煤氣化裝置真閃氣余熱利用項目運行小結(jié)

趙 韻，文培娜

（新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司，河南 獲嘉 453800）

0 引 言

煤氣化裝置生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的黑水，在水激冷流程氣流床煤氣化系統(tǒng)中，黑水處理單元多采用兩級或三級閃蒸工藝來實現(xiàn)黑水的減壓閃蒸和細灰沉降，從而達到去除灰渣、回收熱量以及黑水再生循環(huán)利用的目的。黑水閃蒸系統(tǒng)中，由于黑水閃蒸氣夾帶大量超細煤灰，品質(zhì)很差，一般高壓閃蒸氣（簡稱高閃氣）用于汽提塔，與除氧灰水逆流接觸回收熱量和部分水汽；真空閃蒸氣（簡稱真閃氣）品質(zhì)十分低下，含灰量＞20mg/m3，現(xiàn)行主流工藝設(shè)計均是通過真空閃蒸罐頂冷凝器用循環(huán)水對真閃氣直接冷卻降溫，真閃氣相變產(chǎn)生的氣液混合物經(jīng)分離后實現(xiàn)水汽的回收和不凝氣的放空，不僅大量的余熱未得到回收利用，而且通常運行一段時間后真空閃蒸罐頂冷凝器還會出現(xiàn)不同程度的結(jié)垢堵塞，嚴(yán)重影響真空閃蒸系統(tǒng)的正常運行。簡言之，在水激冷流程氣流床煤氣化系統(tǒng)中，能量損耗主要是在黑水閃蒸系統(tǒng)中，因此，如何充分利用黑水閃蒸氣的余熱，成為提高煤氣化裝置能量綜合利用率、實現(xiàn)減排增效的重要手段。

1 黑水閃蒸系統(tǒng)概況

某煤化工企業(yè)建設(shè)有1套300kt/a甲醇裝置，其煤氣化系統(tǒng)采用HT-L粉煤加壓氣化工藝，配置2臺750t/h的航天爐；煤氣化系統(tǒng)之渣水處理單元采用水激冷流程液態(tài)排渣及黑水兩級閃蒸工藝（高壓閃蒸+真空閃蒸），高壓閃蒸產(chǎn)生的閃蒸氣去汽提塔，高壓閃蒸罐底部的黑水減壓后排至真空閃蒸罐。正常生產(chǎn)時，有約250 t/h、溫度為158℃的高壓閃蒸黑水通過真空閃蒸罐閃蒸出壓力為-0.05MPa、溫度約85℃的真閃氣25～30t/h，此真閃氣通過真空閃蒸罐頂冷凝器經(jīng)循環(huán)水降溫至45℃后排至沉降槽，即真閃氣的熱量被循環(huán)水帶走而未被有效利用。

2 真閃氣余熱利用方案

為有效利用真閃氣的余熱，經(jīng)調(diào)研分析，該企業(yè)決定新增2臺900kW 的超低壓汽輪機組（1#汽輪機和2#汽輪機），拖動現(xiàn)場原有2臺長期停用的高壓異步電動機發(fā)電，發(fā)出的電能通過已有的高壓電纜和已有的高壓開關(guān)柜直接返送至企業(yè)用電系統(tǒng)，以沖減生產(chǎn)系統(tǒng)的用電量。

真閃氣余熱利用系統(tǒng)工藝流程簡圖見圖1。在真閃氣通往原真閃冷凝器的管線上增加隔離閥，真閃氣通過新增管線進入超低壓汽輪機組（由于真閃氣夾帶有大量的超細煤灰，且真閃氣中還含有H2S等腐蝕性氣體，因此需提前對汽輪機轉(zhuǎn)子、速關(guān)閥等關(guān)鍵部位進行防腐處理），汽輪機拖動2臺高壓異步電動機發(fā)電，汽輪機排汽進入凝汽器，凝汽器配有真空泵，凝汽器降溫采用原真閃冷凝器所用的循環(huán)冷卻水，45℃的凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵排入沉降槽中。

