甲烷化裝置余熱回收增加發(fā)電機(jī)組

劉欣慧

(大唐國(guó)際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

0 引言

全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造是一項(xiàng)重要的國(guó)家專項(xiàng)行動(dòng)，根據(jù)環(huán)發(fā)《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》的通知要求，大唐國(guó)際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱“我公司”)積極推動(dòng)節(jié)能降耗技改產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)措施，甲烷化余熱回收項(xiàng)目升級(jí)措施充分利用裝置現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施條件，將該裝置現(xiàn)有資源，如設(shè)備、管線等均納入設(shè)計(jì)方案里。項(xiàng)目的改造升級(jí)符合我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新政策，是我公司推動(dòng)節(jié)能降耗技改產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)的重要舉措。

1 進(jìn)行升級(jí)的系統(tǒng)或設(shè)備情況

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)述

甲烷化裝置是公司化工生產(chǎn)區(qū)的合成裝置，系統(tǒng)將低溫甲醇洗裝置來的凈化氣體通過催化劑的作用下，發(fā)生大量甲烷化反應(yīng)和補(bǔ)充甲烷化反應(yīng)，生成天然氣產(chǎn)品(代用天然氣，SNG)。產(chǎn)品氣中CH4含量大于95%，其能源轉(zhuǎn)換效率在當(dāng)前煤化工生產(chǎn)替代天然氣項(xiàng)目中為最高，而且單位熱值水耗最低。反應(yīng)過程中，原料氣經(jīng)過脫硫和大量甲烷化反應(yīng)后，經(jīng)歷第一補(bǔ)充甲烷化反應(yīng)器71-C104后，工藝氣換熱采用的是工藝氣與空氣通過空冷器71-W201進(jìn)行換熱的方式，控制工藝氣溫度。

1.2 工藝空冷器參數(shù)

甲烷化工藝空冷器設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

規(guī)格型號(hào)：GP6×3-6-128-4.0S-23.4/Ⅲ；

換熱面積：2995.2 m2；

設(shè)計(jì)壓力：4.0 MPa；

操作壓力：2.69 MPa；

設(shè)計(jì)入口溫度：355 ℃；

操作溫度：169 ℃；

設(shè)計(jì)出口溫度：355 ℃；

操作溫度：130 ℃。

首站工藝空冷器設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

位號(hào)：AC-101；

換熱面積：4516 m2；

設(shè)計(jì)壓力：8.5 MPa；

操作壓力：7.4 MPa；

設(shè)計(jì)入口溫度：185 ℃；

操作溫度：170 ℃；

設(shè)計(jì)出口溫度：185 ℃；

操作溫度：40 ℃。

2 升級(jí)改造的目的、意義和必要性

甲烷化裝置工藝氣在空冷器71-W201采用的是工藝氣與空氣的換熱方式，控制工藝氣溫度，盡管空冷器具有節(jié)約用水等優(yōu)點(diǎn)，但也導(dǎo)致大量熱量浪費(fèi)。根據(jù)設(shè)計(jì)條件計(jì)算，甲烷化工藝空冷器71-W201的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷在36471.9 kW左右，但實(shí)際運(yùn)行中，根據(jù)生產(chǎn)需要71-W201出口工藝氣體溫度控制在125～130 ℃，實(shí)際71-W201產(chǎn)生的熱負(fù)荷在27365.8～29868.5 kW之間。如果將該部分熱量回收利用，可以大幅提高能源利用效率。

3 余熱量回收方案設(shè)計(jì)

3.1 方案目標(biāo)

為充分利用一期甲烷化工藝空冷71-W201熱負(fù)荷，模擬計(jì)算了不同壓力下產(chǎn)生的蒸汽量，模擬結(jié)果顯示壓力越低產(chǎn)生蒸汽量越大。經(jīng)過核算確認(rèn)，一期甲烷化工藝空冷自產(chǎn)蒸汽量如表1所示。

表1 蒸汽參數(shù)

3.2 余熱量回收方案

用水作為傳熱介質(zhì)將甲烷化工藝空冷的熱量進(jìn)行回收。在甲烷化裝置中增加低壓廢鍋，將水轉(zhuǎn)化為0.3 MPa 143 ℃等級(jí)的低壓蒸汽供再沸器使用。甲烷化工藝空冷器入口過程氣的溫度169 ℃，生產(chǎn)飽和蒸汽后過程氣溫度降低至153 ℃。由于熱再生塔K005再沸器原設(shè)計(jì)使用0.5 MPa 158 ℃等級(jí)的低壓蒸汽，改用0.3 MPa 143 ℃的低壓蒸汽，傳熱溫差小于設(shè)計(jì)值，則要更大的傳熱面才能保證熱再生塔熱量需求。現(xiàn)有再沸器不能滿足換熱要求，需要額外增加一臺(tái)再沸器，與現(xiàn)有的并聯(lián)運(yùn)行。低壓蒸汽冷凝液管網(wǎng)壓力在0.2～0.3 MPa之間，0.3 MPa蒸汽產(chǎn)生的冷凝液不能回送到冷凝液管網(wǎng)，在低溫甲醇洗裝置內(nèi)增加分離罐和離心泵，冷凝液經(jīng)過加壓后送到冷凝液管網(wǎng)[1]。

