造氣空氣鼓風機串聯汽輪機的應用技術

游仁平

（福建省三鋼（集團）有限責任公司，福建三明 365000）

1 前言

目前，在氮肥企業的傳統工藝領域中，造氣工序的熱力系統中使用到大量的蒸汽。在大部分情況下，每個生產過程中所用的蒸汽壓力等級是不同的，而且每個需要用蒸汽的設備所要求的壓力也是不相同的。這些蒸汽必須通過減溫減壓裝置把高品質的蒸汽減到工藝系統實際需要的壓力和溫度。這樣也就伴隨著壓差能量的損失。隨著我國日益緊張的能源資源，為充分利用這些浪費的能源壓力差，三化公司二造氣車間積極推進并成功落實了空氣鼓風機由電機驅動改為蒸汽驅動的項目，該項目不僅可以降低噸氨電耗，提高企業經濟效益，還迎合了當下節能降耗的要求。

2 目前造氣車間工序狀況

三化公司二造氣車間共12臺造氣爐，由4臺鼓風機供氣（3開1備，1臺風機拖4臺造氣爐）生產。造氣風機是由電機直接驅動。造氣車間有蒸汽緩沖罐有3個，1臺緩沖罐蒸汽供4臺造氣爐生產。

三化公司二造氣車間的3#鼓風機是利用原有機廠的舊風機，存在噪音大，故障率高，維修成本高等問題，風機運行電壓為6kV、電流27A。因此二造氣車間決定對3#鼓風機進行節電改造，待改造成功后繼續改造1#與2#造氣風機。

三化公司二造氣車間生產需要使用的蒸汽由熱電廠的0.42MPa 低壓蒸汽管網提供，溫度為250℃。而造氣車間的造氣工藝要求是入造氣爐的蒸汽壓力為0.065MPa 左右，所以只能通過減壓閥組將入爐的蒸汽壓力由0.42MPa 減到0.065MPa左右，再進入3#蒸汽緩沖罐中進行壓力平衡，最后送入9#～12#造氣爐內進行反應生產。改造前的外供蒸汽及造氣供風系統流程如圖1所示。

3 改造方案

3.1 造氣工序供風工藝原理

因為造氣車間在使用低壓蒸汽時需要將0.42MPa 蒸汽通過減壓閥組直接降到0.065MPa 左右，極大的能量壓差就會無故損失能量，因此要通過工藝改造，并引入蒸汽透平節能技術，利用蒸汽透平機（即汽輪機）將0.42MPa 供熱管網提供的蒸汽做功后降至0.065MPa，然后再進入3#蒸汽緩沖罐，供造氣爐內生產使用。考慮系統蒸汽壓力波動影響生產安全，利用3#鼓風機電機串聯一起運行。系統蒸汽壓力正常在0.38～0.42MPa時，電機基本不作功，達到節能節電的目的。汽輪機轉速低時（即系統蒸氣壓力＜0.38MPa），電機開始作功以保證轉速。

圖1 改造前外供蒸汽及供風流程示意圖

3.2 改造方案的選擇

通過對外廠的考察了解到，他們在之前的改造過程中都是讓蒸汽透平機（即汽輪機）直接帶動鼓風機運行，再把電機拆掉。改造后，發現運行時有很多問題，所以大多數都是不成功的。主要的原因有以下兩方面：

（1）造氣工藝自身的原因造成的。主要是造氣鼓風機負荷變化非常大，根據生產的負荷需要，需要對鼓風機的鼓風量進行負荷調整，有時候是滿負荷生產，有時候是1/2負荷生產。而汽輪機在這樣的負荷變化中運行，轉速也會隨之發生很大的變化，這樣汽輪機的轉速無法精準控制，從而導致鼓風機出口的風壓不穩定，無法滿足造氣車間生產工藝的需求。

