煤化工項目富裕低壓飽和蒸汽回收方案介紹及案例分析

段永華

（中薪油武漢化工工程技術有限公司，湖北武漢 430223）

煤化工項目富裕低壓飽和蒸汽回收方案介紹及案例分析

段永華

（中薪油武漢化工工程技術有限公司，湖北武漢 430223）

由于各種原因，已投運或正在設計的煤化工項目經(jīng)常出現(xiàn)低壓蒸汽富裕的情況，采用合理方式回收利用是減少蒸汽損失和實現(xiàn)能源可持續(xù)利用的必然選擇。對可用于低壓飽和蒸汽回收利用的方案進行了較為全面的介紹，結合某實際改造項目進行分析，并對改造效果和效益進行了評估。

煤化工；低壓飽和蒸汽；回收利用；效益評價

目前國內已建成的煤化工項目較多，由于煤化工項目包含的工藝及公用工程裝置較多、工藝系統(tǒng)復雜、設計考慮不周全等原因，導致實際運行中出現(xiàn)工藝裝置副產(chǎn)蒸汽無法全部利用、非采暖期低壓蒸汽大量富裕等問題。目前部分企業(yè)結合全廠實際現(xiàn)狀，采用了一些措施盡可能地回收利用富裕蒸汽，以減少能源浪費。根據(jù)目前的實際應用情況及技術儲備，可選的方案較多，但具體采用哪種方式，需要根據(jù)可選方案的技術特點以及企業(yè)的實際情況進行分析，以確定安全可靠并盡可能經(jīng)濟的方案。本文對各可選方案進行了介紹，針對某化工企業(yè)電動循環(huán)水泵改透平驅動工程實際案例進行了分析，并對改造效果進行了評估。

1 低壓飽和蒸汽回收利用可選方案分析

1.1 飽和透平發(fā)電

低壓蒸汽驅動飽和透平發(fā)電是已經(jīng)較為成熟的余熱回收技術，國內外均有應用，尤其是隨著國內節(jié)能減排政策的影響及飽和透平國產(chǎn)化的逐步成熟，國內應用逐漸增多。因為飽和透平發(fā)電可以根據(jù)低壓蒸汽管網(wǎng)和生產(chǎn)要求靈活調節(jié)，較好地適應了化工蒸汽系統(tǒng)變工況運行的要求，是低壓飽和蒸汽回收利用的可靠方案。目前國內飽和透平發(fā)電機組的最大出力可以到50MW左右，國外廠商機組可以做的更大，具體情況需要廠家根據(jù)實際情況進行確定。

由于飽和透平發(fā)電主機及輔機均需要一定的占地，尤其是采用空冷凝汽方式，因此更適合新建項目考慮；一般已經(jīng)建成的化工廠不會額外預留用地，新建飽和透平發(fā)電裝置較為困難；飽和透平發(fā)電一次投資相對偏大，尤其是采用進口機組時投資更大，對投資敏感的企業(yè)需要謹慎考慮；另外對于非采暖期運行，采暖期停運的機組，存在機組利用率不高、維護保養(yǎng)費用偏高的問題。

1.2 驅動工業(yè)透平

工業(yè)透平是驅動機泵的方式之一，它是依靠蒸汽驅動汽輪機，再由汽輪機驅動機泵。與電機驅動相比，透平驅動減少了發(fā)電至用電設備之間的輸電損失及電機本身的損失，效率較高；采用透平驅動避免了電機啟動電流過大對電網(wǎng)的沖擊。

工業(yè)透平根據(jù)全廠蒸汽系統(tǒng)的特點，可以采用背壓式或凝汽式，而低壓工業(yè)透平常規(guī)采用凝汽式，凝汽器基本采用水冷。與發(fā)電機組相比工業(yè)透平一般功率偏小，機組較為緊湊，占地面積較小，改造或新建項目均適用，且對公用工程的影響較小。另外單個工業(yè)透平機組的總體投資較小，建設周期較短，能較快實現(xiàn)改造目標。

1.3 驅動溴化鋰制冷機組

溴化鋰吸收式制冷機組采用低位熱能作為動力，驅動制冷機組連續(xù)制取冷量（冷水），即可用于建筑的空氣調節(jié)，也可用于工廠工藝介質或設備降溫等?；厥盏蛪赫羝刹捎谜羝椭评錂C組，蒸汽型根據(jù)蒸汽壓力又可分為單效和雙效，單效型采用蒸汽壓力一般為0.1MPa（表壓），雙效型采用蒸汽壓力為0.25～0.8MPa（表壓），具體選型需要根據(jù)蒸汽參數(shù)及用戶要求進行確定。

