燃?xì)廨啓C(jī)在化工自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)裝置中的應(yīng)用

楊衛(wèi)東 高 軍 范昌海 田俊凱*

1 浙江衛(wèi)星石化股份有限公司 （浙江嘉興 314000）

2 浙江衛(wèi)星能源有限公司 （浙江嘉興 314000）

化工自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)中的三大動(dòng)力指電動(dòng)機(jī)、蒸汽輪機(jī)（蒸汽透平）、燃?xì)廨啓C(jī)（燃?xì)馔钙剑?。電機(jī)應(yīng)用最為常見(jiàn)、應(yīng)用范圍最廣、操作最簡(jiǎn)單，但對(duì)于驅(qū)動(dòng)大型壓縮機(jī)而言，電機(jī)抗電網(wǎng)晃電能力最弱；蒸汽透平是目前最常見(jiàn)的大型壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)力，尤其在乙烯、丙烯制備，原料油重整、裂化等反應(yīng)中。蒸汽透平操作相對(duì)簡(jiǎn)單、平穩(wěn)，在保證蒸汽品質(zhì)的前提下可以連續(xù)運(yùn)行3～5 年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間。蒸汽透平發(fā)展歷史悠久，積累的經(jīng)驗(yàn)最為豐富，從運(yùn)行成本、安全系數(shù)等方面來(lái)看，是目前大型壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)力的首選。

燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)之前，其在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)方面得到很好的應(yīng)用。近年來(lái)，燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)電行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭很快，但在化工領(lǐng)域的應(yīng)用屈指可數(shù)[1]。燃料氣直接轉(zhuǎn)化為動(dòng)力是最節(jié)能的應(yīng)用方式，理論上，燃?xì)廨啓C(jī)在化工自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)中運(yùn)行成本最低，但并未得到廣泛應(yīng)用，原因在于燃?xì)廨啓C(jī)操作難度高，環(huán)境溫度高時(shí)效率下降，空氣質(zhì)量影響壓氣機(jī)效率等。在荷蘭等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，為了更好地優(yōu)化燃?xì)赓Y源，已經(jīng)有50%以上的化工企業(yè)安裝燃?xì)廨啓C(jī)[2]。燃?xì)廨啓C(jī)在中國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用推廣較晚，加上進(jìn)口設(shè)備價(jià)格高昂，其在化工領(lǐng)域的應(yīng)用更是少見(jiàn)。伴隨著能源結(jié)構(gòu)的變化[3]，國(guó)家對(duì)能耗指標(biāo)要求越來(lái)越高，人們對(duì)環(huán)境日益重視，燃?xì)廨啓C(jī)在化工領(lǐng)域的市場(chǎng)前景十分廣闊。

對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行討論分析，通過(guò)在丙烷脫氫行業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、電機(jī)、蒸汽輪機(jī)的應(yīng)用對(duì)比，發(fā)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行能耗最低，對(duì)目前國(guó)內(nèi)發(fā)展方興未艾的輕烴脫氫的設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。通過(guò)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)空氣過(guò)濾系統(tǒng)、空氣冷卻系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)在化工連續(xù)化生產(chǎn)中的長(zhǎng)周期運(yùn)行。

1 燃?xì)廨啓C(jī)綜述

燃?xì)廨啓C(jī)依據(jù)負(fù)荷一般分為重型燃?xì)廨啓C(jī)、輕型燃?xì)廨啓C(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)。重型燃?xì)廨啓C(jī)主要應(yīng)用在發(fā)電、航母等機(jī)械驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，輕型燃?xì)廨啓C(jī)主要應(yīng)用于飛機(jī)、化工生產(chǎn)等驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，微型燃?xì)廨啓C(jī)主要分布于家庭發(fā)電、移動(dòng)式發(fā)電、化工生產(chǎn)等領(lǐng)域。當(dāng)前，美國(guó)通用電氣公司（GE）的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)處于世界領(lǐng)先地位，德國(guó)西門(mén)子燃?xì)廨啓C(jī)以其低NOx的先進(jìn)控制系統(tǒng)正加速發(fā)展，日本（三菱）、英國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、中國(guó)等在燃?xì)廨啓C(jī)方面都取得突破性進(jìn)展。

在能源發(fā)電領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外逐步注重節(jié)能減排和能源供給安全。美國(guó)、日本、韓國(guó)和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)逐步增加天然氣的發(fā)電份額，裝機(jī)容量占比越來(lái)越高，其中美國(guó)42%、英國(guó)42%、韓國(guó)27%；中國(guó)目前還處于天然氣發(fā)電的起步階段。

