魏宏博

( 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

近幾年，我國(guó)現(xiàn)代煤化工行業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛，煤制油、煤制烯烴及其衍生物、煤制天然氣、煤制甲醇、煤制乙二醇等一批煤基化學(xué)品和燃料的示范項(xiàng)目陸續(xù)建設(shè)和投產(chǎn)。2005 年至2019 年，上報(bào)國(guó)家環(huán)保部審查批準(zhǔn)的大型煤化工項(xiàng)目達(dá)27 個(gè)，總投資約3 000 億元，各地方政府審批的項(xiàng)目更多。目前，我國(guó)煤化工行業(yè)正由傳統(tǒng)的煤化工向現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型過(guò)程中，以往傳統(tǒng)的煤化工行業(yè)在生產(chǎn)的過(guò)程中，耗能巨大，關(guān)鍵是能源利用率不高，造成了大量的資源浪費(fèi)。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排要求的加強(qiáng)以及現(xiàn)代煤化工行業(yè)發(fā)展需要，煤化工企業(yè)越來(lái)越重視各環(huán)節(jié)的節(jié)能。

煤化工動(dòng)力站是一般是“以汽定電”的原則配置，以保證化工裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，一般配套多臺(tái)中小型鍋爐及抽凝式或抽背式汽輪發(fā)電機(jī)組。汽水系統(tǒng)均采用母管制，這種配置方案靈活，系統(tǒng)可靠性高，但其熱效率相對(duì)高參數(shù)、大機(jī)組熱效率也較低，故研究煤化工動(dòng)力站的輔助系統(tǒng)設(shè)備配置，提高動(dòng)力站能源利用率，降低能耗，從而提高其經(jīng)濟(jì)性非常必要。

電動(dòng)給水泵由于其系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)備可靠性高，啟停靈活，投資小等特點(diǎn)，大多數(shù)的煤化工項(xiàng)目動(dòng)力站中采用電動(dòng)給水泵[1-2]。隨著各企業(yè)對(duì)節(jié)能減排的重視，各電站企業(yè)在研究如何降低廠用電，在一些高壓供熱機(jī)組中采用汽輪機(jī)的中壓抽汽來(lái)驅(qū)動(dòng)給水泵汽輪機(jī)，給水泵的汽輪機(jī)排汽再供除氧器用汽，這種由汽動(dòng)給水泵替代電動(dòng)給水泵的方案優(yōu)化在最新版的GB50049—2011《小型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》中就有體現(xiàn)[3]。

1 煤化工動(dòng)力站采用汽動(dòng)給水泵方案分析

1.1 某煤化工動(dòng)力站工程簡(jiǎn)介

本文以某100 萬(wàn)t/a 焦?fàn)t煤氣制甲醇項(xiàng)目動(dòng)力站工程為例進(jìn)行汽動(dòng)給水泵替代電動(dòng)給水泵方案的探討和分析。該動(dòng)力站規(guī)劃4 臺(tái)420 t/h 循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐出口蒸汽參數(shù)為9.8 MPa/540℃；1 臺(tái)20 MW 抽汽背壓式汽輪機(jī)，其抽汽參數(shù)為4.2 MPa，排汽壓力為1.27 MPa；2 臺(tái)25 MW 的抽汽背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組，其抽汽參數(shù)為4.2 MPa，排汽壓力為0.69 MPa；全廠設(shè)4 個(gè)壓力等級(jí)的蒸汽母管，分別為9.8 MPa、4.2 MPa、1.27 MPa、0.69 MPa 等級(jí)。

1.2 鍋爐給水泵汽輪機(jī)選型

根據(jù)該工程鍋爐參數(shù)及汽輪機(jī)組的抽汽、排汽參數(shù)，給水泵汽輪機(jī)方案可選擇背壓式機(jī)也可選用凝汽式機(jī)，現(xiàn)對(duì)兩種方案進(jìn)行比較，如表1 所示。

