精對(duì)苯二甲酸余熱利用汽輪機(jī)高效通流開(kāi)發(fā)

朱 奇，張 星，舒 樂(lè)，姚 季

(上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海201100)

精對(duì)苯二甲酸(PTA)主要用于生產(chǎn)聚酯纖維、樹(shù)脂和薄膜等，上游產(chǎn)業(yè)是石油、化工行業(yè)，下游產(chǎn)業(yè)包括化纖、紡織等行業(yè)，是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域完整產(chǎn)業(yè)鏈中不可缺少的一部分。PTA的生產(chǎn)原料是二甲苯，二甲苯經(jīng)過(guò)空氣氧化，生成粗對(duì)苯二甲酸，再通過(guò)加氫精制和結(jié)晶分離干燥，得到精對(duì)苯二甲酸。

二甲苯氧化反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量低參數(shù)飽和蒸汽。利用汽輪機(jī)裝置來(lái)回收這部分飽和蒸汽，配合尾氣透平來(lái)共同驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)，可以有效降低裝置能耗。整套裝置即典型的汽輪機(jī)、空壓機(jī)和尾氣透平三機(jī)配置。隨著PTA裝置的不斷大型化[1-2]，以及PTA工藝的不斷進(jìn)步，氧化反應(yīng)的溫度和壓力不斷提高，逐步由低溫低壓向中溫中壓，甚至向高溫高壓發(fā)展。PTA氧化過(guò)程產(chǎn)生的余熱量不斷增大，汽輪機(jī)和尾氣透平除了驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)外，還有功率富余，可以額外驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)來(lái)對(duì)外發(fā)電，提高裝置經(jīng)濟(jì)性，因此形成了汽輪機(jī)、空壓機(jī)、尾氣透平和發(fā)電機(jī)的四機(jī)組配置方案。由于要兼顧發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，空壓機(jī)的調(diào)節(jié)性能、效率會(huì)受到影響[3-4]。

目前國(guó)內(nèi)PTA余熱利用汽輪機(jī)最多僅能回收3段副產(chǎn)蒸汽，汽輪機(jī)進(jìn)汽為一路主汽兩路補(bǔ)汽，仍有大量低溫余熱被直接排放，造成能源浪費(fèi)。由于目前PTA市場(chǎng)并不景氣，PTA企業(yè)盈利狀況不佳。為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的倡議，盡量降低裝置能耗，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，近年來(lái)國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)于PTA余熱回收方式進(jìn)行了多樣化研究。除了上述PTA余熱利用方式，楊軍等[5]提出了利用有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle， ORC)或者溴化鋰熱泵制取蒸汽的方案來(lái)回收PTA裝置精制單元的常壓余熱蒸汽，邱永寧等[6]提出了利用多級(jí)閃蒸塔結(jié)合第二類(lèi)吸收式熱泵技術(shù)對(duì)PTA母液熱量進(jìn)行回收的方案。

上海汽輪機(jī)廠有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)STWC)為某公司PTA項(xiàng)目研發(fā)的51.5 MW低溫余熱發(fā)電汽輪機(jī)，具有1路主汽3路補(bǔ)汽，可最大化利用PTA裝置的余熱，將低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)化為電能。汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的兩機(jī)配置相比于四機(jī)組配置，具有效率更高、運(yùn)行更靈活的優(yōu)勢(shì)。相比于國(guó)內(nèi)其他一主兩補(bǔ)、功率等級(jí)低于25 MW的PTA余熱利用汽輪機(jī)[4，7-8]，該汽輪機(jī)增加了一路補(bǔ)汽，且由于蒸汽量大，功率等級(jí)增大了一倍。

本項(xiàng)目汽輪機(jī)機(jī)型為NZ52-0.59/0.33/0.163/ 0.105，額定功率為51.5 MW。本項(xiàng)目汽輪機(jī)為單軸、單缸、全周進(jìn)汽、單排汽汽輪機(jī)，無(wú)再熱或回?zé)幔S向排汽，是全三維反動(dòng)式補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

該機(jī)組于2018年7月順利投運(yùn)，滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，性能優(yōu)異，運(yùn)行效果超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)期，是目前國(guó)內(nèi)單機(jī)功率最大的PTA余熱利用汽輪機(jī)。本文將介紹該汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，重點(diǎn)介紹通流部分精細(xì)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 采用的先進(jìn)技術(shù)