圖1 真閃氣余熱利用系統(tǒng)工藝流程簡圖

3 真閃氣余熱利用項目運行簡況

2020年10月，真閃氣余熱利用項目完成技改，項目隨即投入試運行，通過不斷的優(yōu)化和調(diào)整，目前基本上實現(xiàn)穩(wěn)定運行，單臺機組小時發(fā)電量達750kW·h，沖抵自用電后單臺機組小時凈發(fā)電量為600kW·h，2臺汽輪機組小時凈發(fā)電量達1200kW·h，按年運行7200h計算，全年可實現(xiàn)利用劣質(zhì)廢熱蒸汽凈發(fā)電864×104kW·h，執(zhí)行電價按0.67元/（kW·h）計算，全年產(chǎn)生的直接經(jīng)濟效益為578.88萬元。可見，真閃氣余熱利用項目將原來需要消耗大量循環(huán)水冷卻的劣質(zhì)廢熱蒸汽通過能量轉(zhuǎn)換變成了可回收利用的清潔電能，不僅實現(xiàn)了煤氣化裝置的減排增效，而且緩解了真空閃蒸罐頂冷凝器長期積灰堵塞無備用設(shè)備的運行難題。

4 真閃氣余熱利用系統(tǒng)運行問題及解決措施

該企業(yè)的真閃氣余熱利用項目，利用超低壓汽輪機發(fā)電技術(shù)實現(xiàn)真閃氣的余熱回收利用，屬業(yè)內(nèi)首套應(yīng)用系統(tǒng)，運行過程中出現(xiàn)了一些問題，最終通過不斷的技術(shù)攻關(guān)基本上實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，達到了預(yù)期目標(biāo)。

4.1 汽輪機轉(zhuǎn)子裙帶積灰結(jié)垢問題

汽輪機原設(shè)計采用四級葉輪轉(zhuǎn)子，前三級為閉式葉輪，末級為開式葉輪，此設(shè)計原本是為了提高蒸汽利用率，但實際運行中存在如下問題：1#汽輪機在調(diào)試24h后停機檢查并消缺，處理完再次恢復(fù)開車期間，汽輪機沖轉(zhuǎn)時振動大，轉(zhuǎn)速未過臨界值就出現(xiàn)振值高聯(lián)鎖跳車，反復(fù)排查仍解決不了問題，最后停機拆缸檢查發(fā)現(xiàn)前三級葉輪裙帶積灰結(jié)垢嚴(yán)重，確認是黑水閃蒸氣夾帶的細灰黏結(jié)在裙帶上，由于積灰不對稱和灰垢部分脫落，轉(zhuǎn)子動平衡被破壞，造成汽輪機沖轉(zhuǎn)時異常振動而致轉(zhuǎn)速無法過臨界值的情況發(fā)生。

這一問題出現(xiàn)后，初期該企業(yè)采用15MPa的高壓射流水對轉(zhuǎn)子裙帶進行沖洗，但由于裙帶傾角問題，沖洗效果不明顯，后不得不采用人工方式對轉(zhuǎn)子裙帶進行清理。清理后，回裝轉(zhuǎn)子進行沖轉(zhuǎn)測試，轉(zhuǎn)速能夠順利過臨界值，但振值仍偏高，基本保持在40μm以上（跳車聯(lián)鎖值為70μm），發(fā)電機投用后振值最低降為19μm。

為徹底消除汽輪機轉(zhuǎn)子裙帶積灰結(jié)垢的問題，隨后擇機將2臺汽輪機轉(zhuǎn)子返廠改造，改造的主要內(nèi)容是取消前三級葉輪裙帶并重新做動平衡。改造后，運行測試顯示實際發(fā)電效率未見明顯下降，也不再發(fā)生轉(zhuǎn)子裙帶積灰結(jié)垢問題。

4.2 汽輪機進氣管路速關(guān)閥積灰問題

汽輪機進氣管路速關(guān)閥組合件是專門為電液保護系統(tǒng)設(shè)計的，主要包括供油裝置、液壓蓄能器、電磁控制閥、機械控制閥、安全溢流閥、液位計、顯示和控制儀表以及管路附件等，當(dāng)汽輪機組故障信號出現(xiàn)時，速關(guān)閥油壓失壓，速關(guān)閥在0.5s內(nèi)迅速關(guān)閉，切斷進氣，防止發(fā)生安全事故，可以最大限度地為汽輪機的正常運行提供安全保障。

