大型化肥廠熱動系統(tǒng)改造評價

1、大型化肥廠熱動系統(tǒng)改造評價趙經(jīng)濂（中國五環(huán)化學工程公司 430079）內(nèi)容提要 七十年代國家首批從國外引進的十三套年產(chǎn)30萬噸合成氨、48萬噸尿素的大型化肥廠，系當時國際先進水平。然而80年代以來，國外在降低合成氨能耗和成本方面，做了大量的研究開發(fā)工作，并取得了顯著的進展，推出了不少新概念、新流程。國內(nèi)多家大型合成氨裝置自80年代以來先后進行了節(jié)能改造，如云天化、遼河、滄化、洞庭等廠均于80年代中后期進行合成氨六項節(jié)能改造。云天化還于94年進行增產(chǎn)節(jié)能改造，合成氨裝置能力擴大20%，能耗降低至約33.5 GJ/噸氨，投資小，見效快。大量采用以工業(yè)汽輪機為動力的大功率、大容量的離心式壓縮機，是大

2、型化肥裝置的顯著特點及其優(yōu)越性的重要標志之一。因此，其任何節(jié)能改造都會促進壓縮機和汽輪機、及其熱能動力系統(tǒng)的技術進步和更新?lián)Q代。本文就國內(nèi)一些大型化肥廠近年來在汽輪機及其熱能動力系統(tǒng)方面所做的改造，進行熱力學方面的定性或定量分析，以判斷這些改造的預期效果；提出目標實現(xiàn)的關鍵所在；并簡述其發(fā)展方向。關 鍵 字 大化肥 熱動系統(tǒng) 改造 汽輪機 節(jié)能一、 概況我國在70年代初首批引進的十三套大化肥之一的××化肥廠，于1974開始興建，1977年正式投產(chǎn)，又于80年代后期進行合成氨六項增產(chǎn)節(jié)能改造。改造后的合成氨界區(qū)蒸汽平衡如圖1所示。由圖1和原始蒸汽平衡圖比較可知，改造的主要內(nèi)容

3、有：1. 高壓蒸汽的溫度參數(shù)由440提高到460；2. 101-BJAT由低壓蒸汽透平驅動，以平衡系統(tǒng)多余的低壓蒸汽；3. 改部分小功率機泵透平驅動為電動機驅動，以減少系統(tǒng)富裕低壓蒸汽數(shù)量，并提高能源利用效率。高壓蒸汽溫度的提高，其比容由0.029107 m3/提高到0.030365 m3/，提高幅度達4.65%。因此而提高的透平相對內(nèi)效率，將使系統(tǒng)內(nèi)的所有透平受益，因為103-JAT作為高壓前置機其排汽溫度由原始的321提高到34，排汽比容提高幅度亦達4.5%，其后的背壓式透平、凝汽式透平相對內(nèi)效率都會因此受益而有所提高。經(jīng)估算，提高高壓蒸汽初溫度20，約可提高系統(tǒng)熱力循環(huán)效率0.5%。然而

4、，由于工藝和設備方面的原因，高壓蒸汽溫度又很快地回落到440的原始設計溫度，改造的節(jié)能成果因此而大打折扣。GJ/噸氨。其中，在熱動系統(tǒng)方面，有兩項技術含量較高、投入較大的改造措施：103-JAT更換節(jié)能轉子；轉化爐改造并提高高壓蒸汽溫度。該改造模式正在被其它大化肥廠所仿效，為此對大化肥熱能動力系統(tǒng)的改造措施進行熱力學方面的定性或定量分析的評價是必要的，幫助判斷改造的預期效果；提出改造目標實現(xiàn)的關鍵所在，從而保證投資效益較高。二、 熱力學比較基礎數(shù)據(jù)仍以圖1為例。其中，前置式背壓汽輪機103-JAT的主要熱力學數(shù)據(jù)列于表1中。 表1 103-JAT比較數(shù)據(jù)表編號名 稱 及 規(guī) 格數(shù) 據(jù)備注原 始

5、80年代改造后更換節(jié)能轉子1103-JAT進口高壓蒸汽參數(shù)p (Mpa)10.00t ()440460460h0 (kJ/kg)2103-JAT排汽中壓蒸汽參數(shù)p (Mpa)6t ()321342.9340hf (kJ/kg)理論值h (kJ/kg)3081.6實際值v (m3/kg)0.06542(1.0)0.06879(1.052)0.06758(1.033)3103-JAT透平相對內(nèi)效率 (%)4103-JAT 汽耗率(kg/kW.h)理論值實際值5103-JAT機械傳動效率 (%)95976103-JAT整體效率 (%)從表1可清楚地看出，103-JAT MPa Mpa；排汽溫度從，降

