周 翔

（惠生工程（中國(guó)）有限公司，上海 201203）

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煤制油項(xiàng)目飽和蒸汽余熱利用研究

周 翔

（惠生工程（中國(guó)）有限公司，上海 201203）

摘 要：以某干粉氣化間接合成油項(xiàng)目為例，通過全廠蒸汽平衡的計(jì)算，確定了飽和余熱發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量和形式；分析了飽和余熱發(fā)電汽輪機(jī)的排汽壓力、排汽干度、相對(duì)內(nèi)效率等變量，提出了飽和余熱汽輪機(jī)選型中應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵詞：煤制油；蒸汽平衡；飽和余熱汽輪發(fā)電機(jī)組

某煤制油項(xiàng)目是一新建的大型清潔煤化工項(xiàng)目，采用煤氣化間接制取0#柴油、石腦油、汽油和LPG等產(chǎn)品。其主要工藝是將原料煤通過Shell干煤粉加壓氣化工藝生產(chǎn)以CO和H2為主要成分的粗煤氣，再經(jīng)過熱量回收、干法除灰和洗滌等處理過程，制備出溫度為165℃、被水蒸氣飽和的粗合成氣，經(jīng)下游的凈化裝置精制后，最終經(jīng)費(fèi)托合成和油品加工等工藝過程生產(chǎn)出高附加值的合成油產(chǎn)品。

煤氣化間接制油品技術(shù)由于其工藝流程長(zhǎng)、裝置多、規(guī)模大，使得全廠蒸汽系統(tǒng)非常復(fù)雜；另外其工藝過程會(huì)釋放大量的熱能從而產(chǎn)生大量的蒸汽，煤氣化和費(fèi)托合成是該項(xiàng)目中兩個(gè)最大的副產(chǎn)蒸汽的裝置，共副產(chǎn)蒸汽約1 200 t/h。所以合理地設(shè)置全廠蒸汽系統(tǒng)和利用化工產(chǎn)生余熱，對(duì)于降低企業(yè)產(chǎn)品能耗和成本有著非常重要的意義。

本文主要通過分析全廠熱負(fù)荷，計(jì)算蒸汽平衡，制定有效地利用化工裝置副產(chǎn)飽和蒸汽的方案，進(jìn)而分析及探討余熱飽和汽輪機(jī)的選型。

1 全廠熱負(fù)荷概述

該煤制油項(xiàng)目中各工藝裝置和配套的各輔助生產(chǎn)設(shè)施、公用工程裝置需要大量的蒸汽作為加熱及動(dòng)力來源。

按照能源梯級(jí)利用的原則，全廠共設(shè)置5個(gè)蒸汽等級(jí)，全廠蒸汽平衡簡(jiǎn)圖見圖1。

高壓蒸汽（9.8 MPa（g），520℃）蒸汽的來源為熱電裝置鍋爐，鍋爐正常工況下產(chǎn)生1 030 t/h高壓蒸汽，主要用于驅(qū)動(dòng)空分透平和高壓背壓發(fā)電機(jī)組。

煤氣化裝置采用Shell干煤粉加壓氣化工藝，工藝過程大量余熱可產(chǎn)5.0 MPa（g），395℃次高壓蒸汽591.6 t/h，此部分蒸汽與熱電裝置高背機(jī)組產(chǎn)生的388 t/h次高壓蒸汽并入次高壓蒸汽管網(wǎng)，用于化工用熱及驅(qū)動(dòng)循環(huán)氫壓縮機(jī)、貧液泵、循環(huán)氣壓縮機(jī)、F-T中壓鍋爐給水泵、氫氣壓縮機(jī)、丙烯制冷壓縮機(jī)、CO2壓縮機(jī)等16套工藝設(shè)備驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)，

該等級(jí)驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)總功率為85 063 kW；剩余蒸汽進(jìn)入次高壓余熱發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生49 200 kW電力。

