煤化工项目富裕低压饱和蒸汽回收方案介绍及案例分析

段永华

（中薪油武汉化工工程技术有限公司，湖北武汉 430223）

煤化工项目富裕低压饱和蒸汽回收方案介绍及案例分析

段永华

（中薪油武汉化工工程技术有限公司，湖北武汉 430223）

由于各种原因，已投运或正在设计的煤化工项目经常出现低压蒸汽富裕的情况，采用合理方式回收利用是减少蒸汽损失和实现能源可持续利用的必然选择。对可用于低压饱和蒸汽回收利用的方案进行了较为全面的介绍，结合某实际改造项目进行分析，并对改造效果和效益进行了评估。

煤化工；低压饱和蒸汽；回收利用；效益评价

目前国内已建成的煤化工项目较多，由于煤化工项目包含的工艺及公用工程装置较多、工艺系统复杂、设计考虑不周全等原因，导致实际运行中出现工艺装置副产蒸汽无法全部利用、非采暖期低压蒸汽大量富裕等问题。目前部分企业结合全厂实际现状，采用了一些措施尽可能地回收利用富裕蒸汽，以减少能源浪费。根据目前的实际应用情况及技术储备，可选的方案较多，但具体采用哪种方式，需要根据可选方案的技术特点以及企业的实际情况进行分析，以确定安全可靠并尽可能经济的方案。本文对各可选方案进行了介绍，针对某化工企业电动循环水泵改透平驱动工程实际案例进行了分析，并对改造效果进行了评估。

1 低压饱和蒸汽回收利用可选方案分析

1.1 饱和透平发电

低压蒸汽驱动饱和透平发电是已经较为成熟的余热回收技术，国内外均有应用，尤其是随着国内节能减排政策的影响及饱和透平国产化的逐步成熟，国内应用逐渐增多。因为饱和透平发电可以根据低压蒸汽管网和生产要求灵活调节，较好地适应了化工蒸汽系统变工况运行的要求，是低压饱和蒸汽回收利用的可靠方案。目前国内饱和透平发电机组的最大出力可以到50MW左右，国外厂商机组可以做的更大，具体情况需要厂家根据实际情况进行确定。

由于饱和透平发电主机及辅机均需要一定的占地，尤其是采用空冷凝汽方式，因此更适合新建项目考虑；一般已经建成的化工厂不会额外预留用地，新建饱和透平发电装置较为困难；饱和透平发电一次投资相对偏大，尤其是采用进口机组时投资更大，对投资敏感的企业需要谨慎考虑；另外对于非采暖期运行，采暖期停运的机组，存在机组利用率不高、维护保养费用偏高的问题。

1.2 驱动工业透平

工业透平是驱动机泵的方式之一，它是依靠蒸汽驱动汽轮机，再由汽轮机驱动机泵。与电机驱动相比，透平驱动减少了发电至用电设备之间的输电损失及电机本身的损失，效率较高；采用透平驱动避免了电机启动电流过大对电网的冲击。

工业透平根据全厂蒸汽系统的特点，可以采用背压式或凝汽式，而低压工业透平常规采用凝汽式，凝汽器基本采用水冷。与发电机组相比工业透平一般功率偏小，机组较为紧凑，占地面积较小，改造或新建项目均适用，且对公用工程的影响较小。另外单个工业透平机组的总体投资较小，建设周期较短，能较快实现改造目标。

1.3 驱动溴化锂制冷机组

溴化锂吸收式制冷机组采用低位热能作为动力，驱动制冷机组连续制取冷量（冷水），即可用于建筑的空气调节，也可用于工厂工艺介质或设备降温等。回收低压蒸汽可采用蒸汽型制冷机组，蒸汽型根据蒸汽压力又可分为单效和双效，单效型采用蒸汽压力一般为0.1MPa（表压），双效型采用蒸汽压力为0.25～0.8MPa（表压），具体选型需要根据蒸汽参数及用户要求进行确定。

溴化锂吸收式制冷机组选型及布置较为灵活，冷水管线输送受长度的影响较小，管线布置较为灵活，可实现较远距离的输送，较为适合化工企业余热利用改造或新建项目；溴化锂机组负荷可调节范围较宽，对外界输入蒸汽压力变化适应性较强，可以较好地适应化工厂生产负荷的变化。由于受季节和用户冷量消耗的限制，溴化锂机组的总装机容量一般不宜过大，因此其应用于回收余热量较小的生产企业是比较合适的，若要大量应用，需要对全厂余热、冷量消耗、生产变化、季节变化等因素综合考虑后确定。