表1 兩種給水泵汽輪機(jī)方案比較表

通過(guò)以上兩種方案對(duì)比，考慮到凝汽式汽輪機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，需要凝汽設(shè)備等，投資相應(yīng)也大，本工程化工項(xiàng)目具有穩(wěn)定的蒸汽負(fù)荷需求，給水泵汽輪機(jī)可以選用背壓式，這種方案不僅系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資相對(duì)也較小，關(guān)鍵是其排汽可以用于全廠供熱，無(wú)冷源損失，能源利用率高。

1.3 給水泵汽輪機(jī)汽源選擇

關(guān)于給水泵汽輪機(jī)汽源的選擇，選用汽輪機(jī)的抽汽無(wú)疑是最經(jīng)濟(jì)的方案，其關(guān)鍵是如何確定抽汽壓力。對(duì)于本工程選擇4.2 MPa 等級(jí)抽汽還是選擇1.27 MPa 等級(jí)抽汽，從可行性分析，兩種方案均是可行的，但選擇4.2 MPa 等級(jí)蒸汽比選擇1.27 MPa 等級(jí)小汽輪機(jī)需要的蒸汽流量就小一些，有利于管道選擇及布置，也有利于給水泵汽輪機(jī)選型及布置。考慮以上因素后還需根據(jù)全廠用汽負(fù)荷進(jìn)行全廠的蒸汽平衡計(jì)算，才能最終確定合理的鍋爐給水泵汽輪機(jī)汽源。

本工程給水泵汽輪機(jī)的汽源采用汽輪機(jī)的中壓抽汽即4.2 MPa 的參數(shù)，排汽采用0.69 MPa等級(jí)參數(shù)，動(dòng)力站熱平衡圖，如圖1 所示。

圖1 某100萬(wàn)t/a焦?fàn)t煤氣制甲醇項(xiàng)目動(dòng)力站熱平衡圖

2 汽動(dòng)給水泵方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 投資比較

給水泵采用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，相對(duì)電動(dòng)給水泵方案，就是用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵替代電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，給水泵功率及造價(jià)基本相當(dāng)，對(duì)兩種方案的投資進(jìn)行比較，如表2 所示。

表2 汽動(dòng)給水泵與電動(dòng)給水泵方案投資比較表 萬(wàn)元

由表2 可以看出汽動(dòng)給水泵方案較電動(dòng)給水泵方案投資增加約220 萬(wàn)元。

按平均年限法計(jì)算設(shè)備年折舊率，將增加的投資按設(shè)備年折舊率分?jǐn)偟筋A(yù)計(jì)使用壽命期，以此計(jì)算采用汽動(dòng)給水泵方案投資增加分?jǐn)偟矫磕甑馁M(fèi)用。設(shè)備年折舊率按下式(1)計(jì)算。

式中：殘值率取5%，預(yù)計(jì)使用壽命按15 a計(jì)算，則計(jì)算得設(shè)備年折舊率約為6.33%，按設(shè)備年折舊率將增加投資分?jǐn)偟筋A(yù)計(jì)使用壽命期，則每年分?jǐn)傎M(fèi)用約為14 萬(wàn)元。

2.2 廠用電計(jì)算

汽動(dòng)給水泵替代電動(dòng)給水泵方案，減少的廠用電是電動(dòng)給水泵的耗電量，計(jì)算電動(dòng)給水泵的耗電量就需先計(jì)算給水泵功率。

2.2.1 給水泵軸功率計(jì)算給水泵是將除氧器水箱的水輸送至鍋爐汽包，其中克服設(shè)備阻力、沿程管道管件阻力等，給水泵的揚(yáng)程為以下各項(xiàng)之和：從除氧器水箱出口到省煤器進(jìn)口介質(zhì)流動(dòng)總阻力，另加20%裕量，汽包水位與除氧器水位間的水柱靜壓差，鍋爐最大聯(lián)系蒸發(fā)量時(shí)的省煤器入口給水壓力，除氧器額定工作壓力(取負(fù)值)[3]。給水泵軸功率可按式(2)進(jìn)行計(jì)算。

式中：N為給水泵軸功率，kW；ρ為給水的密度，kg/m3；g為重力系數(shù)，取9.8 N/kg；H為給水泵的揚(yáng)程，m；Q為給水的流量，m3/s；η為給水泵的效率，%。

