塔西南化肥廠汽輪機排汽廢熱在供暖中應用

何歡 張麗娜 郝小娟 呂勇 吳云鵬

（1.中國石油塔里木油田塔西南勘探開發(fā)公司煉油化工廠；2.中國石油塔里木油田分公司塔西南勘探開發(fā)公司；3.中國石油塔里木油田分公司塔西南勘探開發(fā)公司電力工程部）

1 概述

1.1 背景

大型合成氨裝置壓縮機的動力常采用凝汽式汽輪機，汽輪機的排汽被冷卻而凝結(jié)成水，同時冷卻水被加熱，其大量熱量散發(fā)在大氣中；而將凝汽式汽輪機改為低真空供熱，提高全廠熱效率、減少環(huán)境污染是一種節(jié)能減排的創(chuàng)新方法。依據(jù)能源梯級應用原則，優(yōu)選汽輪機低真空供熱方案，就是將汽輪機凝汽器的真空降低，提高汽輪機的排汽溫度，利用汽輪機的排汽來加熱冷卻水，提高冷卻水的出口溫度，將凝汽器的循環(huán)水直接作為采暖用水為熱用戶供熱，即把熱用戶的散熱器當作冷卻設備使用。

1.2 汽輪機低真空循環(huán)水供熱原理

汽輪機改為低真空供熱后，熱用戶實際上就成為化肥裝置的“冷卻塔”，汽輪機的排汽廢熱可以得到有效利用，大大提高了能源的綜合利用率（圖1）。

如圖2所示，當汽輪機在純凝工況運行時，面積1-2-3-4-5-1為蒸汽在汽輪機中做功的焓，面積2-6-8-3-2為排出廢汽的焓；改造成低真空循環(huán)水供熱后，面積1-m-k-n-4-5-1為蒸汽做功的焓，面積m-k-n-7-6-m為用于供暖的熱量。顯然，汽輪機低真空循環(huán)水供熱的經(jīng)濟效益比純凝汽工況時要高[1]。

圖1 汽輪機低真空循環(huán)水供熱原理示意圖

圖2 凝汽運行工況和低真空運行工況溫熵示意圖

1.3 存在風險及問題

將低真空供熱系統(tǒng)用于冬季采暖，此項技術(shù)用于化工裝置還未有過，因為大型化肥裝置的汽輪機為單臺，且轉(zhuǎn)速較高；同時，由于其運行與裝置的運行緊密程度較高等特點，隨著汽輪機低真空循環(huán)水集中供熱后，其功率將降低，對裝置的運行會造成一定的影響。為此，在進行改造時要非常謹慎，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

2 汽輪機低真空改造的技術(shù)可行性

塔西南化肥廠低溫廢熱資源豐富，可以向采暖水提供至少40.7 MW的熱量，只需要進行運行工況的調(diào)整變化，而無需要進行透平機組的改造；在原表冷凝器的系統(tǒng)上并聯(lián)新增1臺新表冷凝器，老表冷凝器冷卻仍采用循環(huán)水，而新表冷凝器冷卻仍采用采暖水，根據(jù)熱負荷需要，把透平排汽的冷凝液逐漸由原表冷凝器切換到新表冷凝器。這種切換方法機組不必停運，經(jīng)濟性好，同樣安全可靠。

3 汽輪機低真空改造的技術(shù)措施

3.1 熱負荷選取

準確地確定熱負荷是保證機組改造成功及提高經(jīng)濟性的關(guān)鍵。依據(jù)供熱地區(qū)的環(huán)境溫度、供熱面積、供熱要求來確定供熱量，然后選擇循環(huán)水溫度、排汽壓力并進行可靠性驗算，從而確定汽輪機的原則性熱力系統(tǒng)。

采暖期按160天計算，采暖熱指標按65 W/m2計算，具體數(shù)據(jù)見表1。

可提供熱量147 735 000 kJ/h，折合熱負荷為41 MW。若此部分熱量全部被回收，按燃料氣低位發(fā)熱值32 836 kJ/m3（0℃，101.325 kPa）計算，折算節(jié)約燃料氣4 499 m3/h，每天節(jié)約天然氣107 976 m3；按采暖季160天計算，一個采暖季可節(jié)約天然氣1728×104m3；供暖面積可達631 346 m2[2]。

