造紙企業熱電聯產機組蒸汽梯級利用探討

盛化才 王宏偉

上海置信節能環保有限公司

0 背景

近年來，國家大力實施可持續發展戰略，其中，節能減排是該戰略的重要組成部分。造紙工業能耗較大，尤其制漿造紙生產過程中要消耗大量熱能、電力和水，對此，除采用制漿造紙工藝技術改造，實施高效合理用能已成為造紙企業節能的主要措施。造紙工業“十三五”發展的《意見》指出，中國造紙工業30多年的高速發展伴隨著資源和環境的巨大壓力，“十三五”期間行業面臨的全球資源、市場、資本激烈競爭，以及產品貿易的綠色壁壘將更加明顯，國內凸現的能源、資源、環境瓶頸和消費結構的重大變化將敦促造紙工業走綠色發展道路[1]。國家還明確提出“發展熱電聯產，熱、電、冷聯產和熱、電、煤氣多聯供”，以提高熱能綜合利用效率[2]。當前，一些企業仍存在蒸汽沒有合理利用的問題，造成整體熱效率較低。因此，熱電聯產能效提升優化改造勢在必行。

1 項目概況

某造紙企業的紙機生產線采用目前世界上最先進的技術設備，并配備最先進的DCS、QCS質量控制系統，現有兩條共150萬t/年的涂布白紙板生產線。企業現有一座自備熱電廠為全廠生產提供蒸汽和電力。熱電廠有兩臺300t/h高溫高壓循環流化床鍋爐，配備兩臺60MW高溫高壓抽凝式汽輪發電機組；兩臺130t/h污泥焚燒鍋爐，配備兩套減溫減壓裝置（至中壓聯箱設兩臺減溫減壓裝置，其中一臺備用；至低壓聯箱設三臺減溫減壓裝置，其中一臺備用）。現有鍋爐、汽輪機和減溫減壓裝置的主要參數見表1、表2和表3。

表1 鍋爐參數表

表2 抽凝式汽輪機參數表

表3 減溫減壓裝置參數表

2 熱負荷現狀

2.1 用熱需求現狀

根據現場熱負荷調查，紙機生產全天24h運行，年運行時間在340天左右。其自備熱電廠現有熱用戶為企業內部造紙工藝用汽，對供熱的連續性、穩定性要求較高。中壓用汽壓力為1．57MPa、280℃左右；低壓用汽壓力為 0．7MPa、200℃左右。熱用戶加熱方式以間接換熱為主，生產線已考慮設置有凝結水回收系統，約有供熱蒸汽80%的凝結水得到回收。

為了滿足企業生產規模不斷擴大及周邊企業供汽需求，結合熱電廠原有供熱蒸汽參數，熱負荷需求增加，匯總見表4。

表4 熱負荷需求匯總表

2.2 供熱能力分析

造紙生產線用汽主要由熱電廠現有兩臺60MW抽凝式汽輪機抽汽及污泥焚燒鍋爐蒸汽經減溫減壓后提供，兩條線熱負荷通過低壓聯箱連通管相通。熱電廠現有供熱能力如表5所示。

表5 現有熱電廠供熱能力

3 問題分析

3.1 蒸汽平衡分析

根據熱電廠現有裝機供熱能力、企業生產自用熱負荷和外供熱負荷現狀，通過熱負荷供需分析，廠區低壓蒸汽供汽存在缺口，現有供熱能力不能滿足生產用汽及外供蒸汽需求。

3.2 減溫減壓裝置損失

從熱力學第一定律角度分析，熱電聯產系統較純凝機組提高了能量的利用效率。從熱力學第二定律角度看，能量還存在質量的區別，體現在能量的品位上，例如高溫高壓熱源比低溫低壓熱源的熱能品位高。蒸汽減溫減壓雖為絕熱過程，總熱量保持不變，但減溫減壓后，會造成蒸汽?損失，因此蒸汽減溫減壓過程會造成蒸汽能量的大量損失。現有污泥焚燒鍋爐產生的5．3MPa、485℃過熱蒸汽經減溫減壓裝置降至1．7MPa、280℃和0．8MPa、220℃兩個等級，壓差分別達到3．6MPa和4．5MPa，存在較大的余壓資源浪費。利用背壓機組替代現有的減溫減壓裝置進行發電和供熱，能提高能源的綜合利用效率。