6、低到340；相對內(nèi)效率從71.3%提高到75.5%(但和原始設計值比較提高不多，約1%)。然而，從表1也可看出，其整體效率的提高主要是由于改造后在機械傳動效率方面的提高。三、103-JAT及其節(jié)能轉子的主要特點美國型合成氣壓縮機驅動汽輪機為雙缸，高壓缸是背壓式(103-JAT)；低壓缸為凝汽式(103-JBT)。用連軸器把高、低壓缸的兩個轉子連接起來一起旋轉。103-JAT是前置式汽輪機，它的排汽作為全廠中壓工藝蒸汽和中壓汽輪機的用汽，同時驅動合成氣壓縮機。103-JAT更換節(jié)能轉子前后的主要技術數(shù)據(jù)列于表2。從表2可知，103-JAT節(jié)能轉子的之所以節(jié)能，主要是將其原來的兩級葉輪增加到現(xiàn)在的

7、三級葉輪；其次來自進汽溫度的提高。該節(jié)能轉子的供應商是：Demag Delaval Turbomachinery，其設計值為供應商的保證值。 圖1 大型化肥廠合成氨界區(qū)蒸汽平衡圖四、熱動系統(tǒng)改造措施評價 表2 103-JAT技術數(shù)據(jù)表數(shù) 據(jù) 項 目原 始 技 術 數(shù) 據(jù)更換節(jié)能轉子后技術數(shù)據(jù)額定值設計值80年代改造后額定值設計值功率，(馬力)轉速 (rpm)20,00010,85018,90010,37218,15020,00011,00018,42010,670進汽流量 (Lb/Hr)進汽壓力 (MPa)進汽溫度 ()256,158272,750254,240440460排汽壓力 (MPa)

8、排汽溫度 ()321339340汽耗率 (Lb/Hp-Hr)級數(shù)23型式背 壓 式在熱動系統(tǒng)進行任何技術改造之前，對其進行能量平衡非但必要，而且它可以指導我們應該采取何種改造措施最為有效。美國型大化肥合成氨裝置熱動系統(tǒng)的能量平衡如圖2所示。在圖2中，工藝生產(chǎn)負荷一定時，各種工藝機泵驅動透平的軸功率、101-B工藝用蒸汽都是固定不變的。換句話說，如果撇開101-B工藝用汽的話，就可以把整個熱動平衡看成是一個凝汽式汽輪機發(fā)電廠。其中，熱能轉化為機械能是在朗肯蒸汽循環(huán)的基礎上完成的，研究其熱經(jīng)濟性通常以理想朗肯循環(huán)為出發(fā)點。圖3所示是郎肯蒸汽循環(huán)的T-S圖。從圖3可以直觀地看出，郎肯循環(huán)的效率主要取

9、決于循環(huán)吸熱、放熱過程的平均溫度。當然，其整體循環(huán)效率還與管道效率、汽機相對內(nèi)效率等因素有關。汽機相對內(nèi)效率與汽機容量、結構，以及蒸汽參數(shù)等因素有關。在汽機結構相同時，提高蒸汽溫度，即提高蒸汽比容就可以提高汽機相對內(nèi)效率。假定103-JAT不進行改造，只是簡單提高蒸汽初溫度至460，此時的排汽參數(shù)： bar、T=、；而中壓透平的排汽焓為H=2,610.9 kJ/kg，則中壓透平的有效焓降D kJ/kg。作為對比，高壓蒸汽的初溫為440時，中壓透平的有效焓降僅為DH=414.4 kJ/kg。由此可見，高壓蒸汽溫度簡單提高20，其后的中壓蒸汽透平的有效焓降提高約14%，相應汽耗率下降，由此可以推斷

10、全部中壓透平因此降低蒸汽耗量達15 t/h。圖2 大型化肥廠熱動系統(tǒng)能量平衡圖圖3 郎肯蒸汽循環(huán)的T-S圖DQn實際膨脹過程所引起的附加冷源損失；a理想的膨脹過程；b實際的膨脹過程。我們把103-JAT更換節(jié)能轉子和提高高壓蒸汽溫度至460 (方案A)、以及單純提高高壓蒸汽溫度至460 (方案B)兩個節(jié)能改造方案，兩者主要技術經(jīng)濟指標列于表3中。從表3可知，方案B比方案A除節(jié)約投資1,000.0萬元外，尚可節(jié)約高壓蒸汽3,100 kg/h，折合節(jié)約標準煤340 kg/h，年節(jié)約燃氣費用176.4萬元。很明顯，方案B大大優(yōu)于A。此外，從改造的工期看，方案B也少于A。五、結論通過以上雖不是十分精確

11、的比較和計算，可以得出以下主要結論：表3 節(jié)能技術改造方案主要計算經(jīng)濟指標比較比 較 項 目方 案 A方 案 B備 注103-JAT功率 (kW)12,50612,065 兩方案103-JAT和103-JBT輸出總功率相同。而其后所提供的中壓蒸汽量，因方案B有效焓降提高而減少。此外，假定103-JBT汽耗率兩方案均相同。進汽量 (kg/h)231,490228,390供汽量 (kg/h)215,790210,030排汽壓力 (bar)排汽溫度 ()332排汽焓 (kJ/kg)103-JBT功率(kW)2,6043,045進汽量(t/h)15,70018,360 投 資 (萬 元)0.00高壓蒸