表冷凝器能提供的熱負荷為41 MW，而實際熱用戶的需要熱量為供熱首站供熱區(qū)域主要是西區(qū)鍋爐房區(qū)域，供熱負荷為38.7 MW。

3.2 排汽壓力選擇

從采暖管網(wǎng)運行的經(jīng)濟性分析和機組的安全運行考慮，排汽壓力只能控制在-59～-76 kPa范圍內(nèi)，最高不要高于-59 kPa；為使機組長期安全運行，實際運行中冷凝器采暖水的出水溫度一般在47～65℃；在寒冷期，當凝汽器的供熱量達到最大時，熱用戶熱量不足部分由西區(qū)鍋爐房將采暖水加熱至所需溫度后提供給熱用戶。

3.3 防止冷卻管結(jié)垢

熱網(wǎng)采暖水采用軟化水，結(jié)垢問題得到緩解。在停運期間進行濕式保護，即充滿經(jīng)過化學處理的采暖水。

3.4 防止凝汽器冷卻管泄漏

凝汽器的溫升增大，由于殼體和換熱管材質(zhì)膨脹系數(shù)不同，膨脹量不均勻產(chǎn)生應力。但通過平穩(wěn)操作對凝汽器進行緩慢的升溫和降溫，同時排汽壓力最高不要高于-59 kPa，這樣可以防止凝汽器冷卻管出現(xiàn)泄漏。

4 汽輪機低真空運行存在問題分析及改進措施

4.1 功率影響

凝汽式汽輪機組功率同蒸汽流量和理想焓降成正比，如果將機組排汽溫度提高到65℃，透平功率下降4%?？赏ㄟ^增加入口蒸汽來提高功率，同時可以增加供熱負荷。在汽輪機循環(huán)水供暖溫度達不到要求時，通過鍋爐進行補充加熱，同時改變表冷器的運行調(diào)節(jié)參數(shù)，改造后機組的其他運行主要參數(shù)基本不變[3]，即

式中：N——汽輪機功率，kW；

G——汽輪機進汽流量，kg/h；

H——理想焓降，kJ/kg。

在生產(chǎn)過程中，將凝汽器真空降低，相應的排汽壓力和排汽溫度隨之升高。降低凝汽器真空，提高循環(huán)水溫度后的計算數(shù)據(jù)見表2。

4.2 低真空運行對軸向推力的影響

在背壓升高的初期，其軸向推力先是減小的；當背壓升高到一定程度后，才逐漸增大。汽輪機排汽壓力不高于-50 kPa，相應的排汽溫度不大于75℃，仍然在機組推力軸承安全運行的范圍內(nèi)，因此對機組可以不必改動，仍能保證安全運行[4]。

表1 塔西南化肥廠合成氨裝置壓縮機透平參數(shù)

表2 計算數(shù)據(jù)

4.3 強度和剛度核算

排汽壓力控制不大于-59 kPa，汽缸、隔板、葉片、轉(zhuǎn)子、螺栓等強度均能滿足要求，變工況在可許的范圍內(nèi)，運行安全可靠，無須進行改造和更換。

4.4 凝汽器承壓

凝汽器的承壓能力為0.6 MPa，在設計范圍內(nèi)能滿足要求。在回水管路上加裝安全閥，循環(huán)水回路上安裝逆止閥。

5 改造思路和改造方案

經(jīng)過優(yōu)化和對比分析，采取原有表冷凝器并聯(lián)1臺新表冷凝器，2臺表冷凝器可以互為切換。原表冷凝器冷卻介質(zhì)仍為循環(huán)水，新表冷凝器冷卻介質(zhì)仍為采暖水，根據(jù)采暖需求，調(diào)節(jié)表冷凝器熱負荷。

新表冷凝器將化肥廠凝汽器熱量集中回收，利用凝汽器循環(huán)水出水（65℃）經(jīng)供熱首站水泵加壓后，供至基地西區(qū)鍋爐房循環(huán)水泵入口，由循環(huán)水泵將循環(huán)水送至各采暖單體，再由鍋爐房新增回水加壓泵將循環(huán)水（55℃）送回化肥廠而完成一次循環(huán)。供暖初、末期：熱源采用循環(huán)水向熱用戶直接供熱，即新增凝汽器循環(huán)水出水（65℃）經(jīng)供熱首站水泵加壓后，供至基地西區(qū)鍋爐房循環(huán)水泵入口，由循環(huán)水泵將循環(huán)水送至各采暖單體，再由鍋爐房新增回水加壓泵將循環(huán)水（55℃）送回化肥廠而完成一次循環(huán)（圖3、圖4）。

