功熱電聯產與系統節能

張光宇

(青島華捷透平動力有限公司,山東青島 266022)

我公司首創的“熱功聯產”和“功熱電聯產”節能技術是與氮肥企業系統節能相結合的一項非常新穎的節能新技術。幾年來該技術在電力、供熱、造紙、化工等行業已經得到了非常廣泛的應用,并為這些企業創造了巨大的經濟效益,目前該技術已經逐漸在部分化肥企業得到應用。

1 熱功聯產及功熱電聯產節能技術的適用范圍及節能原理

眾所周知,在化肥和化工生產中要使用大量蒸汽,而且在各生產工藝環節中所使用的蒸汽壓力的等級是不同的。由于不同的生產工藝要使用不同壓力的蒸汽,這就使得大量蒸汽必須通過閥門或減溫減壓裝置將其減到合適的壓力來使用,從而造成巨大能量浪費,非常可惜。

為了將上述蒸汽的壓差能充分回收,可以采用熱功聯產或功熱電聯產的方式,使用專利型特種汽輪機將這部分蒸汽的壓差能轉變為有用功,取代電動機直接拖動化肥生產工藝中的某些動力設備,或同時拖動異步電機實現功熱電聯產,從而可以節約大量廠用電,充分實現蒸汽能量的綜合利用。

應該指出的是,熱功聯產及功熱電聯產節能技術是化工企業全廠蒸汽壓差或余熱蒸汽的綜合利用,屬于熱力系統節能技術。

1.1 熱功聯產及功熱電聯產節能技術的適用范圍

在合成氨企業或其他化工企業中,所有蒸汽在化工生產中進行減壓使用的地方都適用該技術。因為蒸汽減壓使用=壓力能浪費。

1.2 熱功聯產及功熱電聯產節能技術的基本原理

1.2.1 熱功聯產節能技術基本原理

1.2.2 功熱電聯產節能技術基本原理

1.3 熱功聯產、功熱電聯產、熱電聯產節能方式的比較

1.3.1 熱電聯產

熱電聯產是壓力較高的蒸汽通過熱電汽輪機做功后拖動同步發電機發電,其所發出的電能直接并入電網,實現壓差發電節能,汽輪機排出的蒸汽供生產工藝中的低壓工序使用。

優點 熱電聯產目前在許多大型化工企業得到應用,熱電聯產一般適用于減壓蒸汽量較大的能量轉換系統。熱電聯產所采用的熱電汽輪機功率一般都比較大,熱電轉換效率較高、熱電設備布置集中、管理集中。

缺點 由于熱電汽輪機功率較大,因此熱電聯產所能提供減壓蒸汽的壓力等級有限,在一般情況下最多只能滿足減壓2組低壓蒸汽;此外熱電聯產一般采用同步發電,而同步發電項目必須經過有關部門的立項和審批,因此過程較為繁瑣,同時發電設備管理要求嚴格,運行需要專人管理,設備投資和運行費用都比較高。

1.3.2 熱功聯產

熱功聯產是壓力較高的蒸汽通過熱功汽輪機做功后完全取代電動機拖動某動力設備,直接實現節電節能,汽輪機排出的蒸汽供生產工藝中的低壓工序使用。

優點 熱功聯產對化工生產工藝中的每個壓差段所產生的壓差能都可以加以利用,設備任意選定,能量轉換效率高,管理維護較為簡單,基本上可以無人管理;采用該技術投資小、運行管理費用低、投資回報率高。

缺點 由于在實際應用中要講究熱功平衡,因此應用范圍受限制;在蒸汽負荷變動大及負載負荷變動大的場合都難以采用該節能技術。

1.3.3 功熱電聯產

功熱電聯產是壓力較高的蒸汽通過熱功汽輪機做功后同時拖動某動力設備和異步電動機,實現充分利用各種環境下蒸汽壓差能的節能。當在某壓差下可利用蒸汽量較大從而使汽輪機功率大于所拖動動力設備功率時,異步電動機會自動發電;當蒸汽量較小使汽輪機功率小于所拖動動力設備時,異步電動機可以自動補充不足部分功率。

優點 功熱電聯產彌補了熱功聯產熱功不平衡所造成的節能盲點,使得其在蒸汽大幅度變化或設備負荷大幅度變化時都可以應用,因而在化工企業中實現了無盲點壓差充分節能。

缺點 在利用異步電動機發電時,并且發電功率比電動機額定有功功率小很多時,發電效率相對較低。

2 “功熱電聯產”專利節能技術在化工行業的六大應用

2.1 合成氨廠固定床造氣熱力系統功熱電聯產節能技術

該技術主要利用從 0.4～1.3 MPa降至0.08 MPa用于造氣的蒸汽壓差,通過熱功汽輪機同時拖動造氣鼓風機及其電動機實現功熱電聯產,從而達到充分節電和發電綜合節能目的。上述專利技術已經在全國70%以上氮肥企業得到應用,取得了明顯的經濟效益。該項目被列為全國振興氮肥行業技術支撐項目之一。

2.2 合成氨廠三廢混燃爐及吹風器余熱回收鍋爐熱力系統功熱電聯產節能技術

合成氨廠采用三廢混燃爐或吹風氣廢鍋時所產生的3.82 MPa中壓蒸汽,通常需要逐級降至2.5 MPa、1.3 MPa、0.6 MPa及0.08 MPa供尿素、變換、精餾、造氣等工序使用。在上述蒸汽逐級降壓的過程中可以利用熱功汽輪機拖動鍋爐鼓風機、引風機、水泵、羅茨風機、貧液泵、異步發電機等設備,進行功熱電聯產的能量轉換和回收,使蒸汽壓力逐步降至所需要的壓力,實現充分節能。

