趙 韻,文培娜
(新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司,河南 獲嘉 453800)
煤氣化裝置生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的黑水,在水激冷流程氣流床煤氣化系統(tǒng)中,黑水處理單元多采用兩級(jí)或三級(jí)閃蒸工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)黑水的減壓閃蒸和細(xì)灰沉降,從而達(dá)到去除灰渣、回收熱量以及黑水再生循環(huán)利用的目的。黑水閃蒸系統(tǒng)中,由于黑水閃蒸氣夾帶大量超細(xì)煤灰,品質(zhì)很差,一般高壓閃蒸氣(簡(jiǎn)稱高閃氣)用于汽提塔,與除氧灰水逆流接觸回收熱量和部分水汽;真空閃蒸氣(簡(jiǎn)稱真閃氣)品質(zhì)十分低下,含灰量>20mg/m3,現(xiàn)行主流工藝設(shè)計(jì)均是通過(guò)真空閃蒸罐頂冷凝器用循環(huán)水對(duì)真閃氣直接冷卻降溫,真閃氣相變產(chǎn)生的氣液混合物經(jīng)分離后實(shí)現(xiàn)水汽的回收和不凝氣的放空,不僅大量的余熱未得到回收利用,而且通常運(yùn)行一段時(shí)間后真空閃蒸罐頂冷凝器還會(huì)出現(xiàn)不同程度的結(jié)垢堵塞,嚴(yán)重影響真空閃蒸系統(tǒng)的正常運(yùn)行。簡(jiǎn)言之,在水激冷流程氣流床煤氣化系統(tǒng)中,能量損耗主要是在黑水閃蒸系統(tǒng)中,因此,如何充分利用黑水閃蒸氣的余熱,成為提高煤氣化裝置能量綜合利用率、實(shí)現(xiàn)減排增效的重要手段。
某煤化工企業(yè)建設(shè)有1套300kt/a甲醇裝置,其煤氣化系統(tǒng)采用HT-L粉煤加壓氣化工藝,配置2臺(tái)750t/h的航天爐;煤氣化系統(tǒng)之渣水處理單元采用水激冷流程液態(tài)排渣及黑水兩級(jí)閃蒸工藝(高壓閃蒸+真空閃蒸),高壓閃蒸產(chǎn)生的閃蒸氣去汽提塔,高壓閃蒸罐底部的黑水減壓后排至真空閃蒸罐。正常生產(chǎn)時(shí),有約250 t/h、溫度為158℃的高壓閃蒸黑水通過(guò)真空閃蒸罐閃蒸出壓力為-0.05MPa、溫度約85℃的真閃氣25~30t/h,此真閃氣通過(guò)真空閃蒸罐頂冷凝器經(jīng)循環(huán)水降溫至45℃后排至沉降槽,即真閃氣的熱量被循環(huán)水帶走而未被有效利用。
為有效利用真閃氣的余熱,經(jīng)調(diào)研分析,該企業(yè)決定新增2臺(tái)900kW 的超低壓汽輪機(jī)組(1#汽輪機(jī)和2#汽輪機(jī)),拖動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)原有2臺(tái)長(zhǎng)期停用的高壓異步電動(dòng)機(jī)發(fā)電,發(fā)出的電能通過(guò)已有的高壓電纜和已有的高壓開(kāi)關(guān)柜直接返送至企業(yè)用電系統(tǒng),以沖減生產(chǎn)系統(tǒng)的用電量。
真閃氣余熱利用系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。在真閃氣通往原真閃冷凝器的管線上增加隔離閥,真閃氣通過(guò)新增管線進(jìn)入超低壓汽輪機(jī)組(由于真閃氣夾帶有大量的超細(xì)煤灰,且真閃氣中還含有H2S等腐蝕性氣體,因此需提前對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、速關(guān)閥等關(guān)鍵部位進(jìn)行防腐處理),汽輪機(jī)拖動(dòng)2臺(tái)高壓異步電動(dòng)機(jī)發(fā)電,汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器,凝汽器配有真空泵,凝汽器降溫采用原真閃冷凝器所用的循環(huán)冷卻水,45℃的凝結(jié)水通過(guò)凝結(jié)水泵排入沉降槽中。
圖1 真閃氣余熱利用系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖
2020年10月,真閃氣余熱利用項(xiàng)目完成技改,項(xiàng)目隨即投入試運(yùn)行,通過(guò)不斷的優(yōu)化和調(diào)整,目前基本上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行,單臺(tái)機(jī)組小時(shí)發(fā)電量達(dá)750kW·h,沖抵自用電后單臺(tái)機(jī)組小時(shí)凈發(fā)電量為600kW·h,2臺(tái)汽輪機(jī)組小時(shí)凈發(fā)電量達(dá)1200kW·h,按年運(yùn)行7200h計(jì)算,全年可實(shí)現(xiàn)利用劣質(zhì)廢熱蒸汽凈發(fā)電864×104kW·h,執(zhí)行電價(jià)按0.67元/(kW·h)計(jì)算,全年產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益為578.88萬(wàn)元??梢?jiàn),真閃氣余熱利用項(xiàng)目將原來(lái)需要消耗大量循環(huán)水冷卻的劣質(zhì)廢熱蒸汽通過(guò)能量轉(zhuǎn)換變成了可回收利用的清潔電能,不僅實(shí)現(xiàn)了煤氣化裝置的減排增效,而且緩解了真空閃蒸罐頂冷凝器長(zhǎng)期積灰堵塞無(wú)備用設(shè)備的運(yùn)行難題。
該企業(yè)的真閃氣余熱利用項(xiàng)目,利用超低壓汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)真閃氣的余熱回收利用,屬業(yè)內(nèi)首套應(yīng)用系統(tǒng),運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題,最終通過(guò)不斷的技術(shù)攻關(guān)基本上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
汽輪機(jī)原設(shè)計(jì)采用四級(jí)葉輪轉(zhuǎn)子,前三級(jí)為閉式葉輪,末級(jí)為開(kāi)式葉輪,此設(shè)計(jì)原本是為了提高蒸汽利用率,但實(shí)際運(yùn)行中存在如下問(wèn)題:1#汽輪機(jī)在調(diào)試24h后停機(jī)檢查并消缺,處理完再次恢復(fù)開(kāi)車期間,汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)大,轉(zhuǎn)速未過(guò)臨界值就出現(xiàn)振值高聯(lián)鎖跳車,反復(fù)排查仍解決不了問(wèn)題,最后停機(jī)拆缸檢查發(fā)現(xiàn)前三級(jí)葉輪裙帶積灰結(jié)垢嚴(yán)重,確認(rèn)是黑水閃蒸氣夾帶的細(xì)灰黏結(jié)在裙帶上,由于積灰不對(duì)稱和灰垢部分脫落,轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡被破壞,造成汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)異常振動(dòng)而致轉(zhuǎn)速無(wú)法過(guò)臨界值的情況發(fā)生。
這一問(wèn)題出現(xiàn)后,初期該企業(yè)采用15MPa的高壓射流水對(duì)轉(zhuǎn)子裙帶進(jìn)行沖洗,但由于裙帶傾角問(wèn)題,沖洗效果不明顯,后不得不采用人工方式對(duì)轉(zhuǎn)子裙帶進(jìn)行清理。清理后,回裝轉(zhuǎn)子進(jìn)行沖轉(zhuǎn)測(cè)試,轉(zhuǎn)速能夠順利過(guò)臨界值,但振值仍偏高,基本保持在40μm以上(跳車聯(lián)鎖值為70μm),發(fā)電機(jī)投用后振值最低降為19μm。
為徹底消除汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子裙帶積灰結(jié)垢的問(wèn)題,隨后擇機(jī)將2臺(tái)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子返廠改造,改造的主要內(nèi)容是取消前三級(jí)葉輪裙帶并重新做動(dòng)平衡。改造后,運(yùn)行測(cè)試顯示實(shí)際發(fā)電效率未見(jiàn)明顯下降,也不再發(fā)生轉(zhuǎn)子裙帶積灰結(jié)垢問(wèn)題。
汽輪機(jī)進(jìn)氣管路速關(guān)閥組合件是專門為電液保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的,主要包括供油裝置、液壓蓄能器、電磁控制閥、機(jī)械控制閥、安全溢流閥、液位計(jì)、顯示和控制儀表以及管路附件等,當(dāng)汽輪機(jī)組故障信號(hào)出現(xiàn)時(shí),速關(guān)閥油壓失壓,速關(guān)閥在0.5s內(nèi)迅速關(guān)閉,切斷進(jìn)氣,防止發(fā)生安全事故,可以最大限度地為汽輪機(jī)的正常運(yùn)行提供安全保障。