該機(jī)組為低溫低壓、多路補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)。4路汽源均為飽和濕蒸汽，汽輪機(jī)整體處于濕蒸汽狀態(tài)，排汽量大，功率等級(jí)高。由于該項(xiàng)目是國(guó)際競(jìng)標(biāo)，性能要求極高。設(shè)計(jì)工況進(jìn)排汽參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)工況汽輪機(jī)進(jìn)排汽參數(shù)

依據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)相當(dāng)于大型火電汽輪機(jī)的低壓缸部分，沒(méi)有回?zé)岢槠?，并且有大量的補(bǔ)汽匯入。設(shè)計(jì)工況下4路汽源的流量比例為1∶1.5∶0.8∶0.5，汽輪機(jī)排汽量是主汽量的3.8倍。伴隨通流壓力的降低，通流部分的容積流量劇增，設(shè)計(jì)工況各段的容積流量比為1∶4.4∶10.9∶19.1∶160.4，這使得機(jī)組的總體結(jié)構(gòu)具有進(jìn)汽通流尺寸小，排汽通流尺寸大，各段通流之間臺(tái)階大的特點(diǎn)。

該機(jī)組飽和蒸汽參數(shù)低及多路大量補(bǔ)汽的特點(diǎn)，以及用戶(hù)對(duì)極致性能的追求，使得本機(jī)組的通流部分設(shè)計(jì)難度很大。各通流部分考慮的問(wèn)題有：進(jìn)汽、補(bǔ)汽閥門(mén)的配置，葉片通流部分效率，末2級(jí)長(zhǎng)葉片的合理選型及動(dòng)靜葉匹配，進(jìn)汽、補(bǔ)汽腔室壓損，排汽渦殼的壓力回收，等等。通流部分的設(shè)計(jì)需要采用精細(xì)化的設(shè)計(jì)技術(shù)，使得機(jī)組氣動(dòng)性能最佳，整體效率最高。

該機(jī)組是STWC首次開(kāi)發(fā)的大功率低參數(shù)飽和蒸汽一主三補(bǔ)軸排凝汽式汽輪機(jī)，無(wú)母型。該機(jī)組的設(shè)計(jì)制造過(guò)程依賴(lài)于STWC 60多年的經(jīng)驗(yàn)所積累的先進(jìn)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)，具備完整自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。主要的先進(jìn)技術(shù)有：

1)國(guó)內(nèi)首例創(chuàng)新的低參數(shù)小焓降一主三補(bǔ)汽輪機(jī)總體技術(shù)，能夠最大限度地利用PTA余熱。針對(duì)多路補(bǔ)汽的特點(diǎn)，采取精細(xì)化設(shè)計(jì)技術(shù)，機(jī)組性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

2)4路進(jìn)汽閥門(mén)的選型及配置技術(shù)，降低了進(jìn)汽閥門(mén)壓損。

3)世界先進(jìn)的整體通流葉片技術(shù)(Advanced Integral Blade Technology，AIBT)，采用全三維反動(dòng)式彎扭葉片，葉片通流效率極佳。

4)大排量單流軸排1 m等級(jí)長(zhǎng)葉片的選型，合理的次末級(jí)動(dòng)靜葉優(yōu)化匹配，提高了機(jī)組性能；采用雙流設(shè)計(jì)方案，性?xún)r(jià)比高。

5)特殊的環(huán)形進(jìn)補(bǔ)汽腔室設(shè)計(jì)及性能設(shè)計(jì)技術(shù)，降低了進(jìn)補(bǔ)汽壓損，提高了機(jī)組性能，同時(shí)避免了補(bǔ)汽沖擊轉(zhuǎn)子帶來(lái)的軸系振動(dòng)問(wèn)題。

6)大排汽量軸排蝸殼氣動(dòng)分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，降低了排汽壓損，提高了靜壓恢復(fù)因數(shù)，有效回收了排汽余速，提高了機(jī)組性能。

7)一主三補(bǔ)汽輪機(jī)啟停邏輯及壓力控制技術(shù)。

8)大流量多路補(bǔ)汽軸系穩(wěn)定分析技術(shù)，確保了機(jī)組在任意工況、任意補(bǔ)汽方案下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

