次中壓蒸汽階梯利用研究

李勝利

(鶴壁煤化工有限公司，河南 鶴壁 458000)

鶴壁煤化工有限公司(以下簡稱鶴壁煤化工)60萬t/a甲醇工程中甲醇合成裝置副產2.0～3.5 MPa(g)、93.5 t/h飽和蒸汽，通過減溫減壓閥減溫減壓至0.8MPa(g)、175 ℃等級蒸汽，沒有做好階梯級利用，造成較大能源浪費。本工程配備2×7臺涼水塔，配置有循環水泵兩組，每組6臺，5開1備。之前全部由電機驅動，耗電較大。2019年6月，鶴壁煤化工有限公司與北京動力源科技股份有限公司合作，對鶴壁煤化工有限公司循環水站的循環水泵進行了改造，將其中2臺改造為由汽輪機驅動。改造后泵組運行平穩，節電效果顯著。

1 次中壓蒸汽和循環水泵參數

汽輪機進出口處待利用蒸汽參數見表1,循環水泵參數見表2。

表1 汽輪機進出口處待利用蒸汽參數

表2 循環水泵參數

2 改造方案

鶴壁煤化工60萬t/a甲醇工程循環水系統配備2×7臺涼水塔，配置循環水泵兩組每組6臺，5開1備，以前全部由電機驅動。本次改造將其中2臺改造為由汽輪機驅動，由2臺背壓式汽輪機組替換東塔、西塔各1臺電機，改造內容包括背壓式汽輪驅動機的熱力系統、供水系統、電氣系統、熱工控制系統、潤滑油系統以及土建安裝等。循環水泵驅動用汽輪機采用背壓式汽輪機。原動機為汽輪機，通過膜片聯軸器與減速機聯接，驅動循環水泵。汽輪機與減速機安裝在一個公用底座上，汽輪機采用集中供油強制潤滑。為確保機器安全運轉，汽輪機設有各種自控和保安裝置。機組為單層布置，油站等輔機置于旁邊。

2.1 主機設備

2.1.1 汽輪機主要技術參數

汽輪機主要技術參數:型式,背壓式;結構,單機雙列;額定功率,1 250kW;正常進汽壓力,2.5MPa(g);最大進汽壓力,2.8MPa(g);排汽壓力,0.9MPa(g);汽機轉向,順時針(從調速器端看汽輪機);潤滑方式,強制潤滑;調速器型式,DEH控制系統。

2.1.2 汽輪機本體

汽輪機采用單級雙列復速級，下半周進汽，蒸汽室內裝有兩臺手動控制閥，用于低負荷時手動控制噴嘴數量，根據負荷的變化狀況來決定手閥的開、閉，噴嘴型式為葉型式，缸體為水平分式。轉子由厚壁瓦支撐，下半周在兩列動葉片之間有一級導葉片。汽封采用高低齒迷宮式密封，前后汽封漏氣，由軸封抽出排入軸封冷卻器冷凝成水，廢氣排入大氣。油封為迷宮式密封。汽輪機機組的調速控制即DEH、檢測保護ETS系統采用浙大中控ECS700一體化系統。汽輪機調速系統執行機構為電液轉換器和油動機。危急保安器為機械式超速保護。潤滑方式為強制潤滑。蒸汽室前裝著由危急遮斷閥與調節閥共同組成的聯合汽閥。

2.1.3 汽輪機調節控制系統

汽輪機采用電液調節系統，轉速控制系統為浙大中控ECS700，安裝在操作間。就地設有手操盤，可進行就地手動控制及緊急停車等功能。DEH通過電液轉換器控制油動機操作調節閥的開度，控制汽輪機的轉速及做功。調速范圍為70%～105%正常轉速,調速器的調節精度為NEMA“D”級。

汽輪機在DCS主要需要有如下報警、聯鎖保護：①軸瓦溫度T≥80 ℃報警，T>100 ℃，聯鎖停機；②軸位移>0.4mm報警，>0.6mm，聯鎖停機；③軸振動>0.05mm報警，>0.08mm，聯鎖停機；④潤滑油壓低于0.08MPa報警聯鎖輔助油泵，低于0.06MPa聯鎖；⑤濾油器壓差≥0.15MPa報警；⑥排汽壓力高報警；⑦轉速高報警，轉速高聯鎖停機；⑧主汽門(速關閥)關閉訊號。

