煤制油項目飽和蒸汽余熱利用研究

周 翔

（惠生工程（中國）有限公司，上海 201203）

?

煤制油項目飽和蒸汽余熱利用研究

周 翔

（惠生工程（中國）有限公司，上海 201203）

摘 要：以某干粉氣化間接合成油項目為例，通過全廠蒸汽平衡的計算，確定了飽和余熱發電機組的裝機容量和形式；分析了飽和余熱發電汽輪機的排汽壓力、排汽干度、相對內效率等變量，提出了飽和余熱汽輪機選型中應注意的問題。

關鍵詞：煤制油；蒸汽平衡；飽和余熱汽輪發電機組

某煤制油項目是一新建的大型清潔煤化工項目，采用煤氣化間接制取0#柴油、石腦油、汽油和LPG等產品。其主要工藝是將原料煤通過Shell干煤粉加壓氣化工藝生產以CO和H2為主要成分的粗煤氣，再經過熱量回收、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，經下游的凈化裝置精制后，最終經費托合成和油品加工等工藝過程生產出高附加值的合成油產品。

煤氣化間接制油品技術由于其工藝流程長、裝置多、規模大，使得全廠蒸汽系統非常復雜；另外其工藝過程會釋放大量的熱能從而產生大量的蒸汽，煤氣化和費托合成是該項目中兩個最大的副產蒸汽的裝置，共副產蒸汽約1 200 t/h。所以合理地設置全廠蒸汽系統和利用化工產生余熱，對于降低企業產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荷，計算蒸汽平衡，制定有效地利用化工裝置副產飽和蒸汽的方案，進而分析及探討余熱飽和汽輪機的選型。

1 全廠熱負荷概述

該煤制油項目中各工藝裝置和配套的各輔助生產設施、公用工程裝置需要大量的蒸汽作為加熱及動力來源。

按照能源梯級利用的原則，全廠共設置5個蒸汽等級，全廠蒸汽平衡簡圖見圖1。

高壓蒸汽（9.8 MPa（g），520℃）蒸汽的來源為熱電裝置鍋爐，鍋爐正常工況下產生1 030 t/h高壓蒸汽，主要用于驅動空分透平和高壓背壓發電機組。

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組產生的388 t/h次高壓蒸汽并入次高壓蒸汽管網，用于化工用熱及驅動循環氫壓縮機、貧液泵、循環氣壓縮機、F-T中壓鍋爐給水泵、氫氣壓縮機、丙烯制冷壓縮機、CO2壓縮機等16套工藝設備驅動用汽輪機，

該等級驅動用汽輪機總功率為85 063 kW；剩余蒸汽進入次高壓余熱發電機組產生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托合成裝置所副產的飽和蒸汽，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，對于全廠總的能源利用效率的提高及企業產品能耗指標的降低有著非常重要的意義。

圖1 全廠蒸汽平衡簡圖

2 飽和蒸汽余熱利用方案

費托合成裝置副產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分析有兩個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一級過熱器，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力蒸汽驅動工業透平；但此方案在費托合成停車時勢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電技術，將多余的中壓飽和蒸汽直接送入中壓飽和汽輪發電機組。此方案的優點是當工藝裝置運行情況發生變化時，可靈活地調整發電量來適應飽和蒸汽量的變化；飽和蒸汽余熱發電技術在冶金、水泥等行業應用較為廣泛，有一定的應用基礎。其缺點主要體現在飽和蒸汽含濕量較高，汽輪機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，最后幾級葉片工作環境惡劣，致使汽輪機本體造價較高；并且連續運行小時數較低。

經過經濟技術比較，選取飽和蒸汽汽輪機方案。設置2臺裝機容量為25 MW的中壓飽和抽凝式余熱發電機組，額定進汽壓力2.9 MPa（a），進汽溫度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，提供化工裝置用熱。

3 中壓飽和抽凝式汽輪機選型分析

飽和汽輪機作為本項目消耗費托合成裝置副產的2.9 MPa（g）飽和蒸汽產生電力的關鍵設備，由于工作介質為中壓飽和蒸汽，級內膨脹做功后蒸汽濕度很大，其與常規汽輪機相比較具有一定的特殊性。根據飽和汽輪機的特點，選型時需考慮如下的措施以減小飽和蒸汽對于機組安全穩定運行的影響：①根據透平不同級間含水量來設計透平機轉速和級數；②采用多級汽輪機提高蒸汽利用效率，同時可分散水滴作用于每個渦輪葉片上的應力；③透平選取較低的轉速減少飽和蒸汽中水對渦輪葉片的沖擊；④透平機箱體設計排水溝槽，以便快速將工作時新生成的水排除；⑤蒸汽入口處和級間設置高效汽水分離設備逐級有效除水；⑥噴嘴環、渦輪葉片應用優質合金鋼材料，提高強韌性。