9)飽和蒸汽的防水蝕技術(shù)，保證了機(jī)組在整機(jī)濕蒸汽環(huán)境內(nèi)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

10)全新的PTA整體機(jī)島系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即4路蒸汽進(jìn)汽系統(tǒng)、4路旁路蒸汽系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)等，設(shè)計(jì)范圍遠(yuǎn)超常規(guī)機(jī)組，確保了機(jī)組乃至全工廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 機(jī)組通流部分精細(xì)化設(shè)計(jì)

為了充分利用一主三補(bǔ)各路汽源，使機(jī)組性能最優(yōu)，該汽輪機(jī)必須進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。本章節(jié)將詳細(xì)介紹汽輪機(jī)性能的設(shè)計(jì)過(guò)程。為了使各級(jí)組進(jìn)出口壓力與各路蒸汽壓力完全匹配，必須合理評(píng)估葉片通流加工偏差、各進(jìn)汽管線壓損、各進(jìn)補(bǔ)汽腔室壓損等。在盡量提高葉片通流效率、降低蒸汽管線壓損、降低進(jìn)補(bǔ)汽腔室壓損的同時(shí)，葉片通流面積不能過(guò)大或過(guò)小，否則都會(huì)造成汽輪機(jī)出力降低。通流面積過(guò)大，會(huì)造成進(jìn)汽節(jié)流壓損大；通流面積過(guò)小，會(huì)造成通流能力降低，汽源不能完全進(jìn)入汽輪機(jī)做功。

2.1 進(jìn)汽方式

汽輪機(jī)各路汽源均為濕蒸汽，在各路進(jìn)汽管線上均設(shè)置了汽水分離器，以提高進(jìn)汽干度，使其接近飽和蒸汽。為了保證PTA工藝流程的穩(wěn)定性，4路蒸汽管道上分別單獨(dú)設(shè)有調(diào)節(jié)閥，其中主蒸汽管路上的調(diào)節(jié)閥還具有汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制功能。合理選擇進(jìn)汽、補(bǔ)汽閥門(mén)，可以降低閥門(mén)流動(dòng)損失。各路閥門(mén)配置如表2所示。

表2 汽輪機(jī)進(jìn)汽、補(bǔ)汽閥門(mén)配置

汽輪機(jī)各路蒸汽允許有10%超壓。為了提高汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工況效率，將設(shè)計(jì)工況作為閥門(mén)全開(kāi)工況，汽輪機(jī)各路蒸汽壓力超壓5%作為最大工況，即超發(fā)工況。汽輪機(jī)發(fā)電量并入大網(wǎng)，無(wú)需調(diào)節(jié)負(fù)荷，僅需滿(mǎn)足PTA裝置余熱利用的要求即可，因此汽輪機(jī)進(jìn)口采用全周進(jìn)汽，無(wú)調(diào)節(jié)級(jí)設(shè)計(jì)。

2.2 通流葉片設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)通流共分為4個(gè)級(jí)組，前3個(gè)級(jí)組為壓力級(jí)，最后一個(gè)級(jí)組屬于長(zhǎng)葉片范疇。

前3級(jí)壓力級(jí)采用STWC的 AIBT平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用全三維反動(dòng)式彎扭葉片，以最佳葉片通流效率為目標(biāo)，對(duì)葉片尺寸、葉片級(jí)數(shù)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[9]。大量的實(shí)例驗(yàn)證保證了該技術(shù)的成熟度，機(jī)組運(yùn)行后的性能均能達(dá)到甚至超過(guò)設(shè)計(jì)保證值。

AIBT的先進(jìn)之處在于每級(jí)的葉型與其流動(dòng)汽流角完全匹配，可以減小進(jìn)汽邊沖角損失、出汽邊尾跡損失及葉片中的流動(dòng)損失，顯著提高葉片通流效率。同時(shí)每級(jí)葉型的進(jìn)汽邊具有良好的變沖角適應(yīng)性，能夠有效提高機(jī)組變工況性能。

漏汽損失是汽輪機(jī)葉片通流部分的主要損失之一。該機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)精確計(jì)算各級(jí)的軸向差脹、徑向差脹，采用多齒、小間隙的布置方式，有效減小漏汽損失。

