煉廠低壓蒸汽汽輪機(jī)應(yīng)用比較

姜繼偉，王春峰，孫惠山，陶國鋒

（中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司， 山東 青島 266071）

煉廠低壓蒸汽汽輪機(jī)應(yīng)用比較

姜繼偉，王春峰，孫惠山，陶國鋒

（中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司， 山東 青島 266071）

在新建和改擴(kuò)建的煉廠項(xiàng)目中，經(jīng)常采用低壓蒸汽進(jìn)背壓汽輪機(jī)做功來拖動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，并背出低低壓蒸汽供工藝裝置使用。汽輪機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備可采用兩種方案，其一是拖動(dòng)多臺(tái)低功率泵、風(fēng)機(jī)等小型設(shè)備；其二是拖動(dòng)一臺(tái)大功率背壓發(fā)電機(jī)，利用電能拖動(dòng)小型設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。針對(duì)汽輪機(jī)用作發(fā)電和工業(yè)拖動(dòng)兩種用途，對(duì)比分析煉廠在蒸汽不足和過剩的情況下汽輪機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。通過工程實(shí)例比較，在同等進(jìn)汽情況下，汽輪機(jī)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性往往要好于工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)。

低壓蒸汽；汽輪機(jī)；發(fā)電；工業(yè)拖動(dòng)

在煉廠生產(chǎn)過程中，某些工藝裝置需要大量的0.4 MPa低低壓蒸汽（如酸性水汽提裝置、溶劑再生裝置等），但由于低低壓蒸汽過熱度低，流動(dòng)阻力大，易疏水，要求輸送管徑大等特點(diǎn)，不適合長(zhǎng)距離輸送。在實(shí)際生產(chǎn)中，全廠管網(wǎng)往往僅提供3.5、1.0 MPa中、低壓蒸汽，在裝置中采用減溫減壓器或背壓汽輪機(jī)背出低低壓蒸汽供裝置使用。

在上世紀(jì)建設(shè)的煉廠中，由于規(guī)模大都較小，加工的大多是低硫油，硫磺回收裝置規(guī)模小，用0.4 MPa低低壓蒸汽相對(duì)也比較少，大都采用減溫減壓器來保證裝置低低壓蒸汽的供給。進(jìn)入本世紀(jì)，特別是近年來，隨著我國石油需求的不斷增長(zhǎng)，煉油規(guī)模不斷擴(kuò)大，近幾年新建項(xiàng)目都是千萬噸級(jí)，加工的大都是進(jìn)口的高硫油，造成煉廠硫磺回收裝置規(guī)模越來越大，0.4 MPa低低壓蒸汽負(fù)荷相應(yīng)也越來越高，再通過減溫減壓獲得既不經(jīng)濟(jì)，也不符合國家節(jié)能減排的政策。

為了充分利用3.5、1.0～0.4 MPa的能量，一般通過蒸汽透平將低壓蒸汽背壓出低低壓蒸汽。根據(jù)低壓蒸汽的產(chǎn)量和參數(shù)，蒸汽可集中利用和分散利用。集中利用可用作汽輪機(jī)發(fā)電；分散利用可利用汽輪機(jī)取代電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵等做功設(shè)備。通過蒸汽透平回收能量，不僅節(jié)約電能，而且提高了企業(yè)能源利用率。

1 蒸汽利用效果分析

目前國內(nèi)煉廠設(shè)計(jì)中，均采用“以汽定電”蒸汽逐級(jí)利用的原則，動(dòng)力站或者裝置產(chǎn)生的高壓或中壓蒸汽，經(jīng)梯級(jí)利用后成為低壓、低低壓蒸汽，被用作加熱工藝介質(zhì)。在裝置內(nèi)設(shè)置一臺(tái)或多臺(tái)蒸汽汽輪機(jī)，既能有效利用蒸汽的能量，又能降低生產(chǎn)成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)性[1]。

在煉廠的設(shè)計(jì)或改造過程中，當(dāng)需要設(shè)透平時(shí)，人們往往把思路首先投向采用工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、泵或風(fēng)機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械，但卻忽視了如下問題：一般情況下，煉廠中大功率壓縮機(jī)數(shù)量有限，而泵、風(fēng)機(jī)的數(shù)量較多、功率小，當(dāng)需要透平的蒸汽量較大時(shí)，找不到足夠的壓縮機(jī)用汽輪機(jī)拖動(dòng)，就需要很多臺(tái)的小型汽輪機(jī)同時(shí)工作來拖動(dòng)泵、風(fēng)機(jī)等，而當(dāng)工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)的軸功率比較小時(shí)，汽輪機(jī)的效率隨之降低，節(jié)能效果大打折扣。