為充分回收甲烷化工藝空冷的熱量，將氣化裝置用低壓鍋爐將水引入低溫甲醇洗余熱代替系統(tǒng)。氣化用低壓鍋爐給水300 t/h，160 ℃，將其分為兩股：其中一股流量為240 t/h的用于低溫甲醇洗一個(gè)單元熱再生塔再沸器，溫度降低至111 ℃；另一股流量為60 t/h的用于共沸塔再沸器，換熱后溫度降低至127 ℃。兩股物流混合后溫度114 ℃，再次進(jìn)入甲烷化新增鍋爐水換熱器，與153 ℃的工藝氣進(jìn)行換熱，溫度升高到138 ℃并送入氣化各個(gè)低壓鍋爐中。此時(shí)工藝氣溫度降低到142 ℃，進(jìn)入工藝空冷器可進(jìn)一步降溫至130 ℃[2]。

4 余熱量回收方案分析

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，甲烷化裝置滿負(fù)荷運(yùn)行工藝空冷工藝氣由169 ℃降溫至153 ℃熱量回收12474 kW，產(chǎn)出0.3 MPa，143 ℃的低壓蒸汽19 t/h。153 ℃的工藝氣繼續(xù)與114 ℃低壓鍋爐給水換溫度降低到142 ℃，進(jìn)入工藝空冷冷卻到130 ℃，工藝空冷降到負(fù)荷6863 kW，是設(shè)計(jì)值的18.81%。低壓鍋爐給水300 t/h 160 ℃，完全可以滿足低溫甲醇洗一個(gè)單元熱再生塔和共沸塔再沸器的換熱需求，按設(shè)計(jì)值計(jì)算可以減少26.3 t/h低壓蒸汽。綜上，通過低壓廢鍋和鍋爐給水換熱器可以為低溫甲醇洗裝置減少45.3 t/h低壓蒸汽消耗。去氣化裝置的低壓鍋爐給水溫度由160 ℃降低到138 ℃，氣化廢鍋產(chǎn)低壓蒸汽的量減少13 t/h。低壓蒸汽產(chǎn)生成本以燃煤計(jì)算，2022年1—6月份低壓蒸汽生產(chǎn)成本為85元/t，每年可以節(jié)約成本：(45.3-13.0)t/h×85元/t×8000 h+16×15 kW·h×(1-18.81%)×8000 h×0.41 元/kW·h≈2260萬(wàn)元。

預(yù)計(jì)低溫甲醇洗新增再沸器的換熱面積為400 m2，甲烷化增加廢鍋的換熱面積約為1600 m2，預(yù)計(jì)新增鍋爐水換熱器換熱面積1200 m2。新增加離心泵的流量約為30 t/h，需要揚(yáng)程約為40 m，根據(jù)離心泵的軸功率計(jì)算公式得出所需離心泵的軸功率為3.26 kW，一般電機(jī)效率在70%，所需電機(jī)的功率為4.67 kW[4]。除氧站低壓鍋爐給水泵出口壓力2.0 MPa，完全滿足改造系統(tǒng)所需壓力降，不需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造。

5 項(xiàng)目改造內(nèi)容

5.1 蒸汽發(fā)電方案一

在甲烷化裝置中增加低壓廢鍋，利用W201工藝氣將鍋爐水轉(zhuǎn)化為0.15 MPa(G)、127 ℃低壓蒸汽，采用低壓蒸汽壓縮機(jī)將0.15 MPa(G)、127 ℃加壓到0.68 MPa(G)、170 ℃。

將0.68 MPa(G)低壓蒸汽送入低壓蒸汽透平發(fā)電機(jī)組(包括汽輪機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、凝氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等)，蒸汽經(jīng)膨脹做功后經(jīng)凝汽器凝結(jié)，汽輪機(jī)將壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，齒輪箱減速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，達(dá)到經(jīng)過自產(chǎn)低壓蒸汽回收W201工藝氣熱量，再利用蒸汽驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)熱量回收到電能回收的轉(zhuǎn)化。