1.4 高压蒸汽引射升压

引射升压是采用喷射器，以高压蒸汽为动力引射并混合低压蒸汽，混合后二次蒸汽压力高于被引射蒸汽压力，达到低压蒸汽升压目的，但相应损失了高压蒸汽部分压力。此种回收低压蒸汽方式简单易行、较为可靠、投资较低，但高压蒸汽系统需要由足够的供汽能力以便于二次蒸汽压力调节，当低压蒸汽富裕量较少时，可以优先考虑此方式。若此种方式用于大量低压蒸汽的回收，高压蒸汽能量损失较大，能量利用不经济，不优先推荐使用。

1.5 有机朗肯循环（ORC）余热发电

有机朗肯循环（ORC）是通过低沸点的有机工质（如：五氟丙烷R245fa）吸收热能（热源包括：蒸汽、热水、热烟气等）后蒸发，蒸发后的气态工质进入发电模块发电，实现热能到电能的转化，做功后的有机工质再通过冷凝单元进行回收循环再利用。整个有机朗肯循环实现了将热能转化为机械能、机械能再转化为电能的能量转化过程。与传统朗肯循环（如汽轮机采用带压水蒸汽进行做功发电）相比，有机郎肯循环实现了更低温位热量的回收利用，使用的领域更为广阔。

目前ORC余热发电在美日欧等国应用较多，且技术较为成熟，可靠性较高。国内也有较多高校及科研院所等对ORC进行研究和应用推广，目前已经有实际工程应用并取得一定收获，随着ORC的应用和推广以及不断的完善更新，其应用前景广阔。ORC余热发电一般采用撬装，集成度较高、辅助系统少、占地较小，比较适合企业余热回收节能改造。但相比较传统汽轮机发电技术，ORC余热发电机组单位发电量的设备投资大、发电效率低、系统整体可靠性有待进一步提高。

2 某煤化工项目蒸汽系统现状及富裕低压蒸汽利用方案选择

2.1 某煤化工项目蒸汽系统现状

北方某已投运大型煤化工项目，全厂包含多个蒸汽等级，各等级蒸汽系统现状如下：

（1）9.8MPa等级蒸汽系统。本等级蒸汽来自高压燃煤锅炉，主要用户为抽凝汽轮发电机组、空压机透平、合成气压缩机透平等，该等级蒸汽由锅炉直接供汽，锅炉可根据用户需要调节供汽负荷，正常生产中该等级蒸汽产用较好的实现了平衡。

（2）4.2MPa等级蒸汽系统。本等级蒸汽来自抽凝汽轮发电机组抽汽和压缩机透平抽汽，主要用户为CO2压缩机透平、氨压缩机透平及各工艺装置等，该等级汽源为透平抽汽，由于透平抽汽具有一定的负荷调节能力，正常生产中该等级蒸汽产用较好的实现了平衡。

（3）2.6MPa等级蒸汽系统。本等级蒸汽主要来自CO2压缩机透平抽汽和工艺废锅副产蒸汽，用户为尿素装置等。该等级汽源中大量蒸汽来自透平抽汽，由于透平抽汽具有一定的负荷调节能力，正常生产中该等级蒸汽产用较好的实现了平衡。

（4）0.6MPa等级蒸汽系统。本等级蒸汽主要来自变换废锅及抽凝汽轮发电机组低压抽汽等，用户包括各工艺装置、公用工程装置及全厂采暖伴热等。

正常工况下，采暖期工艺废锅和汽轮发电机组抽汽共同供汽，负荷平衡调节由汽轮机低压抽汽实现；非采暖期，采暖蒸汽消耗停止，汽轮发电机组低压抽汽停止后，仍有约24t/h低压饱和蒸汽富裕，由于此部分蒸汽全部来自工艺废锅，且废锅产汽量是由工艺装置负荷所决定的，正常生产中工艺装置负荷较为稳定，也决定了废锅产汽负荷较差的可调节性，非采暖期富裕低压蒸汽全部放空，损失很大，且对企业形象带来了一定负面影响。

2.2 富裕低压蒸汽利用方案选择

为了解决非采暖期低压蒸汽富裕的现状，需要对回收利用方案进行选择并进行改造设计。根据实际现状和用户要求，对各种方案进行了取舍分析如下：

（1）饱和透平发电。根据富裕蒸汽量24t/h进行计算，饱和透平发电量约2 800kW，考虑到一定的调节弹性，汽轮机组出力至少按照3 000kW选型配制，由于需要新建厂房，而现场的实际情况并不允许，且新建发电装置面临建设周期长、投资偏高等诸多问题，此方案暂不考虑。

（2）驱动工业透平。由于主要工艺装置的机泵等动设备改造难度较大且存在风险，首先不予考虑；公用工程中可供改造的较大功率电动泵有锅炉给水泵和循环水泵，其中高压锅炉泵4台（单台电机功率1 400kW），正常3开1备，由于高压锅炉给水泵布置在汽机房，且设备布置较为紧凑，不具备电泵改汽泵条件，难以实施，暂不予考虑。循环水站配制循环水泵9台（单台电机功率1 400kW），正常8开1备，根据现场查看，循环水泵房设备布置相对间隔距离较大，有一定空间，较利于布置和施工，且施工周期较短，比较符合企业尽快完成改造的预期，改造循环水泵属于较优方案。

