郭志強(qiáng)

(新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司，河南新鄉(xiāng) 453800)

1 研究背景

新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司年產(chǎn)20萬t甲醇項(xiàng)目采用北京航天長征化學(xué)工程股份有限公司開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的HT-L粉煤加壓氣化技術(shù)，設(shè)計(jì)規(guī)模為日產(chǎn)207萬m3(CO+H2)。航天氣化渣水處理采用兩級閃蒸,其中高壓閃蒸系統(tǒng)中有約250 t/h、溫度為158 ℃的黑水通過真空閃蒸罐閃蒸出壓力為-0.050 MPa、溫度為85 ℃左右的閃蒸蒸汽。這部分閃蒸蒸汽通過真閃冷卻器降溫至45 ℃以下后排至沉降槽，該部分閃蒸汽熱量不能被有效利用，造成較大能量浪費(fèi)[1]。

由于該部分閃蒸蒸汽品質(zhì)低，含灰量較高，含固質(zhì)量濃度>20 mg/m3，蒸汽流量可觀。雖然超低壓汽輪機(jī)應(yīng)用潔凈蒸汽發(fā)電已經(jīng)得到應(yīng)用，但高固含量、腐蝕性的低品質(zhì)蒸汽應(yīng)用與汽輪機(jī)發(fā)電為業(yè)內(nèi)首創(chuàng)。在汽輪機(jī)的投用過程中經(jīng)常引起發(fā)電機(jī)功率的波動(dòng)，造成多次打閘停機(jī)事故。

2 真閃發(fā)電功率衡算

2.1 氣化高閃物料衡算

高閃的水來自氣化裝置壓力較高的設(shè)備，120 t/h來自氣化爐，30 t/h來自洗滌塔，兩臺(tái)氣化爐共300 t/h的水輸送至高壓閃蒸罐閃蒸。通過閃蒸，溫度由205 ℃降至158 ℃，壓力由3.800 MPa降至0.600 MPa。根據(jù)物性表，水的比熱容C水為4.18 kJ/(kg/℃)，水在205 ℃下的液體焓為875 kJ/kg，水在158 ℃下的液體焓為666 kJ/kg，158 ℃下飽和蒸汽焓為2 755 kJ/kg。根據(jù)在閃蒸前后能量和物料守恒，設(shè)閃蒸后蒸汽質(zhì)量為m汽，閃蒸后凝液質(zhì)量為m液[2]。

閃蒸前的能量：

Q1=300 t/h×1 000×875 kJ/kg

(1)

閃蒸后的能量：

Q2=m汽×1 000×2 755 kJ/kg+m液×

1 000×666 kJ/kg

(2)

質(zhì)量守恒：

m汽+m液=300

(3)

由(1)、(2)、(3)式可得：

m汽=31 t/h，m液=269 t/h

即通過高壓閃蒸罐的閃蒸分離出31 t/h的0.600 MPa蒸汽和269 t/h的0.600 MPa飽和水。

2.2 氣化真閃物料衡算

真閃的水來自269 t/h高閃，進(jìn)行真空閃蒸。通過閃蒸溫度由158 ℃降至100 ℃，壓力由0.600 MPa降至0.100 MPa。根據(jù)物性表，水在158 ℃下的液體焓為666 kJ/kg，水在100 ℃下的液體焓為419 kJ/kg，100 ℃下飽和蒸汽焓為2 675 kJ/kg。根據(jù)閃蒸前后能量和物料守恒原則，設(shè)閃蒸后蒸汽質(zhì)量為m汽，閃蒸后凝液質(zhì)量為m液。

閃蒸前的能量：

Q1=269 t/h×1 000×666 kJ/kg

(4)

閃蒸后能量：

Q2=m汽×1 000×2 675 kJ/kg+m液×

1 000×419 kJ/kg

(5)

質(zhì)量守恒：

m汽+m液=269

(6)

由(4)、(5)、(6)式可得：

m汽=30 t/h，m液=239 t/h

即通過真閃閃蒸分離出30 t/h的0.100 MPa蒸汽和239 t/h的100 ℃飽和水。

2.3 發(fā)電功率衡算

30 t/h、0.100 MPa的蒸汽通過蒸汽輪機(jī)做功后壓力降為0.015 MPa。根據(jù)蒸汽輪機(jī)的功率計(jì)算公式[2]：

N=GΔHsη/3 600

(7)

