曹子治

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東火電工程有限公司，廣東 廣州510663）

1 概述

輪胎生產(chǎn)屬于高能耗行業(yè)，其中生產(chǎn)過程中消耗的蒸汽約占總能耗的70%、電力約占30%[1]。蒸汽是硫化機(jī)加熱的主要介質(zhì)，為硫化機(jī)提供熱能并有效地保證硫化的質(zhì)量，硫化機(jī)消耗的蒸汽占全廠的60%-90%。

某輪胎廠有2 個(gè)硫化車間，硫化機(jī)所需蒸汽由外部供熱管道提供，經(jīng)減溫減壓閥組調(diào)節(jié)后分別進(jìn)入硫化機(jī)內(nèi)壓、外壓使用。減溫減壓閥組中的不可逆過程存在大量損失，采用透平膨脹機(jī)代替減溫減壓閥組，可大幅降低系統(tǒng)的損失[2]。故輪胎廠建設(shè)了兩套透平膨脹發(fā)電機(jī)組，用以調(diào)節(jié)蒸汽參數(shù)并利用蒸汽壓差發(fā)電，但由于轉(zhuǎn)速過低、排汽壓力波動(dòng)大等故障，一直處于停運(yùn)狀態(tài)。

本文分析了現(xiàn)有透平膨脹機(jī)組的問題，提出了改造方案，并分析了改造后的性能和收益。

2 現(xiàn)有機(jī)組問題分析

2.1 現(xiàn)有機(jī)組概況

1 號(hào)車間設(shè)兩條減溫減壓管路，每條管路分別配有內(nèi)壓減溫減壓閥組（供汽母管壓力減至1.7MPa）、外壓減溫減壓閥組（1.7MPa 減至0.9MPa）。1 號(hào)車間在2 號(hào)支路內(nèi)壓閥組前安裝一套315kW 膨脹機(jī)組，當(dāng)膨脹機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)壓閥組旁路。2 號(hào)車間設(shè)一條減溫減壓管路，安裝一套500kW 膨脹機(jī)組作為內(nèi)壓閥組旁路使用。

根據(jù)設(shè)備技術(shù)協(xié)議2 套單級(jí)膨脹機(jī)組額定進(jìn)出口蒸汽參數(shù)分別為2.2MPa/220℃、1.0MPa/180℃，其他參數(shù)見表1。

2.2 現(xiàn)有機(jī)組問題分析

問題1：技術(shù)協(xié)議參數(shù)不匹配

根據(jù)表1 中的輸出功率和透平效率計(jì)算得1#、2#膨脹機(jī)輸入功率分別為413kW 和625kW。而根據(jù)額定進(jìn)出口蒸汽參數(shù)計(jì)算得1#、2#膨脹機(jī)輸入功率分別為79kW 和98kW（僅為前者的21%和20%）。

膨脹機(jī)的調(diào)節(jié)范圍一般在70%- 120%[3]，當(dāng)輸入功率降低至20%左右時(shí)，機(jī)組必然無法穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 膨脹機(jī)組額定參數(shù)

表2 膨脹機(jī)實(shí)際輸入功率（kW）

問題2：排汽壓力不匹配

膨脹機(jī)額定排汽壓力為1.0MPa，為保證硫化機(jī)內(nèi)壓蒸汽參數(shù)，實(shí)際排汽參數(shù)不得低于1.7MPa 飽和蒸汽，則進(jìn)出口蒸汽焓差由31.6kJ/kg 降為21kJ/kg，膨脹比由2.2 降至1.29。由于焓差和膨脹比大幅降低，膨脹機(jī)無法穩(wěn)定運(yùn)行。

問題3：進(jìn)汽參數(shù)不匹配

1 號(hào)車間蒸汽母管最大流量為15t/h、平均流量為12t/h、最小流量9t/h，1#膨脹機(jī)流量為母管的50%。2 號(hào)車間蒸汽母管最大流量24t/h、平均流量為18t/h、最小流量14t/h，2#膨脹機(jī)流量為母管的100%。1# 膨脹機(jī)實(shí)際進(jìn)汽參數(shù)為2.17MPa /216.5℃/2800kJ/kg，2# 膨 脹 機(jī) 實(shí) 際 進(jìn) 汽 參 數(shù) 為 2.13MPa/231℃/2847kJ/kg。結(jié)合排汽焓值，計(jì)算得膨脹機(jī)各工況下實(shí)際輸入功率如表2 所示。

由表2 可知在平均流量下1#、2#膨脹機(jī)輸入功率僅為額定的3%和52%。

2.3 小結(jié)

由于設(shè)備選型過大，蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致膨脹機(jī)輸入功率、膨脹比遠(yuǎn)小于額定值，故機(jī)組無法穩(wěn)定運(yùn)行。1#膨脹機(jī)的蒸汽流量、進(jìn)出口焓差、膨脹比均小于額定值，平均流量時(shí)輸入功率僅為額定值的2.76%。2#膨脹機(jī)的進(jìn)出口蒸汽焓差大于額定值，但蒸汽流量、膨脹比都小于設(shè)計(jì)值，平均流量時(shí)輸入功率僅為額定值的52.3%。