低壓為1.0MPa（g），240℃和低低壓為0.5MPa（g），159℃的蒸汽主要來源均為各工藝裝置廢熱鍋爐和工藝透平的抽排汽，主要用于各裝置工藝加熱使用。

中壓為2.8 MPa（g），232℃的蒸汽主要來源為費(fèi)托合成裝置所副產(chǎn)的飽和蒸汽，除用于工藝加熱和熱電裝置鍋爐給水高壓加熱器外，還有大量剩余的中壓飽和蒸汽，制定有效利用化工余熱的方案，對(duì)于全廠總的能源利用效率的提高及企業(yè)產(chǎn)品能耗指標(biāo)的降低有著非常重要的意義。

圖1 全廠蒸汽平衡簡(jiǎn)圖

2 飽和蒸汽余熱利用方案

費(fèi)托合成裝置副產(chǎn)2.8 MPa（g），232℃中壓飽和蒸汽600t/h，除部分用于工藝加熱和送往熱電裝置用于鍋爐給水高壓加熱器外，剩余446t/h的飽和蒸汽。此部分剩余的飽和蒸汽經(jīng)分析有兩個(gè)可行的余熱利用方案可供選擇。

方案一：將此部分剩余的飽和蒸汽送往熱電裝置的鍋爐，在鍋爐過熱器后再增設(shè)一級(jí)過熱器，加熱飽和蒸汽使之成為過熱蒸汽，而后送往化工裝置作為動(dòng)力蒸汽驅(qū)動(dòng)工業(yè)透平；但此方案在費(fèi)托合成停車時(shí)勢(shì)必造成熱電裝置的燃煤鍋爐效率下降、過熱器干燒等不利狀況。

方案二：采用飽和蒸汽余熱發(fā)電技術(shù)，將多余的中壓飽和蒸汽直接送入中壓飽和汽輪發(fā)電機(jī)組。此方案的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)工藝裝置運(yùn)行情況發(fā)生變化時(shí)，可靈活地調(diào)整發(fā)電量來適應(yīng)飽和蒸汽量的變化；飽和蒸汽余熱發(fā)電技術(shù)在冶金、水泥等行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)。其缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在飽和蒸汽含濕量較高，汽輪機(jī)通流部分抗水蝕要求高，隨著蒸汽膨脹做功，蒸汽干度顯著降低，最后幾級(jí)葉片工作環(huán)境惡劣，致使汽輪機(jī)本體造價(jià)較高；并且連續(xù)運(yùn)行小時(shí)數(shù)較低。

經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，選取飽和蒸汽汽輪機(jī)方案。設(shè)置2臺(tái)裝機(jī)容量為25 MW的中壓飽和抽凝式余熱發(fā)電機(jī)組，額定進(jìn)汽壓力2.9 MPa（a），進(jìn)汽溫度232℃，額定抽汽壓力0.6 MPa（a），抽汽溫度159℃，額定抽汽量75 t/h，最大抽汽量190 t/h。抽汽送入化工裝置0.5 MPa（g）蒸汽管網(wǎng)，提供化工裝置用熱。

3 中壓飽和抽凝式汽輪機(jī)選型分析

飽和汽輪機(jī)作為本項(xiàng)目消耗費(fèi)托合成裝置副產(chǎn)的2.9 MPa（g）飽和蒸汽產(chǎn)生電力的關(guān)鍵設(shè)備，由于工作介質(zhì)為中壓飽和蒸汽，級(jí)內(nèi)膨脹做功后蒸汽濕度很大，其與常規(guī)汽輪機(jī)相比較具有一定的特殊性。根據(jù)飽和汽輪機(jī)的特點(diǎn)，選型時(shí)需考慮如下的措施以減小飽和蒸汽對(duì)于機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響：①根據(jù)透平不同級(jí)間含水量來設(shè)計(jì)透平機(jī)轉(zhuǎn)速和級(jí)數(shù)；②采用多級(jí)汽輪機(jī)提高蒸汽利用效率，同時(shí)可分散水滴作用于每個(gè)渦輪葉片上的應(yīng)力；③透平選取較低的轉(zhuǎn)速減少飽和蒸汽中水對(duì)渦輪葉片的沖擊；④透平機(jī)箱體設(shè)計(jì)排水溝槽，以便快速將工作時(shí)新生成的水排除；⑤蒸汽入口處和級(jí)間設(shè)置高效汽水分離設(shè)備逐級(jí)有效除水；⑥噴嘴環(huán)、渦輪葉片應(yīng)用優(yōu)質(zhì)合金鋼材料，提高強(qiáng)韌性。