其中：N為蒸汽輪機(jī)的功率，kW；G為蒸汽質(zhì)量流量，kg/h；ΔHs為等熵焓降；η為汽輪機(jī)熱效率，取73%，發(fā)電機(jī)效率為80%。

計(jì)算出該低壓蒸汽用于發(fā)電的功率：

0.100 MPa、100 ℃的蒸汽焓值為2 675 kJ/kg，比熵為7.36 kJ/kg；0.015 MPa等熵焓值為2 386 kJ/kg。

ΔHs=2 704-2 486=289(kJ/kg)

N=30×1 000×289×0.73/3 600×0.85=

1 494(kW)

經(jīng)核算，30 t/h、0.100 MPa的蒸汽通過蒸汽輪機(jī)功率為1 494 kW，年發(fā)電1 195.2萬kW·h。

3 影響真閃發(fā)電功率因素探究

引起發(fā)電機(jī)功率波動(dòng)的因素包括壓力、溫度、組分的變化、系統(tǒng)的影響等。經(jīng)過總結(jié)，影響汽輪機(jī)發(fā)電量主要因素是汽輪機(jī)前后壓差，壓差大其做功較高，反之亦然。

3.1 循環(huán)水溫度對發(fā)電量的影響

進(jìn)凝汽器循環(huán)水進(jìn)口溫度升高，導(dǎo)致機(jī)組排汽壓力升高、發(fā)電功率減?。划?dāng)循環(huán)水流量增加(循環(huán)水泵耗電量增加)，進(jìn)口水溫度則降低，機(jī)組排汽壓力下降、發(fā)電功率增加。循環(huán)水溫升是影響汽輪機(jī)組排汽壓力的重要參數(shù)，循環(huán)水溫升過高、過低都會(huì)對機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性帶來不利影響[3-4]。

通過比對真閃發(fā)電在冬季和夏季的發(fā)電量(見表1)，循環(huán)水溫度在冬季和夏季溫差為5 K，發(fā)電量差為220 kW·h，降低進(jìn)入凝汽器的循環(huán)水溫度可以有效提升發(fā)電負(fù)荷。

表1 循環(huán)水溫度對真閃發(fā)電影響

圖1 循環(huán)水溫度與真閃發(fā)電量的趨勢

3.2 循環(huán)水流量對發(fā)電量的影響

循環(huán)水流量直接影響凝汽器的真空度，循環(huán)水流量大則換熱效果好，可以保證真空泵負(fù)壓。若循環(huán)水流量降低，則真空泵負(fù)壓難以維持，汽輪機(jī)做功較差，發(fā)電功率降低。在汽輪機(jī)組投用初期，由于未能掌握循環(huán)水流量對真空度的影響，險(xiǎn)些釀成跳機(jī)事故。通過實(shí)際測量，目前循環(huán)水體積流量在500 m3/h左右，不足以維持2臺(tái)汽輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，后期需繼續(xù)對循環(huán)水進(jìn)行相關(guān)改造。

30 t/h、0.097 MPa的蒸汽通過蒸汽輪機(jī)做功后排汽壓力降為0.015 MPa。0.015 MPa蒸汽焓值為2 598 kJ/kg，53 ℃的飽和水焓值為226 kJ/kg。

ΔHs=2 598-226=2 372(kJ/kg)

Q=30×1 000×2 372=71 160 000(kJ/h)

兩臺(tái)凝汽器需要循環(huán)水量：

m=71 160 000÷4.185 8÷10=1 700(t/h)

單臺(tái)凝汽器至少需要850 t/h循環(huán)水。

原設(shè)計(jì)循環(huán)水管線為DN400，且循環(huán)水管線從渣水三樓引至真閃發(fā)電，循環(huán)水管線阻力大，流量汽輪機(jī)排氣壓力高；DN400管線循環(huán)水體積流量為540 m3/h。循環(huán)水阻力大，循環(huán)水流速為1.2 m/s。

原設(shè)計(jì)管線流通量僅能滿足單臺(tái)凝汽器的循環(huán)水需求量。

通過改造將原DN400管線增粗為DN600管線，取水點(diǎn)改為真閃發(fā)電南地下管網(wǎng)，循環(huán)水體積流量為1 831 m3/h。降低了循環(huán)水管線阻力，循環(huán)水流速為1.8 m/s。