2.2 熱機專業

2.2.1 主蒸汽系統

主蒸汽管道采用20G無縫鋼管(φ377×14)，自合成單元北側B管廊接出，向東沿B管廊至精餾單元處，沿精餾單元內管廊向南過廠內道路至循環水站西塔東側，沿著西塔東側到西塔F泵汽輪機主汽門，同時在西塔F泵北側分流向東至東塔A泵汽輪機主汽門。在汽輪機主汽門前設有電動隔離閥。

背壓汽采用20#無縫鋼管(φ356×18)，自循環水泵處向北，過廠內道路向北沿精餾單元內管廊至B管廊處。蒸汽系統按3臺背壓式汽輪機組設計管網。

主蒸汽管道考慮有適當的疏水點和相應的疏水閥,以保證機組在啟動暖管及低負荷或故障條件下能及時疏盡管道中的冷凝水，防止汽輪機進水事故的發生。

2.2.2 軸封系統

為了減少汽輪機汽缸兩端軸封處的漏氣損失，在汽缸上設有軸封，分別有前汽封、后汽封和隔板汽封，汽封均采用高低齒型迷宮式，供軸封用汽的蒸汽管道接自汽輪機主汽門前。

2.2.3 疏水系統

在汽輪機啟動、停機或低負荷運行時，要把主蒸汽及其旁路管道、閥門處聚集的凝結水迅速地排走，否則進入汽輪機通流部分會造成水擊，或引起其他設備故障。

汽機本體部分疏水點有主汽門閥前疏水、前后汽封疏水、主汽門閥桿疏水、汽輪機前后汽缸疏水、軸封供汽管疏水,均排入專用的收集器，并回收到指定的地方。

2.2.4 潤滑油系統

潤滑油系統由冷油器、濾油器、潤滑油泵、主油箱及管路等組成。在機組啟動、正常運行以及停機過程中，向正在運行的發電機、汽輪機的各軸承、傳動裝置及其附屬設備供應潤滑油，以確保機組安全運行。機組設置潤滑油泵2臺、冷油器2臺、主油箱1個和事故潤滑系統。

2.2.5 冷卻水系統

冷油器必須不斷地用冷卻水進行冷卻，以保證機組的正常工作。

2.2.6 保溫、油漆

本改造工程熱力管道、設備、閥門保溫油漆按照DL/T5072—1997火力發電廠保溫油漆設計規程執行。熱力系統管道均采用保溫性能良好、容重小的硅酸鋁保溫材料；外保護層采用鋁皮，對所有蒸汽管道和水管道按規范做防腐保溫處理。

2.3 電氣專業

2.3.1 中性點運行方式

廠用400V系統采用與照明共用的中性點直接接地系統,與現有接地方式一致。

2.3.2 廠用電源及電動機二次系統

(1)廠用AC配電系統。本工程由甲方指定兩路380V電源接點，兩路電源設自動切換裝置。低壓配電采用MCC方式。

(2)DC220V直流系統(如果有)。新上一套DC220V直流電源，供給開關操作及控制、保護、自動裝置、直流潤滑油泵等直流負荷用電。

(3)廠用電動機二次系統。廠用電動機集中/就地控制。

2.3.3 主要設備選擇及布置

設備選擇。低壓配電屏采用低壓成套裝置MNS型抽屜式低壓配電柜，放置于水系統配電間。控制保護設備采用微機保護加監控后臺的綜合自動化系統。

2.3.4 防雷及接地

接地采用工作、保護、防雷共用接地裝置，其接地裝置≤1Ω,就近接至廠區接地網。電氣綜合自動化系統及DCS系統接地，按設備廠家要求設置。接地措施為在室內設接地網及均壓帶，電纜溝內設接地線。避雷網、室內接地網、室外接地網連接成可靠的電氣通路。所有的電氣設備及其金屬外殼、管道等按國家最新規范要求接地。