為了充分回收甲烷化工藝空冷的熱量，將脫鹽水引入熱量回收系統(tǒng)，將60 t/h脫鹽水從40 ℃升高至96 ℃，提高了脫鹽水進(jìn)除氧站的溫度，減少除氧器的低壓蒸汽使用量，每小時(shí)可以節(jié)約4 t/h。

該方案主要基于三方面考慮：第一方面，克旗公司實(shí)施系列低位熱能回收利用項(xiàng)目，降低了低壓蒸汽使用量；第二方面，由于夏季時(shí)采暖及伴熱停用，減少了低壓蒸汽的消耗，蒸汽出現(xiàn)一定富裕，但無放空情況；第三方面，結(jié)合明年克旗二期裝置投產(chǎn)后，面臨的低壓蒸汽富裕問題。

由于去氣化裝置低壓鍋爐給水溫度降低，低壓蒸汽量減少，故將首站工藝空冷器的熱量用透平凝液進(jìn)行回收，彌補(bǔ)這一部分的熱量損失，計(jì)劃在首站壓縮機(jī)出口增加一臺(tái)換熱器，將首站透平冷凝液與壓縮機(jī)出口天然氣進(jìn)行換熱，透平冷凝液溫度升高到100 ℃后再并入透平冷凝液管網(wǎng)，同時(shí)風(fēng)機(jī)能耗可降低55%。

5.2 蒸汽發(fā)電方案二

在甲烷化裝置中增加低壓廢鍋，回收W201工藝氣熱量，將鍋爐水轉(zhuǎn)化為0.15 MPa(G)、127 ℃低壓蒸汽，再把該蒸汽直接送入低壓蒸汽透平發(fā)電機(jī)組(包括汽輪機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、凝氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等)。不采取低壓蒸汽增壓至0.68 MPa(G)方式，直接送入發(fā)電機(jī)組做功更為合理，不僅消除蒸汽壓縮機(jī)技術(shù)不夠成熟帶來的隱患，也大大降低項(xiàng)目投資。其中，蒸汽不增壓直接發(fā)電的主要原因如下：

通過蒸汽壓縮機(jī)將蒸汽壓縮后再進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，這個(gè)與目前常見的壓縮氣體儲(chǔ)能原理相同，整體轉(zhuǎn)換過程效率不高。通過公開資料顯示，我國(guó)首個(gè)1.5 MW級(jí)(2013年)的轉(zhuǎn)換效率為52.1%，首個(gè)10 MW級(jí)(2021年)的轉(zhuǎn)換效率為60.2%，這些數(shù)據(jù)已是目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)水平，同時(shí)也達(dá)到了國(guó)際水平，不過效率依然不高。以0.1 MPa(G)蒸汽數(shù)據(jù)為例，43 t/h蒸汽壓縮至0.68 MPa(G)時(shí)耗功為4761 kW，當(dāng)在汽輪機(jī)里從0.68 MPa(G)膨脹至0.1 MPa(G)時(shí)，實(shí)際做功約2026 kW左右，徒增約2735 kW消耗，因此，先壓縮再膨脹做功方式并不合理，更不可取。

為了充分回收甲烷化工藝空冷的熱量，將脫鹽水引入熱量回收系統(tǒng)，將60 t/h脫鹽水從40 ℃升高至96 ℃，提高了脫鹽水進(jìn)除氧站的溫度，減少除氧器的低壓蒸汽使用量，每小時(shí)可以節(jié)約4 t/h[3]。

結(jié)合克旗公司一期裝置實(shí)施的系列低位熱能利用項(xiàng)目，已降低低壓蒸汽消耗。以及二期甲烷化裝置投產(chǎn)時(shí)間及改造情況，考慮熱量回收系統(tǒng)中設(shè)置減溫減壓裝置，在低壓蒸汽管網(wǎng)內(nèi)蒸汽富余時(shí)，可將蒸汽通過減溫減壓方式補(bǔ)充送入發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)發(fā)電量及發(fā)電效率提升的同時(shí)，進(jìn)一步保障低壓蒸汽管網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

由于去氣化裝置低壓鍋爐給水溫度降低，低壓蒸汽量減少，故將首站工藝空冷器的熱量用透平凝液進(jìn)行回收，彌補(bǔ)這一部分的熱量損失。計(jì)劃在首站壓縮機(jī)出口增加一臺(tái)換熱器，將首站透平冷凝液與壓縮機(jī)出口天然氣進(jìn)行換熱，透平冷凝液溫度升高到100 ℃后再并入透平冷凝液管網(wǎng)，同時(shí)風(fēng)機(jī)能耗可降低55%。

