趙 韻,文培娜
(新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司,河南 獲嘉453800)
某化工公司建設(shè)有一套年產(chǎn)30萬(wàn)t的煤制甲醇裝置,其煤氣化裝置為兩臺(tái)750 t級(jí)HT-L航天粉煤加壓氣化爐,渣水處理單元采用液態(tài)排渣以及黑水兩級(jí)閃蒸系統(tǒng),高壓閃蒸產(chǎn)生的閃蒸蒸汽去汽提塔,底部黑水減壓后排至真空閃蒸罐。正常生產(chǎn)期間,高壓閃蒸系統(tǒng)中有約250 t/h溫度為158℃的黑水通過(guò)真空閃蒸罐閃蒸出壓力為-0.05 MPa(G)、溫度為85℃左右的閃蒸蒸汽,閃蒸蒸汽量為25 t/h~30 t/h,該部分閃蒸蒸汽通過(guò)真空閃蒸冷凝器降溫至45℃后排至沉降槽,使得閃蒸蒸汽熱量被循環(huán)水帶走,未進(jìn)行有效利用。
為有效利用這部分廢蒸汽的熱量,該化工公司通過(guò)新增2臺(tái)900 kW超低壓汽輪機(jī),拖動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)原有2套長(zhǎng)期停用的高壓異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電,其發(fā)出的電能通過(guò)已有的高壓電動(dòng)機(jī)、高壓電纜和已有的高壓開(kāi)關(guān)柜直接返送到廠用電系統(tǒng),沖減廠用電,實(shí)現(xiàn)廢熱資源化利用?,F(xiàn)將改造情況和運(yùn)行中遇到的問(wèn)題及解決方案介紹如下。
煤氣化裝置黑水閃蒸超低壓蒸汽資源化利用項(xiàng)目改造工藝流程示意圖見(jiàn)圖1。具體改造內(nèi)容:在真空閃蒸罐通往原冷卻器的蒸汽管道上增加隔離閥,真空閃蒸蒸汽通過(guò)管線進(jìn)入汽輪機(jī),汽輪機(jī)排汽進(jìn)入汽輪機(jī)旁邊的凝汽器,45℃的凝結(jié)水通過(guò)凝結(jié)水泵排入沉降槽中,汽輪機(jī)凝汽器配有真空泵。汽輪機(jī)凝汽器循環(huán)冷卻水利用原真空閃蒸冷卻器循環(huán)水。因真空閃蒸蒸汽夾帶大量超細(xì)煤灰顆粒,且含有硫化氫等腐蝕性氣體,該項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、速關(guān)閥等關(guān)鍵部位提前進(jìn)行了防腐蝕處理。
2020年10月改造完成后,該項(xiàng)目正式投入試運(yùn)行,通過(guò)不斷優(yōu)化和調(diào)整,目前基本實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行,單臺(tái)機(jī)組小時(shí)發(fā)電量達(dá)到750 kWh,沖抵自用電后凈發(fā)電量600 kWh,以年運(yùn)行時(shí)間7 200 h、執(zhí)行電價(jià)0.67元/(kWh)計(jì)算,2臺(tái)機(jī)組利用該蒸汽全年可實(shí)現(xiàn)凈發(fā)電864萬(wàn)kWh,產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益578.88萬(wàn)元。該項(xiàng)目改造將原來(lái)需要消耗大量循環(huán)水冷卻的劣質(zhì)廢熱蒸汽通過(guò)能量轉(zhuǎn)換回收變成了可以利用的清潔電能,既實(shí)現(xiàn)了廢熱能量的回收利用,又緩解了真空閃蒸罐頂冷凝器長(zhǎng)期積灰堵塞、無(wú)備用設(shè)備的運(yùn)行難題,真正實(shí)現(xiàn)了廢蒸汽的資源化回收利用。
由于該部分閃蒸蒸汽品質(zhì)低、含灰量較高、含固質(zhì)量濃度>20 mg/m3,導(dǎo)致裝置運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題,后通過(guò)技術(shù)攻關(guān),逐漸得到解決。
項(xiàng)目前期調(diào)試過(guò)程中,由于信號(hào)傳輸問(wèn)題,出現(xiàn)多處儀表故障,造成開(kāi)機(jī)故障,包括1#汽輪機(jī)速關(guān)油站液位低停機(jī)故障、2#汽輪機(jī)主汽閥調(diào)節(jié)故障、2#凝結(jié)水泵變頻器故障不能自啟動(dòng)等,通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)組儀表故障進(jìn)行全面排查,消除了信號(hào)問(wèn)題,保障了汽輪機(jī)組的順利開(kāi)車(chē)。
