提高蒸汽能量利用率的研究

劉正東，壩吉貴，姜 威

（云南磷化集團(tuán)有限公司，云南 晉寧 650600）

濕法磷酸裝置在外界沒有低價(jià)的硫酸和蒸汽可作為原料、能源利用時(shí)，都會(huì)配套相應(yīng)規(guī)模的硫酸裝置。生產(chǎn)的硫酸作為磷酸生產(chǎn)的原料硫酸，硫酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的中壓過熱蒸汽經(jīng)汽輪發(fā)電和汽輪風(fēng)機(jī)做功成為低壓蒸汽，送到磷酸裝置作為濃縮換熱器的加熱蒸汽、蒸汽噴射單元的動(dòng)力蒸汽及各處洗水的加熱蒸汽使用。但硫酸裝置進(jìn)入磷酸濃縮換熱器的蒸汽壓力和溫度高于濃縮石墨換熱器對蒸汽壓力和溫度的要求，需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)以滿足用汽條件要求。

1 減溫減壓裝置調(diào)節(jié)蒸汽參數(shù)過程中蒸汽產(chǎn)生 損

云南磷化集團(tuán)有限公司（以下簡稱公司）磷酸濃縮裝置的換熱器采用國產(chǎn)換熱器，真空控制系統(tǒng)使用水環(huán)式真空泵，沒有使用蒸汽噴射單元，因此不需要壓力較高的蒸汽作為噴射單元的動(dòng)力蒸汽。從硫酸裝置來的過熱蒸汽經(jīng)發(fā)電和推動(dòng)風(fēng)機(jī)后與低溫位鍋爐產(chǎn)生的蒸汽合并后送到磷酸裝置使用，其蒸汽壓力和溫度均超過了石墨換熱器蒸汽的使用參數(shù)，故需將蒸汽的壓力和溫度調(diào)節(jié)到換熱器所需的壓力和溫度，作為磷酸的加熱蒸汽使用。

1.1 的概念

系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，將有一部分能量以功或熱的形式釋放出來，各種不同形式的能量的轉(zhuǎn)換能力不同。表征了熱力系統(tǒng)所具有的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能力，因此可以用來評價(jià)能量的質(zhì)量、品位、能級。數(shù)量相同而形式不同的能量，大者其能的品位高或能質(zhì)高；少的能的品位低或能質(zhì)差。機(jī)械能、電能的能質(zhì)高，而熱能則是低品質(zhì)的能量，熱能之中，溫度高的熱能比溫度低的熱能品位高。

1.2 蒸汽減溫減壓過程損失

減溫減壓器的作用就是把高溫高壓蒸汽調(diào)節(jié)成低溫低壓蒸汽，以滿足后續(xù)設(shè)備運(yùn)行對蒸汽參數(shù)的要求，保證設(shè)備安全運(yùn)行。公司原設(shè)計(jì)磷酸石墨換熱器使用的加熱蒸汽就是通過減溫減壓裝置得到的，即將硫酸裝置送來的壓力0.58 MPa（絕對壓強(qiáng)）、溫度200 ℃的蒸汽調(diào)節(jié)到濃縮和脫氟裝置換熱器所需的蒸汽參數(shù)：壓力0.28 MPa（絕對壓強(qiáng)）、溫度132 ℃，這樣就能滿足換熱器的正常運(yùn)行。

減壓過程為絕熱膨脹過程，不考慮其他熱損失時(shí)，減溫減壓前后蒸汽的熱量相等，但卻造成了蒸汽降低，即減溫減壓過程把高品質(zhì)的蒸汽轉(zhuǎn)變成了低品質(zhì)的蒸汽，降低了蒸汽的做功能力，造成了無形的做功能力的能量損失。