3.1 變量選取

本項(xiàng)目中壓飽和抽凝式余熱發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量為25 MW，屬小型熱電站范疇，故可根據(jù)《小型熱電站實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取各設(shè)計(jì)變量。

3.1.1 排汽壓力

排汽壓力選取見表1。

表1 排汽壓力選取

本項(xiàng)目煤氣化間接制油工藝由于耗水量較大，考慮到周邊水資源情況，凝汽器采用空冷形式。

3.1.2 透平效率

透平效率選取見表2。

表2 透平效率選取

本項(xiàng)目中壓飽和余熱發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量為25 MW，故選取表中第2行數(shù)據(jù)。

3.1.3 排汽干度

結(jié)合設(shè)計(jì)手冊(cè)及各汽輪機(jī)制造商數(shù)據(jù)，可得飽和汽輪機(jī)組排汽干度不宜低于0.85。

3.2 汽輪機(jī)選型計(jì)算

本項(xiàng)目25 MW中壓飽和余熱抽凝式汽輪機(jī)主要參數(shù)見表3。

表3 25 MW中壓飽和余熱抽凝式汽輪機(jī)參數(shù)

3.2.1 確定進(jìn)汽參數(shù)

已知進(jìn)汽壓力p0、進(jìn)汽溫度t0和進(jìn)汽干度χ，由水蒸氣表查得飽和蒸汽焓hq和飽和水焓hs，計(jì)算進(jìn)汽焓h0：

式中，h0：汽輪機(jī)進(jìn)汽焓，kJ/kg；hq：飽和蒸汽焓，kJ/kg；hs：飽和水焓，kJ/kg。

3.2.2 計(jì)算抽、排汽參數(shù)

給出排汽壓力p2變化范圍：15～30 kPa；透平內(nèi)效率ηn變化范圍：0.71～0.85；給定抽汽壓力p1= 0.5 MPa（a）。

根據(jù)排汽壓力，按等熵過程在水蒸氣H-S圖中分別查得抽汽等熵焓降Δ-h01和排汽等熵焓降Δh02，計(jì)算抽汽焓h1和排汽焓h2：

式中，h0：汽輪機(jī)進(jìn)汽焓，kJ/kg；h1：抽汽焓，kJ/kg；h2：排汽焓，kJ/kg；Δh01：抽汽等熵焓降，kJ/kg；Δh02：排汽等熵焓降，kJ/kg；ηn：透平內(nèi)效率。

由計(jì)算所得排汽焓可在水蒸氣H-S圖中查得排汽干度。根據(jù)不同的排汽壓力和透平內(nèi)效率選取排汽干度、相對(duì)內(nèi)效率、排汽壓力3個(gè)變量的曲線圖，見圖2。

圖2 排汽干度、相對(duì)內(nèi)效率、排汽壓力三變量曲線

由以上曲線可知：①當(dāng)排汽干度一定時(shí)，透平內(nèi)效率隨著排汽壓力的升高而升高。在汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)、進(jìn)汽量、抽排汽參數(shù)等數(shù)據(jù)一定，保證末級(jí)葉片的干度≥0.85時(shí)，我們?cè)谇€上可知其透平內(nèi)效率最高為0.76；②當(dāng)排汽壓力一定時(shí)，排汽干度與相對(duì)內(nèi)效率成反比關(guān)系；③當(dāng)相對(duì)內(nèi)效率一定時(shí)，排汽干度隨著排汽壓力的升高而升高。

根據(jù)《小型熱電站實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)》和部分汽輪機(jī)制造商數(shù)據(jù)，排汽干度應(yīng)＞0.85，結(jié)合上圖計(jì)算結(jié)果，透平內(nèi)效率取值區(qū)間為0.75～0.76。所以本項(xiàng)目中壓飽和余熱抽凝式汽輪機(jī)排汽壓力應(yīng)≥0.025 MPa（a）。

