功热电联产与系统节能

张光宇

(青岛华捷透平动力有限公司,山东青岛 266022)

我公司首创的“热功联产”和“功热电联产”节能技术是与氮肥企业系统节能相结合的一项非常新颖的节能新技术。几年来该技术在电力、供热、造纸、化工等行业已经得到了非常广泛的应用,并为这些企业创造了巨大的经济效益,目前该技术已经逐渐在部分化肥企业得到应用。

1 热功联产及功热电联产节能技术的适用范围及节能原理

众所周知,在化肥和化工生产中要使用大量蒸汽,而且在各生产工艺环节中所使用的蒸汽压力的等级是不同的。由于不同的生产工艺要使用不同压力的蒸汽,这就使得大量蒸汽必须通过阀门或减温减压装置将其减到合适的压力来使用,从而造成巨大能量浪费,非常可惜。

为了将上述蒸汽的压差能充分回收,可以采用热功联产或功热电联产的方式,使用专利型特种汽轮机将这部分蒸汽的压差能转变为有用功,取代电动机直接拖动化肥生产工艺中的某些动力设备,或同时拖动异步电机实现功热电联产,从而可以节约大量厂用电,充分实现蒸汽能量的综合利用。

应该指出的是,热功联产及功热电联产节能技术是化工企业全厂蒸汽压差或余热蒸汽的综合利用,属于热力系统节能技术。

1.1 热功联产及功热电联产节能技术的适用范围

在合成氨企业或其他化工企业中,所有蒸汽在化工生产中进行减压使用的地方都适用该技术。因为蒸汽减压使用=压力能浪费。

1.2 热功联产及功热电联产节能技术的基本原理

1.2.1 热功联产节能技术基本原理

1.2.2 功热电联产节能技术基本原理

1.3 热功联产、功热电联产、热电联产节能方式的比较

1.3.1 热电联产

热电联产是压力较高的蒸汽通过热电汽轮机做功后拖动同步发电机发电,其所发出的电能直接并入电网,实现压差发电节能,汽轮机排出的蒸汽供生产工艺中的低压工序使用。

优点 热电联产目前在许多大型化工企业得到应用,热电联产一般适用于减压蒸汽量较大的能量转换系统。热电联产所采用的热电汽轮机功率一般都比较大,热电转换效率较高、热电设备布置集中、管理集中。

缺点 由于热电汽轮机功率较大,因此热电联产所能提供减压蒸汽的压力等级有限,在一般情况下最多只能满足减压2组低压蒸汽;此外热电联产一般采用同步发电,而同步发电项目必须经过有关部门的立项和审批,因此过程较为繁琐,同时发电设备管理要求严格,运行需要专人管理,设备投资和运行费用都比较高。

1.3.2 热功联产

热功联产是压力较高的蒸汽通过热功汽轮机做功后完全取代电动机拖动某动力设备,直接实现节电节能,汽轮机排出的蒸汽供生产工艺中的低压工序使用。

优点 热功联产对化工生产工艺中的每个压差段所产生的压差能都可以加以利用,设备任意选定,能量转换效率高,管理维护较为简单,基本上可以无人管理;采用该技术投资小、运行管理费用低、投资回报率高。

缺点 由于在实际应用中要讲究热功平衡,因此应用范围受限制;在蒸汽负荷变动大及负载负荷变动大的场合都难以采用该节能技术。

1.3.3 功热电联产

功热电联产是压力较高的蒸汽通过热功汽轮机做功后同时拖动某动力设备和异步电动机,实现充分利用各种环境下蒸汽压差能的节能。当在某压差下可利用蒸汽量较大从而使汽轮机功率大于所拖动动力设备功率时,异步电动机会自动发电;当蒸汽量较小使汽轮机功率小于所拖动动力设备时,异步电动机可以自动补充不足部分功率。

优点 功热电联产弥补了热功联产热功不平衡所造成的节能盲点,使得其在蒸汽大幅度变化或设备负荷大幅度变化时都可以应用,因而在化工企业中实现了无盲点压差充分节能。

缺点 在利用异步电动机发电时,并且发电功率比电动机额定有功功率小很多时,发电效率相对较低。

2 “功热电联产”专利节能技术在化工行业的六大应用

2.1 合成氨厂固定床造气热力系统功热电联产节能技术

该技术主要利用从 0.4～1.3 MPa降至0.08 MPa用于造气的蒸汽压差,通过热功汽轮机同时拖动造气鼓风机及其电动机实现功热电联产,从而达到充分节电和发电综合节能目的。上述专利技术已经在全国70%以上氮肥企业得到应用,取得了明显的经济效益。该项目被列为全国振兴氮肥行业技术支撑项目之一。

2.2 合成氨厂三废混燃炉及吹风器余热回收锅炉热力系统功热电联产节能技术

合成氨厂采用三废混燃炉或吹风气废锅时所产生的3.82 MPa中压蒸汽,通常需要逐级降至2.5 MPa、1.3 MPa、0.6 MPa及0.08 MPa供尿素、变换、精馏、造气等工序使用。在上述蒸汽逐级降压的过程中可以利用热功汽轮机拖动锅炉鼓风机、引风机、水泵、罗茨风机、贫液泵、异步发电机等设备,进行功热电联产的能量转换和回收,使蒸汽压力逐步降至所需要的压力,实现充分节能。