原設(shè)計汽輪機為雙進氣管路，一路為電動閥控制，一路為手閥控制。開車初期，考慮到便于真閃氣氣量調(diào)控分配，主要采用電動閥調(diào)節(jié)進氣量，手閥未投用。實際生產(chǎn)中，在2#汽輪機停機過程中速關(guān)閥發(fā)生未完全關(guān)到位的異常情況，拆檢速關(guān)閥發(fā)現(xiàn)手閥側(cè)進氣管路和速關(guān)閥軸承處積灰嚴(yán)重，導(dǎo)致速關(guān)閥未能徹底關(guān)閉，且1#汽輪機也同樣出現(xiàn)過此種現(xiàn)象。

為解決這一問題，采取了如下措施：一是對速關(guān)閥本體進行改造，引0.5MPa低壓蒸汽至速關(guān)閥軸承處，運行期間利用蒸汽吹掃速關(guān)閥軸承，避免軸承處積灰，確保速關(guān)閥動作靈活不卡澀；二是在汽輪機運行期間將手動進氣側(cè)閥門最少保持20%的開度，確保蒸汽（真閃氣）穩(wěn)定流動，以免在進氣管道和速關(guān)閥腔處積灰；三是定期（每10日進行1次）開展速關(guān)閥在線試驗，試驗時2套速關(guān)翻板閥分別進行，以確保汽輪機組的穩(wěn)定運行。速關(guān)閥在線試驗的具體操作為，先將一端的調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，前手閥確認關(guān)閉，然后降低汽輪機運行負荷，將該端速關(guān)翻板閥用逐漸開啟泄壓閥的方法試驗其是否能夠關(guān)閉，若能關(guān)閉，則將泄壓閥關(guān)閉，速關(guān)翻板閥恢復(fù)正常開啟狀態(tài)，再將調(diào)節(jié)閥開啟即可；一端的試驗完成后，對另一端進行同樣的試驗。需注意的是，速關(guān)閥在線試驗時，須嚴(yán)格控制發(fā)電負荷，可將超低壓蒸汽緊急放空閥打開，確保發(fā)電機組在較低負荷時完成速關(guān)閥在線試驗，防止因操作失誤引起突然跳車而對廠用電網(wǎng)造成較大沖擊。

4.3 黑水系統(tǒng)熱負荷大幅波動的問題

生產(chǎn)中，1#汽輪機在氣化爐單爐停車后恢復(fù)生產(chǎn)的過程中發(fā)生跳車事故，跳車原因為氣化爐投煤后黑水系統(tǒng)熱負荷驟升，閃蒸氣量突變及帶水引起汽輪機組振值高聯(lián)鎖跳車，汽輪機跳車后速關(guān)閥未能徹底關(guān)閉（此時1#汽輪機速關(guān)閥和轉(zhuǎn)子尚未改造），進而引發(fā)持續(xù)振動，導(dǎo)致潤滑油進油管路上就地壓力表松動脫落，發(fā)生跑油事故，最終由于潤滑油供給不足造成汽輪機燒瓦，且由于持續(xù)的劇烈振動，導(dǎo)致汽封損壞、轉(zhuǎn)子拉缸等設(shè)備損壞事故的發(fā)生。經(jīng)分析，本次事故的根本原因在于黑水系統(tǒng)熱負荷大幅波動。

為避免此類事故再次發(fā)生，在超低壓汽輪機組運行期間而遇到氣化爐單爐開停車時，機組降負荷運行，同時手動將超低壓蒸汽緊急放空閥打開，將汽輪機進氣閥關(guān)小至15%，待氣化爐投煤升至高負荷運行1h后，再逐步打開汽輪機進氣閥，觀察汽輪機振值、軸瓦溫度、繞組溫度、排氣壓力的變化，如無異常，緩慢恢復(fù)超低壓汽輪機組至正常發(fā)電負荷。