（2）鼓風機負荷的變化很大會對汽輪機的使用壽命造成很大的影響，從而導致汽輪機及鼓風機故障頻繁。

考慮到上述問題，所以此次改造選擇電機串聯鼓風機再串聯汽輪機的方式，這樣的改造方式有以下優點：①充分回收了蒸汽減壓造成的壓力差能的損失。當蒸汽汽輪機與造氣鼓風機及電動機串聯運行時，如果汽輪機進出口的蒸汽壓差和進入汽輪機的蒸汽量不變，汽輪機所做的功也是不會變化的，而變化就只有鼓風機和電機的負荷。當鼓風機負荷變少時，汽輪機所作的功就會轉移給電機，使其多發電；當鼓風機的負荷增加時，電機的發電量就會相應減少。鼓風機負荷和電機負荷在此消彼長中相互轉化，這樣就使得汽輪機的輸出功率全部得到轉化，充分回收了蒸汽減壓造成的壓力差能損失。由于三化公司造氣車間在對3#鼓風機節電改造時，電機為利舊電機，暫時不具備發電并網功能。因此存在小部分能量損失。②可以穩定造氣鼓風機的轉速。進入汽輪機的蒸汽流量減少、壓力降低時，汽輪機做功的輸出功率不足以驅動鼓風機，此時電機開始對外做功帶動鼓風機正常運轉，保證鼓風機的正常運轉。這樣整個裝置的轉速因此得到很好的控制，從而穩定鼓風機出口風壓，滿足造氣車間生產工藝的需求。

3.3 設備條件

（1）新增鼓風機參數

型號：D450-21，軸功率：240.3kW，轉速：2 960r/min，進口流量：450m3/min。

（2）新增汽輪機參數見表1。

表1 新增汽輪機參數

（3）電機參數

利舊電機，功率355kW，電壓6kV，電流≤28A。

3.4 改造后的造氣供風的工藝流程

三化公司熱電廠來的0.42MPa 低壓蒸汽（溫度250℃）先進入汽輪機主汽門，推動汽輪機高速運轉，帶動鼓風機正常運行，汽輪機出口后的蒸汽壓力會減壓到0.09MPa，然后0.09MPa的蒸汽再進入3#蒸汽緩沖罐進行穩壓，再送入供9#～12#造氣爐內造氣生產使用。如果進入汽輪機的蒸汽量不能完全滿足造氣工藝需要時，可以通過原先管道上的自動減壓閥組來調節進入3#蒸汽緩沖罐的蒸汽流量。若通過汽輪機的蒸汽量達到額定流量時（10～12t/h），9#～12#造氣又不能完全消化此蒸汽量時，因此將3#蒸汽緩沖罐與2#蒸汽緩沖罐進行連通，通過連通管道，平衡蒸汽流量和壓力，防止3#蒸汽緩沖罐超壓引起安全閥起跳。改造后的造氣供風工藝流程圖如圖2所示。

圖2 改造后的造氣供風工藝流程圖

4 投用后經濟效益計算

該項目從汽輪機的選型、管道的設計，到設備管道的安裝，蒸汽管道吹掃及試車，直到投運后穩定運行，各項指標運行正常。并通過一段時間的數據收集及經濟測算，節能節電效果明顯。

以下數據是根據現場測試及數據收集：

1）原3#鼓風機電機運行電流為27A；

日耗電量W=27*6.2*1.732*0.85*24=5 915kW（實際電壓為6.2kV，電機運行效率為0.85）。

2）新3#鼓風機電機運行電流為24A；

日耗電量：W=24*6.2*1.732*0.85*24=5 258kW。

3）汽輪機投用后：電機實際功率測試結果為14kW，實際日耗電量：W=14*24=336kW。

4）汽輪機蒸汽損失5t/d，蒸汽成本按100元/t，按全年運行時間330d，電價格按0.43元/（kW·h）計，計算得出全年汽輪機蒸汽耗：5*0.01萬元/d*330d=16.5萬元，

年效益：（5 915-336）*0.43/10 000*330-16.5=62.67萬元。

該項目投資包括設備費、土建施工費、管道閥門及安裝費用等共計約為78萬元，計算得出投資回收期=78/62.67=1.2a。

5 結論

三化公司二造氣車間對該項目實施并投入生產以來，經過多年的運行，通過不斷的觀察，操作改進，造氣工序使用經過汽輪機做功后的蒸汽，蒸汽緩沖罐的壓力相對比較穩定，有利于穩定造氣爐的爐況。根據汽輪機的實際運行效果和經濟測算，一臺汽輪機的日節電量為5 579kW，每日節約電費為2 400元，每年節約電費79.17萬元，扣除蒸汽損耗，年效益約為62.67萬元。該裝置不僅能滿足生產工藝需要，還達到了節能節電的目的，為公司帶來了可觀的經濟效益。下一步三化公司二造氣車間擬對鼓風機的電機進行改造，如果汽輪機發電量大時，其發電量還可以并入電網，可進一步實現節能減排和增加公司效益。