通過(guò)優(yōu)化級(jí)數(shù)以及合理選取通流面積，機(jī)組出力可提高約0.6%。

最后一個(gè)級(jí)組段采用長(zhǎng)葉片設(shè)計(jì)體系。設(shè)計(jì)工況熱力過(guò)程膨脹線如圖1所示，各級(jí)組功率、焓降占比如表3所示。本項(xiàng)目由于補(bǔ)汽流量較大，前3個(gè)級(jí)組功率占比相對(duì)較小，第4級(jí)組流量最大，焓降最高，級(jí)組功率占比達(dá)到63%，其效率對(duì)整機(jī)出力影響非常可觀。

表3 各級(jí)組功率、焓降占比

圖1 設(shè)計(jì)工況熱力過(guò)程膨脹線

根據(jù)本項(xiàng)目的排汽容積流量，末葉片采用1 m等級(jí)濕冷長(zhǎng)葉片。該葉片已廣泛應(yīng)用在600 MW等級(jí)超臨界、超超臨界火電機(jī)組上[10]，對(duì)于本項(xiàng)目而言具有最低的排汽損失，以及較高的氣動(dòng)效率、良好的變工況性能。為保證機(jī)組在變工況激振力作用下的安全運(yùn)行，按濕冷機(jī)組的最高端負(fù)荷進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)，確保葉片安全可靠。

與常規(guī)火電項(xiàng)目通用末2級(jí)或末3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)模塊不同，本項(xiàng)目為了追求極致性能，對(duì)次末級(jí)動(dòng)靜葉進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使次末級(jí)級(jí)前壓力與第3路補(bǔ)汽壓力匹配。這樣降低了補(bǔ)汽壓損，提高了末2級(jí)通流效率，使機(jī)組出力提高了2.1%左右。

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，汽輪機(jī)總級(jí)數(shù)為8級(jí)(3+2+1+2)，縱剖圖如圖2所示。

圖2 汽輪機(jī)縱剖圖

2.3 進(jìn)補(bǔ)汽腔室設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步提高機(jī)組性能，挖掘潛能，利用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)對(duì)汽輪機(jī)內(nèi)葉片通流以外的流道進(jìn)行流場(chǎng)分析，并對(duì)進(jìn)汽腔室、各路補(bǔ)汽腔室、排汽腔室等不斷進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 各進(jìn)汽、補(bǔ)汽、排汽腔室模型

該機(jī)組具有1路主汽3路補(bǔ)汽，且補(bǔ)汽量大，尤其是1路補(bǔ)汽量超過(guò)了主蒸汽量的150%。補(bǔ)汽腔室對(duì)機(jī)組性能影響巨大[11]，各腔室設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使補(bǔ)汽和主流均勻混合，降低摻混損失，同時(shí)使補(bǔ)汽腔室流道光順，避免流道內(nèi)出現(xiàn)局部分離現(xiàn)象。每一路補(bǔ)汽均采用切向進(jìn)汽和導(dǎo)流型線進(jìn)汽結(jié)構(gòu)。

由于3段補(bǔ)汽導(dǎo)致通流級(jí)組間的臺(tái)階巨大，各腔室計(jì)算均考慮了流道上下游葉片級(jí)的影響。為了使級(jí)組間光滑過(guò)渡，減少損失，將軸向距離拉長(zhǎng)，并優(yōu)化轉(zhuǎn)子擴(kuò)張度，以提高汽輪機(jī)通流效率。

新型進(jìn)補(bǔ)汽腔室的設(shè)計(jì)可以有效降低腔室進(jìn)汽壓損，提高機(jī)組性能水平，降低補(bǔ)汽對(duì)機(jī)組的沖擊。

2.4 排汽蝸殼設(shè)計(jì)

該機(jī)組采用軸向排汽方式，單層布置，相比徑向排汽方式，有助于降低廠房高度，降低廠房建設(shè)成本。而且由于軸向排汽缸內(nèi)部流動(dòng)簡(jiǎn)單，流動(dòng)損失相比于徑向排汽方式小，有利于機(jī)組整體性能的提升。

設(shè)計(jì)人員通過(guò)CFD技術(shù)對(duì)排汽蝸殼進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并不斷進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，以降低排汽蝸殼壓損，提高靜壓恢復(fù)因數(shù)，使回收的排汽余速最大化。計(jì)算時(shí)充分考慮了末級(jí)葉片對(duì)排汽腔室的流動(dòng)影響，采取末級(jí)葉片與排汽蝸殼耦合的計(jì)算方法[12]，計(jì)算模型如圖4所示。