溴化鋰吸收式制冷機組選型及布置較為靈活，冷水管線輸送受長度的影響較小，管線布置較為靈活，可實現(xiàn)較遠距離的輸送，較為適合化工企業(yè)余熱利用改造或新建項目；溴化鋰機組負荷可調節(jié)范圍較寬，對外界輸入蒸汽壓力變化適應性較強，可以較好地適應化工廠生產(chǎn)負荷的變化。由于受季節(jié)和用戶冷量消耗的限制，溴化鋰機組的總裝機容量一般不宜過大，因此其應用于回收余熱量較小的生產(chǎn)企業(yè)是比較合適的，若要大量應用，需要對全廠余熱、冷量消耗、生產(chǎn)變化、季節(jié)變化等因素綜合考慮后確定。

1.4 高壓蒸汽引射升壓

引射升壓是采用噴射器，以高壓蒸汽為動力引射并混合低壓蒸汽，混合后二次蒸汽壓力高于被引射蒸汽壓力，達到低壓蒸汽升壓目的，但相應損失了高壓蒸汽部分壓力。此種回收低壓蒸汽方式簡單易行、較為可靠、投資較低，但高壓蒸汽系統(tǒng)需要由足夠的供汽能力以便于二次蒸汽壓力調節(jié)，當?shù)蛪赫羝辉Ａ枯^少時，可以優(yōu)先考慮此方式。若此種方式用于大量低壓蒸汽的回收，高壓蒸汽能量損失較大，能量利用不經(jīng)濟，不優(yōu)先推薦使用。

1.5 有機朗肯循環(huán)（ORC）余熱發(fā)電

有機朗肯循環(huán)（ORC）是通過低沸點的有機工質（如：五氟丙烷R245fa）吸收熱能（熱源包括：蒸汽、熱水、熱煙氣等）后蒸發(fā)，蒸發(fā)后的氣態(tài)工質進入發(fā)電模塊發(fā)電，實現(xiàn)熱能到電能的轉化，做功后的有機工質再通過冷凝單元進行回收循環(huán)再利用。整個有機朗肯循環(huán)實現(xiàn)了將熱能轉化為機械能、機械能再轉化為電能的能量轉化過程。與傳統(tǒng)朗肯循環(huán)（如汽輪機采用帶壓水蒸汽進行做功發(fā)電）相比，有機郎肯循環(huán)實現(xiàn)了更低溫位熱量的回收利用，使用的領域更為廣闊。

目前ORC余熱發(fā)電在美日歐等國應用較多，且技術較為成熟，可靠性較高。國內也有較多高校及科研院所等對ORC進行研究和應用推廣，目前已經(jīng)有實際工程應用并取得一定收獲，隨著ORC的應用和推廣以及不斷的完善更新，其應用前景廣闊。ORC余熱發(fā)電一般采用撬裝，集成度較高、輔助系統(tǒng)少、占地較小，比較適合企業(yè)余熱回收節(jié)能改造。但相比較傳統(tǒng)汽輪機發(fā)電技術，ORC余熱發(fā)電機組單位發(fā)電量的設備投資大、發(fā)電效率低、系統(tǒng)整體可靠性有待進一步提高。

2 某煤化工項目蒸汽系統(tǒng)現(xiàn)狀及富裕低壓蒸汽利用方案選擇

2.1 某煤化工項目蒸汽系統(tǒng)現(xiàn)狀

北方某已投運大型煤化工項目，全廠包含多個蒸汽等級，各等級蒸汽系統(tǒng)現(xiàn)狀如下：

（1）9.8MPa等級蒸汽系統(tǒng)。本等級蒸汽來自高壓燃煤鍋爐，主要用戶為抽凝汽輪發(fā)電機組、空壓機透平、合成氣壓縮機透平等，該等級蒸汽由鍋爐直接供汽，鍋爐可根據(jù)用戶需要調節(jié)供汽負荷，正常生產(chǎn)中該等級蒸汽產(chǎn)用較好的實現(xiàn)了平衡。