4.4 真空閃蒸系統(tǒng)換熱器堵塞的問題

真閃氣余熱利用系統(tǒng)投運初期，計劃將超低壓汽輪機組與原真空閃蒸系統(tǒng)同時投運，以確保汽輪機組在故障狀態(tài)下真空閃蒸系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。實際運行中，考慮到真空閃蒸系統(tǒng)原換熱器循環(huán)水消耗及系統(tǒng)壓力對發(fā)電機功率的影響，決定停運原真空閃蒸系統(tǒng)真空泵，若真空閃蒸系統(tǒng)的壓力和溫度未出現(xiàn)較大波動便長期停運，結(jié)果在其后的氣化爐雙爐停車欲恢復(fù)真空閃蒸系統(tǒng)運行時發(fā)現(xiàn)其換熱器已嚴(yán)重堵塞，造成真空泵不能將真空閃蒸系統(tǒng)抽至負壓狀態(tài)。因此，為防止長期不投用換熱器引發(fā)堵塞，將原真空閃蒸系統(tǒng)的換熱器清洗后及時恢復(fù)投運真空泵。

4.5 細灰沉降系統(tǒng)水溫偏高的問題

真閃氣余熱利用系統(tǒng)投運初期，由于2臺超低壓汽輪機組處于調(diào)試階段，不能同時連續(xù)穩(wěn)定運行，導(dǎo)致在氣化爐雙爐高負荷運行工況下無法實現(xiàn)全部真閃氣的回收，引起真空閃蒸系統(tǒng)真空度超出正常范圍，最高達到-40kPa，繼而導(dǎo)致細灰沉降系統(tǒng)水溫偏高，不利于細灰沉降，循環(huán)灰水濁度升高，給氣化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來一定影響。后期通過調(diào)整，2臺超低壓汽輪機組陸續(xù)進入穩(wěn)定運行階段，這一現(xiàn)象得到明顯改善。

5 超低壓汽輪發(fā)電機組發(fā)電負荷的影響因素

實際生產(chǎn)中，影響超低壓汽輪機組發(fā)電負荷的因素較多，真空閃蒸系統(tǒng)壓力、溫度、組分的變化以及氣化系統(tǒng)運行質(zhì)量等都會引起超低壓汽輪機組發(fā)電負荷的波動。通過分析與梳理，發(fā)現(xiàn)影響發(fā)電負荷最直接的因素是汽輪機的進、排氣壓差，壓差越大，能量轉(zhuǎn)化越多，發(fā)電負荷越高，而影響汽輪機進、排氣壓差的因素主要有以下幾個方面。

5.1 汽輪機凝汽器循環(huán)冷卻水流量

汽輪機凝汽器循環(huán)冷卻水的流量直接影響其真空度，循環(huán)冷卻水流量大，凝汽器冷卻效果好，汽輪機進、排氣壓差大，真空泵負壓可以得到保障；若循環(huán)冷卻水流量不足，則真空泵負壓難以維持，汽輪機做功效率低，發(fā)電功率低。通過實際測量，目前汽輪機凝汽器循環(huán)冷卻水用量在500m3/h左右，不足以維持2臺超低壓汽輪機組滿負荷運行，需對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進行改造，提升汽輪機凝汽器循環(huán)冷卻水流量。

5.2 真空閃蒸系統(tǒng)壓力

真空閃蒸系統(tǒng)壓力是影響超低壓汽輪機組發(fā)電負荷的重要因素之一。真閃氣壓力高，汽輪機進、排氣壓差大，汽輪機做功效率高，發(fā)電負荷就高，因此維持真空閃蒸系統(tǒng)壓力穩(wěn)定極為關(guān)鍵。原設(shè)計氣化系統(tǒng)撈渣機沉渣池低溫灰水間斷性進真空閃蒸系統(tǒng)，該股灰水溫度約45℃，其在入口與高閃黑水混合后進入真空閃蒸系統(tǒng)，會對真空閃蒸系統(tǒng)起到降壓降溫的作用，不利于真空閃蒸系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。后來通過技改，將該股灰水切回沉降槽，由此確保了真空閃蒸系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。