3.1 變量選取

本項目中壓飽和抽凝式余熱發電機組裝機容量為25 MW，屬小型熱電站范疇，故可根據《小型熱電站實用設計手冊》選取各設計變量。

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

本項目中壓飽和余熱發電機組裝機容量為25 MW，故選取表中第2行數據。

3.1.3 排汽干度

結合設計手冊及各汽輪機制造商數據，可得飽和汽輪機組排汽干度不宜低于0.85。

3.2 汽輪機選型計算

本項目25 MW中壓飽和余熱抽凝式汽輪機主要參數見表3。

表3 25 MW中壓飽和余熱抽凝式汽輪機參數

3.2.1 確定進汽參數

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

式中，h0：汽輪機進汽焓，kJ/kg；hq：飽和蒸汽焓，kJ/kg；hs：飽和水焓，kJ/kg。

3.2.2 計算抽、排汽參數

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

根據排汽壓力，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，計算抽汽焓h1和排汽焓h2：

式中，h0：汽輪機進汽焓，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：透平內效率。

由計算所得排汽焓可在水蒸氣H-S圖中查得排汽干度。根據不同的排汽壓力和透平內效率選取排汽干度、相對內效率、排汽壓力3個變量的曲線圖，見圖2。

圖2 排汽干度、相對內效率、排汽壓力三變量曲線

由以上曲線可知：①當排汽干度一定時，透平內效率隨著排汽壓力的升高而升高。在汽輪機進汽參數、進汽量、抽排汽參數等數據一定，保證末級葉片的干度≥0.85時，我們在曲線上可知其透平內效率最高為0.76；②當排汽壓力一定時，排汽干度與相對內效率成反比關系；③當相對內效率一定時，排汽干度隨著排汽壓力的升高而升高。

根據《小型熱電站實用設計手冊》和部分汽輪機制造商數據，排汽干度應＞0.85，結合上圖計算結果，透平內效率取值區間為0.75～0.76。所以本項目中壓飽和余熱抽凝式汽輪機排汽壓力應≥0.025 MPa（a）。

3.2.3 計算汽輪機發電功率

式中，P：發電功率，kW；G1：抽汽量，t/h；G2：排汽量，t/h；h0：汽輪機進汽焓，kJ/kg；h1：抽汽焓，kJ/kg；h2：排汽焓，kJ/kg；ηm：機械效率；ηg：發電效率。

由以上公式根據選取不同的排汽壓力和透平內效率計算求得一系列發電功率，發電功率、相對內效率、排汽壓力3個變量可形成的曲線見圖3。

圖3 發電功率、相對內效率、排汽壓力三變量曲線

由以上曲線可知：①當發電功率一定時，透平內效率隨著排汽壓力的升高而升高；②當排汽壓力一定時，發電功率與相對內效率成正比關系；③當相對內效率一定時，發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），透平內效率取0.75，進汽流量為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）時的汽輪機發電功率比0.03 MPa（a）時的高643 kW。

根據前文3.2.2節選取的本項目中壓飽和余熱抽凝式汽輪機排汽壓力應≥0.025 MPa（a）；當進汽參數、進汽量為定值時，排汽壓力越低所對應發電量越大，為最大限度地利用化工余熱，其他參數不變時發電量越多效益越好，因此選取該汽輪機排汽壓力為0.025 MPa（a），透平內效率為0.75，排汽干度為0.85。

4 結語

干煤粉氣化費托合成間接制油品技術的工藝過程為放熱反應，高效地利用其產生的大量化工余熱，降低企業產品能耗和成本有著非常重要的意義。飽和余熱汽輪發電機組直接利用該工藝過程副產的低品位飽和蒸汽發電，大大提升了企業整體的能源利用率。另在飽和余熱汽輪機選型時應充分考慮設備的安全穩定運行，為確保末級葉片的安全，因此排汽壓力不能過低；并且為合理控制汽輪機各級焓降而設計較低的透平內效率也是保證機組安全運行的一種手段。

參考文獻：

［1］小型熱電站實用設計手冊編寫組.小型熱電站實用設計手冊［M］.北京：中國電力出版社，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：TK115

文獻標識碼：B

文章編號：1004-8901（2016）03-0036-04

作者簡介：周翔（1979年-），男，甘肅蘭州人，2003年畢業于西安交通大學能源與動力工程學院熱能與動力工程專業，工程師，現主要從事熱能工程設計等工作。

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