化工裝置蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化和節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

戴 立

（中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223）

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化工裝置蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化和節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

戴 立

（中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223）

摘 要：以內(nèi)蒙古某大型化工項(xiàng)目所配套的蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)為例，闡述了蒸汽分級(jí)合理利用的管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)置原則，并提出了“熱、電、功”聯(lián)產(chǎn)及回收低位熱能的節(jié)能思路。

關(guān)鍵詞：蒸汽管網(wǎng)；優(yōu)化；節(jié)能；化工裝置

隨著我國(guó)化工行業(yè)裝置規(guī)模的日趨增大，大型化的化工項(xiàng)目包含更多的生產(chǎn)單元，對(duì)工業(yè)蒸汽的需求也更加復(fù)雜多樣。因此，蒸汽管網(wǎng)的設(shè)計(jì)任務(wù)主要是保證化工工藝生產(chǎn)裝置能夠在不同工況條件下安全、穩(wěn)定運(yùn)行。目前蒸汽系統(tǒng)在整體設(shè)計(jì)規(guī)范及運(yùn)行管理上已具有一定的先進(jìn)性，但在降低能耗研究方面，以前則偏重在大型節(jié)能裝備上［1］。本文將以內(nèi)蒙古某化工企業(yè)為例，重點(diǎn)對(duì)化工裝置蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化和節(jié)能技術(shù)進(jìn)行深入分析研究。

1 項(xiàng)目蒸汽管網(wǎng)

本項(xiàng)目屬于大型化工項(xiàng)目，化工產(chǎn)品為合成氨和尿素?；ぱb置的蒸汽需求主要來(lái)自2方面：①驅(qū)動(dòng)大型壓縮機(jī)的蒸汽透平：如空壓機(jī)、氨壓機(jī)、合成氣壓縮機(jī)、氮壓機(jī)和CO2壓縮機(jī)等；②提供化學(xué)反應(yīng)所需的蒸汽和換熱伴熱的熱源等。同時(shí)為貫徹國(guó)家熱電聯(lián)產(chǎn)的政策要求，本項(xiàng)目將設(shè)置1臺(tái)25 MW蒸汽發(fā)電機(jī)組，以滿足全廠部分用電需求，全廠蒸汽管網(wǎng)見圖1。結(jié)合整個(gè)項(xiàng)目熱負(fù)荷、動(dòng)力負(fù)荷和用電負(fù)荷綜合考慮，本項(xiàng)目蒸汽管網(wǎng)的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 全廠蒸汽管網(wǎng)參數(shù)

全廠主要汽源為項(xiàng)目配套動(dòng)力站3×240 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐出口蒸汽將采用單母管制與9.8 MPa（g）高壓等級(jí)蒸汽管網(wǎng)直接連接，作為全廠高壓等級(jí)蒸汽的直接來(lái)源。同時(shí)工藝裝置也會(huì)由自身的化學(xué)放熱反應(yīng)副產(chǎn)部分低品位蒸汽，作為補(bǔ)充的蒸汽汽源。

2 管網(wǎng)的優(yōu)化節(jié)能措施

管網(wǎng)主要遵循蒸汽分級(jí)合理利用的設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)熱、電、功聯(lián)產(chǎn)，節(jié)能降耗，以提高全廠熱效率。根據(jù)本項(xiàng)目蒸汽管網(wǎng)所設(shè)置的高、中、低三個(gè)蒸汽壓力等級(jí)，各級(jí)采取的節(jié)能措施分析如下。

圖1 某大型化工項(xiàng)目的全廠蒸汽管網(wǎng)

2.1 9.8 MPa（g）高壓蒸汽管網(wǎng)