靜壓恢復(fù)因數(shù)計(jì)算公式如下：

圖4 排汽腔室計(jì)算模型圖

蝸殼靜壓恢復(fù)因數(shù)為0.33，機(jī)組出力能夠因此提高2%左右，蝸殼對(duì)排汽余速的回收非常可觀。

2.5 去濕措施應(yīng)用

本項(xiàng)目汽輪機(jī)4路進(jìn)汽均為低壓飽和濕蒸汽，各蒸汽管線上均布置了汽水分離器。常規(guī)機(jī)組一般只有末幾級(jí)處在濕蒸汽區(qū)，而本項(xiàng)目機(jī)組基本上所有級(jí)都處在濕蒸汽區(qū)甚至過(guò)渡區(qū)，機(jī)組工作環(huán)境惡劣。

為了減少濕蒸汽對(duì)機(jī)組的水蝕，根據(jù)各級(jí)的濕度情況，設(shè)計(jì)人員合理采用去濕措施，保證汽輪機(jī)各部套能長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)去濕措施也可以降低葉片濕汽損失，進(jìn)一步提高機(jī)組性能。根據(jù)計(jì)算，本項(xiàng)目各工況的末級(jí)排汽濕度都小于13%。

本項(xiàng)目采用的防水蝕措施包括主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式主要有以下幾種措施：

1)葉片級(jí)采用去濕鉤；

2)末級(jí)葉片采用空心靜葉；

3)增大動(dòng)靜葉間隙，使水滴霧化，減少水蝕；

4)汽缸內(nèi)低位設(shè)置常疏水點(diǎn)，防止缸內(nèi)積水。

為避免濕蒸汽對(duì)機(jī)組的腐蝕和沖刷，合理選用各部套材料，機(jī)組采用被動(dòng)式防水蝕，主要有以下幾種措施：

1)進(jìn)汽閥門(mén)、管道均采用防水蝕材料；

2)葉片通流部分按照更嚴(yán)格的過(guò)渡區(qū)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核，葉片表面進(jìn)行特殊處理；

3)汽缸內(nèi)通流以外的部套材料按照核電標(biāo)準(zhǔn)選取。

2.6 小 結(jié)

各通流部分進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)后，汽輪機(jī)功率可提高6.1%，達(dá)到53.3 MW，比性能保證值51.5 MW高3.5%。各通流部分優(yōu)化對(duì)機(jī)組收益貢獻(xiàn)的匯總?cè)绫?所示。

表4 性能收益

3 性能驗(yàn)收試驗(yàn)

該機(jī)組于2018年7月正式投入運(yùn)行，并于同年10月底完成熱力性能驗(yàn)收試驗(yàn)。性能驗(yàn)收試驗(yàn)采用了大量精密校準(zhǔn)的測(cè)量?jī)x表，具有最小不確定度，并且試驗(yàn)考慮了多個(gè)不同時(shí)段，可以準(zhǔn)確反映新投運(yùn)機(jī)組的真實(shí)熱力性能水平。

試驗(yàn)階段，發(fā)電機(jī)功率平均值為56 448 kW，考慮各段補(bǔ)汽焓值、流量、背壓對(duì)功率的修正，修正后發(fā)電機(jī)功率為53 115.9 kW，比性能保證值51 510 kW高3.1%，可見(jiàn)該機(jī)組實(shí)際性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)期。

4 結(jié) 論

本文介紹了某大型PTA裝置余熱利用汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，重點(diǎn)突出了該機(jī)組通流部分精細(xì)化設(shè)計(jì)過(guò)程，并通過(guò)性能驗(yàn)收試驗(yàn)驗(yàn)證了該機(jī)組的優(yōu)異性能。該機(jī)組為國(guó)內(nèi)首臺(tái)一主三補(bǔ)的PTA余熱利用汽輪機(jī)，具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

1)3路補(bǔ)汽設(shè)計(jì)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，具有目前國(guó)內(nèi)最大的單機(jī)功率；

2)實(shí)際發(fā)電功率比保證值高3.1%，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

該機(jī)組的設(shè)計(jì)和投運(yùn)推動(dòng)了國(guó)內(nèi)PTA余熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，在余熱利用發(fā)電行業(yè)中引起了廣泛關(guān)注。