如果放棄選用大量小功率汽輪機(jī)拖動(dòng)泵、風(fēng)機(jī)，而是采用單臺(tái)大功率汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)泵、風(fēng)機(jī)，其綜合效率將得以提高。雖然發(fā)電在二次能源轉(zhuǎn)換和輸送過程中存在能量損失；但采用小功率機(jī)組帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，雖然沒有能量損失，但機(jī)組效率過低，不經(jīng)濟(jì)[2]。

下面通過比較汽輪機(jī)同等進(jìn)汽情況下發(fā)電和工業(yè)拖動(dòng)的軸功率，分析汽輪機(jī)在兩種用途下的經(jīng)濟(jì)性，得出汽輪機(jī)的最佳使用方案。在全廠蒸汽不足時(shí)，采用背壓式汽輪機(jī)發(fā)電或拖動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，背出低低壓蒸汽，滿足裝置蒸汽需求[3]；在全廠蒸汽過剩時(shí)，采用凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電或拖動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，并將低壓蒸汽冷凝掉，達(dá)到蒸汽的有效利用[4]。

1.1 全廠蒸汽不足

煉廠蒸汽不足時(shí)，裝置需要低低壓蒸汽，可將低壓蒸汽自管線引至裝置，采用背壓式汽輪機(jī)背出低低壓蒸汽。背壓式汽輪機(jī)可采用一臺(tái)大功率發(fā)電汽輪機(jī)，也可以采用多臺(tái)工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)。圖1給出了背壓式汽輪機(jī)兩種用途下軸功率與汽輪機(jī)效率的關(guān)系，圖中發(fā)電汽輪機(jī)效率取0.7；工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)效率與汽輪機(jī)的功率有關(guān)，如果采用多臺(tái)小功率汽輪機(jī)，則平均效率較低，本文在比較時(shí)，工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)的平均效率范圍取0.3～0.8。

圖1 背壓式汽輪機(jī)功率比較Fig.1 Power comparison of back pressure steam turbine

由圖1可以看出，汽輪機(jī)軸功率與效率成正比關(guān)系，隨著效率的降低，汽輪機(jī)軸功率下降。裝置內(nèi)采用工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)時(shí)，驅(qū)動(dòng)泵或風(fēng)機(jī)，汽輪機(jī)軸功率小，效率低[5]。

根據(jù)以上分析，煉廠低壓蒸汽用作發(fā)電的優(yōu)勢(shì)較大，能夠減少煉廠的外買電量，從而降低全廠的生產(chǎn)成本。

1.2 全廠蒸汽過剩

煉廠蒸汽過剩時(shí)，低壓蒸汽需采用凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電或拖動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備。圖2給出了汽輪機(jī)軸功率與效率之間的關(guān)系，圖中發(fā)電汽輪機(jī)的效率取0.8，工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)的平均效率范圍取0.3～0.85。

圖2 凝汽式汽輪機(jī)功率比較Fig.2 Power comparison of condensing steam turbine

由圖2可以看出，凝汽式汽輪機(jī)軸功率與汽機(jī)效率成正比關(guān)系。在進(jìn)汽參數(shù)相同的情況下，多臺(tái)工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)的平均效率低，相應(yīng)的輸出軸功率少。在全廠蒸汽過剩時(shí)，發(fā)電汽輪機(jī)較工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)軸功率要大，蒸汽利用效果要好[5]。

2 經(jīng)濟(jì)性比較

按照低壓蒸汽進(jìn)汽輪機(jī)，進(jìn)汽量100 t/h，背壓式汽輪機(jī)背出低低壓蒸汽。發(fā)電汽輪機(jī)取1臺(tái)；工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)組取3臺(tái)，進(jìn)汽量分別為50，30，20 t/h。在同等進(jìn)汽情況下，本文分別從投資成本、運(yùn)行成本兩個(gè)方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。

2.1 全廠蒸汽不足

在全廠蒸汽不足情況下，采用背壓式汽輪機(jī)。

2.1.1 投資成本

1臺(tái)進(jìn)汽量為100 t/h的汽輪機(jī)組帶發(fā)電機(jī)需投資500萬元。3臺(tái)進(jìn)汽量為50，30，20 t/h的工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)及相應(yīng)的調(diào)速裝置共需投資250萬元。

2.1.2 運(yùn)行成本

汽輪機(jī)進(jìn)汽量對(duì)應(yīng)的軸功率如表1所示。

表1 進(jìn)汽量與軸功率(一)Table 1 Steam input and shaft power（1）

進(jìn)汽量為100 t/h的汽輪機(jī)發(fā)電量約4 000 kW，3臺(tái)工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)功率總計(jì)為2 340 kW。假定工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)帶泵負(fù)荷等于汽輪機(jī)功率，發(fā)電汽輪機(jī)發(fā)電量除滿足泵負(fù)荷要求和電路線損外，還剩余接近1 460 kW。