（2）4.2MPa等級蒸汽系統(tǒng)。本等級蒸汽來自抽凝汽輪發(fā)電機組抽汽和壓縮機透平抽汽，主要用戶為CO2壓縮機透平、氨壓縮機透平及各工藝裝置等，該等級汽源為透平抽汽，由于透平抽汽具有一定的負荷調節(jié)能力，正常生產(chǎn)中該等級蒸汽產(chǎn)用較好的實現(xiàn)了平衡。

（3）2.6MPa等級蒸汽系統(tǒng)。本等級蒸汽主要來自CO2壓縮機透平抽汽和工藝廢鍋副產(chǎn)蒸汽，用戶為尿素裝置等。該等級汽源中大量蒸汽來自透平抽汽，由于透平抽汽具有一定的負荷調節(jié)能力，正常生產(chǎn)中該等級蒸汽產(chǎn)用較好的實現(xiàn)了平衡。

（4）0.6MPa等級蒸汽系統(tǒng)。本等級蒸汽主要來自變換廢鍋及抽凝汽輪發(fā)電機組低壓抽汽等，用戶包括各工藝裝置、公用工程裝置及全廠采暖伴熱等。

正常工況下，采暖期工藝廢鍋和汽輪發(fā)電機組抽汽共同供汽，負荷平衡調節(jié)由汽輪機低壓抽汽實現(xiàn)；非采暖期，采暖蒸汽消耗停止，汽輪發(fā)電機組低壓抽汽停止后，仍有約24t/h低壓飽和蒸汽富裕，由于此部分蒸汽全部來自工藝廢鍋，且廢鍋產(chǎn)汽量是由工藝裝置負荷所決定的，正常生產(chǎn)中工藝裝置負荷較為穩(wěn)定，也決定了廢鍋產(chǎn)汽負荷較差的可調節(jié)性，非采暖期富裕低壓蒸汽全部放空，損失很大，且對企業(yè)形象帶來了一定負面影響。

2.2 富裕低壓蒸汽利用方案選擇

為了解決非采暖期低壓蒸汽富裕的現(xiàn)狀，需要對回收利用方案進行選擇并進行改造設計。根據(jù)實際現(xiàn)狀和用戶要求，對各種方案進行了取舍分析如下：

（1）飽和透平發(fā)電。根據(jù)富裕蒸汽量24t/h進行計算，飽和透平發(fā)電量約2 800kW，考慮到一定的調節(jié)彈性，汽輪機組出力至少按照3 000kW選型配制，由于需要新建廠房，而現(xiàn)場的實際情況并不允許，且新建發(fā)電裝置面臨建設周期長、投資偏高等諸多問題，此方案暫不考慮。

（2）驅動工業(yè)透平。由于主要工藝裝置的機泵等動設備改造難度較大且存在風險，首先不予考慮；公用工程中可供改造的較大功率電動泵有鍋爐給水泵和循環(huán)水泵，其中高壓鍋爐泵4臺（單臺電機功率1 400kW），正常3開1備，由于高壓鍋爐給水泵布置在汽機房，且設備布置較為緊湊，不具備電泵改汽泵條件，難以實施，暫不予考慮。循環(huán)水站配制循環(huán)水泵9臺（單臺電機功率1 400kW），正常8開1備，根據(jù)現(xiàn)場查看，循環(huán)水泵房設備布置相對間隔距離較大，有一定空間，較利于布置和施工，且施工周期較短，比較符合企業(yè)盡快完成改造的預期，改造循環(huán)水泵屬于較優(yōu)方案。

（3）溴化鋰吸收式制冷機組?；厥盏蛪赫羝梢赃x擇蒸汽型雙效制冷機組，按照蒸汽壓力0.6MP考慮，對應溴化鋰吸收式制冷機組單位制冷量蒸汽消耗≤1.31kg/（kW·h），初步估算24t/h低壓蒸汽至少可以輸出18 320 kW·h的制冷量，而全廠公用工程只有不到300kW·h的制冷量需求，如此多的冷量難以找到外在用戶，暫不考慮。

（4）高壓蒸汽引射升壓。由于高壓及中壓蒸汽管網(wǎng)均設置有抽凝式汽輪發(fā)電機組或工藝透平，可以保證較低壓力管網(wǎng)的供汽要求，并且相對于噴射器引射升壓，透平抽汽實現(xiàn)了“熱電聯(lián)產(chǎn)和熱功聯(lián)產(chǎn)”，具有較高的效率和熱經(jīng)濟性，本項目再考慮高壓引射已不經(jīng)濟，并且24t/h蒸汽量較大，噴射器引射升壓就更不經(jīng)濟，此方式不推薦。