通過改造循環(huán)水管線，循環(huán)水流量達(dá)到了設(shè)計(jì)值，滿足了2臺(tái)汽輪機(jī)凝汽器的冷卻要求。

表2 循環(huán)水改造前后排氣壓力比對

3.3 撈渣機(jī)水量對真閃發(fā)電的影響

真閃壓力是影響汽輪機(jī)發(fā)電量的重要因素之一，真閃壓力高則氣輪機(jī)前后壓差增大，汽輪機(jī)做功較好，進(jìn)而發(fā)電功率大，反之亦然。因此，維持真閃壓力穩(wěn)定極為關(guān)鍵，真閃壓力的穩(wěn)定在于進(jìn)入真閃閃蒸水量和溫度穩(wěn)定，因此必須保證氣化水系統(tǒng)循環(huán)水量的穩(wěn)定。

氣化裝置進(jìn)入真閃的水除高閃以外還有來自撈渣機(jī)45 ℃的低溫水，且該股水伴隨氣化排渣周期性輸送，流量不穩(wěn)定，造成氣化真閃汽輪機(jī)發(fā)電負(fù)荷波動(dòng)大。該股低溫水質(zhì)量流量約為30 t/h，對氣化真閃蒸汽量影響計(jì)算如下：

真閃的水來自269 t/h高閃，進(jìn)行真空閃蒸。通過閃蒸溫度由158 ℃降至100 ℃，壓力由0.600 MPa降至0.100 MPa；根據(jù)物性表，水在158 ℃下的液體焓為666 kJ/kg，水在100 ℃下的液體焓為419 kJ/kg，100 ℃下飽和蒸汽焓為2 675 kJ/kg，30 t/h、45 ℃撈渣機(jī)水焓值為190 kJ/kg。根據(jù)在閃蒸前后能量和物料守恒原則，設(shè)閃蒸后蒸汽質(zhì)量為m汽，閃蒸后凝液質(zhì)量為m液。

閃蒸前的能量：

雖然下定決心往前走，但大伙兒心中剛剛發(fā)現(xiàn)洞口的喜悅已經(jīng)消散了，好像向前的每一步，都是提心吊膽，是推開朝向萬花谷的窄門，還是舉著火把走下黃泉？火把一分一寸地燃燒，在山洞里散發(fā)著松油的香氣。

Q1=269 t/h×1 000×666 kJ/kg+30 t/h×

1 000×190 kJ/kg

(8)

閃蒸后能量：

Q2=m汽×1 000×2 675 kJ/kg+m液×

1 000×419 kJ/kg

(9)

質(zhì)量守恒：

m汽+m液=299

(10)

由(8)、(9)、(10)式可得：

m汽=27 t/h，m液=272 t/h

撈渣機(jī)水不進(jìn)真閃罐比進(jìn)真閃罐多消耗3 t閃蒸汽。

3 t/h、0.097 MPa的蒸汽通過蒸汽輪機(jī)做功后壓力降為0.015 MPa。根據(jù)蒸汽輪機(jī)的功率計(jì)算公式：

N=GΔHsη/3 600

(11)

其中G為蒸汽流量，kg/h；ΔHs為等熵焓降；η為汽輪機(jī)熱效率，取73%，發(fā)電機(jī)效率為80%。

計(jì)算出該低壓蒸汽用于發(fā)電的功率：

0.097 MPa、99 ℃的蒸汽焓值為2 674 kJ/kg，比熵為7.37 kJ/kg；0.015 MPa等熵焓值為2 390 kJ/kg。

真閃在撈渣機(jī)進(jìn)水后，發(fā)電量會(huì)突然降低138 kW·h，伴隨氣化爐下渣波動(dòng)。當(dāng)兩臺(tái)氣化爐同時(shí)排渣時(shí)，發(fā)電量理論波動(dòng)276 kW·h，與實(shí)際真閃發(fā)電波動(dòng)值(96～190 kW·h)相吻合。真閃蒸汽量的波動(dòng)嚴(yán)重影響了真閃發(fā)電量和真閃的穩(wěn)定運(yùn)行(見表3、圖2)。

