利用水力透平回收中壓汽提冷凝液壓力能的探討

胡祥基

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川，成都，610065）

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利用水力透平回收中壓汽提冷凝液壓力能的探討

胡祥基

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川，成都，610065）

合成氨裝置中壓汽提塔出口冷凝液通過(guò)閥門節(jié)流減壓，存在能量浪費(fèi)現(xiàn)象。針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行能量損失計(jì)算，提出回收利用冷凝液壓力能的設(shè)想，并進(jìn)行投資效益論證。

中壓汽提；壓力能；水力透平

化工生產(chǎn)過(guò)程中，高壓流體時(shí)常通過(guò)節(jié)流孔板、異徑管等減壓器，降壓至下游工段所需壓力，存在能量的浪費(fèi)。合成氨裝置高壓介質(zhì)節(jié)流降壓情況較多，如脫碳富液、中壓汽提冷凝液等，其中脫碳富液壓力能實(shí)現(xiàn)了回收利用，本文就中壓汽提冷凝液壓力能回收利用進(jìn)行分析。

1 中壓汽提工藝流程

云南水富云天化有限公司合成氨裝置是1974年從美國(guó)成套引進(jìn)設(shè)備建成的大型合成氨裝置，經(jīng)歷3次大型技術(shù)改造后，合成氨產(chǎn)能由原設(shè)計(jì)30萬(wàn)t／a提升到45萬(wàn)t／a。［1］其中壓汽提工藝流程見(jiàn)圖1。

合成工藝?yán)淠禾幚硐到y(tǒng)150－E是2002年增產(chǎn)擴(kuò)能改造時(shí)新增的環(huán)保裝置，主要對(duì)脫碳系統(tǒng)102－F來(lái)的工藝?yán)淠哼M(jìn)行處理回收利用。從102－F來(lái)的冷凝液溫度70℃，流量62t／h，經(jīng)150－E進(jìn)出口冷凝液換熱器188－C1／C2／C3預(yù)熱后進(jìn)入150－E頂部，在中壓冷凝液汽提塔150－E中，工藝?yán)淠号c逆流的中壓蒸汽接觸，使得液體中的有機(jī)物被汽提，汽提后3.4MPa、245℃的冷凝液經(jīng)過(guò)150－E進(jìn)出口冷凝液換熱器188－C1／C2／C3換熱后，經(jīng)LIC－30減壓至0.5MPa進(jìn)入174－CA／CB冷卻至40℃，然后送脫鹽清水箱。［2］

2 利用水力透平回收冷凝液壓力能的方案

150－E出口3.4MPa的冷凝液直接用閥門減壓，一是存在能量的損失，二是造成對(duì)閥門的沖刷使閥芯損壞，維護(hù)費(fèi)用高，若能利用水力透平回收其壓力能驅(qū)動(dòng)合成氨機(jī)泵，即可達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

圖1 中壓汽提工藝流程簡(jiǎn)圖Figure 1 Medium pressure stripping process diagram

2.1 回收壓力能最大功率計(jì)算

150－E出口冷凝液流量62t／h、溫度80℃、壓力3.4MPa，經(jīng)過(guò)LIC－30節(jié)流減壓至0.5MPa，80℃水的密度為972kg／m3，則根據(jù)流體連續(xù)性方程［3］得：

式（1）中：Z1、Z2分別是透平進(jìn)出口水平高度；P1、P2分別是透平進(jìn)出口介質(zhì)壓力；∑hf為流體經(jīng)過(guò)閥門損失的能量，J／kg；U1、U2分別是進(jìn)出口流體速度。

流道面積視為相同，則U1＝U2；

進(jìn)出口位置高度相等，則Z1＝Z2；

帶入以上數(shù)據(jù)統(tǒng)一量綱后得：

式（2）中Ne為損失的總功率；Ws為冷凝液的質(zhì)量流量，kg／s。

＝2926 J／kg×17.22 kg／s＝50.38 kW

水力透平工作效率取0.8（根據(jù)設(shè)計(jì)廠家數(shù)據(jù)）［4］；

實(shí)際輸出軸功率Pt＝50.38×0.8＝40.3 kW

2.2 回收壓力能的利用方式

2.2.1 驅(qū)動(dòng)脫氧槽給水泵

根據(jù)2.1計(jì)算，回收冷凝液壓力能的水力透平最大輸出軸功率為40.3 kW，此功率與合成界內(nèi)脫氧槽給水泵功率37 kW相匹配，因此可以用水力透平驅(qū)動(dòng)脫氧槽給水泵。從輸出功率、現(xiàn)場(chǎng)安裝等綜合因素考慮，增設(shè)2004－JHT比較適合。增設(shè)水力透平回收壓力能驅(qū)動(dòng)給水泵的示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 增設(shè)水力透平回收壓力能示意圖Figure 2 Scheme of additional pressure hydraulic turbine energy recovery