（5）ORC余熱發(fā)電。由于ORC目前處于推廣應用階段，其可靠性和穩(wěn)定性用戶較為懷疑，且其投資較高，無法達到用戶經(jīng)濟性要求。此方式也不考慮。

綜合以上分析最終確定工業(yè)透平驅動方案，即對現(xiàn)有部分電動循環(huán)水泵改透平驅動。

3 某煤化工項目低壓飽和蒸汽利用方案介紹及效益評價

3.1 低壓飽和蒸汽回收利用方案介紹

本次需要回收利用的低壓飽和蒸汽參數(shù)如下：

表1 低壓飽和蒸汽參數(shù)：

根據(jù)計算汽耗率8.57kg/（kW·h）進行核算，改造兩臺循環(huán)水泵（單臺功率1 400kW）才可滿足全部回收24t/h富裕蒸汽的要求。為謹慎起見，決定分兩期進行改造，一期先對一臺現(xiàn)場條件較好的循環(huán)水泵進行改造，待一期改造完成后，確認效果較好，再改造第二臺。根據(jù)單臺循環(huán)水泵參數(shù)要求，確定一期選擇配套驅動透平及輔機參數(shù)如下表2：

表2 透平及減速箱設備參數(shù)

本次選擇的工業(yè)透平本體結構較為緊湊，潤滑油箱集成在汽輪機公用底座上，輔機系統(tǒng)如凝汽系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、汽輪機進口汽水分離器等就近布置，TSI等熱工控制系統(tǒng)布置在循環(huán)水站控制室內，透平所需的公用工程條件全部依托現(xiàn)有循環(huán)水泵房或附近外管網(wǎng)。一期改造完成后，系統(tǒng)和機組均進行了驗收試驗，結果達到預期目標，機組投運后運行穩(wěn)定，減少了富裕低壓蒸汽放空。

在一期改造的基礎上，二期針對第二臺改造進行了優(yōu)化設計，考慮到二期改造的水泵周圍空間已經(jīng)較為狹窄，為了滿足設備布置要求，二期決定取消射水箱和射水泵，射水抽氣器引射用水取自循環(huán)水供水母管，射水抽氣器布置在現(xiàn)有循環(huán)水吸水池蓋板上，這既保證了噴射供水的穩(wěn)定又滿足了布置需要，除此之外其他配置均與一期相同。

3.2 回收方案經(jīng)濟效益評價

通過將兩臺電動循環(huán)水泵改造成汽動，解決了企業(yè)因非采暖期低壓蒸汽富裕導致大量連續(xù)放空的問題，避免了能源浪費和經(jīng)濟損失。兩期改造項目全部完成后，按照北方非采暖期6個月、用電費用0.5元/度計算，每年非采暖期循環(huán)水泵房可減少用電約112萬度，節(jié)約電費約56萬元，直接降低了企業(yè)運行成本，經(jīng)濟效益明顯。

4 結論

已進入商業(yè)化運行的項目或正在設計中的項目的都難免會出現(xiàn)低等級蒸汽富裕的情況，面對此問題，企業(yè)技術管理人員和設計人員必須綜合考慮全廠實際情況及各種低壓蒸汽回收方案的特點，經(jīng)科學分析后確定較為可靠有效的方案，以達到“高效利用、節(jié)能降耗”的目標，為項目的經(jīng)濟運行打下堅實基礎。本文對其他等級蒸汽或余熱回收利用方案選擇均具有一定的參考價值。

[1] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].（第二版）上冊、下冊.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

Schemes Introduction and Case Analysis of SurplusLow Pressure Saturated Steam Recycling in Coal Chemical Projects

Duan Yong-hua

Because of various reasons，low pressure saturated steam is often surplus in coal chemical projects that have been put into operation or under design.Taking reasonable ways to recycling and utilize is the inevitable choice of reducing steam loss and realizing sustainable development of energy.In this paper，the schemes for recovery and utilization of low pressure saturated steam is introduced，and the actual project of transformation is analyzed，and the effect and benefit of transformation project were also evaluated.

coal chemical industry；low pressure saturated steam；recovery and utilization；benefit evaluation

TH223.121

B

1003-6490（2017）12-0010-03

2017-09-25

段永華（1983—），男，河南扶溝人，動力工程師，主要從事熱工工藝設計工作。