3.3 政策要求

企業自備熱電廠有2臺60MW抽凝式汽輪發電機組，采用抽汽供熱。而當地政府要求“2020年底前，每家企業最多保留1臺燃煤抽凝自備機組”[3]，并滿足地方標準熱電聯產能效能耗限額規定要求。目前，企業采用抽凝式機組進行供熱，綜合熱效率低，不能滿足政策及能耗準入強制性條款要求。

4 方案探討

綜合以上分析，企業能源損失主要是污泥焚燒鍋爐產生的高溫蒸汽直接經減溫減壓裝置進行供熱造成巨大的做功能力損失和熱能浪費。據此，提出改造方案的思路是蒸汽合理高效利用，同時滿足當地對抽凝機組政策要求。根據熱負荷規模及參數要求，按照“以熱定電、熱電聯產、節約能源、保護環境”原則，《改造方案》包括兩部分內容：先期建設1臺15MW背壓機組替代減溫減壓裝置；后續將1#60MW高溫高壓抽凝機組改造為45MW抽背機組，保留原有2#60MW高溫高壓抽凝機組，并通過2#抽凝機組抽汽進行調節，以滿足供熱需求的波動。

4.1 蒸汽參數的確定

廠內現需生產及外供蒸汽參數如下：低壓蒸汽0．7MPa（g），溫度220℃；次中壓蒸汽1．6MPa（g），溫度270℃。考慮造紙工藝對熱負荷參數的穩定性和周邊企業供熱需求，CB15汽輪機抽汽參數2．5MPa（a），排汽參數0．98MPa（a），抽排汽后端均設減溫減壓裝置調節外供蒸汽參數。CB45機組抽汽參數與2#抽凝機C60的抽汽參數一致，抽汽參數為 2．51MPa（a），排汽參數 0．85MPa（a）。抽汽及排汽后，為了保證供熱參數的適當調節能力以適應生產工藝的需要，再分別設置兩套減溫減壓裝置。

4.2 汽機選型

結合廠內焚燒鍋爐出力和熱負荷需求，經全廠熱負荷計算，汽輪機選型以額定功率15MW的CB15-4．9/2．5/0．98抽汽背壓式汽輪機（機組參數見表6），系次高溫次高壓、單缸、單抽背壓式汽輪發電機組替代減溫減壓裝置，原有減溫減壓裝置作為備用。熱電廠1#60MW抽凝式汽輪發電機組改造為1×45MW抽背壓式汽輪發電機組機（機組參數見表7），通過改造提高機組對外供熱量，以適應供熱需求的提高，改善機組的能效能耗指標。

表6 15MW抽汽背壓式汽輪機參數表

表7 45MW抽汽背壓式汽輪機參數表

4.3 運行方式

從全廠機組經濟運行考慮，為確保抽背機組高效運行，CB15和CB45機組的抽汽及排汽分別經減溫減壓后送中低壓聯箱，通過一、二期聯箱連通管轉送各工藝生產線和周邊企業；不足部分的中低壓蒸汽，由現有2#60MW抽凝式汽輪機發電機組補充提供。同時，考慮背壓機組事故或正常檢修確保生產線工藝用熱需求，保留原有次高壓次高溫減溫減壓裝置，以作備用。

4.4 實施效果分析

整個項目分兩階段實施：第一階段主要是新建1×15MW背壓機組替代原有減溫減壓裝置；第二階段將熱電廠現有1#60MW的抽凝機組改造為1×45MW抽背機組。項目實施前后主要經濟指標如表8所示：

表8 項目實施前后主要技術經濟指標表

5 結論

背壓機組具有供熱穩定、系統簡單、經濟性較好等優點。利用背壓機組替代減溫減壓裝置進行發電和供熱，可大大提高企業的能源利用效率，且符合國家政策和地方政府要求。全部項目實施后，可提高機組對外供熱能力和供熱穩定性，在滿足造紙企業對蒸汽需求的前提下，具有良好的經濟效益和社會效益。