項(xiàng)目實(shí)施后做到甲烷化空冷器的停用，且未改變?cè)に嚵鞒?，熱量回收系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可迅速切換至原流程，具有較高靈活性。

本項(xiàng)目方案實(shí)施，同時(shí)統(tǒng)籌考慮二期甲烷化工藝空冷熱量回收以及充分利用富余低壓蒸汽，裝置規(guī)模確定采用100 t/h低壓蒸汽透平發(fā)電機(jī)組。從投資和管理角度講更合理，相較于分一期、二期共兩期建設(shè)，一次性建設(shè)投資更小，后期檢修維護(hù)成本較低。

6 系統(tǒng)改造流程

6.1 工藝系統(tǒng)改造流程

在大量甲烷化反應(yīng)后，經(jīng)過新增加的低壓蒸汽余熱鍋爐(暫定71-W202)冷卻至137 ℃，然后進(jìn)入脫鹽水加熱器(暫定71-W203)進(jìn)一步冷卻至130 ℃。低壓蒸汽余熱鍋爐(暫定71-W202)副產(chǎn)0.15 MPa、127 ℃低壓蒸汽送入低壓蒸汽透平發(fā)電機(jī)組(包括汽輪機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、凝氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等)，蒸汽經(jīng)膨脹做功后經(jīng)凝汽器凝結(jié)，汽輪機(jī)將壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，齒輪箱減速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，達(dá)到經(jīng)過自產(chǎn)低壓蒸汽回收W201工藝氣熱量，再利用蒸汽驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)熱量回收到電能回收的轉(zhuǎn)化。

甲烷化裝置的脫鹽水將其分為兩股：其中一股作為裝置正常流程使用；另一股流量為60 t/h的脫鹽水進(jìn)入甲烷化新增脫鹽水換熱器(暫定71-W203)，與137 ℃的工藝氣進(jìn)行換熱，溫度升高到96 ℃，送入除氧站。工藝氣經(jīng)過脫鹽水換熱器(暫定71-W203)溫度降低到130 ℃，送入工藝空冷器71-W201。

首站壓縮機(jī)出口的110 ℃的天然氣先與凝結(jié)水泵來透平冷凝在透平冷凝液加熱器(暫定W001)進(jìn)行換熱，天然氣溫度降低至83 ℃進(jìn)入空冷器C101，透平冷凝液被加熱到100 ℃后送入透平冷凝液管網(wǎng)。

6.2 電氣改造主要內(nèi)容

本項(xiàng)目供配電均依托現(xiàn)有供電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)出口通過變壓器連接至現(xiàn)場(chǎng)35 kV變電站，并入現(xiàn)在低等級(jí)電網(wǎng)。在聯(lián)絡(luò)線上設(shè)置功率變送器，實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)電量根據(jù)甲烷化運(yùn)行負(fù)荷及產(chǎn)出的蒸汽量進(jìn)行調(diào)節(jié)，這部分發(fā)電量對(duì)整個(gè)公司用電量相比較小，不影響原系統(tǒng)供電平衡。

本項(xiàng)目用電負(fù)荷等級(jí)屬于化工連續(xù)生產(chǎn)裝置或全廠性化工生產(chǎn)用公用工程裝置，其特點(diǎn)是生產(chǎn)規(guī)模大、自動(dòng)化水平高，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)；中斷供電將在經(jīng)濟(jì)上造成較大損失、連續(xù)生產(chǎn)過程被打亂，使主要設(shè)備損壞、產(chǎn)品大量報(bào)廢、大量減產(chǎn)且需較長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)正常生產(chǎn)。根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)負(fù)荷分級(jí)的規(guī)定，并結(jié)合本工程實(shí)際情況和工藝生產(chǎn)特點(diǎn)，本項(xiàng)目中的大部分工藝用電設(shè)備劃分為二級(jí)負(fù)荷。另外，部分用電負(fù)荷當(dāng)中斷供電后可能造成人員傷亡、重大設(shè)備損壞、發(fā)生中毒、爆炸和火災(zāi)事故，此類用電負(fù)荷(包括儀表電源、直流電源及應(yīng)急照明等)劃分為一級(jí)負(fù)荷，其他輔助設(shè)施為三級(jí)負(fù)荷。

7 結(jié)語(yǔ)

本次改造將大大減少能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，對(duì)促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境和確保甲烷化裝置運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性以及保持地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等都具有十分重要的意義。公司自成立以來，為周邊的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境改善作出了積極貢獻(xiàn)?；诠?jié)能降耗的要求和當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，本項(xiàng)目具有良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。