汽輪機(jī)原設(shè)計(jì)采用四級(jí)葉輪轉(zhuǎn)子,前三級(jí)是閉式葉輪,末級(jí)是開(kāi)式葉輪,此類設(shè)計(jì)原本是為了提高蒸汽利用率,但實(shí)際運(yùn)行時(shí)卻存在問(wèn)題。1#汽輪機(jī)在調(diào)試24 h后停機(jī)檢查并消缺,處理完再次恢復(fù)開(kāi)車(chē)期間,汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)大,轉(zhuǎn)速未過(guò)臨界值就出現(xiàn)振值高聯(lián)鎖跳車(chē),經(jīng)停機(jī)拆缸檢查發(fā)現(xiàn)前三級(jí)葉輪裙帶積灰結(jié)垢嚴(yán)重,均是黑水閃蒸蒸汽中夾帶的細(xì)灰在離心力作用下粘黏在裙帶上所致,由于積灰不對(duì)稱和灰垢部分脫落,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡被破壞,沖轉(zhuǎn)時(shí)就發(fā)生振值異常,轉(zhuǎn)速無(wú)法通過(guò)臨界值。
解決初期,嘗試采用15 MPa高壓射流水沖洗轉(zhuǎn)子裙帶,但由于裙帶傾角問(wèn)題,沖洗效果不明顯,后采用人工逐一清理。清理后回裝轉(zhuǎn)子進(jìn)行沖轉(zhuǎn)測(cè)試,轉(zhuǎn)速能夠順利通過(guò)臨界值,但振值仍偏高,基本保持在40 μm及以上(跳車(chē)聯(lián)鎖值在70 μm),發(fā)電機(jī)投用后振值最低降為19 μm。
為了徹底消除轉(zhuǎn)子裙帶積灰結(jié)垢的問(wèn)題,隨后對(duì)兩臺(tái)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了返廠改造,取消前三級(jí)葉輪裙帶,并重新做動(dòng)平衡。改造后通過(guò)運(yùn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)實(shí)際發(fā)電效率未見(jiàn)明顯下降,且不再發(fā)生裙帶積灰結(jié)垢的問(wèn)題。
速關(guān)閥組合件專門(mén)為電液保護(hù)系統(tǒng)所設(shè)計(jì),主要包括供油裝置、液壓蓄能器、電磁控制閥、機(jī)械控制閥、安全溢流閥、液位計(jì)、顯示和控制儀表以及管路附件等,可以最大限度地為汽輪機(jī)的正常運(yùn)行提供安全保障。當(dāng)汽輪機(jī)組故障信號(hào)出現(xiàn)時(shí),速關(guān)油壓失壓,速關(guān)閥將在0.5 s內(nèi)迅速關(guān)閉,切斷進(jìn)汽管道,防止發(fā)生安全事故。
原設(shè)計(jì)汽輪機(jī)為雙進(jìn)汽管路,一路為電動(dòng)閥門(mén)控制,一路為手動(dòng)閥門(mén)控制。開(kāi)車(chē)初期,為便于調(diào)控分配蒸汽汽量,主要采用電動(dòng)閥門(mén)調(diào)節(jié)進(jìn)汽量,手動(dòng)閥門(mén)未投運(yùn)。在2#汽輪機(jī)停機(jī)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)速關(guān)閥發(fā)生未完全關(guān)到位的異常情況,后拆檢速關(guān)閥,發(fā)現(xiàn)手動(dòng)閥門(mén)側(cè)進(jìn)汽管道和速關(guān)閥軸承處均積灰嚴(yán)重,導(dǎo)致速關(guān)閥未能徹底關(guān)閉。該現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在1#汽輪機(jī)。
為解決該問(wèn)題,一是對(duì)速關(guān)閥本體進(jìn)行改造,引0.5 MPa低壓蒸汽至速關(guān)閥軸承處,運(yùn)行期間利用蒸汽吹掃軸承,確保軸承處不積灰,速關(guān)閥動(dòng)作靈活不卡澀;二是在汽輪機(jī)運(yùn)行期間,將手動(dòng)進(jìn)汽側(cè)閥門(mén)最小保持20%開(kāi)度,確保蒸汽穩(wěn)定流動(dòng),進(jìn)汽管道和速關(guān)閥腔不發(fā)生積灰現(xiàn)象;三是定期開(kāi)展速關(guān)閥在線開(kāi)關(guān)試驗(yàn),兩套速關(guān)閥分別進(jìn)行,確保汽輪機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。