5.3 真空泵的運行質(zhì)量

汽輪機排氣壓力的高低直接決定著汽輪機進、排氣壓差，進而影響著超低壓汽輪機組的發(fā)電負荷，而汽輪機排氣壓力的高低與真空泵的運行質(zhì)量和凝汽器的效率密切相關(guān)。為提高真空泵的運行質(zhì)量，即提高真空泵的抽真空能力，在真空閃蒸系統(tǒng)現(xiàn)有水環(huán)式真空泵的基礎(chǔ)上串聯(lián)了1臺羅茨真空泵，投運后凝汽器真空度從-90kPa升至-95kPa，汽輪機排氣壓力略有下降。

5.4 黑水系統(tǒng)的水循環(huán)量

黑水系統(tǒng)的水循環(huán)量對超低壓汽輪機組發(fā)電負荷的影響較大。氣化爐開車初期，由于氣化爐壓力較低，氣化爐外排的黑水需進入壓力較低的真空閃蒸系統(tǒng)建立水循環(huán)，待氣化爐壓力提升至0.5MPa后再切向高壓閃蒸系統(tǒng)；在真空閃蒸系統(tǒng)建立水循環(huán)期間，若黑水系統(tǒng)水循環(huán)量較大，會造成真閃氣量減少，汽輪機組最直觀的表現(xiàn)是排氣溫度的變化，排氣溫度可以從49℃升高至79℃且波動較大，排氣溫度升高后，現(xiàn)場真空泵排出氣體的溫度較高，隨之排氣壓力降低，進而造成超低壓汽輪機組發(fā)電負荷波動且較低。

5.5 黑水系統(tǒng)的熱負荷

黑水系統(tǒng)熱負荷的變化主要體現(xiàn)在氣化爐開停車階段。氣化爐投煤后，黑水系統(tǒng)熱負荷逐漸增大，閃蒸氣量逐漸增大，汽輪機進、排氣壓差隨之增大，超低壓汽輪機組發(fā)電負荷提升。需要注意的是，氣化爐熱負荷增大即黑水系統(tǒng)熱負荷增大時，真閃氣會存在水沫夾帶現(xiàn)象，需防范其對超低壓汽輪機組穩(wěn)定運行造成的影響。

5.6 黑水中溶解的不凝氣

黑水中溶解的不凝氣，是指與呈氣態(tài)但通過適當(dāng)改變外部條件就能冷凝的氣體相比較在一定的條件下、在某些氣體組合中不能冷凝的氣體。氣化爐排出的高溫高壓黑水中溶解有一定量的CO2、H2S、CO、H2、N2、CH4等，在兩級閃蒸過程中，這些氣體會隨真閃氣進入超低壓汽輪機組，這些不凝氣的存在會對汽輪機的排氣壓力帶來不利影響，如果真空泵的最大抽吸能力不足以抽取這些不凝氣，則超低壓汽輪機組發(fā)電負荷會下降。所以，分析計算溶解在黑水中的不凝氣量以及真空泵抽吸能力的選擇十分重要。

6 結(jié)束語

綜上所述，該企業(yè)針對氣化黑水處理單元真空閃蒸系統(tǒng)真閃氣（劣質(zhì)蒸汽）余熱未得到回收利用的問題，在業(yè)內(nèi)首次采用超低壓汽輪機拖動異步電動機發(fā)電技術(shù)，實現(xiàn)了真閃氣能量的有效轉(zhuǎn)換，把原本需要通過冷卻降溫處理的劣質(zhì)蒸汽轉(zhuǎn)換成了清潔電能，既實現(xiàn)了真閃氣的資源化利用，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，又達到了替代原真空閃蒸系統(tǒng)的目的（氣化系統(tǒng)故障狀態(tài)下超低壓汽輪機組與原真閃冷凝器系統(tǒng)可以實現(xiàn)應(yīng)急切換），提高了煤氣化裝置運行的穩(wěn)定性，項目的成功實施起到了很好的示范效應(yīng)，在業(yè)內(nèi)極具推廣應(yīng)用價值。