塔西南化肥廠汽輪機排汽廢熱在供暖中應用

何歡 張麗娜 郝小娟 呂勇 吳云鵬

（1.中國石油塔里木油田塔西南勘探開發公司煉油化工廠；2.中國石油塔里木油田分公司塔西南勘探開發公司；3.中國石油塔里木油田分公司塔西南勘探開發公司電力工程部）

1 概述

1.1 背景

大型合成氨裝置壓縮機的動力常采用凝汽式汽輪機，汽輪機的排汽被冷卻而凝結成水，同時冷卻水被加熱，其大量熱量散發在大氣中；而將凝汽式汽輪機改為低真空供熱，提高全廠熱效率、減少環境污染是一種節能減排的創新方法。依據能源梯級應用原則，優選汽輪機低真空供熱方案，就是將汽輪機凝汽器的真空降低，提高汽輪機的排汽溫度，利用汽輪機的排汽來加熱冷卻水，提高冷卻水的出口溫度，將凝汽器的循環水直接作為采暖用水為熱用戶供熱，即把熱用戶的散熱器當作冷卻設備使用。

1.2 汽輪機低真空循環水供熱原理

汽輪機改為低真空供熱后，熱用戶實際上就成為化肥裝置的“冷卻塔”，汽輪機的排汽廢熱可以得到有效利用，大大提高了能源的綜合利用率（圖1）。

如圖2所示，當汽輪機在純凝工況運行時，面積1-2-3-4-5-1為蒸汽在汽輪機中做功的焓，面積2-6-8-3-2為排出廢汽的焓；改造成低真空循環水供熱后，面積1-m-k-n-4-5-1為蒸汽做功的焓，面積m-k-n-7-6-m為用于供暖的熱量。顯然，汽輪機低真空循環水供熱的經濟效益比純凝汽工況時要高[1]。

圖1 汽輪機低真空循環水供熱原理示意圖

圖2 凝汽運行工況和低真空運行工況溫熵示意圖

1.3 存在風險及問題

將低真空供熱系統用于冬季采暖，此項技術用于化工裝置還未有過，因為大型化肥裝置的汽輪機為單臺，且轉速較高；同時，由于其運行與裝置的運行緊密程度較高等特點，隨著汽輪機低真空循環水集中供熱后，其功率將降低，對裝置的運行會造成一定的影響。為此，在進行改造時要非常謹慎，面臨著巨大的挑戰。

2 汽輪機低真空改造的技術可行性

塔西南化肥廠低溫廢熱資源豐富，可以向采暖水提供至少40.7 MW的熱量，只需要進行運行工況的調整變化，而無需要進行透平機組的改造；在原表冷凝器的系統上并聯新增1臺新表冷凝器，老表冷凝器冷卻仍采用循環水，而新表冷凝器冷卻仍采用采暖水，根據熱負荷需要，把透平排汽的冷凝液逐漸由原表冷凝器切換到新表冷凝器。這種切換方法機組不必停運，經濟性好，同樣安全可靠。

3 汽輪機低真空改造的技術措施

3.1 熱負荷選取

準確地確定熱負荷是保證機組改造成功及提高經濟性的關鍵。依據供熱地區的環境溫度、供熱面積、供熱要求來確定供熱量，然后選擇循環水溫度、排汽壓力并進行可靠性驗算，從而確定汽輪機的原則性熱力系統。

采暖期按160天計算，采暖熱指標按65 W/m2計算，具體數據見表1。

可提供熱量147 735 000 kJ/h，折合熱負荷為41 MW。若此部分熱量全部被回收，按燃料氣低位發熱值32 836 kJ/m3（0℃，101.325 kPa）計算，折算節約燃料氣4 499 m3/h，每天節約天然氣107 976 m3；按采暖季160天計算，一個采暖季可節約天然氣1728×104m3；供暖面積可達631 346 m2[2]。