1#汽輪機(jī)在氣化爐單爐停車(chē)后恢復(fù)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生跳車(chē)事故,原因?yàn)闅饣癄t投煤后黑水系統(tǒng)熱負(fù)荷驟升,閃蒸蒸汽量突變帶水引起汽輪機(jī)組振值高聯(lián)鎖跳車(chē),加之汽輪機(jī)跳車(chē)后速關(guān)閥未能徹底關(guān)閉(此時(shí)1#汽輪機(jī)速關(guān)閥和轉(zhuǎn)子尚未改造),進(jìn)而引發(fā)持續(xù)振動(dòng),導(dǎo)致潤(rùn)滑油進(jìn)油管路上就地壓力表松動(dòng)脫落,發(fā)生跑油事故,最終由于潤(rùn)滑油供油不足造成汽輪機(jī)燒瓦;此外,持續(xù)的劇烈振動(dòng)還導(dǎo)致汽封、轉(zhuǎn)子拉缸等設(shè)備損壞事故的發(fā)生。
經(jīng)過(guò)分析,發(fā)生該起事故的根本原因在于黑水系統(tǒng)熱負(fù)荷大幅波動(dòng)。為避免此類情況發(fā)生,在超低壓發(fā)電汽輪機(jī)組運(yùn)行期間遇到氣化爐單爐開(kāi)停車(chē)時(shí),發(fā)電機(jī)組需采取降負(fù)荷方式運(yùn)行,避免引起波動(dòng),并手動(dòng)將超低壓蒸汽緊急放空閥打開(kāi),汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門(mén)開(kāi)度關(guān)小至15%,防止氣化爐在投煤后黑水閃蒸蒸汽量出現(xiàn)大幅波動(dòng)引起汽輪機(jī)跳車(chē)。待氣化爐投煤升至高負(fù)荷運(yùn)行1 h后,再逐步打開(kāi)汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門(mén),觀察汽輪機(jī)振值、軸瓦溫度、繞組溫度、排汽壓力變化,如無(wú)異常,緩慢恢復(fù)汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)至正常負(fù)荷。
運(yùn)行初期,由于兩臺(tái)超低壓汽輪發(fā)電機(jī)組處于調(diào)試階段,不能同時(shí)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,導(dǎo)致在氣化爐雙爐高負(fù)荷運(yùn)行工況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)全部黑水閃蒸蒸汽回收,引起真空閃蒸系統(tǒng)壓力超出正常工作壓力(-20 kPa),最高達(dá)到40 kPa,繼而導(dǎo)致細(xì)灰沉降系統(tǒng)水溫偏高,不利于細(xì)灰沉降,循環(huán)灰水水質(zhì)濁度上升,給氣化爐系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定影響。通過(guò)后期調(diào)整,兩臺(tái)超低壓汽輪發(fā)電機(jī)組陸續(xù)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段,這一現(xiàn)象得到明顯改善。
引起機(jī)組發(fā)電負(fù)荷波動(dòng)的因素較多,黑水閃蒸系統(tǒng)的壓力、溫度、組分的變化、氣化系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量等都會(huì)引起發(fā)電負(fù)荷的波動(dòng)。運(yùn)行實(shí)踐發(fā)現(xiàn),影響超低壓汽輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的直接因素是汽輪機(jī)進(jìn)汽與排汽的壓差,壓差越大,能量轉(zhuǎn)化越多,發(fā)電負(fù)荷就越高,而影響汽輪機(jī)前后壓差變化的因素主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
循環(huán)冷卻水流量直接影響凝汽器的真空度,流量大則換熱效果好,真空泵負(fù)壓可以保證,若出現(xiàn)循環(huán)水流量降低的情況,則真空泵負(fù)壓難以維持,汽輪機(jī)做功較差,發(fā)電功率降低。通過(guò)實(shí)際測(cè)量,目前循環(huán)冷卻水流量在500 m3/h左右,不足以維持兩臺(tái)超低壓汽輪發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行,需對(duì)循環(huán)冷卻水進(jìn)行改造,提升循環(huán)冷卻水流量,提高循環(huán)水流速。