2.3 合成废锅热功及功热电联产节能技术

合成废锅所产生的3.4 MPa/2.4 MPa饱和蒸汽,通过冰机、脱碳泵及异步发电设备等进行功热电联产,能量转换后降至0.6～1.2 MPa及以下使用,回收压差能,从而实现充分节能。

2.4 粉煤气化工艺中的低压余热饱和蒸汽功热电联产节能技术

采用水煤浆、航天炉等煤气化工艺进行合成氨生产的企业,其工艺中所产生的无法利用的闪蒸蒸汽或低压饱和蒸汽(压力在0.3 MPa以上),完全可以通过贫液泵、冰机、循环水泵等设备进行功热电联产的能量转换,回收这部分能量。

2.5 硫酸、磷酸行业余热节能技术应用

在硫酸及磷酸企业中,硫酸废热锅炉产生的3.82 MPa中温中压过热蒸汽,可以通过硫酸风机进行功热电联产的能量转换,将蒸汽压力降至磷酸生产所需压力或其他压力使用或排空,从而实现充分节能。

3 节能方案的确定

化工企业热力系统节能方案的确定非常重要,确定整个企业热力系统的热平衡必须结合生产工艺及其设备布局。制定企业热力系统节能方案可以明确企业所具有的节能潜力、节能量、节能效益和所需投资。目前,搞好化肥企业整体节能方案的最简洁和最直接的方法就是请国内有经验的系统节能专家,直接到企业去协助企业对现有的蒸汽利用情况和化工工艺情况进行调查和分析,对工艺生产中所使用的主要设备进行调查和了解,在此基础上对全厂的能源利用情况作全面的评估,并作出切实可行的,投资小收益高的节能方案。

4 合成氨厂节能方案实施实例

4.1 浙江衢州巨化集团合成氨公司造气风机节能技术改造

浙江衢州巨化集团合成氨公司在造气工序中使用0.1 MPa(表压)过热蒸汽26 t/h以上,而热电厂供热管网给造气工序提供的过热蒸汽压力为0.5 MPa,这使得过热蒸汽在使用过程中存在节流损失和能量浪费。

为回收这部分能量,巨化合成氨厂采用了我公司生产的2台特种工业汽轮机来拖动造气风机和异步电动机,汽轮机进汽压力为0.5 MPa,排汽压力为0.1 MPa,排汽用于造气工序。

在改造过程中新增了2台500 kW双驱动特种汽轮机并配置部分管路。工业汽轮机同时拖动造气风机和异步电动机同步运行。

利用工业汽轮机进行节能技术改造后的经济技术分析如下。

(1)经济效益

改造后日节电量 2.4×104kW·h

改造后月节电量 72×104kW·h

改造后月节约电费 28.8万元[电价0.4元/(kW·h)]

全年节约电费 316.8万元(按全年运行11个月计)

(2)投资回收期 3个半月

4.2 红日阿康化工有限公司三废锅炉节能技术改造

红日阿康化工有限公司合成氨生产中有1台30 t/h三废锅炉,其蒸汽为压力3.82 MPa、温度430℃。这部分蒸汽中有12 t/h经过减温减压降至0.6 MPa左右送往复合肥生产系统,其余18 t/h再减温减压至0.08 MPa用于造气工序,因而能量损失巨大。据测算,30 t/h蒸汽通过热功转换后由3.5MPa降至0.6MPa具有1800kW左右节电能力;而18t/h蒸汽通过热功转换后由0.6MPa降至0.08MPa具有720kW左右节电能力。

为了充分回收蒸汽在上述使用过程中的压差能,该公司采用了我公司专利节能技术“功热电联产”节能方式对厂内部分设备进行功热电联产改造。其具体实施方案为,采用1台700 kW热功汽轮机拖动1台700 kW脱碳泵和与其配套的电动机,实现功热电联产;采用1台1 000 kW热功汽轮机拖动1台800 kW贫液泵和与其配套的电动机实现功热电联产。汽轮机进汽参数为,进汽压力 3.4 MPa、温度 430℃,排汽压力0.6 MPa、温度303℃。改造完成后节约电负荷1 500 kW左右;此外还采用1台400 kW热功汽轮机拖动 1台 D500造气风机和与其配套的315 kW电动机实现功热电联产。汽轮机进汽压力 0.55 MPa、进汽温度 295℃,排汽压力0.08 MPa、排汽温度211℃。改造完成后节约电负荷450 kW左右。

全部改造完成后,全厂实现节约电负荷1 900 kW左右。

(1)改造后所产生的经济效益

日节厂用电量 5.04×104kW·h(按平均节电负荷2 100 kW计)

每月减少厂用电量 151.2×104kW·h

每月减少电费支出 52.92万元[电价0.35元/(kW·h)]

全年减少电费支出 582.12万元(按照全年运行11个月计)

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 9.14万元(燃料煤价格600元/t)

每月实际增加节能收入 43.78万元

全年实际增加节能收入 481.58万元

(2)投资回收期 3.4个月