汽輪發電機組在磷酸生產節能中的應用

黃都都

（安徽節源環保科技有限公司，安徽 合肥 230088）

據中國化肥網統計，2017年二銨全年設計產能在2 400萬噸以上，雖有部分小廠退出二銨產能，但仍有一部分大廠二銨裝置已投入生產，甚至還有一部分企業二銨新增產能早在前幾年就獲得審批（尚未投入生產），即從當前的設計產能來看，國內二銨整體產能依然過剩。在國內化肥消費疲軟，國際市場開拓難度較大以及為維持企業正常運行而不斷加大環保投入的狀況下，亟待降低生產成本，深挖工藝潛力，提高企業生存能力。

國內企業主要采用傳統的濕法制磷酸，將稀磷酸濃縮后通氨來獲得磷酸二銨。通常企業自備硫磺制酸的熱電聯產裝置或外購熱電廠蒸汽，經管道輸送至磷酸濃縮系統[此時壓力一般為 0.4 MPa（A）～0.6 MPa（A）]，再利用減溫減壓器將蒸汽參數降至生產所需壓力 [通常為0.15 MPa（A）～0.3 MPa（A）的飽和蒸汽]后進入石墨換熱器。根據理論計算，該過程中存在著能量浪費，回收空間巨大。“十三五”再次強調指出“在改革環境治理基礎制度的同時，要支持綠色清潔生產，推動建立綠色低碳循環發展產業體系”[1]。

1 主設備選型

1.1 設計的特點

（1）用汽特點。磷酸濃縮過程中，因溶液中所含雜質等原因，在運行一段時間后，一般在20～30天左右，換熱設備會發生嚴重結垢，要求能量回收設備能夠做到經常開停車不會導致機組性能迅速下降；另外，磷肥生產企業多屬于大型企業，廠區用汽點較多，蒸汽參數的波動頻繁，要求機組的進汽參數適應范圍較大。

（2）操作特點。目前企業為了提高員工的工作效率和工作飽和度，基本都是按需進行崗位設置，所以新增的設備應盡可能操作簡單化、自動化、遠程化，減少加崗增員問題。

（3）用電特點。筆者根據在國內主要的磷酸二銨生產企業調研數據分析后發現，除個別因某些原因導致蒸汽參數不夠理想外，磷酸濃縮所用蒸汽經能量回收后所產生的電能，能夠滿足50%～75%磷酸濃縮工段/車間的用電量。所以，要求發電系統能夠就近發電并入車間配電室，直供用電設備使用。

（4）場地特點。一般而言，能量回收裝置盡量靠近用汽點，避免排汽管道過長導致壓力管損增加，這就局限了可用場地的選擇，要求裝置的占地面積小，安裝難度低，關停啟動操作簡單，易于維護保養。

1.2 原動機類型

目前市面上能夠用于蒸汽壓差能量回收的原動設備主要有螺桿機和汽輪機兩種。通過實際案例調研和投資成本分析，決定采用汽輪機作為原動機。

（1）單套10萬噸/年磷酸濃縮裝置的蒸汽壓差發電量最大量約為1.1 MW，而單套15萬噸/年磷酸濃縮裝置的蒸汽壓差發電量最大量約為1.5 MW，國內螺桿機制造商較為成熟的機型基本在1 MW及以下，無法滿足工況的需要。

（2）汽輪機作為老牌工業產品，國產工藝已日臻完善，不論是加工精度、使用壽命，還是售后服務都有所保障。而螺桿機在國內屬于新鮮事物，處于推廣期，制造水平與國外相比仍較為粗糙，若采購進口螺桿機則會導致投資成本過高，且日后維修難度加大。

（3）螺桿機的設計原理決定了其是非常適合這種低品位蒸汽的低壓差利用場合。相較而言，早些年，汽輪機制造廠家不論是主觀上亦或是客觀上原因，導致看不上這種低品位蒸汽的低壓差利用，但隨著汽輪機市場較高飽和度帶來的競爭壓力，以及國內各級政府和企業節能環保意識的加強，促使制造廠家開始向小型機組傾斜，投入人力物力進行高效小型汽機的研制工作，目前已能做到背壓汽機內效率和螺桿機相當。

1.3 發電機類型

根據實際應用情況和相關政策，選擇異步發電機，而不采用同步發電機，理由如下：

（1）雖然國家鼓勵余熱余壓發電，且有政策支持，但同步發電機需要到當地供電局進行網上備案，手續繁瑣，有時會增加不必要的麻煩。相對而言，國家并未對異步發電機有過多的強制要求，故受行政干預度小。

（2）同步發電機并網供電時操作難度大，要滿足各種先決條件，而異步發電機只要達到額定轉速即可合閘送電，對于磷酸濃縮這樣需要經常開停車的汽源，顯然異步發電機更加合適。

