盛化才 王宏偉
上海置信節(jié)能環(huán)保有限公司
近年來,國家大力實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,其中,節(jié)能減排是該戰(zhàn)略的重要組成部分。造紙工業(yè)能耗較大,尤其制漿造紙生產過程中要消耗大量熱能、電力和水,對此,除采用制漿造紙工藝技術改造,實施高效合理用能已成為造紙企業(yè)節(jié)能的主要措施。造紙工業(yè)“十三五”發(fā)展的《意見》指出,中國造紙工業(yè)30多年的高速發(fā)展伴隨著資源和環(huán)境的巨大壓力,“十三五”期間行業(yè)面臨的全球資源、市場、資本激烈競爭,以及產品貿易的綠色壁壘將更加明顯,國內凸現(xiàn)的能源、資源、環(huán)境瓶頸和消費結構的重大變化將敦促造紙工業(yè)走綠色發(fā)展道路[1]。國家還明確提出“發(fā)展熱電聯(lián)產,熱、電、冷聯(lián)產和熱、電、煤氣多聯(lián)供”,以提高熱能綜合利用效率[2]。當前,一些企業(yè)仍存在蒸汽沒有合理利用的問題,造成整體熱效率較低。因此,熱電聯(lián)產能效提升優(yōu)化改造勢在必行。
某造紙企業(yè)的紙機生產線采用目前世界上最先進的技術設備,并配備最先進的DCS、QCS質量控制系統(tǒng),現(xiàn)有兩條共150萬t/年的涂布白紙板生產線。企業(yè)現(xiàn)有一座自備熱電廠為全廠生產提供蒸汽和電力。熱電廠有兩臺300t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐,配備兩臺60MW高溫高壓抽凝式汽輪發(fā)電機組;兩臺130t/h污泥焚燒鍋爐,配備兩套減溫減壓裝置(至中壓聯(lián)箱設兩臺減溫減壓裝置,其中一臺備用;至低壓聯(lián)箱設三臺減溫減壓裝置,其中一臺備用)。現(xiàn)有鍋爐、汽輪機和減溫減壓裝置的主要參數(shù)見表1、表2和表3。
表1 鍋爐參數(shù)表
表2 抽凝式汽輪機參數(shù)表
表3 減溫減壓裝置參數(shù)表
根據現(xiàn)場熱負荷調查,紙機生產全天24h運行,年運行時間在340天左右。其自備熱電廠現(xiàn)有熱用戶為企業(yè)內部造紙工藝用汽,對供熱的連續(xù)性、穩(wěn)定性要求較高。中壓用汽壓力為1.57MPa、280℃左右;低壓用汽壓力為 0.7MPa、200℃左右。熱用戶加熱方式以間接換熱為主,生產線已考慮設置有凝結水回收系統(tǒng),約有供熱蒸汽80%的凝結水得到回收。
為了滿足企業(yè)生產規(guī)模不斷擴大及周邊企業(yè)供汽需求,結合熱電廠原有供熱蒸汽參數(shù),熱負荷需求增加,匯總見表4。
表4 熱負荷需求匯總表
造紙生產線用汽主要由熱電廠現(xiàn)有兩臺60MW抽凝式汽輪機抽汽及污泥焚燒鍋爐蒸汽經減溫減壓后提供,兩條線熱負荷通過低壓聯(lián)箱連通管相通。熱電廠現(xiàn)有供熱能力如表5所示。
表5 現(xiàn)有熱電廠供熱能力
根據熱電廠現(xiàn)有裝機供熱能力、企業(yè)生產自用熱負荷和外供熱負荷現(xiàn)狀,通過熱負荷供需分析,廠區(qū)低壓蒸汽供汽存在缺口,現(xiàn)有供熱能力不能滿足生產用汽及外供蒸汽需求。
從熱力學第一定律角度分析,熱電聯(lián)產系統(tǒng)較純凝機組提高了能量的利用效率。從熱力學第二定律角度看,能量還存在質量的區(qū)別,體現(xiàn)在能量的品位上,例如高溫高壓熱源比低溫低壓熱源的熱能品位高。蒸汽減溫減壓雖為絕熱過程,總熱量保持不變,但減溫減壓后,會造成蒸汽?損失,因此蒸汽減溫減壓過程會造成蒸汽能量的大量損失?,F(xiàn)有污泥焚燒鍋爐產生的5.3MPa、485℃過熱蒸汽經減溫減壓裝置降至1.7MPa、280℃和0.8MPa、220℃兩個等級,壓差分別達到3.6MPa和4.5MPa,存在較大的余壓資源浪費。利用背壓機組替代現(xiàn)有的減溫減壓裝置進行發(fā)電和供熱,能提高能源的綜合利用效率。
