能造成吸風口結冰堵塞，影響風道進氣量，造成非計劃停車[8]。根據專利208816238U[9]對燃氣輪機空氣系統(tǒng)進行技術升級，實現了夏季降溫保效率和冬季升溫防結冰，解除了其在連續(xù)生產中的限制。

3.2 空氣過濾系統(tǒng)

空氣質量對壓氣機的效率影響直觀，為減少結垢，空氣過濾器在線更換可有效保證燃氣輪機的長周期運行。壓氣機效率下降1%，導致機組效率下降1.8%[10]；燃氣輪機設計中，壓氣機效率下降1.5%時，需進行離線清洗，制約了化工裝置的連續(xù)長周期運行。根據專利208564776U[11]，結合空氣質量，改造入口過濾器，實現了裝置長周期連續(xù)運行。更換一次濾芯花費30 萬元，而避免一次離線清洗可節(jié)約800 萬元。

經過上述兩項技術升級改造，解決了困擾燃氣輪機在化工裝置中應用的難題，實現了其長周期運行，實現真正意義上的從設計到運行的節(jié)能降耗。

4 結論

隨著國家對能源結構越來越重視，燃氣輪機裝機容量將越來越大，用途不再局限于發(fā)電，更多地直接作為驅動力驅動壓縮機。在化工連續(xù)化生產中，燃氣輪機的配備使運行成本大幅降低。解決了高溫和結冰對燃氣輪機長周期運行的影響，避免非計劃停車；空氣過濾系統(tǒng)的升級改造，有效過濾粉塵，增加燃氣輪機在線時長。改造后，燃氣輪機可滿足化工連續(xù)化長周期運行的要求，真正實現降本增效。