塔西南化肥厂汽轮机排汽废热在供暖中应用

何欢 张丽娜 郝小娟 吕勇 吴云鹏

（1.中国石油塔里木油田塔西南勘探开发公司炼油化工厂；2.中国石油塔里木油田分公司塔西南勘探开发公司；3.中国石油塔里木油田分公司塔西南勘探开发公司电力工程部）

1 概述

1.1 背景

大型合成氨装置压缩机的动力常采用凝汽式汽轮机，汽轮机的排汽被冷却而凝结成水，同时冷却水被加热，其大量热量散发在大气中；而将凝汽式汽轮机改为低真空供热，提高全厂热效率、减少环境污染是一种节能减排的创新方法。依据能源梯级应用原则，优选汽轮机低真空供热方案，就是将汽轮机凝汽器的真空降低，提高汽轮机的排汽温度，利用汽轮机的排汽来加热冷却水，提高冷却水的出口温度，将凝汽器的循环水直接作为采暖用水为热用户供热，即把热用户的散热器当作冷却设备使用。

1.2 汽轮机低真空循环水供热原理

汽轮机改为低真空供热后，热用户实际上就成为化肥装置的“冷却塔”，汽轮机的排汽废热可以得到有效利用，大大提高了能源的综合利用率（图1）。

如图2所示，当汽轮机在纯凝工况运行时，面积1-2-3-4-5-1为蒸汽在汽轮机中做功的焓，面积2-6-8-3-2为排出废汽的焓；改造成低真空循环水供热后，面积1-m-k-n-4-5-1为蒸汽做功的焓，面积m-k-n-7-6-m为用于供暖的热量。显然，汽轮机低真空循环水供热的经济效益比纯凝汽工况时要高[1]。

图1 汽轮机低真空循环水供热原理示意图

图2 凝汽运行工况和低真空运行工况温熵示意图

1.3 存在风险及问题

将低真空供热系统用于冬季采暖，此项技术用于化工装置还未有过，因为大型化肥装置的汽轮机为单台，且转速较高；同时，由于其运行与装置的运行紧密程度较高等特点，随着汽轮机低真空循环水集中供热后，其功率将降低，对装置的运行会造成一定的影响。为此，在进行改造时要非常谨慎，面临着巨大的挑战。

2 汽轮机低真空改造的技术可行性

塔西南化肥厂低温废热资源丰富，可以向采暖水提供至少40.7 MW的热量，只需要进行运行工况的调整变化，而无需要进行透平机组的改造；在原表冷凝器的系统上并联新增1台新表冷凝器，老表冷凝器冷却仍采用循环水，而新表冷凝器冷却仍采用采暖水，根据热负荷需要，把透平排汽的冷凝液逐渐由原表冷凝器切换到新表冷凝器。这种切换方法机组不必停运，经济性好，同样安全可靠。

3 汽轮机低真空改造的技术措施

3.1 热负荷选取

准确地确定热负荷是保证机组改造成功及提高经济性的关键。依据供热地区的环境温度、供热面积、供热要求来确定供热量，然后选择循环水温度、排汽压力并进行可靠性验算，从而确定汽轮机的原则性热力系统。

采暖期按160天计算，采暖热指标按65 W/m2计算，具体数据见表1。

可提供热量147 735 000 kJ/h，折合热负荷为41 MW。若此部分热量全部被回收，按燃料气低位发热值32 836 kJ/m3（0℃，101.325 kPa）计算，折算节约燃料气4 499 m3/h，每天节约天然气107 976 m3；按采暖季160天计算，一个采暖季可节约天然气1728×104m3；供暖面积可达631 346 m2[2]。

表冷凝器能提供的热负荷为41 MW，而实际热用户的需要热量为供热首站供热区域主要是西区锅炉房区域，供热负荷为38.7 MW。

3.2 排汽压力选择

从采暖管网运行的经济性分析和机组的安全运行考虑，排汽压力只能控制在-59～-76 kPa范围内，最高不要高于-59 kPa；为使机组长期安全运行，实际运行中冷凝器采暖水的出水温度一般在47～65℃；在寒冷期，当凝汽器的供热量达到最大时，热用户热量不足部分由西区锅炉房将采暖水加热至所需温度后提供给热用户。

3.3 防止冷却管结垢

热网采暖水采用软化水，结垢问题得到缓解。在停运期间进行湿式保护，即充满经过化学处理的采暖水。

3.4 防止凝汽器冷却管泄漏

凝汽器的温升增大，由于壳体和换热管材质膨胀系数不同，膨胀量不均匀产生应力。但通过平稳操作对凝汽器进行缓慢的升温和降温，同时排汽压力最高不要高于-59 kPa，这样可以防止凝汽器冷却管出现泄漏。

4 汽轮机低真空运行存在问题分析及改进措施

4.1 功率影响

凝汽式汽轮机组功率同蒸汽流量和理想焓降成正比，如果将机组排汽温度提高到65℃，透平功率下降4%。可通过增加入口蒸汽来提高功率，同时可以增加供热负荷。在汽轮机循环水供暖温度达不到要求时，通过锅炉进行补充加热，同时改变表冷器的运行调节参数，改造后机组的其他运行主要参数基本不变[3]，即

式中：N——汽轮机功率，kW；

G——汽轮机进汽流量，kg/h；

H——理想焓降，kJ/kg。

在生产过程中，将凝汽器真空降低，相应的排汽压力和排汽温度随之升高。降低凝汽器真空，提高循环水温度后的计算数据见表2。

4.2 低真空运行对轴向推力的影响

在背压升高的初期，其轴向推力先是减小的；当背压升高到一定程度后，才逐渐增大。汽轮机排汽压力不高于-50 kPa，相应的排汽温度不大于75℃，仍然在机组推力轴承安全运行的范围内，因此对机组可以不必改动，仍能保证安全运行[4]。