減溫減壓過程的蒸汽熱量及質(zhì)量平衡如下：

式中qm1——減溫減壓前蒸汽量，130 000 kg/h；

qm2——減溫水用量，kg/h；

qm3——減溫減壓后蒸汽量，kg/h；

H1——0.58 MPa、200 ℃蒸汽的焓，2 850.48 kJ/kg；

H2——100 ℃減溫水的焓，419.10 kJ/kg；

H3——0.28 MPa、132 ℃蒸汽的焓，2 723.73 kJ/kg。

將數(shù)值代入式中并解方程，得到qm2為7 150 kg/h，qm3為137 150 kg/h。

式中Ex前、Ex后——分別為減溫減壓前、后蒸汽的，kJ/kg；

H0——環(huán)境狀態(tài)時(shí)的蒸汽焓，2 537.7 kJ/kg；

T0——環(huán)境狀態(tài)時(shí)的溫度，293.15 K；

S0——環(huán)境狀態(tài)時(shí)的蒸汽熵，8.667 4 kJ/（kg·K）；

S1——減溫減壓前蒸汽熵，7 kJ/（kg·K）；

S3——減溫減壓后蒸汽熵，7.020 2 kJ/（kg·K）。

將數(shù)值代入式中計(jì)算得到Ex前為801.58 kJ/kg，Ex后為668.91 kJ/kg。

（130 000×801.58-137 150×668.91）kJ/h＝12 384 124.3 kJ/h。

2 提高蒸汽能量利用的技術(shù)措施

從計(jì)算可知，蒸汽由減溫減壓前的高能質(zhì)被無效地降低為低能質(zhì)的能源，減溫減壓過程中蒸汽的損失過大，如能通過技改充分利用損失的蒸汽，不僅可降低生產(chǎn)能耗，而且符合企業(yè)的節(jié)能生產(chǎn)要求，將為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 技改方案——低壓汽輪機(jī)發(fā)電

技改前硫酸進(jìn)入磷酸裝置的蒸汽經(jīng)減溫減壓裝置調(diào)節(jié)蒸汽壓力和溫度后分別用于濃縮和脫氟換熱器加熱、各洗滌液槽加熱。

2.2 發(fā)電方式的選擇

通過汽輪機(jī)推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電有同步發(fā)電和異步發(fā)電兩種方式，由于異步發(fā)電技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高、使用和維護(hù)方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)［3］，技改選擇異步發(fā)電的技術(shù)方案。

2.3 發(fā)電后蒸汽管網(wǎng)與原蒸汽管網(wǎng)的流程搭接

新增加汽輪發(fā)電裝置與原生產(chǎn)用汽系統(tǒng)采取并聯(lián)方式，這樣當(dāng)汽輪發(fā)電因故障停用時(shí)，可用原來的工藝管線輸送蒸汽和調(diào)節(jié)蒸汽壓力與溫度，不影響主裝置的繼續(xù)生產(chǎn)；當(dāng)主裝置中某一用汽點(diǎn)或全部用汽點(diǎn)都停用蒸汽而硫酸裝置仍在產(chǎn)生蒸汽時(shí)，汽輪發(fā)電裝置仍可運(yùn)行，發(fā)電后多余蒸汽通過放空管線和消音器直接放空，雖然經(jīng)濟(jì)性相對較差，但在保證硫酸裝置連續(xù)生產(chǎn)情況下可避免0.58 MPa的蒸汽直接放空造成的巨大浪費(fèi)。

當(dāng)硫酸裝置產(chǎn)生的蒸汽量超過汽輪機(jī)的額定進(jìn)汽量時(shí)，多余的蒸汽可通過并聯(lián)的減溫減壓旁路管線進(jìn)行調(diào)節(jié)后與發(fā)電后蒸汽合并，然后再進(jìn)入后續(xù)的各用汽點(diǎn)，這樣可保證汽輪發(fā)電裝置在可控狀態(tài)下安全運(yùn)行。

技改后蒸汽利用流程見圖1。

圖1 技改后蒸氣利用流程

2.4 設(shè)備選擇及工藝參數(shù)

由于硫酸、磷酸的生產(chǎn)受市場因素影響，生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)較大（在55%～100%波動(dòng)），而背壓汽輪機(jī)對負(fù)荷變化適應(yīng)性差，進(jìn)汽流量在偏離額定進(jìn)汽量10%時(shí)汽輪機(jī)內(nèi)效率下降2.0%～4.5%［4］，合理選擇背壓機(jī)的容量，將關(guān)系到技改項(xiàng)目的發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益能否最大化。為了保證硫酸在低負(fù)荷和高負(fù)荷生產(chǎn)條件下汽輪機(jī)的運(yùn)行效率，經(jīng)分析論證，選用2個(gè)汽輪發(fā)電系列。硫酸裝置低負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)1個(gè)汽輪發(fā)電系列運(yùn)行，高負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)2個(gè)汽輪發(fā)電系列同時(shí)運(yùn)行，同時(shí)利用減溫減壓旁路管線調(diào)節(jié)進(jìn)汽量，使其盡量接近汽輪機(jī)額定蒸汽流量，提高汽輪機(jī)的內(nèi)效率和做功能力，使技改的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力選擇硫酸裝置汽輪發(fā)電和汽輪風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的背壓，排汽壓力滿足磷酸裝置濃縮生產(chǎn)用汽條件，2臺(tái)機(jī)組的最大用汽量略小于磷酸裝置的最大用汽量，確保汽輪機(jī)最高效時(shí)有一定的調(diào)節(jié)余地。