企業(yè)自備熱電廠有2臺60MW抽凝式汽輪發(fā)電機組,采用抽汽供熱。而當?shù)卣蟆?020年底前,每家企業(yè)最多保留1臺燃煤抽凝自備機組”[3],并滿足地方標準熱電聯(lián)產能效能耗限額規(guī)定要求。目前,企業(yè)采用抽凝式機組進行供熱,綜合熱效率低,不能滿足政策及能耗準入強制性條款要求。
綜合以上分析,企業(yè)能源損失主要是污泥焚燒鍋爐產生的高溫蒸汽直接經減溫減壓裝置進行供熱造成巨大的做功能力損失和熱能浪費。據此,提出改造方案的思路是蒸汽合理高效利用,同時滿足當?shù)貙Τ槟龣C組政策要求。根據熱負荷規(guī)模及參數(shù)要求,按照“以熱定電、熱電聯(lián)產、節(jié)約能源、保護環(huán)境”原則,《改造方案》包括兩部分內容:先期建設1臺15MW背壓機組替代減溫減壓裝置;后續(xù)將1#60MW高溫高壓抽凝機組改造為45MW抽背機組,保留原有2#60MW高溫高壓抽凝機組,并通過2#抽凝機組抽汽進行調節(jié),以滿足供熱需求的波動。
廠內現(xiàn)需生產及外供蒸汽參數(shù)如下:低壓蒸汽0.7MPa(g),溫度220℃;次中壓蒸汽1.6MPa(g),溫度270℃。考慮造紙工藝對熱負荷參數(shù)的穩(wěn)定性和周邊企業(yè)供熱需求,CB15汽輪機抽汽參數(shù)2.5MPa(a),排汽參數(shù)0.98MPa(a),抽排汽后端均設減溫減壓裝置調節(jié)外供蒸汽參數(shù)。CB45機組抽汽參數(shù)與2#抽凝機C60的抽汽參數(shù)一致,抽汽參數(shù)為 2.51MPa(a),排汽參數(shù) 0.85MPa(a)。抽汽及排汽后,為了保證供熱參數(shù)的適當調節(jié)能力以適應生產工藝的需要,再分別設置兩套減溫減壓裝置。
結合廠內焚燒鍋爐出力和熱負荷需求,經全廠熱負荷計算,汽輪機選型以額定功率15MW的CB15-4.9/2.5/0.98抽汽背壓式汽輪機(機組參數(shù)見表6),系次高溫次高壓、單缸、單抽背壓式汽輪發(fā)電機組替代減溫減壓裝置,原有減溫減壓裝置作為備用。熱電廠1#60MW抽凝式汽輪發(fā)電機組改造為1×45MW抽背壓式汽輪發(fā)電機組機(機組參數(shù)見表7),通過改造提高機組對外供熱量,以適應供熱需求的提高,改善機組的能效能耗指標。
表6 15MW抽汽背壓式汽輪機參數(shù)表
表7 45MW抽汽背壓式汽輪機參數(shù)表
從全廠機組經濟運行考慮,為確保抽背機組高效運行,CB15和CB45機組的抽汽及排汽分別經減溫減壓后送中低壓聯(lián)箱,通過一、二期聯(lián)箱連通管轉送各工藝生產線和周邊企業(yè);不足部分的中低壓蒸汽,由現(xiàn)有2#60MW抽凝式汽輪機發(fā)電機組補充提供。同時,考慮背壓機組事故或正常檢修確保生產線工藝用熱需求,保留原有次高壓次高溫減溫減壓裝置,以作備用。
整個項目分兩階段實施:第一階段主要是新建1×15MW背壓機組替代原有減溫減壓裝置;第二階段將熱電廠現(xiàn)有1#60MW的抽凝機組改造為1×45MW抽背機組。項目實施前后主要經濟指標如表8所示:
表8 項目實施前后主要技術經濟指標表
背壓機組具有供熱穩(wěn)定、系統(tǒng)簡單、經濟性較好等優(yōu)點。利用背壓機組替代減溫減壓裝置進行發(fā)電和供熱,可大大提高企業(yè)的能源利用效率,且符合國家政策和地方政府要求。全部項目實施后,可提高機組對外供熱能力和供熱穩(wěn)定性,在滿足造紙企業(yè)對蒸汽需求的前提下,具有良好的經濟效益和社會效益。