根據(jù)本工程數(shù)據(jù)，按式(2)計(jì)算得額定工況下給水泵的軸功率為2 140 kW。

2.2.2 給水泵用電量計(jì)算

給水泵廠家提供的給水泵運(yùn)行效率曲線，如圖2 所示。

圖2 給水泵運(yùn)行效率曲線

由圖2 可以看出，給水泵效率隨負(fù)荷降低而減小，我們計(jì)算電動(dòng)給水泵耗電量就需要按不同運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算。煤化工行業(yè)熱負(fù)荷常年相對(duì)穩(wěn)定，本工程機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)按8 000 h，我們?cè)诖思俣ńo水泵運(yùn)行負(fù)荷及運(yùn)行時(shí)間，假定在60%負(fù)荷工況運(yùn)行500 h，在70%負(fù)荷工況運(yùn)行1 000 h，在80%負(fù)荷工況運(yùn)行1 500 h，在90%負(fù)荷工況運(yùn)行3 000 h，在100%負(fù)荷工況運(yùn)行2 000 h，給水泵全年耗電量計(jì)算數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率及耗電量計(jì)算數(shù)據(jù)表

由表3 可以看出，采用1 臺(tái)汽動(dòng)給水泵替代電動(dòng)給水泵后每年可減少?gòu)S用電耗電量約1 621×104kWh ，動(dòng)力站機(jī)組選型是“以汽定電”，動(dòng)力站配置發(fā)電機(jī)組供全廠用電，不足電量需從電網(wǎng)購(gòu)電，按當(dāng)?shù)毓I(yè)電價(jià)0.53 元/kWh 計(jì)算，每年可為企業(yè)節(jié)約電費(fèi)支出859 萬(wàn)元。

2.3 動(dòng)力站鍋爐煤耗量計(jì)算

采用汽動(dòng)給水泵替代電動(dòng)給水泵，節(jié)約了廠用電，但消耗了汽輪機(jī)抽汽，在汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電量不變的條件下，汽輪機(jī)主蒸汽需要增加，鍋爐蒸發(fā)量就需要增加，其耗煤量也相應(yīng)增加，在此進(jìn)行鍋爐耗煤量的計(jì)算。

2.3.1 采用汽動(dòng)給水泵主蒸汽流量計(jì)算首先計(jì)算給水泵汽輪機(jī)的蒸汽流量，在此進(jìn)行簡(jiǎn)化，按給水泵汽輪機(jī)的效率進(jìn)行測(cè)算，可按下式(3)進(jìn)行計(jì)算。

式中：PT為給水泵汽輪機(jī)的功率，kW；QT為給水泵汽輪機(jī)的蒸汽流量，kg/s；H0為給水泵汽輪機(jī)的有效焓降，kJ/kg；ηT為給水泵汽輪機(jī)效率，%。

給水泵汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)為大汽輪機(jī)的抽汽，蒸汽參數(shù)為4.2 MPa/440℃，排汽參數(shù)與0.69 MPa 排汽的汽輪機(jī)的排汽參數(shù)一致，即0.69 MPa/260℃，給水泵汽輪機(jī)效率按80%，從式(3)可以推算出給水泵汽輪機(jī)的蒸汽流量QT為27 t/h。

對(duì)于動(dòng)力站汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，在發(fā)電量不變情況下，增加抽汽量，其進(jìn)汽量也需增加，以0.69 MPa背壓機(jī)為例，根據(jù)汽輪機(jī)廠的熱平衡，可知該汽輪機(jī)的效率為91.7%，我們按式(3)可以推算如維持汽輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量不變，則需增加主蒸汽流量為18 t/h，其相應(yīng)增加的排汽用于全廠供熱。

2.3.2 采用汽動(dòng)給水泵鍋爐煤耗量計(jì)算

主蒸汽流量增加，則全廠的鍋爐煤耗增加，鍋爐標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加量可按式(4)進(jìn)行計(jì)算。

式中：δBi為鍋爐標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加量，t/h；Qi為鍋爐增加的主蒸汽流量，t/h；Hb為增加主蒸汽的有效焓降，kJ/kg；29 307.6 為標(biāo)煤的熱值，kJ/kg；ηb為鍋爐效率，本工程為循環(huán)流化床鍋爐，效率按92%計(jì)算。