表1 塔西南化肥厂合成氨装置压缩机透平参数

表2 计算数据

4.3 强度和刚度核算

排汽压力控制不大于-59 kPa，汽缸、隔板、叶片、转子、螺栓等强度均能满足要求，变工况在可许的范围内，运行安全可靠，无须进行改造和更换。

4.4 凝汽器承压

凝汽器的承压能力为0.6 MPa，在设计范围内能满足要求。在回水管路上加装安全阀，循环水回路上安装逆止阀。

5 改造思路和改造方案

经过优化和对比分析，采取原有表冷凝器并联1台新表冷凝器，2台表冷凝器可以互为切换。原表冷凝器冷却介质仍为循环水，新表冷凝器冷却介质仍为采暖水，根据采暖需求，调节表冷凝器热负荷。

新表冷凝器将化肥厂凝汽器热量集中回收，利用凝汽器循环水出水（65℃）经供热首站水泵加压后，供至基地西区锅炉房循环水泵入口，由循环水泵将循环水送至各采暖单体，再由锅炉房新增回水加压泵将循环水（55℃）送回化肥厂而完成一次循环。供暖初、末期：热源采用循环水向热用户直接供热，即新增凝汽器循环水出水（65℃）经供热首站水泵加压后，供至基地西区锅炉房循环水泵入口，由循环水泵将循环水送至各采暖单体，再由锅炉房新增回水加压泵将循环水（55℃）送回化肥厂而完成一次循环（图3、图4）。

图3 并联凝汽器流程简图

6 投用及实施效果

6.1 运行数据分析

整个采暖季表冷凝器的参数没有脱离正常设计值，变透平机组运行工况良好。在采暖的初期和末期，仅运行西区锅炉房1台循环泵，此时采暖水流量为1 150 t/h左右，也能满足供暖需求，这样达到节电和增强采暖水系统稳定性的作用；在采暖中期，再开西区锅炉房加压泵1台，流量为1 470 t/h左右。在极寒天气中，西区锅炉房2台循环泵运行，2台加压泵运行，流量为1 650 t/h左右。在极寒天气中为确保机组运行不受影响，没有过多提供废热，不足热量由西区锅炉房进行补充，并取得良好效果。具体运行数据见表3。

图4 热力系统原则流程简图

6.2 经济效益

节约天然气：以燃料气低位发热值32 836 kJ/m3计算，每小时折算燃料气1 776 m3，每天节约天然气42 621 m3。按采暖季160天计算，1个采暖季可节约天然气682×104m3；按每立方米天然气0.92元计算，年实现节能效益627.4万元。

减排CO2：以每天节约天然气42 621 m3，每立方米天然气总碳量98.4%计算，每天减排CO282.4 t，1个采暖季减少CO2排放量为13 184 t。

节水：正常生产时，合成氨装置表冷凝器消耗循环水2 400 t/h，占循环水总量的20%，循环水蒸发量为170 m3/h，供暖用水损耗为2%，则整个采暖期减少循环水在凉水塔的闪蒸损失水量127 949 t。按每立方米水1.42元计算，每年可节约循环水的成本为18.2万元。

汽轮机排汽废热回收部分可降低合成氨装置综合能耗2.61 GJ/t氨。

6.3 社会效益

通过表冷凝器提取回收后作为集中供热的新热源，本身具有高效、节能、环保的特点，是国家推荐的节能技术。通过改善表冷凝器加热了采暖水，借助于采暖水与乏汽的换热，热用户实际上就成为化肥厂的“冷却塔”，达到了生产余热的有效利用的目的。用循环水供热，既能将锅炉新蒸汽高品位能量充分利用，又能较好地利用表冷凝器排放到循环水中的低品位能量对用户集中供热，依靠循环水集中供热，避免了透平机组大量余能损失，节省了大量的能源投入，是一种方便、经济、高效的供热措施。

表3 表冷凝器采暖期间运行数据

7 主要技术创新点

7.1 国内化工装置首次应用

将化肥装置高速运转的蒸汽冷凝式透平排汽余热用于生活区冬季采暖，这在国内属于首次应用，主要是因化肥装置透平的转速高，与装置工艺结合紧密等因素，改造不慎将给装置带来巨大运行风险，甚至无法运行。经过论证分析，将问题通过相应的技术手段逐一解决，取得了成功。

7.2 并联增加1台表冷凝器，未改变透平机组运行工况

并联新增1台新表冷凝器，根据热负荷需要，把透平排汽的冷凝液逐渐由原表冷凝器切换到新表冷凝器。这种切换方法机组不必停运，未改变透平机组运行工况，经济性好，安全可靠。

7.3 没有对机组进行改造

采取并联运行表冷凝器的方式，使运行工况没有脱离设计值，避免了因机组运行工况脱离设计值；而对机组进行相应的改造，同时对工艺系统的影响降到最低，又增加了系统和机组运行的稳定性，缺点就是有部分热量不能回收。

8 推广应用前景

化肥装置汽轮机低真空循环水在供暖中的首次成功应用，不仅节约能源，减少环境污染，而且也增加企业节能挖潜的能力。这是一种节能减排的全新思路，经济效益显著。系统总节能率提高，为化肥装置回收汽轮机排汽低品位废热积累了经验，在同类装置中有很高推广价值，这将对提高能源综合利用水平，改善环境，降低成本，提高供热质量有着重大意义。