原設(shè)計(jì)汽輪機(jī)為雙進(jìn)氣管路,一路為電動(dòng)閥控制,一路為手閥控制。開(kāi)車初期,考慮到便于真閃氣氣量調(diào)控分配,主要采用電動(dòng)閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣量,手閥未投用。實(shí)際生產(chǎn)中,在2#汽輪機(jī)停機(jī)過(guò)程中速關(guān)閥發(fā)生未完全關(guān)到位的異常情況,拆檢速關(guān)閥發(fā)現(xiàn)手閥側(cè)進(jìn)氣管路和速關(guān)閥軸承處積灰嚴(yán)重,導(dǎo)致速關(guān)閥未能徹底關(guān)閉,且1#汽輪機(jī)也同樣出現(xiàn)過(guò)此種現(xiàn)象。
為解決這一問(wèn)題,采取了如下措施:一是對(duì)速關(guān)閥本體進(jìn)行改造,引0.5MPa低壓蒸汽至速關(guān)閥軸承處,運(yùn)行期間利用蒸汽吹掃速關(guān)閥軸承,避免軸承處積灰,確保速關(guān)閥動(dòng)作靈活不卡澀;二是在汽輪機(jī)運(yùn)行期間將手動(dòng)進(jìn)氣側(cè)閥門最少保持20%的開(kāi)度,確保蒸汽(真閃氣)穩(wěn)定流動(dòng),以免在進(jìn)氣管道和速關(guān)閥腔處積灰;三是定期(每10日進(jìn)行1次)開(kāi)展速關(guān)閥在線試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)2套速關(guān)翻板閥分別進(jìn)行,以確保汽輪機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。速關(guān)閥在線試驗(yàn)的具體操作為,先將一端的調(diào)節(jié)閥關(guān)閉,前手閥確認(rèn)關(guān)閉,然后降低汽輪機(jī)運(yùn)行負(fù)荷,將該端速關(guān)翻板閥用逐漸開(kāi)啟泄壓閥的方法試驗(yàn)其是否能夠關(guān)閉,若能關(guān)閉,則將泄壓閥關(guān)閉,速關(guān)翻板閥恢復(fù)正常開(kāi)啟狀態(tài),再將調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟即可;一端的試驗(yàn)完成后,對(duì)另一端進(jìn)行同樣的試驗(yàn)。需注意的是,速關(guān)閥在線試驗(yàn)時(shí),須嚴(yán)格控制發(fā)電負(fù)荷,可將超低壓蒸汽緊急放空閥打開(kāi),確保發(fā)電機(jī)組在較低負(fù)荷時(shí)完成速關(guān)閥在線試驗(yàn),防止因操作失誤引起突然跳車而對(duì)廠用電網(wǎng)造成較大沖擊。
生產(chǎn)中,1#汽輪機(jī)在氣化爐單爐停車后恢復(fù)生產(chǎn)的過(guò)程中發(fā)生跳車事故,跳車原因?yàn)闅饣癄t投煤后黑水系統(tǒng)熱負(fù)荷驟升,閃蒸氣量突變及帶水引起汽輪機(jī)組振值高聯(lián)鎖跳車,汽輪機(jī)跳車后速關(guān)閥未能徹底關(guān)閉(此時(shí)1#汽輪機(jī)速關(guān)閥和轉(zhuǎn)子尚未改造),進(jìn)而引發(fā)持續(xù)振動(dòng),導(dǎo)致潤(rùn)滑油進(jìn)油管路上就地壓力表松動(dòng)脫落,發(fā)生跑油事故,最終由于潤(rùn)滑油供給不足造成汽輪機(jī)燒瓦,且由于持續(xù)的劇烈振動(dòng),導(dǎo)致汽封損壞、轉(zhuǎn)子拉缸等設(shè)備損壞事故的發(fā)生。經(jīng)分析,本次事故的根本原因在于黑水系統(tǒng)熱負(fù)荷大幅波動(dòng)。
為避免此類事故再次發(fā)生,在超低壓汽輪機(jī)組運(yùn)行期間而遇到氣化爐單爐開(kāi)停車時(shí),機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行,同時(shí)手動(dòng)將超低壓蒸汽緊急放空閥打開(kāi),將汽輪機(jī)進(jìn)氣閥關(guān)小至15%,待氣化爐投煤升至高負(fù)荷運(yùn)行1h后,再逐步打開(kāi)汽輪機(jī)進(jìn)氣閥,觀察汽輪機(jī)振值、軸瓦溫度、繞組溫度、排氣壓力的變化,如無(wú)異常,緩慢恢復(fù)超低壓汽輪機(jī)組至正常發(fā)電負(fù)荷。