圖3 并聯(lián)凝汽器流程簡圖

6 投用及實施效果

6.1 運行數(shù)據(jù)分析

整個采暖季表冷凝器的參數(shù)沒有脫離正常設計值，變透平機組運行工況良好。在采暖的初期和末期，僅運行西區(qū)鍋爐房1臺循環(huán)泵，此時采暖水流量為1 150 t/h左右，也能滿足供暖需求，這樣達到節(jié)電和增強采暖水系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用；在采暖中期，再開西區(qū)鍋爐房加壓泵1臺，流量為1 470 t/h左右。在極寒天氣中，西區(qū)鍋爐房2臺循環(huán)泵運行，2臺加壓泵運行，流量為1 650 t/h左右。在極寒天氣中為確保機組運行不受影響，沒有過多提供廢熱，不足熱量由西區(qū)鍋爐房進行補充，并取得良好效果。具體運行數(shù)據(jù)見表3。

圖4 熱力系統(tǒng)原則流程簡圖

6.2 經(jīng)濟效益

節(jié)約天然氣：以燃料氣低位發(fā)熱值32 836 kJ/m3計算，每小時折算燃料氣1 776 m3，每天節(jié)約天然氣42 621 m3。按采暖季160天計算，1個采暖季可節(jié)約天然氣682×104m3；按每立方米天然氣0.92元計算，年實現(xiàn)節(jié)能效益627.4萬元。

減排CO2：以每天節(jié)約天然氣42 621 m3，每立方米天然氣總碳量98.4%計算，每天減排CO282.4 t，1個采暖季減少CO2排放量為13 184 t。

節(jié)水：正常生產(chǎn)時，合成氨裝置表冷凝器消耗循環(huán)水2 400 t/h，占循環(huán)水總量的20%，循環(huán)水蒸發(fā)量為170 m3/h，供暖用水損耗為2%，則整個采暖期減少循環(huán)水在涼水塔的閃蒸損失水量127 949 t。按每立方米水1.42元計算，每年可節(jié)約循環(huán)水的成本為18.2萬元。

汽輪機排汽廢熱回收部分可降低合成氨裝置綜合能耗2.61 GJ/t氨。

6.3 社會效益

通過表冷凝器提取回收后作為集中供熱的新熱源，本身具有高效、節(jié)能、環(huán)保的特點，是國家推薦的節(jié)能技術(shù)。通過改善表冷凝器加熱了采暖水，借助于采暖水與乏汽的換熱，熱用戶實際上就成為化肥廠的“冷卻塔”，達到了生產(chǎn)余熱的有效利用的目的。用循環(huán)水供熱，既能將鍋爐新蒸汽高品位能量充分利用，又能較好地利用表冷凝器排放到循環(huán)水中的低品位能量對用戶集中供熱，依靠循環(huán)水集中供熱，避免了透平機組大量余能損失，節(jié)省了大量的能源投入，是一種方便、經(jīng)濟、高效的供熱措施。

表3 表冷凝器采暖期間運行數(shù)據(jù)

7 主要技術(shù)創(chuàng)新點

7.1 國內(nèi)化工裝置首次應用

將化肥裝置高速運轉(zhuǎn)的蒸汽冷凝式透平排汽余熱用于生活區(qū)冬季采暖，這在國內(nèi)屬于首次應用，主要是因化肥裝置透平的轉(zhuǎn)速高，與裝置工藝結(jié)合緊密等因素，改造不慎將給裝置帶來巨大運行風險，甚至無法運行。經(jīng)過論證分析，將問題通過相應的技術(shù)手段逐一解決，取得了成功。

7.2 并聯(lián)增加1臺表冷凝器，未改變透平機組運行工況

并聯(lián)新增1臺新表冷凝器，根據(jù)熱負荷需要，把透平排汽的冷凝液逐漸由原表冷凝器切換到新表冷凝器。這種切換方法機組不必停運，未改變透平機組運行工況，經(jīng)濟性好，安全可靠。

7.3 沒有對機組進行改造

采取并聯(lián)運行表冷凝器的方式，使運行工況沒有脫離設計值，避免了因機組運行工況脫離設計值；而對機組進行相應的改造，同時對工藝系統(tǒng)的影響降到最低，又增加了系統(tǒng)和機組運行的穩(wěn)定性，缺點就是有部分熱量不能回收。

8 推廣應用前景

化肥裝置汽輪機低真空循環(huán)水在供暖中的首次成功應用，不僅節(jié)約能源，減少環(huán)境污染，而且也增加企業(yè)節(jié)能挖潛的能力。這是一種節(jié)能減排的全新思路，經(jīng)濟效益顯著。系統(tǒng)總節(jié)能率提高，為化肥裝置回收汽輪機排汽低品位廢熱積累了經(jīng)驗，在同類裝置中有很高推廣價值，這將對提高能源綜合利用水平，改善環(huán)境，降低成本，提高供熱質(zhì)量有著重大意義。