2.2.2 新增水力透平泵打量

新增水力透平驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)化脫氧槽給水泵，水溫為40℃，要求泵出口壓力在0.5MPa，新增泵屬于低揚(yáng)程，高流量，效率η選60%，出口管徑為150 mm，出口水速取1.5 m／s，經(jīng)過(guò)泵加壓后的水溫度、密度視為不變，則由流體連續(xù)性方程得：

式中：Z3、Z4分別是水泵進(jìn)出口水平高度；P3、P4分別是泵進(jìn)出口介質(zhì)壓力；Z3、Z4分別是泵進(jìn)出口水平高度；ρ1是40℃脫鹽水密度，992 kg／m3，Δh為泵傳遞給流體能量，J／kg。

流道面積視為相同則U3＝U4；

進(jìn)出口位置高度相等則Z3＝Z4；

（3）中代入數(shù)據(jù)得：

式（4）中η是效率系數(shù)［4］；Pe是泵對(duì)流體做的有效功。

將數(shù)據(jù)帶入式（5）得

目前合成滿負(fù)荷脫氧槽給水量約140 t／h，現(xiàn)2004－JB最大給水量約200t／h，增設(shè)水力透平驅(qū)動(dòng)2004－JC能滿足工藝要求。

2.3 增設(shè)給水水力透平泵后運(yùn)行方式

2004－JHT設(shè)置150－E低液位聯(lián)鎖和脫扣聯(lián)鎖，以保護(hù)水力透平。正常生產(chǎn)中若透平跳車，150－E液位由LIC－30B控制。崗位立即啟動(dòng)2004－JA／B，保證脫氧槽給水量。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

新增水力透平驅(qū)動(dòng)脫氧槽給水泵后，電機(jī)泵停運(yùn)，按節(jié)約電費(fèi)進(jìn)行效益計(jì)算。2004－JB電機(jī)額定功率37 kW，電費(fèi)按0.4元／kW.h計(jì)，一年按300天運(yùn)行，則一年可節(jié)約電費(fèi)：300×24×37× 0.4＝10.7萬(wàn)元。

3.2 投資預(yù)算

設(shè)備投資清單見(jiàn)表1，新增LIC－30B閥和前后兩閘閥可以通過(guò)利用老甲醇閑置廢舊閥門，降低投資費(fèi)用。

表1 新增投資材料清單和費(fèi)用Table 1 Lists and costs of new investment materials

從以上投資和收益分析，增設(shè)水力透平需一次性投資23.5萬(wàn)元，正常維護(hù)費(fèi)用1萬(wàn)元，改造實(shí)施后，需3年收回投資，盡管投資回報(bào)率不高，但節(jié)約了電能，減少對(duì)環(huán)境的能源消耗，具有一定的環(huán)保效益。

3 結(jié)論

綜上所述，增設(shè)水力透平回收中壓汽提冷凝液壓力能，替代脫氧槽給水泵電機(jī)，技術(shù)上可行，具有一定經(jīng)濟(jì)效益。隨著未來(lái)能源日趨緊張，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈，利用水力透平回收生產(chǎn)過(guò)程中介質(zhì)的壓力能是化工企業(yè)節(jié)能降耗的有效途徑之一。

［1］云南水富云天化有限公司.日產(chǎn)1500噸合成氨裝置改造情況介紹（翻譯本［M］）.云南水富：云南水富云天化有限公司內(nèi)部.

［2］云南水富云天化有限公司.日產(chǎn)1500噸合成氨裝置操作手冊(cè)［M］.云南水富：云南水富云天化有限公司.

［3］時(shí)鈞.化學(xué)工程手程［M］.第二版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992：3－7

［4］陳敏恒.叢德滋，方圖南.化工原理［M］.第二版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.1998：30－35.

［5］陳聰慧.郭端華.天然氣增濕系統(tǒng)增設(shè)水力透平.貴州化工.2010，35（6）：28－29.

Use of Hydraulic Turbine to Recover Pressure Energy from Medium Pressure Condensate Stripping

HU Xiang－ji

（Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Decompression of condensate of the condensate stripper outlet in ammonia plant through valve throttling pressure，energy waste was existed.The energy loss was calculated against this problem，imagine to recycle and use the condensate pressure energy was supposed，and investment returns was demonstrated.

medium pressure stripping；pressure energy；hydraulic turbine

TQ113.2

A

1004—275X（2004）05-0055-03

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.05.014

收稿：2013-12-27

胡祥基（1979-），男，四川瀘州人，從事化工生產(chǎn)與管理。