表3 真閃發(fā)電與下渣影響波動(dòng)

圖2 真閃發(fā)電與下渣影響波動(dòng)

3.4 氣化水系統(tǒng)循環(huán)量對真閃發(fā)電的影響

系統(tǒng)水循環(huán)流量對真閃壓力影響較大，發(fā)電量和真閃閃蒸汽量直接相關(guān)聯(lián)。在氣化爐開車初期，由于氣化爐壓力較低，其外排黑水需進(jìn)去壓力較低的真閃建立水循環(huán)，待氣化爐負(fù)荷提升(0.500 MPa)后再切為高閃系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)水循環(huán)流量較大時(shí)，會(huì)造成真閃閃蒸汽量減小，進(jìn)而造成發(fā)電功率波動(dòng)且較低。在氣化爐系統(tǒng)建立真閃系統(tǒng)循環(huán)期間，最直觀表現(xiàn)是排氣溫度的變化。排氣溫度從49 ℃升高至79 ℃，且波動(dòng)較大。排氣溫度升高，現(xiàn)場真空泵排出氣體溫度較高，隨之排氣壓力降低，發(fā)電機(jī)的負(fù)荷也隨之降低。

原設(shè)計(jì)進(jìn)300 t/h高閃黑水，氣化循環(huán)水量每增加10 t/h，高閃進(jìn)水增加10 t/h，即進(jìn)高閃黑水310 t/h。水在205 ℃下的液體焓為875 kJ/kg，水在158 ℃下的液體焓為666 kJ/kg，158 ℃下飽和蒸汽焓為2 755 kJ/kg。根據(jù)在閃蒸前后能量和物料守恒原則，設(shè)閃蒸后蒸汽質(zhì)量為m汽，閃蒸后凝液質(zhì)量為m液。

閃蒸前的能量：

Q1=310 t/h×1 000×875 kJ/kg

(12)

閃蒸后能量：

Q2=m汽×1 000×2 755 kJ/kg+m液×

1 000×666 kJ/kg

(13)

質(zhì)量守恒：

m汽+m液=310

(14)

由(12)、(13)、(14)式可得：

m汽=31 t/h，m液=279 t/h

通過高壓閃蒸罐的閃蒸分離出31 t/h的0.600 MPa蒸汽和279 t/h的0.600 MPa飽和水。

真閃的水來自279 t/h高閃，進(jìn)行真空閃蒸。通過閃蒸溫度由158 ℃降至100 ℃，壓力由0.600 MPa降至0.100 MPa。根據(jù)物性表，水在158 ℃下的液體焓為666 kJ/kg，水在100 ℃下的液體焓為419 kJ/kg，100 ℃下飽和蒸汽焓為2 675 kJ/kg。根據(jù)在閃蒸前后能量和物料守恒原則，設(shè)閃蒸后蒸汽質(zhì)量為m汽，閃蒸后凝液質(zhì)量為m液。

閃蒸前的能量：

Q1=279 t/h×1 000×666 kJ/kg

(15)

閃蒸后能量：

Q2=m汽×1 000×2 675 kJ/kg+m液×

1 000×419 kJ/kg

(16)

質(zhì)量守恒：

m汽+m液=279

(17)

由(15)、(16)、(17)式可得：

m汽=30.5 t/h，m液=248.5 t/h

N=0.5×1 000×284×0.73/3 600×0.8=

23(kW·h)

即氣化循環(huán)水量增加10 t，真閃蒸汽增加0.5 t，增加發(fā)電量23 kW·h。

4 結(jié)語

引起氣化真閃發(fā)電機(jī)功率波動(dòng)的因素包括循環(huán)水流量、溫度、氣化系統(tǒng)循環(huán)水量；影響汽輪機(jī)的發(fā)電量主要因素是汽輪機(jī)前后閃蒸汽壓差；循環(huán)水溫度是影響汽輪機(jī)組凝汽器壓力的重要參數(shù)；氣化系統(tǒng)水循環(huán)流量對真閃壓力影響較大，發(fā)電量和真閃閃蒸汽量直接相關(guān)聯(lián)。探究影響真閃發(fā)電機(jī)功率的因素，為真閃發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行起到指導(dǎo)作用，可提升氣化裝置乏汽的利用率。