燃?xì)廨啓C(jī)通常由空氣壓縮機(jī)、燃燒室、動(dòng)力透平、排氣組成，動(dòng)力透平可選擇發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)等作為驅(qū)動(dòng)力。輕型和微型燃?xì)廨啓C(jī)可靠性高、運(yùn)行成本低、NOx排放低、啟動(dòng)快速、消耗水量低，廣泛應(yīng)用于電力組網(wǎng)發(fā)電調(diào)整、居家發(fā)電、野外發(fā)電，化工、能源等領(lǐng)域。下面著重介紹在化工生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 燃?xì)廨啓C(jī)在化工自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)裝置中的應(yīng)用

2.1 壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)和天然氣運(yùn)輸

北京化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司（原北京市氧氣廠）液化天然氣綠色奧運(yùn)項(xiàng)目，選用天然氣作為燃料，以燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)制冷壓縮機(jī)，省去蒸汽輪機(jī)需要的大量輔助設(shè)施，余熱還可以發(fā)蒸汽，鍋爐熱水在冬季用于城市供暖。西氣東輸工程是我國(guó)一項(xiàng)重要的民生工程，是我國(guó)能源管道的代表工程，也是目前燃?xì)廨啓C(jī)大規(guī)模服役的項(xiàng)目。目前，西氣東輸沿線裝機(jī)了115 套燃?xì)廨啓C(jī)，其中，通用電氣公司PGT25+系列71 套，羅爾斯- 羅伊斯公司RB211 系列39套，中船重工 703 所國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī) 5 套[5]。2006 年運(yùn)行至今，燃?xì)廨啓C(jī)在西氣東輸中發(fā)揮了核心驅(qū)動(dòng)作用，有效保障天然氣的平穩(wěn)輸送。

2.2 合成氨領(lǐng)域

20 世紀(jì)80 年代，中原化肥廠首次在合成氨裝置中使用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)工藝空氣壓縮機(jī)，至今已經(jīng)運(yùn)行30 多年。國(guó)內(nèi)幾套新引進(jìn)的大氮肥裝置，例如海南富島復(fù)合肥有限公司一期/二期項(xiàng)目、中國(guó)石油天然氣股份有限公司烏魯木齊石化分公司化肥廠、四川省合江縣化肥廠、錦西化肥廠、重慶建峰化工股份有限公司一期/二期項(xiàng)目等，都采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)。國(guó)內(nèi)對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)已經(jīng)累積了很多運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在節(jié)能環(huán)保方面取得顯著效果。合成氨裝置燃?xì)廨啓C(jī)煙氣的余熱利用主要有兩種方式：（1）利用13%～15%的過(guò)剩氧作為加熱爐的燃燒氣體；（2）利用補(bǔ)燃技術(shù)加熱鍋爐形成蒸汽，蒸汽作為其他驅(qū)動(dòng)力[6]。

2.3 輕烴脫氫領(lǐng)域

燃?xì)廨啓C(jī)在石油化工領(lǐng)域用途廣泛、潛力較大。目前主要應(yīng)用包括：建立聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電，保障化工廠區(qū)電力安全；作為驅(qū)動(dòng)力直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)；作為驅(qū)動(dòng)力直接驅(qū)動(dòng)泵。燃?xì)廨啓C(jī)的尾氣余熱，大部分化工裝置可直接作為熱源加熱工藝氣體，這樣可以提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率與加熱爐的綜合熱效率，避免化工生產(chǎn)中能量多次轉(zhuǎn)化的效能損失。

乙烯、丙烯是國(guó)家戰(zhàn)略物質(zhì)，輕烴脫氫是當(dāng)下石油化工領(lǐng)域研究最多的工藝，未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)中成本優(yōu)勢(shì)、環(huán)保優(yōu)勢(shì)是根本。國(guó)內(nèi)第一套魯姆斯技術(shù)丙烷脫氫（PDH）裝置（天津渤化石化有限公司）的催化劑再生空氣壓縮機(jī)利用兩臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，以天然氣為原料，在降本增效方面發(fā)揮了重要作用；國(guó)內(nèi)第一套UOP 技術(shù)PDH 裝置（浙江衛(wèi)星能源有限公司）產(chǎn)品氣壓縮機(jī)以燃?xì)廨啓C(jī)作為驅(qū)動(dòng)力，以丙烷的副產(chǎn)碳二為主要燃料，運(yùn)行成本低于同行業(yè)的運(yùn)行成本，二期項(xiàng)目依然選擇燃?xì)廨啓C(jī)作為驅(qū)動(dòng)力。