技改設(shè)備選型如下。

汽輪機(jī)：B1.8-0.5/0.2，額定功率1 800 kW；進(jìn)汽壓力0.58 MPa，進(jìn)汽溫度200 ℃；排汽壓力0.28 MPa，排汽溫度143 ℃；額定功率時(shí)進(jìn)汽流量65 t/h。選用的汽輪機(jī)為高效能雙支點(diǎn)雙級沖動(dòng)背壓式汽輪機(jī)，相對內(nèi)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。

發(fā)電機(jī)：YXKK630-2，額定功率1 800 kW，額定電壓10 kV，外殼防護(hù)等級為IP54，高原型，異步電動(dòng)機(jī)。

汽輪機(jī)出口蒸汽溫度高于用汽溫度要求，有一定的過熱度，這樣可以減少蒸汽中水分對汽輪機(jī)的沖刷，提高設(shè)備的使用周期，在汽輪機(jī)出口管道上加噴水減溫器，調(diào)節(jié)溫度到用汽要求。

3 技改運(yùn)行效果

3.1 發(fā)電量計(jì)算

技改項(xiàng)目運(yùn)行后，進(jìn)汽輪機(jī)蒸汽達(dá)到設(shè)計(jì)要求參數(shù)（0.58 MPa、200 ℃），每個(gè)系列進(jìn)汽流量65 t/h，出口蒸汽參數(shù)達(dá)到設(shè)備正常運(yùn)行參數(shù)（0.28 MPa、143 ℃），根據(jù)式（6）計(jì)算發(fā)電量：

式中Ne——發(fā)電量，kW·h；

H1——汽輪機(jī)進(jìn)口（0.58 MPa、200 ℃）蒸汽焓，2 850.48 kJ/kg；

H4——汽輪機(jī)出口（0.28 MPa、143 ℃）蒸汽焓，2 747.09 kJ/kg；

η1——汽輪機(jī)機(jī)械效率，98%；

η2——發(fā)電機(jī)效率，97%；

qm——每個(gè)系列進(jìn)汽流量，65 t/h。

經(jīng)計(jì)算，2個(gè)系列小時(shí)發(fā)電量為3 549 kW·h。

2qm×（801.58-671.51）kJ/kg＝16 909 100 kJ/h。

3.2 創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益

正常情況下，每年按7 200 h 的生產(chǎn)時(shí)間計(jì)，電價(jià)按公司年平均使用電價(jià)0.35 元/（kW · h）計(jì)，扣除發(fā)電運(yùn)行成本（包括因采用汽輪發(fā)電而減少的0.28 MPa、132 ℃的蒸汽量對應(yīng)的費(fèi)用和汽輪發(fā)電其他輔機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用）0.045 元/（kW · h）后，每千瓦時(shí)的實(shí)際收益為0.305 元，則每年可減少電費(fèi)支出：3 549×7 200×0.305萬元＝779.36萬元，1.5年即可全部收回投資，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)論

磷酸生產(chǎn)下游使用蒸汽時(shí)若需減溫減壓，可通過做功發(fā)電方式進(jìn)行蒸汽壓力和溫度的調(diào)節(jié)，從而把減溫減壓過程中蒸汽的損進(jìn)行合理利用，實(shí)現(xiàn)蒸汽能量的梯級利用，提高蒸汽的能量利用率。

背壓汽輪機(jī)的工作效率受汽輪機(jī)負(fù)荷率影響較大，在進(jìn)行改造方案確定時(shí)，需結(jié)合生產(chǎn)情況進(jìn)行綜合考慮，以確保生產(chǎn)中汽輪機(jī)的負(fù)荷率＞75%，提高能源綜合利用效率。