3 現(xiàn)有機(jī)組改造方案

為提高輪胎廠蒸汽系統(tǒng)效率，在不影響硫化機(jī)運(yùn)行的前提下提高膨脹機(jī)發(fā)電量、減少系統(tǒng)?損失，可從以下三方面著手：

a.增加膨脹機(jī)蒸汽量，選擇合適的膨脹機(jī)組；

b.提高膨脹機(jī)進(jìn)出口蒸汽焓差；

c.提高膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組效率。

其中蒸汽焓差△h 提高空間最大，各種狀態(tài)下蒸汽焓值見圖1，可通過降低膨脹機(jī)排汽焓值來提高發(fā)電量。

圖1 各種蒸汽焓值對(duì)比

3.1 1 號(hào)車間改造方案

圖2 1 號(hào)車間改造后蒸汽系統(tǒng)圖

硫化機(jī)的蒸汽耗量內(nèi)壓占20%，外壓占80%。為提高膨脹機(jī)蒸汽流量和出入口焓差，可將膨脹機(jī)排汽改至2 號(hào)支路外壓閥組出口后，膨脹機(jī)供用所有外壓蒸汽，1 號(hào)支路供用所有內(nèi)壓蒸汽。考慮到膨脹機(jī)至硫化機(jī)管道散熱損失，排汽取3℃過熱度，改造后的蒸汽系統(tǒng)見圖2。

改造后膨脹機(jī)輸入功率增加465%，但最大流量時(shí)仍只有64kW，無合適蒸汽膨脹機(jī)，建議拆除現(xiàn)有膨脹機(jī)組，恢復(fù)系統(tǒng)原狀。

3.2 2 號(hào)車間改造方案

將膨脹機(jī)排汽改至外壓閥組后，供用所有外壓蒸汽，內(nèi)壓蒸汽仍由內(nèi)壓閥組提供，改造后的蒸汽系統(tǒng)見圖3。

圖3 2 號(hào)車間改造后蒸汽系統(tǒng)圖

改造后蒸汽流量降低18%，焓差增加26%，輸入功率增加3.3%，膨脹比由1.19 增加至2.26。改造后膨脹比到達(dá)額定值，有助于提高透平效率和穩(wěn)定性。

表3 改造后膨脹機(jī)運(yùn)行參數(shù)

4 2 號(hào)車間設(shè)備選型及收益分析

2 號(hào)車間改造后膨脹機(jī)最大輸入功率與1#膨脹機(jī)額定值相近，故可利用現(xiàn)有1#膨脹機(jī)組，亦可新建一套膨脹機(jī)組，下面將對(duì)兩種方案進(jìn)行分析對(duì)比。

4.1 新建方案

為提高效率宜新建一臺(tái)雙級(jí)膨脹機(jī)，額定流量取16.4t/h，配套400V 發(fā)電機(jī)。額定流量下膨脹機(jī)輸入功率為300kW，發(fā)電功率為216kW，發(fā)電效率約為72%。平均流量時(shí)輸入功率為額定值的90.9%。

新建一套雙級(jí)膨脹機(jī)組總投資為126.66 萬元（減去1#膨脹機(jī)組殘值）。機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)取8000h，蒸汽流量按平均流量考慮，電價(jià)按0.8 元/kWh 考慮，蒸汽按200 元/噸考慮，新建方案年收益為66.86 萬元。

4.2 利舊方案

改造后2 號(hào)車間膨脹機(jī)輸入功率為現(xiàn)有1#膨脹機(jī)額定值的109%- 63.6%，平均流量時(shí)輸入功率為額定值的81.8%，若現(xiàn)有1#膨脹機(jī)狀況良好、無質(zhì)量問題，搬遷至2 號(hào)車間后可穩(wěn)定運(yùn)行。現(xiàn)有1#機(jī)組為單級(jí)膨脹機(jī)，且平均流量時(shí)負(fù)荷率低于新建機(jī)組，因此其發(fā)電效率要大幅低于新建機(jī)組，平均流量時(shí)約為60%。

利舊方案總投資為51.12 萬元，年收益為46.26 萬元。

4.3 方案對(duì)比

新建方案、利舊方案的投資與收益對(duì)比見表4，新建方案總投資多75.54 萬元、年收益多20.6 萬元。多出部分投資的收益率為27.27%，高于資金成本，新建方案在經(jīng)濟(jì)上可行。

表4 改造方案的投資與收益

此外現(xiàn)有1#車間膨脹機(jī)組狀況不明，采用新建機(jī)組技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)更小，因此建議采用新建方案。

5 結(jié)論與建議

1 號(hào)車間蒸汽流量和焓差較小，宜拆除現(xiàn)有膨脹機(jī)組，恢復(fù)系統(tǒng)原狀。2 號(hào)車間建議新建一套額定功率216kW 的雙級(jí)膨脹機(jī)組，由膨脹機(jī)供用全部外壓蒸汽，新建機(jī)組總投資126.66萬元，收益率52.79%。