由于壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)用的蒸汽透平功率較大，因此對(duì)蒸汽做功的能力要求較高。所以考慮將大功率的蒸汽透平設(shè)置在高壓蒸汽等級(jí)，利用鍋爐出口的高品位蒸汽（焓值大，做功能力高）直接驅(qū)動(dòng)透平。一方面可保證驅(qū)動(dòng)大功率透平的汽耗率維持在較低的合理量級(jí)，避免中壓管網(wǎng)因設(shè)置太多透平后蒸汽需求量較大，導(dǎo)致管網(wǎng)管徑超出合理范圍；另一方面也可減少中、低壓管網(wǎng)的蒸汽需求量，避免高品質(zhì)蒸汽在不同壓力等級(jí)管網(wǎng)下輸送而造成蒸汽品位和做功能力的降低。

2.2 5.1 MPa（g）中壓蒸汽管網(wǎng)

本級(jí)管網(wǎng)并無(wú)直接汽源，中壓蒸汽的來(lái)源主要是由化工裝置壓縮機(jī)的蒸汽透平抽汽提供。抽凝式蒸汽透平的主要特點(diǎn)是從透平中壓缸抽出蒸汽，在壓差作用下蒸汽的部分內(nèi)能將轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)透平的機(jī)械能，同時(shí)該蒸汽還保持一定的壓力和焓值可供熱用戶使用。將此蒸汽抽至中壓管網(wǎng)，能夠?yàn)樵摰燃?jí)的蒸汽用戶提供能量，從而實(shí)現(xiàn)“熱功聯(lián)產(chǎn)”的目的。選用抽凝式透平機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是可調(diào)節(jié)性強(qiáng)，熱、動(dòng)負(fù)荷都可以在很大范圍內(nèi)自由變動(dòng)［2］。所以考慮將驅(qū)動(dòng)小功率壓縮機(jī)的蒸汽透平設(shè)置在中壓等級(jí)管網(wǎng)，另外對(duì)蒸汽壓力有較高要求的工藝裝置也將設(shè)置在該等級(jí)。

由于此級(jí)蒸汽管網(wǎng)的汽源來(lái)自壓縮機(jī)蒸汽透平的直接抽汽，因此該蒸汽透平的運(yùn)行狀況直接影響中壓蒸汽管網(wǎng)的壓力，一旦蒸汽透平運(yùn)行不穩(wěn)定，將導(dǎo)致中壓蒸汽管網(wǎng)的壓力發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而影響該級(jí)管網(wǎng)下的蒸汽透平和工藝裝置的運(yùn)行。鑒于上述因素，在高壓蒸汽管網(wǎng)和中壓蒸汽管網(wǎng)之間設(shè)置具備快開功能的減溫減壓器，確保在壓縮機(jī)透平運(yùn)行故障或抽汽不足時(shí)，壓力調(diào)節(jié)閥能夠在1s內(nèi)迅速打開，高壓蒸汽經(jīng)過(guò)減壓后能夠快速補(bǔ)充至中壓管網(wǎng)，以維持管網(wǎng)的蒸汽壓力恒定在正常范圍。

由于高壓至中壓減溫減壓器主要應(yīng)用在開車和事故工況，考慮到其特殊的重要性，該減溫減壓器將采取分體式控制，高壓透平蒸汽旁路系統(tǒng)見圖2，其中閥PCV001作為正常中壓管網(wǎng)的壓力調(diào)節(jié)閥，根據(jù)中壓蒸汽管線的壓力隨時(shí)調(diào)整閥門開度；PCV002作為壓縮機(jī)透平抽汽的流量跟蹤。PCV001 和PCV002互為備用，可以起到雙重保險(xiǎn)的功能。雙旁路系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)能夠防止一套旁路故障導(dǎo)致全廠都需緊急停車的事故發(fā)生。

圖2 高壓透平蒸汽旁路系統(tǒng)

2.3 0.6 MPa（g）低壓蒸汽管網(wǎng)