3.2.3 計(jì)算汽輪機(jī)發(fā)電功率

式中，P：發(fā)電功率，kW；G1：抽汽量，t/h；G2：排汽量，t/h；h0：汽輪機(jī)進(jìn)汽焓，kJ/kg；h1：抽汽焓，kJ/kg；h2：排汽焓，kJ/kg；ηm：機(jī)械效率；ηg：發(fā)電效率。

由以上公式根據(jù)選取不同的排汽壓力和透平內(nèi)效率計(jì)算求得一系列發(fā)電功率，發(fā)電功率、相對(duì)內(nèi)效率、排汽壓力3個(gè)變量可形成的曲線見圖3。

圖3 發(fā)電功率、相對(duì)內(nèi)效率、排汽壓力三變量曲線

由以上曲線可知：①當(dāng)發(fā)電功率一定時(shí)，透平內(nèi)效率隨著排汽壓力的升高而升高；②當(dāng)排汽壓力一定時(shí)，發(fā)電功率與相對(duì)內(nèi)效率成正比關(guān)系；③當(dāng)相對(duì)內(nèi)效率一定時(shí)，發(fā)電功率隨著排汽壓力的升高而降低。在排汽壓力為0.025 MPa（a）和0.03 MPa（a），透平內(nèi)效率取0.75，進(jìn)汽流量為223 t/h，抽汽流量為75 t/h的額定工況下，排汽壓力為0.025 MPa（a）時(shí)的汽輪機(jī)發(fā)電功率比0.03 MPa（a）時(shí)的高643 kW。

根據(jù)前文3.2.2節(jié)選取的本項(xiàng)目中壓飽和余熱抽凝式汽輪機(jī)排汽壓力應(yīng)≥0.025 MPa（a）；當(dāng)進(jìn)汽參數(shù)、進(jìn)汽量為定值時(shí)，排汽壓力越低所對(duì)應(yīng)發(fā)電量越大，為最大限度地利用化工余熱，其他參數(shù)不變時(shí)發(fā)電量越多效益越好，因此選取該汽輪機(jī)排汽壓力為0.025 MPa（a），透平內(nèi)效率為0.75，排汽干度為0.85。

4 結(jié)語

干煤粉氣化費(fèi)托合成間接制油品技術(shù)的工藝過程為放熱反應(yīng)，高效地利用其產(chǎn)生的大量化工余熱，降低企業(yè)產(chǎn)品能耗和成本有著非常重要的意義。飽和余熱汽輪發(fā)電機(jī)組直接利用該工藝過程副產(chǎn)的低品位飽和蒸汽發(fā)電，大大提升了企業(yè)整體的能源利用率。另在飽和余熱汽輪機(jī)選型時(shí)應(yīng)充分考慮設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為確保末級(jí)葉片的安全，因此排汽壓力不能過低；并且為合理控制汽輪機(jī)各級(jí)焓降而設(shè)計(jì)較低的透平內(nèi)效率也是保證機(jī)組安全運(yùn)行的一種手段。

參考文獻(xiàn)：

［1］小型熱電站實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.小型熱電站實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1989.

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.011 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.011

中圖分類號(hào)：TK115

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-8901（2016）03-0036-04

作者簡(jiǎn)介：周翔（1979年-），男，甘肅蘭州人，2003年畢業(yè)于西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事熱能工程設(shè)計(jì)等工作。

收稿日期：2016-02-01

Study on Saturated Steam Waste Heat Utilization of CTL Project

ZHOU Xiang
（Wison Engineering（China）Co.，Ltd.，Shanghai 201203 China）

Abstract：Take a CTL project as an example，the paper mainly introduces the installed capacity and type of saturated steam turbogenerator by calculating plantwide steam balance，and presents the issues needing attention in type selection of saturated steam turbogenerator by analyzing variables like exhaust pressure，exhaust dryness，relative internal efficiency and so on of saturated steam turbogenerator.

Keywords：coal to liquid；steam balance；saturated steam turbogenerator