（3）溴化锂吸收式制冷机组。回收低压蒸汽可以选择蒸汽型双效制冷机组，按照蒸汽压力0.6MP考虑，对应溴化锂吸收式制冷机组单位制冷量蒸汽消耗≤1.31kg/（kW·h），初步估算24t/h低压蒸汽至少可以输出18 320 kW·h的制冷量，而全厂公用工程只有不到300kW·h的制冷量需求，如此多的冷量难以找到外在用户，暂不考虑。

（4）高压蒸汽引射升压。由于高压及中压蒸汽管网均设置有抽凝式汽轮发电机组或工艺透平，可以保证较低压力管网的供汽要求，并且相对于喷射器引射升压，透平抽汽实现了“热电联产和热功联产”，具有较高的效率和热经济性，本项目再考虑高压引射已不经济，并且24t/h蒸汽量较大，喷射器引射升压就更不经济，此方式不推荐。

（5）ORC余热发电。由于ORC目前处于推广应用阶段，其可靠性和稳定性用户较为怀疑，且其投资较高，无法达到用户经济性要求。此方式也不考虑。

综合以上分析最终确定工业透平驱动方案，即对现有部分电动循环水泵改透平驱动。

3 某煤化工项目低压饱和蒸汽利用方案介绍及效益评价

3.1 低压饱和蒸汽回收利用方案介绍

本次需要回收利用的低压饱和蒸汽参数如下：

表1 低压饱和蒸汽参数：

根据计算汽耗率8.57kg/（kW·h）进行核算，改造两台循环水泵（单台功率1 400kW）才可满足全部回收24t/h富裕蒸汽的要求。为谨慎起见，决定分两期进行改造，一期先对一台现场条件较好的循环水泵进行改造，待一期改造完成后，确认效果较好，再改造第二台。根据单台循环水泵参数要求，确定一期选择配套驱动透平及辅机参数如下表2：

表2 透平及减速箱设备参数

本次选择的工业透平本体结构较为紧凑，润滑油箱集成在汽轮机公用底座上，辅机系统如凝汽系统、润滑油系统、抽真空系统、汽轮机进口汽水分离器等就近布置，TSI等热工控制系统布置在循环水站控制室内，透平所需的公用工程条件全部依托现有循环水泵房或附近外管网。一期改造完成后，系统和机组均进行了验收试验，结果达到预期目标，机组投运后运行稳定，减少了富裕低压蒸汽放空。

在一期改造的基础上，二期针对第二台改造进行了优化设计，考虑到二期改造的水泵周围空间已经较为狭窄，为了满足设备布置要求，二期决定取消射水箱和射水泵，射水抽气器引射用水取自循环水供水母管，射水抽气器布置在现有循环水吸水池盖板上，这既保证了喷射供水的稳定又满足了布置需要，除此之外其他配置均与一期相同。

3.2 回收方案经济效益评价

通过将两台电动循环水泵改造成汽动，解决了企业因非采暖期低压蒸汽富裕导致大量连续放空的问题，避免了能源浪费和经济损失。两期改造项目全部完成后，按照北方非采暖期6个月、用电费用0.5元/度计算，每年非采暖期循环水泵房可减少用电约112万度，节约电费约56万元，直接降低了企业运行成本，经济效益明显。

4 结论

已进入商业化运行的项目或正在设计中的项目的都难免会出现低等级蒸汽富裕的情况，面对此问题，企业技术管理人员和设计人员必须综合考虑全厂实际情况及各种低压蒸汽回收方案的特点，经科学分析后确定较为可靠有效的方案，以达到“高效利用、节能降耗”的目标，为项目的经济运行打下坚实基础。本文对其他等级蒸汽或余热回收利用方案选择均具有一定的参考价值。

[1] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].（第二版）上册、下册.北京：中国建筑工业出版社，2007.

Schemes Introduction and Case Analysis of SurplusLow Pressure Saturated Steam Recycling in Coal Chemical Projects

Duan Yong-hua

Because of various reasons，low pressure saturated steam is often surplus in coal chemical projects that have been put into operation or under design.Taking reasonable ways to recycling and utilize is the inevitable choice of reducing steam loss and realizing sustainable development of energy.In this paper，the schemes for recovery and utilization of low pressure saturated steam is introduced，and the actual project of transformation is analyzed，and the effect and benefit of transformation project were also evaluated.

coal chemical industry；low pressure saturated steam；recovery and utilization；benefit evaluation

TH223.121

B

1003-6490（2017）12-0010-03

2017-09-25

段永华（1983—），男，河南扶沟人，动力工程师，主要从事热工工艺设计工作。