由于該級(jí)蒸汽的品位較低，雖然仍具有一定的過(guò)熱度，但與高壓蒸汽相比，低壓蒸汽的做功能力明顯下降，不適合作為驅(qū)動(dòng)蒸汽透平的動(dòng)力來(lái)源。因此本級(jí)蒸汽主要用于設(shè)備、管線的伴熱或采暖的熱源。同樣，本級(jí)管網(wǎng)上并無(wú)換熱設(shè)備能夠穩(wěn)定、持續(xù)地提供副產(chǎn)低壓蒸汽，所以考慮利用高壓管網(wǎng)上汽輪發(fā)電機(jī)組的低壓抽汽作為低壓管網(wǎng)的蒸汽汽源，實(shí)現(xiàn)“熱電聯(lián)產(chǎn)”的目的［3］。

另外尿素裝置的換熱反應(yīng)可副產(chǎn)25t/h的低壓飽和蒸汽（0.3 MPa（g）），但壓力過(guò)低，無(wú)法并入低壓蒸汽管網(wǎng)。若這部分蒸汽直接排放，又將造成能量的浪費(fèi)。現(xiàn)考慮采用蒸汽噴射器，以中壓蒸汽作為噴射動(dòng)力汽源，將低壓飽和蒸汽由0.3 MPa（g）提壓升至0.6 MPa（g）后并入低壓蒸汽管網(wǎng)，供該級(jí)蒸汽用戶使用。蒸汽噴射器示意見圖3。

圖3 蒸汽噴射器示意

中壓驅(qū)動(dòng)蒸汽進(jìn)入噴射器的壓力適配器驅(qū)動(dòng)入口，通過(guò)噴嘴形成高速汽流，將0.3 MPa（g）的低壓蒸汽吸入，經(jīng)混合、擴(kuò)壓后形成0.6 MPa（g）的低壓蒸汽供出。25 t低壓蒸汽（0.3 MPa（g））大約需30t的中壓驅(qū)動(dòng)蒸汽。按照5.1 MPa（g）中壓蒸汽90元/t，0.6 MPa（g）低壓蒸汽70元/t，0.3 MPa（g）低壓蒸汽30元/t的價(jià)格計(jì)算［4］，增加蒸汽噴射器后，每年回收該股低壓飽和蒸汽即可增加約300萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

一般而言，可按下述措施考慮蒸汽管網(wǎng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化：①對(duì)蒸汽分級(jí)合理利用，實(shí)現(xiàn)熱、電、功聯(lián)產(chǎn)；②盡量回收低品位熱源，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

由于化工系統(tǒng)運(yùn)行工況復(fù)雜，整個(gè)裝置的熱負(fù)荷、動(dòng)力負(fù)荷和用電負(fù)荷會(huì)伴隨化工工藝裝置的負(fù)荷波動(dòng)而發(fā)生變化。因此配套蒸汽管網(wǎng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化應(yīng)著眼于蒸汽系統(tǒng)的可靠性、安全性和穩(wěn)定性，并結(jié)合化工裝置的實(shí)際需求考慮相應(yīng)的節(jié)能措施。

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［4］趙仁平，等.制漿造紙業(yè)蒸汽價(jià)格及能源優(yōu)化利用的探討［J］.中華紙業(yè)，2012，33（16）：56-60.

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.014 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.014

中圖分類號(hào)：TK284.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-8901（2016）02-0049-03

作者簡(jiǎn)介：戴立（1982年-），男，湖北黃岡人，2007年畢業(yè)于華中科技大學(xué)熱能工程專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事熱力系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2016-01-18

Optimization and Energy-saving Technology Application of Steam Pipe Network of Chemical Plant

DAI Li
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

Abstract：This paper takes the steam pipe network system of a certain large chemical plant in Inner Mongolia as an example，expounds the steam pipe network optimization setup principles for reasonable steam grading utilization and puts forward the energy-saving idea of cogeneration of heat，electricity and power and recovery of low grade heat energy.

Keywords：steam pipe network；optimization；energy-saving；chemical plant