2.3 合成廢鍋熱功及功熱電聯產節能技術

合成廢鍋所產生的3.4 MPa/2.4 MPa飽和蒸汽,通過冰機、脫碳泵及異步發電設備等進行功熱電聯產,能量轉換后降至0.6～1.2 MPa及以下使用,回收壓差能,從而實現充分節能。

2.4 粉煤氣化工藝中的低壓余熱飽和蒸汽功熱電聯產節能技術

采用水煤漿、航天爐等煤氣化工藝進行合成氨生產的企業,其工藝中所產生的無法利用的閃蒸蒸汽或低壓飽和蒸汽(壓力在0.3 MPa以上),完全可以通過貧液泵、冰機、循環水泵等設備進行功熱電聯產的能量轉換,回收這部分能量。

2.5 硫酸、磷酸行業余熱節能技術應用

在硫酸及磷酸企業中,硫酸廢熱鍋爐產生的3.82 MPa中溫中壓過熱蒸汽,可以通過硫酸風機進行功熱電聯產的能量轉換,將蒸汽壓力降至磷酸生產所需壓力或其他壓力使用或排空,從而實現充分節能。

3 節能方案的確定

化工企業熱力系統節能方案的確定非常重要,確定整個企業熱力系統的熱平衡必須結合生產工藝及其設備布局。制定企業熱力系統節能方案可以明確企業所具有的節能潛力、節能量、節能效益和所需投資。目前,搞好化肥企業整體節能方案的最簡潔和最直接的方法就是請國內有經驗的系統節能專家,直接到企業去協助企業對現有的蒸汽利用情況和化工工藝情況進行調查和分析,對工藝生產中所使用的主要設備進行調查和了解,在此基礎上對全廠的能源利用情況作全面的評估,并作出切實可行的,投資小收益高的節能方案。

4 合成氨廠節能方案實施實例

4.1 浙江衢州巨化集團合成氨公司造氣風機節能技術改造

浙江衢州巨化集團合成氨公司在造氣工序中使用0.1 MPa(表壓)過熱蒸汽26 t/h以上,而熱電廠供熱管網給造氣工序提供的過熱蒸汽壓力為0.5 MPa,這使得過熱蒸汽在使用過程中存在節流損失和能量浪費。

為回收這部分能量,巨化合成氨廠采用了我公司生產的2臺特種工業汽輪機來拖動造氣風機和異步電動機,汽輪機進汽壓力為0.5 MPa,排汽壓力為0.1 MPa,排汽用于造氣工序。

在改造過程中新增了2臺500 kW雙驅動特種汽輪機并配置部分管路。工業汽輪機同時拖動造氣風機和異步電動機同步運行。

利用工業汽輪機進行節能技術改造后的經濟技術分析如下。

(1)經濟效益

改造后日節電量 2.4×104kW·h

改造后月節電量 72×104kW·h

改造后月節約電費 28.8萬元[電價0.4元/(kW·h)]

全年節約電費 316.8萬元(按全年運行11個月計)

(2)投資回收期 3個半月

4.2 紅日阿康化工有限公司三廢鍋爐節能技術改造

紅日阿康化工有限公司合成氨生產中有1臺30 t/h三廢鍋爐,其蒸汽為壓力3.82 MPa、溫度430℃。這部分蒸汽中有12 t/h經過減溫減壓降至0.6 MPa左右送往復合肥生產系統,其余18 t/h再減溫減壓至0.08 MPa用于造氣工序,因而能量損失巨大。據測算,30 t/h蒸汽通過熱功轉換后由3.5MPa降至0.6MPa具有1800kW左右節電能力;而18t/h蒸汽通過熱功轉換后由0.6MPa降至0.08MPa具有720kW左右節電能力。

為了充分回收蒸汽在上述使用過程中的壓差能,該公司采用了我公司專利節能技術“功熱電聯產”節能方式對廠內部分設備進行功熱電聯產改造。其具體實施方案為,采用1臺700 kW熱功汽輪機拖動1臺700 kW脫碳泵和與其配套的電動機,實現功熱電聯產;采用1臺1 000 kW熱功汽輪機拖動1臺800 kW貧液泵和與其配套的電動機實現功熱電聯產。汽輪機進汽參數為,進汽壓力 3.4 MPa、溫度 430℃,排汽壓力0.6 MPa、溫度303℃。改造完成后節約電負荷1 500 kW左右;此外還采用1臺400 kW熱功汽輪機拖動 1臺 D500造氣風機和與其配套的315 kW電動機實現功熱電聯產。汽輪機進汽壓力 0.55 MPa、進汽溫度 295℃,排汽壓力0.08 MPa、排汽溫度211℃。改造完成后節約電負荷450 kW左右。

全部改造完成后,全廠實現節約電負荷1 900 kW左右。

(1)改造后所產生的經濟效益

日節廠用電量 5.04×104kW·h(按平均節電負荷2 100 kW計)

每月減少廠用電量 151.2×104kW·h

每月減少電費支出 52.92萬元[電價0.35元/(kW·h)]

全年減少電費支出 582.12萬元(按照全年運行11個月計)

日增加燃煤消耗 5.08 t

月增加燃煤消耗 152 t

月增加燃煤支出 9.14萬元(燃料煤價格600元/t)

每月實際增加節能收入 43.78萬元

全年實際增加節能收入 481.58萬元

(2)投資回收期 3.4個月