根據(jù)式(4)計(jì)算可得：采用汽動(dòng)給水泵方案，鍋爐標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加量為0.36 t/h。

標(biāo)煤價(jià)格按450 元/t，全年運(yùn)行小時(shí)按8 000 h，則每年煤耗增加費(fèi)用約為130 萬(wàn)元。

由于該工程給水泵汽輪機(jī)選用背壓式方案，背壓式汽輪機(jī)對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較差，當(dāng)?shù)拓?fù)荷運(yùn)行時(shí)，其效率下降，排汽溫度也會(huì)升高，經(jīng)濟(jì)性變差，故本工程在給水泵配置選型時(shí)未推薦全部給水泵采用汽動(dòng)方案，建議采用1 ～2 臺(tái)給水泵選用汽動(dòng)方案，其它給水泵選用電動(dòng)調(diào)速給水泵方案。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，汽動(dòng)給水泵帶基礎(chǔ)負(fù)荷，用帶變頻或液力耦合器調(diào)速給水泵來(lái)進(jìn)行鍋爐變負(fù)荷工況給水量調(diào)節(jié)。其次，本工程鍋爐為定壓運(yùn)行，鍋爐在60%～100%負(fù)荷之間鍋爐的效率為91%～92%，變化不大，故鍋爐煤耗量計(jì)算時(shí)未考慮機(jī)組各種運(yùn)行負(fù)荷下的變工況。

3 節(jié)能減排測(cè)算

本工程采用1 臺(tái)汽動(dòng)給水泵替代電動(dòng)給水泵方案后，機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)按8 000 h 計(jì)算，則每年可以節(jié)約廠用電消耗約1 621×104kWh，這樣企業(yè)每年從電網(wǎng)少購(gòu)電1 621×104kWh。以當(dāng)?shù)匕l(fā)電煤耗水平320 g/kWh 進(jìn)行測(cè)算，采用電動(dòng)給水泵方案少購(gòu)電量消耗當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)煤耗量約為0.65 t/h，而采用汽動(dòng)給水泵方案替代電動(dòng)給水泵方案后動(dòng)力站增加的煤耗約為0.36 t/h，則節(jié)約的煤耗約為0.29 t/h，全年運(yùn)行小時(shí)按8 000 h，每年可節(jié)約煤炭消耗約0.232 萬(wàn)t，同時(shí)減少了煤燃燒后污染物的排放，具有明顯的節(jié)能減排效果。

4 結(jié)論

1)本文以某100 萬(wàn)t/a 焦?fàn)t煤氣制甲醇項(xiàng)目動(dòng)力站為例，對(duì)其給水泵驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了分析，分析表明在有穩(wěn)定用汽負(fù)荷時(shí)，煤化工動(dòng)力站宜采用背壓式汽動(dòng)給水泵。

2)采用背壓式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵替代電動(dòng)給水泵具有較好的經(jīng)濟(jì)性和顯著的節(jié)能減排效果。對(duì)該工程而言，如采用1 臺(tái)汽動(dòng)給水泵替代電動(dòng)給水泵方案，投資增加約220 萬(wàn)元，將增加費(fèi)用按設(shè)備折舊率分?jǐn)偟皆O(shè)備壽命周期，每年分?jǐn)傎M(fèi)用約為14 萬(wàn)元；廠用電消耗降低約1 621×104kWh，每年可節(jié)約電費(fèi)約859 萬(wàn)元；當(dāng)發(fā)電機(jī)組出力不變時(shí)，則標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加0.36 t/h，每年增加煤耗的費(fèi)用約為130 萬(wàn)元；這樣，每年可為企業(yè)帶來(lái)約715 萬(wàn)元的收益。動(dòng)力站為熱電聯(lián)產(chǎn)，發(fā)電煤耗遠(yuǎn)低于當(dāng)?shù)匕l(fā)電煤耗水平，按1 臺(tái)電動(dòng)給水泵的年耗電量折算后每年可減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗約0.232 萬(wàn)t 及其燃燒后污染物的排放。