表冷凝器能提供的熱負荷為41 MW，而實際熱用戶的需要熱量為供熱首站供熱區域主要是西區鍋爐房區域，供熱負荷為38.7 MW。

3.2 排汽壓力選擇

從采暖管網運行的經濟性分析和機組的安全運行考慮，排汽壓力只能控制在-59～-76 kPa范圍內，最高不要高于-59 kPa；為使機組長期安全運行，實際運行中冷凝器采暖水的出水溫度一般在47～65℃；在寒冷期，當凝汽器的供熱量達到最大時，熱用戶熱量不足部分由西區鍋爐房將采暖水加熱至所需溫度后提供給熱用戶。

3.3 防止冷卻管結垢

熱網采暖水采用軟化水，結垢問題得到緩解。在停運期間進行濕式保護，即充滿經過化學處理的采暖水。

3.4 防止凝汽器冷卻管泄漏

凝汽器的溫升增大，由于殼體和換熱管材質膨脹系數不同，膨脹量不均勻產生應力。但通過平穩操作對凝汽器進行緩慢的升溫和降溫，同時排汽壓力最高不要高于-59 kPa，這樣可以防止凝汽器冷卻管出現泄漏。

4 汽輪機低真空運行存在問題分析及改進措施

4.1 功率影響

凝汽式汽輪機組功率同蒸汽流量和理想焓降成正比，如果將機組排汽溫度提高到65℃，透平功率下降4%。可通過增加入口蒸汽來提高功率，同時可以增加供熱負荷。在汽輪機循環水供暖溫度達不到要求時，通過鍋爐進行補充加熱，同時改變表冷器的運行調節參數，改造后機組的其他運行主要參數基本不變[3]，即

式中：N——汽輪機功率，kW；

G——汽輪機進汽流量，kg/h；

H——理想焓降，kJ/kg。

在生產過程中，將凝汽器真空降低，相應的排汽壓力和排汽溫度隨之升高。降低凝汽器真空，提高循環水溫度后的計算數據見表2。

4.2 低真空運行對軸向推力的影響

在背壓升高的初期，其軸向推力先是減小的；當背壓升高到一定程度后，才逐漸增大。汽輪機排汽壓力不高于-50 kPa，相應的排汽溫度不大于75℃，仍然在機組推力軸承安全運行的范圍內，因此對機組可以不必改動，仍能保證安全運行[4]。

表1 塔西南化肥廠合成氨裝置壓縮機透平參數

表2 計算數據

4.3 強度和剛度核算

排汽壓力控制不大于-59 kPa，汽缸、隔板、葉片、轉子、螺栓等強度均能滿足要求，變工況在可許的范圍內，運行安全可靠，無須進行改造和更換。

4.4 凝汽器承壓

凝汽器的承壓能力為0.6 MPa，在設計范圍內能滿足要求。在回水管路上加裝安全閥，循環水回路上安裝逆止閥。

5 改造思路和改造方案

經過優化和對比分析，采取原有表冷凝器并聯1臺新表冷凝器，2臺表冷凝器可以互為切換。原表冷凝器冷卻介質仍為循環水，新表冷凝器冷卻介質仍為采暖水，根據采暖需求，調節表冷凝器熱負荷。

新表冷凝器將化肥廠凝汽器熱量集中回收，利用凝汽器循環水出水（65℃）經供熱首站水泵加壓后，供至基地西區鍋爐房循環水泵入口，由循環水泵將循環水送至各采暖單體，再由鍋爐房新增回水加壓泵將循環水（55℃）送回化肥廠而完成一次循環。供暖初、末期：熱源采用循環水向熱用戶直接供熱，即新增凝汽器循環水出水（65℃）經供熱首站水泵加壓后，供至基地西區鍋爐房循環水泵入口，由循環水泵將循環水送至各采暖單體，再由鍋爐房新增回水加壓泵將循環水（55℃）送回化肥廠而完成一次循環（圖3、圖4）。