12、汽提溫投資倆者相同1. 在對大型化肥廠熱動系統(tǒng)進行任何改造之前，必須進行熱力學方面的全面分析和評價，以找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和提高其效率的關鍵部位，判斷技術改造措施正確與否。2. 初步分析結果清楚地表明，簡單地改造103-JAT為節(jié)能型轉子是不可取的，除非其后的主要幾臺中壓凝汽式蒸汽透平也能同時改造為節(jié)能型轉子，然而這樣的改造投資大、工期長，而且收益極其有限。3. 從朗肯蒸汽循環(huán)的T-S圖(圖3)可知，提高循環(huán)的初參數(shù)、降低循環(huán)的終參數(shù)，就可以明顯提高循環(huán)效率?，F(xiàn)代大型電站都是向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展，就是很好地旁證。據(jù)悉，國外大型化工裝置，已經(jīng)開發(fā)運行超高壓參數(shù)蒸汽的熱動系統(tǒng)。此外，提高循環(huán)初參

13、數(shù)的最新應用是將燃氣輪機引入大型合成氨裝置，它逐漸成為當今世界先進的節(jié)能型工藝流程的一種新選擇，如我國的中原大化、海天化、錦天化等先后采用了燃氣輪機，使得噸氨能耗下降。對于國內(nèi)現(xiàn)有以蒸汽動力循環(huán)進行能量轉換的大型化肥廠，最為簡單有效且有最大收益的改造措施應該是：視透平設備、及其連接管道所使用的材料，盡可能地提高蒸汽初溫；其次，是降低中壓凝汽式蒸汽透平的終參數(shù)。對于前者，因必須改造轉化爐盤管，投資較大，實現(xiàn)的技術難度也較大。對于后者，似乎更為容易實現(xiàn)，而且所得收益也較可觀。比如，2202-JC的壓力為356 mm Hg，汽機排汽焓為2, kJ/kg mm Hg，此時的汽機排汽焓為2, kJ/kg

14、。因此，增加有效焓降達DH=52.17 kJ/kg，它比高壓蒸汽溫度提高20的效果(57.8)略低，然而它幾乎無須投資。101-JC的情況類似。由于目前國內(nèi)大化肥熱動系統(tǒng)中，大都將一些小型機泵的汽機驅動改為電機驅動，因此現(xiàn)有凝汽設備、循環(huán)水量不變或略有增加時，101-JC和2202-JC的操作壓力就可以降低，從而不花錢或少花錢就完成技術改造，并有可觀的收益。4. 降低冷源損失。減少103-JBT的進汽、加大103-JAT的進汽量，將合成氨界區(qū)的富余中壓蒸汽送往尿素或其他中壓蒸汽用戶，實現(xiàn)熱“功”聯(lián)產(chǎn)。5. 大型化肥廠技術力量雄厚，技術人員眾多，應該有自己的研究開發(fā)機構，在完善工廠生產(chǎn)工藝、降低

15、能耗、改善環(huán)境、科學管理諸方面必定大有作為，少犯或不犯人云亦云的錯誤。若能與大專院校、科研機構以及相關企業(yè)協(xié)作，大型化肥裝置的國產(chǎn)化、乃至出口都將指日可待。參考文獻1.熱力發(fā)電廠，重慶大學熱力發(fā)電廠教研組編。水利電力出版社，1984.11。2.年產(chǎn)三十萬噸合成氨廠工業(yè)汽輪機，大連工學院工業(yè)渦輪機教研室編?；瘜W工業(yè)出版社，1982.6。3.國際單位制的水和水蒸氣表，西德E.斯米特 U.格里古爾。水利電力出版社，1983.3。4.“MS3002和PGT10燃氣輪機的檢修”，朱小四?；试O計，1999年第4期。中國五環(huán)化學工程公司化肥設計編輯部。5.工程熱力學(第二版) ，沈維道 鄭佩芝 蔣淡安 合編。高等教育出版社，1983年10月第2版。（上接第100頁）市場上銷售的無聲蒸汽加熱器要求蒸汽壓力大于水壓才能正常工作，射水式混合加熱器則不受蒸汽壓力的限制，蒸汽壓力大于或小于液體壓力都可以正常工作。在加熱系統(tǒng)中可以將加熱器放在循環(huán)泵前（拉式）或循環(huán)泵后（推式），加熱器的出口水溫可以通過改變蒸汽閥的開度來調整。蒸汽閥開度的改變可以手動也可以自動。若蒸汽壓力低于熱水輸送壓力以上，應將加熱器放在循環(huán)水泵前。加熱器拉式布置系統(tǒng)如圖4。圖4 加熱器拉式布