按照全年滿負(fù)荷運(yùn)行 8 400 h，1年可多發(fā)電1.23×104 MW。按照工業(yè)用電0.6元/kWh，每年可產(chǎn)效益736萬元。由此可見，1臺(tái)進(jìn)汽量為100 t/h的發(fā)電汽輪機(jī)與3臺(tái)工業(yè)拖動(dòng)用汽輪機(jī)比較，雖然初投資較高，但是不到1年便可收回投資成本，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 全廠蒸汽過剩

在全廠蒸汽過剩的情況下，采用凝汽式汽輪機(jī)。

2.2.1 投資成本

1臺(tái)進(jìn)汽量為100 t/h的帶發(fā)電機(jī)汽輪機(jī)組共投資1 000萬元。3臺(tái)進(jìn)汽量為50，30，20 t/h的工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)及相應(yīng)的調(diào)速裝置共需投資650萬元。

2.2.2 運(yùn)行成本

汽輪機(jī)進(jìn)汽量對(duì)應(yīng)的軸功率如表2所示。

表2 進(jìn)汽量與軸功率（二）Table 2 Steam input and shaft power（2）

進(jìn)汽量為100 t/h的汽輪機(jī)組發(fā)電量約16 790 kW，3臺(tái)工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)功率總計(jì)為8 200 kW，假定工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)帶泵負(fù)荷等于汽輪機(jī)功率，發(fā)電汽輪機(jī)發(fā)電量除滿足泵負(fù)荷要求和電路線損外，發(fā)電量剩余7 750 kW。

按照全年滿負(fù)荷運(yùn)行8 400 h，可多發(fā)電6.51× 104MW。按照工業(yè)用電0.6元/kWh，每年可產(chǎn)效益3 900萬元。由此可見，采用汽輪機(jī)發(fā)電很快便可收回投資成本，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

3 結(jié) 語

在煉廠的設(shè)計(jì)或改造過程中，采用汽輪機(jī)代替減溫減壓器，合理利用各個(gè)蒸汽等級(jí)間的能量差是非常必要的，但并不是只要不減溫減壓就是最節(jié)能的。汽輪機(jī)型式的選擇可根據(jù)煉廠蒸汽平衡情況綜合考慮，汽輪機(jī)的數(shù)量應(yīng)盡量少，單臺(tái)汽輪機(jī)功率應(yīng)盡量大，如果找不到較大的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，可采用單臺(tái)大功率發(fā)電汽輪機(jī)代替多臺(tái)工業(yè)拖動(dòng)汽輪機(jī)，通過電能形式來驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)泵或風(fēng)機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)煉廠蒸汽能量的有效利用，從而降低全廠的生產(chǎn)成本，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 謝業(yè)平．低壓飽和蒸汽汽輪機(jī)的應(yīng)用及其發(fā)展前景[J]．節(jié)能技術(shù)，2011，29(1)：61-65．

［2］ 王平子，吳迎曦，等．汽輪機(jī)效率的不斷進(jìn)展[J]．工業(yè)汽輪機(jī)，2001(3)：24-30．

［3］ 李晶．小型背壓式汽輪機(jī)在企業(yè)節(jié)能降耗中的應(yīng)用研究[J]．科技資訊，2008(32)：137-138．

［4］ 雷澤永．煉廠節(jié)省中壓蒸汽技術(shù)[J]．節(jié)能，2011，30（7）：105-108．

［5］ 趙常興．汽輪機(jī)組技術(shù)手冊(cè)[M]．北京：中國電力出版社，2007．

Application of Low Pressure Steam Turbines in Refineries

JIANG Ji-wei，WANG Chun-feng，SUN Hui-shan，TAO Guo-feng
（CPECC East-China Design Branch, Shandong Qingdao 266071, China）

In new building, transformation and extension projects of refineries, the low pressure steam is often put in the back pressure steam turbine to drive rotational machines and produce lower pressure steam for processing installations in the refinery. There are two ways for steam turbine driving rotational machines. The first way is to drive many little equipments, such as little power pumps and fans; the other way is to drive high-power backpressure electric generator to generate electric energy then to drive little machines. In this paper, aiming at two kinds of uses including generating electric energy and driving rotational machines, the economy of steam turbines under the situation of steam lack or excess was analyzed and compared. The results show that the economy of steam turbine for generating power is better than that for driving rotational machines.

Low pressure steam; Steam turbine; Generating power; Industrial driving

TK 26

A

1671-0460（2012）06-0591-03

2012-01-30

姜繼偉（1984-），男，山東臨朐人，工程師，碩士，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），從事煉油廠熱工設(shè)計(jì)工作。E-mail：jiangjiwei@cnpccei.cn。