圖3 并聯凝汽器流程簡圖

6 投用及實施效果

6.1 運行數據分析

整個采暖季表冷凝器的參數沒有脫離正常設計值，變透平機組運行工況良好。在采暖的初期和末期，僅運行西區鍋爐房1臺循環泵，此時采暖水流量為1 150 t/h左右，也能滿足供暖需求，這樣達到節電和增強采暖水系統穩定性的作用；在采暖中期，再開西區鍋爐房加壓泵1臺，流量為1 470 t/h左右。在極寒天氣中，西區鍋爐房2臺循環泵運行，2臺加壓泵運行，流量為1 650 t/h左右。在極寒天氣中為確保機組運行不受影響，沒有過多提供廢熱，不足熱量由西區鍋爐房進行補充，并取得良好效果。具體運行數據見表3。

圖4 熱力系統原則流程簡圖

6.2 經濟效益

節約天然氣：以燃料氣低位發熱值32 836 kJ/m3計算，每小時折算燃料氣1 776 m3，每天節約天然氣42 621 m3。按采暖季160天計算，1個采暖季可節約天然氣682×104m3；按每立方米天然氣0.92元計算，年實現節能效益627.4萬元。

減排CO2：以每天節約天然氣42 621 m3，每立方米天然氣總碳量98.4%計算，每天減排CO282.4 t，1個采暖季減少CO2排放量為13 184 t。

節水：正常生產時，合成氨裝置表冷凝器消耗循環水2 400 t/h，占循環水總量的20%，循環水蒸發量為170 m3/h，供暖用水損耗為2%，則整個采暖期減少循環水在涼水塔的閃蒸損失水量127 949 t。按每立方米水1.42元計算，每年可節約循環水的成本為18.2萬元。

汽輪機排汽廢熱回收部分可降低合成氨裝置綜合能耗2.61 GJ/t氨。

6.3 社會效益

通過表冷凝器提取回收后作為集中供熱的新熱源，本身具有高效、節能、環保的特點，是國家推薦的節能技術。通過改善表冷凝器加熱了采暖水，借助于采暖水與乏汽的換熱，熱用戶實際上就成為化肥廠的“冷卻塔”，達到了生產余熱的有效利用的目的。用循環水供熱，既能將鍋爐新蒸汽高品位能量充分利用，又能較好地利用表冷凝器排放到循環水中的低品位能量對用戶集中供熱，依靠循環水集中供熱，避免了透平機組大量余能損失，節省了大量的能源投入，是一種方便、經濟、高效的供熱措施。

表3 表冷凝器采暖期間運行數據

7 主要技術創新點

7.1 國內化工裝置首次應用

將化肥裝置高速運轉的蒸汽冷凝式透平排汽余熱用于生活區冬季采暖，這在國內屬于首次應用，主要是因化肥裝置透平的轉速高，與裝置工藝結合緊密等因素，改造不慎將給裝置帶來巨大運行風險，甚至無法運行。經過論證分析，將問題通過相應的技術手段逐一解決，取得了成功。

7.2 并聯增加1臺表冷凝器，未改變透平機組運行工況

并聯新增1臺新表冷凝器，根據熱負荷需要，把透平排汽的冷凝液逐漸由原表冷凝器切換到新表冷凝器。這種切換方法機組不必停運，未改變透平機組運行工況，經濟性好，安全可靠。

7.3 沒有對機組進行改造

采取并聯運行表冷凝器的方式，使運行工況沒有脫離設計值，避免了因機組運行工況脫離設計值；而對機組進行相應的改造，同時對工藝系統的影響降到最低，又增加了系統和機組運行的穩定性，缺點就是有部分熱量不能回收。

8 推廣應用前景

化肥裝置汽輪機低真空循環水在供暖中的首次成功應用，不僅節約能源，減少環境污染，而且也增加企業節能挖潛的能力。這是一種節能減排的全新思路，經濟效益顯著。系統總節能率提高，為化肥裝置回收汽輪機排汽低品位廢熱積累了經驗，在同類裝置中有很高推廣價值，這將對提高能源綜合利用水平，改善環境，降低成本，提高供熱質量有著重大意義。