真閃氣余熱利用系統(tǒng)投運(yùn)初期,計(jì)劃將超低壓汽輪機(jī)組與原真空閃蒸系統(tǒng)同時(shí)投運(yùn),以確保汽輪機(jī)組在故障狀態(tài)下真空閃蒸系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。實(shí)際運(yùn)行中,考慮到真空閃蒸系統(tǒng)原換熱器循環(huán)水消耗及系統(tǒng)壓力對(duì)發(fā)電機(jī)功率的影響,決定停運(yùn)原真空閃蒸系統(tǒng)真空泵,若真空閃蒸系統(tǒng)的壓力和溫度未出現(xiàn)較大波動(dòng)便長(zhǎng)期停運(yùn),結(jié)果在其后的氣化爐雙爐停車欲恢復(fù)真空閃蒸系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)其換熱器已嚴(yán)重堵塞,造成真空泵不能將真空閃蒸系統(tǒng)抽至負(fù)壓狀態(tài)。因此,為防止長(zhǎng)期不投用換熱器引發(fā)堵塞,將原真空閃蒸系統(tǒng)的換熱器清洗后及時(shí)恢復(fù)投運(yùn)真空泵。
真閃氣余熱利用系統(tǒng)投運(yùn)初期,由于2臺(tái)超低壓汽輪機(jī)組處于調(diào)試階段,不能同時(shí)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,導(dǎo)致在氣化爐雙爐高負(fù)荷運(yùn)行工況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)全部真閃氣的回收,引起真空閃蒸系統(tǒng)真空度超出正常范圍,最高達(dá)到-40kPa,繼而導(dǎo)致細(xì)灰沉降系統(tǒng)水溫偏高,不利于細(xì)灰沉降,循環(huán)灰水濁度升高,給氣化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定影響。后期通過(guò)調(diào)整,2臺(tái)超低壓汽輪機(jī)組陸續(xù)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段,這一現(xiàn)象得到明顯改善。
實(shí)際生產(chǎn)中,影響超低壓汽輪機(jī)組發(fā)電負(fù)荷的因素較多,真空閃蒸系統(tǒng)壓力、溫度、組分的變化以及氣化系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量等都會(huì)引起超低壓汽輪機(jī)組發(fā)電負(fù)荷的波動(dòng)。通過(guò)分析與梳理,發(fā)現(xiàn)影響發(fā)電負(fù)荷最直接的因素是汽輪機(jī)的進(jìn)、排氣壓差,壓差越大,能量轉(zhuǎn)化越多,發(fā)電負(fù)荷越高,而影響汽輪機(jī)進(jìn)、排氣壓差的因素主要有以下幾個(gè)方面。
汽輪機(jī)凝汽器循環(huán)冷卻水的流量直接影響其真空度,循環(huán)冷卻水流量大,凝汽器冷卻效果好,汽輪機(jī)進(jìn)、排氣壓差大,真空泵負(fù)壓可以得到保障;若循環(huán)冷卻水流量不足,則真空泵負(fù)壓難以維持,汽輪機(jī)做功效率低,發(fā)電功率低。通過(guò)實(shí)際測(cè)量,目前汽輪機(jī)凝汽器循環(huán)冷卻水用量在500m3/h左右,不足以維持2臺(tái)超低壓汽輪機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行,需對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造,提升汽輪機(jī)凝汽器循環(huán)冷卻水流量。
真空閃蒸系統(tǒng)壓力是影響超低壓汽輪機(jī)組發(fā)電負(fù)荷的重要因素之一。真閃氣壓力高,汽輪機(jī)進(jìn)、排氣壓差大,汽輪機(jī)做功效率高,發(fā)電負(fù)荷就高,因此維持真空閃蒸系統(tǒng)壓力穩(wěn)定極為關(guān)鍵。原設(shè)計(jì)氣化系統(tǒng)撈渣機(jī)沉渣池低溫灰水間斷性進(jìn)真空閃蒸系統(tǒng),該股灰水溫度約45℃,其在入口與高閃黑水混合后進(jìn)入真空閃蒸系統(tǒng),會(huì)對(duì)真空閃蒸系統(tǒng)起到降壓降溫的作用,不利于真空閃蒸系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。后來(lái)通過(guò)技改,將該股灰水切回沉降槽,由此確保了真空閃蒸系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。