超低壓閃蒸系統(tǒng)壓力是影響汽輪機(jī)發(fā)電負(fù)荷的重要因素之一,閃蒸蒸汽壓力高則汽輪機(jī)前后壓差增大,汽輪機(jī)做功較好,發(fā)電負(fù)荷較大,因此維持閃蒸壓力穩(wěn)定極為關(guān)鍵。原設(shè)計(jì)中撈渣機(jī)、沉渣池的低溫灰水間斷性進(jìn)真空閃蒸系統(tǒng),該股灰水溫度約為45℃,其在入口和高壓閃蒸黑水混合后進(jìn)入真空閃蒸系統(tǒng),對(duì)于真空閃蒸系統(tǒng)起到降壓降溫作用,不利于真空閃蒸系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。后通過(guò)技改,將該股灰水切回沉降槽,確保了真空閃蒸壓力的穩(wěn)定。
排汽壓力直接影響到汽輪機(jī)的壓差,影響發(fā)電負(fù)荷,而排汽壓力與真空泵的運(yùn)行負(fù)荷和凝汽器的效率密切相關(guān)。為提高真空泵的抽空能力,在現(xiàn)有水環(huán)真空泵的基礎(chǔ)上,串聯(lián)一臺(tái)羅茨真空泵,通過(guò)運(yùn)行發(fā)現(xiàn),羅茨真空泵安裝后,負(fù)壓從-90 kPa降至-95 kPa,排汽壓力略有下降。
黑水系統(tǒng)循環(huán)流量對(duì)超低壓閃蒸系統(tǒng)影響較大。在氣化爐開(kāi)車(chē)初期,由于氣化爐壓力較低,其外排黑水需進(jìn)壓力較低的真空閃蒸系統(tǒng)建立水循環(huán),待氣化爐負(fù)荷提升至0.5 MPa后切向高壓閃蒸系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)水循環(huán)流量較大時(shí),會(huì)造成真空閃蒸蒸汽量減小,進(jìn)而造成發(fā)電負(fù)荷波動(dòng)且較低。在氣化爐系統(tǒng)建立真空閃蒸系統(tǒng)循環(huán)期間,最直觀的表現(xiàn)是排汽溫度可以從49℃升高至79℃,且波動(dòng)較大。排汽溫度升高,現(xiàn)場(chǎng)真空泵排出氣體溫度較高,隨之排汽壓力升高,發(fā)電機(jī)的負(fù)荷也隨之降低。
黑水系統(tǒng)熱負(fù)荷對(duì)發(fā)電負(fù)荷的影響主要體現(xiàn)在氣化爐開(kāi)停車(chē)階段。氣化爐投煤后熱負(fù)荷逐漸增大,閃蒸蒸汽量隨之增加,發(fā)電負(fù)荷也隨之上漲。但氣化爐熱負(fù)荷增大的同時(shí),閃蒸蒸汽會(huì)存在水沫夾帶現(xiàn)象,需防范對(duì)汽輪機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。
從氣化爐排出的高溫高壓黑水中溶解有一定的CO2、H2S、CO、H2、N2、CH4等氣體,在兩級(jí)閃蒸過(guò)程中,這些氣體會(huì)隨著閃蒸蒸汽進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)組,這些不凝氣對(duì)汽輪機(jī)的排汽壓力帶來(lái)不利影響。如果真空泵最大負(fù)荷不足以抽取不凝氣量,則發(fā)電負(fù)荷會(huì)下降,所以分析計(jì)算溶解在黑水中的不凝氣量以及真空泵能力的選擇也十分重要。
在水激冷流程氣流床煤氣化系統(tǒng)中,主要的能量損耗是黑水閃蒸系統(tǒng),在閃蒸系統(tǒng)上增加能量清潔轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可充分利用廢熱,提高煤氣化的能源綜合利用效率,實(shí)現(xiàn)煤炭資源的減排增效。
煤氣化黑水閃蒸超低壓蒸汽資源化利用項(xiàng)目改造達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,兩臺(tái)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組每小時(shí)凈發(fā)電量達(dá)到1 200 kWh,以年運(yùn)行時(shí)間7 200 h、執(zhí)行電價(jià)0.67元/(kWh)計(jì)算,該項(xiàng)目每年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)578.88萬(wàn)元。煤氣化裝置黑水閃蒸超低壓蒸汽資源化利用項(xiàng)目的成功實(shí)施,是行業(yè)首次將真空閃蒸蒸汽通過(guò)超低壓汽輪機(jī)拖動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行利用,實(shí)現(xiàn)了能量的有效轉(zhuǎn)換,把原本需要冷卻降溫的劣質(zhì)閃蒸蒸汽轉(zhuǎn)換成了清潔電能,既回收了熱量,實(shí)現(xiàn)了真空閃蒸蒸汽的資源化利用,又達(dá)到了替代原真空閃蒸系統(tǒng)的目的,可實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)下的應(yīng)急切換,提高了煤氣化裝置整體穩(wěn)定運(yùn)行的能力,有廣闊的應(yīng)用前景,具有一定推廣價(jià)值。