2.3.5 電纜敷設

電纜沿電纜橋架及部分穿電纜鋼管敷設。至集控室的電纜沿電纜橋架，部分穿電纜鋼管，經電纜豎井及電纜夾層內電纜橋架敷設，配電室、控制室與其他地方的聯系電纜采用沿電纜穿管及橋架敷設結合的敷設方式。

2.4 熱控專業

2.4.1 工程范圍

本工程熱工自動化范圍為汽輪機的主、輔助系統的檢測顯示、模擬控制、開關控制及聯鎖保護、監控和調節等，以確保機組能安全、經濟地運行。

2.4.2 熱工自動化水平

(1)每臺汽輪機相關測點需獨立設置，進單獨I/O卡件。單個卡件故障不得影響多臺機組。

(2)汽輪機跳車等狀態信號要引至動力DCS及甲醇DCS,確保低壓管網穩定。

(3)聯鎖及控制測點進冗余卡件，聯鎖測點要冗余設置，組成二選二聯鎖邏輯。

(4)水泵側測點要由老系統改至新的控制系統，聯鎖控制監視方案統一配置。

(5)至少設1臺控制站、1臺工程師站、1臺操作員站。具備SOE記錄及長趨勢軟件包，帶OPC接口，負責與現有工廠管理網PIMS對接。

(6)配置獨立的UPS電源，所有室內室外供電系統單獨設置，現場儀表電源與主控電源隔離。電源冗余配置。甲方負責提供電源出線位置，其余電纜、橋架等均由乙方提供并施工。

(7)符合API標準，配置獨立的超速保護系統。調速功能由DCS實現,但相關測速卡件掃描周期必須在100ms以內。轉速測點需三重冗余。

(8)控制系統卡件(AI/AO/DI/DO)每種提供至少1塊備件。

2.5 水工專業

機組冷油器的冷卻水采用二次循環供水方式，機組的循環水量見表3。

表3 循環水量

本工程設計循環冷卻水水量為170m3/h，進水溫度32 ℃,回水溫度42 ℃，進水壓力0.4MPa，循環冷卻水接自廠區循環冷卻水管道。

3 使用效果

鶴壁煤化工與北京動力源科技股份有限公司合作的次中壓蒸汽階梯利用循環水泵改造項目，自2020年5月7日投運以來，運行效果很好，兩組循環水泵，每組4臺電機驅動，1臺汽輪機驅動。 原來5臺循環水泵全部為電機驅動時，西塔平均電流為88.4A。因此,汽輪機替換電機驅動后，不影響其他循環水泵電機的電流，即不影響其他循環水泵的功率。西塔1臺汽輪機可節約用電：88.4×1.732×10(電壓)×0.81(功率因數)=1 240kW，每年可節電1240×24×344=10 237 440kW·h。東塔1臺汽輪機每年可節約用電：88.6×1.732×10×0.81×24×344=10 262 102kW·h。2臺汽輪機每月共節約用電 20 499 542kW·h，電價按0.60元/kW·h，每年共節約電費1 787 040×0.6= 12 299 725元。汽輪機油泵和加熱器電費與減溫減壓閥備件節約費用相抵，不再計算。所以,此次的次中壓蒸汽的階梯利用改造項目，每年可節約電費12 299 725元。本次電驅改汽驅改造項目投資總費用為1 226.016萬元，為能源合同管理模式，合同期為3年，雙方約定節能裝置運行時間每年平均應不低于8 256h，即344d。項目效益分成計算見表4。

表4 項目效益分成

改造后第1年,去除投資方收益外,收益較少，第2年、第3年為全額收益，從第4年開始,收益需減除設備維護成本。

4 結語

很多化工裝置副產的次中壓蒸汽、中壓蒸汽都沒有得到很好地階梯利用，造成能源浪費。此次的次中壓蒸汽的階梯利用改造項目，為化工裝置副產的次中壓蒸汽、中壓蒸汽等的階梯利用，提供了一種解決方案，指明了一種節能方向。蒸汽的階梯利用，有著廣闊的發展前景;蒸汽的綜合利用，既可獲得可觀的經濟效益，也符合國家節能減排的產業政策。