汽輪機(jī)排氣壓力的高低直接決定著汽輪機(jī)進(jìn)、排氣壓差,進(jìn)而影響著超低壓汽輪機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷,而汽輪機(jī)排氣壓力的高低與真空泵的運(yùn)行質(zhì)量和凝汽器的效率密切相關(guān)。為提高真空泵的運(yùn)行質(zhì)量,即提高真空泵的抽真空能力,在真空閃蒸系統(tǒng)現(xiàn)有水環(huán)式真空泵的基礎(chǔ)上串聯(lián)了1臺(tái)羅茨真空泵,投運(yùn)后凝汽器真空度從-90kPa升至-95kPa,汽輪機(jī)排氣壓力略有下降。
黑水系統(tǒng)的水循環(huán)量對(duì)超低壓汽輪機(jī)組發(fā)電負(fù)荷的影響較大。氣化爐開(kāi)車初期,由于氣化爐壓力較低,氣化爐外排的黑水需進(jìn)入壓力較低的真空閃蒸系統(tǒng)建立水循環(huán),待氣化爐壓力提升至0.5MPa后再切向高壓閃蒸系統(tǒng);在真空閃蒸系統(tǒng)建立水循環(huán)期間,若黑水系統(tǒng)水循環(huán)量較大,會(huì)造成真閃氣量減少,汽輪機(jī)組最直觀的表現(xiàn)是排氣溫度的變化,排氣溫度可以從49℃升高至79℃且波動(dòng)較大,排氣溫度升高后,現(xiàn)場(chǎng)真空泵排出氣體的溫度較高,隨之排氣壓力降低,進(jìn)而造成超低壓汽輪機(jī)組發(fā)電負(fù)荷波動(dòng)且較低。
黑水系統(tǒng)熱負(fù)荷的變化主要體現(xiàn)在氣化爐開(kāi)停車階段。氣化爐投煤后,黑水系統(tǒng)熱負(fù)荷逐漸增大,閃蒸氣量逐漸增大,汽輪機(jī)進(jìn)、排氣壓差隨之增大,超低壓汽輪機(jī)組發(fā)電負(fù)荷提升。需要注意的是,氣化爐熱負(fù)荷增大即黑水系統(tǒng)熱負(fù)荷增大時(shí),真閃氣會(huì)存在水沫夾帶現(xiàn)象,需防范其對(duì)超低壓汽輪機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行造成的影響。
黑水中溶解的不凝氣,是指與呈氣態(tài)但通過(guò)適當(dāng)改變外部條件就能冷凝的氣體相比較在一定的條件下、在某些氣體組合中不能冷凝的氣體。氣化爐排出的高溫高壓黑水中溶解有一定量的CO2、H2S、CO、H2、N2、CH4等,在兩級(jí)閃蒸過(guò)程中,這些氣體會(huì)隨真閃氣進(jìn)入超低壓汽輪機(jī)組,這些不凝氣的存在會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的排氣壓力帶來(lái)不利影響,如果真空泵的最大抽吸能力不足以抽取這些不凝氣,則超低壓汽輪機(jī)組發(fā)電負(fù)荷會(huì)下降。所以,分析計(jì)算溶解在黑水中的不凝氣量以及真空泵抽吸能力的選擇十分重要。
綜上所述,該企業(yè)針對(duì)氣化黑水處理單元真空閃蒸系統(tǒng)真閃氣(劣質(zhì)蒸汽)余熱未得到回收利用的問(wèn)題,在業(yè)內(nèi)首次采用超低壓汽輪機(jī)拖動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)發(fā)電技術(shù),實(shí)現(xiàn)了真閃氣能量的有效轉(zhuǎn)換,把原本需要通過(guò)冷卻降溫處理的劣質(zhì)蒸汽轉(zhuǎn)換成了清潔電能,既實(shí)現(xiàn)了真閃氣的資源化利用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,又達(dá)到了替代原真空閃蒸系統(tǒng)的目的(氣化系統(tǒng)故障狀態(tài)下超低壓汽輪機(jī)組與原真閃冷凝器系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急切換),提高了煤氣化裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性,項(xiàng)目的成功實(shí)施起到了很好的示范效應(yīng),在業(yè)內(nèi)極具推廣應(yīng)用價(jià)值。