2.4 燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

以45 萬(wàn)t/a PDH 裝置為例，比較燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、電機(jī)作為產(chǎn)品氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)力的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。裝置的主要燃料來(lái)源是副產(chǎn)氫氣、脫乙塔碳二、脫丙烷塔碳三，上述燃料不足時(shí)外輸天然氣/丙烷。對(duì)比分析中，僅假設(shè)產(chǎn)品氣壓縮的驅(qū)動(dòng)力不同，其他后續(xù)工藝相同。其分離系統(tǒng)碳二可以直接作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃料，設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1 所示。其中：噸產(chǎn)品損失0.196 t 脫鹽水[7]，補(bǔ)水脫鹽水自產(chǎn)，價(jià)格為 10 元 /t；電費(fèi)均價(jià)0.67 元/（kW·h）；燃?xì)廨啓C(jī)燃料輸入均價(jià)3 300 元 /t，燃料外輸 3 000 元 /t；循環(huán)水 0.3 元 /t；1 t蒸汽需要90 m3天然氣，天然氣價(jià)格按照2.7 元/m3折算。

表1 3 種驅(qū)動(dòng)力設(shè)計(jì)指標(biāo)

按年運(yùn)行8 000 h 計(jì)算，年度運(yùn)行成本如表2 所示。用燃?xì)廨啓C(jī)比蒸汽輪機(jī)節(jié)約8 300 余萬(wàn)元，電機(jī)比蒸汽輪機(jī)節(jié)約5 538 萬(wàn)元，這是建立在鍋爐以天然氣和丙烷脫氫裝置副產(chǎn)氣體為燃料的基礎(chǔ)上，如果有燃煤能耗指標(biāo)，結(jié)果會(huì)不同。從操作穩(wěn)定性看，蒸汽輪機(jī)相對(duì)最穩(wěn)定，燃?xì)廨啓C(jī)投資最高。如果靠近裝置發(fā)電廠，電力價(jià)格可降到0.53 元/（kW·h），則電機(jī)運(yùn)行成本低于燃?xì)廨啓C(jī)。如果選擇的工程園區(qū)沒(méi)有完善的蒸汽、電力系統(tǒng)、PDH 副產(chǎn)物、碳二，副氫，LPG 又沒(méi)有很好的下游，那么綜合考慮，選擇燃?xì)廨啓C(jī)是最合適的方案。如果裝置缺少水源，那么電機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)也是較佳選擇。

表2 3 種驅(qū)動(dòng)力運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

3 燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行技術(shù)升級(jí)

3.1 溫度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)效率的影響

燃?xì)廨啓C(jī)效率隨溫度升高而下降，夏季溫度高于35 ℃后，效率下降比較明顯；冬季溫度低于5 ℃及濕度大于85%時(shí)，入口過(guò)濾器存在結(jié)冰問(wèn)題，下雪時(shí)也可能造成吸風(fēng)口結(jié)冰堵塞，影響風(fēng)道進(jìn)氣量，造成非計(jì)劃停車[8]。根據(jù)專利208816238U[9]對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)空氣系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了夏季降溫保效率和冬季升溫防結(jié)冰，解除了其在連續(xù)生產(chǎn)中的限制。

3.2 空氣過(guò)濾系統(tǒng)

空氣質(zhì)量對(duì)壓氣機(jī)的效率影響直觀，為減少結(jié)垢，空氣過(guò)濾器在線更換可有效保證燃?xì)廨啓C(jī)的長(zhǎng)周期運(yùn)行。壓氣機(jī)效率下降1%，導(dǎo)致機(jī)組效率下降1.8%[10]；燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)中，壓氣機(jī)效率下降1.5%時(shí)，需進(jìn)行離線清洗，制約了化工裝置的連續(xù)長(zhǎng)周期運(yùn)行。根據(jù)專利208564776U[11]，結(jié)合空氣質(zhì)量，改造入口過(guò)濾器，實(shí)現(xiàn)了裝置長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)行。更換一次濾芯花費(fèi)30 萬(wàn)元，而避免一次離線清洗可節(jié)約800 萬(wàn)元。

經(jīng)過(guò)上述兩項(xiàng)技術(shù)升級(jí)改造，解決了困擾燃?xì)廨啓C(jī)在化工裝置中應(yīng)用的難題，實(shí)現(xiàn)了其長(zhǎng)周期運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)真正意義上的從設(shè)計(jì)到運(yùn)行的節(jié)能降耗。

4 結(jié)論

隨著國(guó)家對(duì)能源結(jié)構(gòu)越來(lái)越重視，燃?xì)廨啓C(jī)裝機(jī)容量將越來(lái)越大，用途不再局限于發(fā)電，更多地直接作為驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。在化工連續(xù)化生產(chǎn)中，燃?xì)廨啓C(jī)的配備使運(yùn)行成本大幅降低。解決了高溫和結(jié)冰對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行的影響，避免非計(jì)劃停車；空氣過(guò)濾系統(tǒng)的升級(jí)改造，有效過(guò)濾粉塵，增加燃?xì)廨啓C(jī)在線時(shí)長(zhǎng)。改造后，燃?xì)廨啓C(jī)可滿足化工連續(xù)化長(zhǎng)周期運(yùn)行的要求，真正實(shí)現(xiàn)降本增效。