（3）同步發電機存在勵磁等系統，維保工作量和難度都比結構簡單的異步發電機要大，所以選擇異步發電機可以降低維護費用。

（4）異步發電機的一次性投資小于同步發電機[2]。

2 實際案例

2017年，我們針對貴州某大型磷化工企業磷酸濃縮工段進行了節能改造，分述如下。

2.1 蒸汽參數

該化工企業磷酸車間目前擁有三套磷酸濃縮裝置，每一套濃縮裝置都有一個獨立的減溫減壓器，每月運行約20～30天。裝置剛投運時蒸汽流量較大，隨著換熱器結垢現象的發生，投運一段時間后，蒸汽流量逐步降低，進入沖洗維護模式，具體蒸汽參數見表1。

表1 蒸汽減溫減壓前后的參數

2.2 改造方案

選用杭州中能汽輪動力有限公司制造的3臺背壓汽輪發電機組，正常生產期間所有蒸汽通過汽輪機減壓后進入濃縮石墨換熱器前的低壓蒸汽母管，汽輪機停運時通過調節閥恢復到原有供汽狀態，同時汽輪機進出口蒸汽閥門關閉，以便汽輪機檢查、檢修。汽輪機排汽流量、溫度不夠時，通過原有蒸汽減溫減壓站補充。

圖1 單套磷酸濃縮系統改造示意圖

經測算，在保持進汽壓力基本無波動的情況下，進汽溫度至少要達到183℃時，才會使排汽溫度開始出現過熱現象，進汽溫度至少要超過201℃時，排汽溫度才能達到石墨換熱器承受的上限。根據上游來汽的歷史數據，從未有超過180℃情況發生，所以按圖1的流程進行改造是合適的。

本方案選用6 kV異步發電機組，并滿足電力就近消耗而不上網至其他高壓配電室，將磷酸濃縮改造發電機（總容量為3.75 MW）并入磷酸濃縮高壓配電室，通過自動并網裝置接入磷酸濃縮6 kV母線。

2.3 運行效果

改造后實際運行時，因企業蒸汽系統發生波動，使得進入磷酸濃縮車間的蒸汽處于飽和狀態，汽含水量超出設計值。為驗證機組的適應性，以此條件進行機組72 h性能測試，所得數據見表2，同時根據汽輪機廠家提供的性能曲線圖進行修正。

表2 汽輪發電機組汽耗值

需要指出的是，進汽量過于偏小將會明顯影響汽輪機做功效率；另外，由于飽和蒸汽經流量計再到汽輪機進汽口時，或多或少都有部分蒸汽液化，導致實際進汽量減少；同時飽和蒸汽在機組通流部分做功效率也較過熱蒸汽低，所以如果蒸汽溫度能夠達到設計溫度，則發電功率和汽耗值都將得到改善。

2.4 節能回收率

在不計系統熱損耗及排汽所含凝水的前提下，根據表1和火用值計算公式Ex=H-H0-T0（S-S0）[3]，可得Ex=146.5 kJ/kg（蒸汽），額定30 t/h蒸汽100%理論輸出做功功率為1 220 kW，按表2中修正值的數據推算，額定30 t/h蒸汽發電功率為767 kW，故本系統的節能回收率約為

3 分析與討論

在本文所述項目實施之前，磷酸濃縮蒸汽的余壓利用在國內公開文獻中較少，此類項目在磷肥行業屬于老戲新唱，在設計、施工、運行過程中發現一些實際問題，希望能給該類型新上項目提供借鑒。

3.1 發電效率

在該項目中，30 t/h設計蒸汽流量時，實際運行的發電功率約為767 kW，而杭州中能公司對該汽輪發電機組的理論設計發電功率約為840 kW，實際值為設計值的91.4%。在忽略設備本身制造問題的前提下，以下兩點是造成發電功率偏低的重要原因：

（1）汽輪發電機組做發電能力設計時是對應在最優進出汽條件下，未考慮實際管道、閥門、測量點布置對汽阻的影響。

（2）實際運行過程中，飽和蒸汽極易因受冷而部分液化，導致實際進汽量偏小，降低了汽機內部的熱功轉換效率。

故在項目踏勘、設計階段，應充分考慮到實施過程中的各種不利因素，適當選取系統效率因子。

3.2 無功補償

異步發電機的本質就是異步電動機，同樣需要消耗電網額外的無功功率。為避免對整個廠區功率因數產生影響，需要根據異步發電機的額定功率確認無功補償數量。

特別需要說明，無功補償器配足后，當所發電能并入車間配電室時，發電機輸出功率越大，進車間的總線上功率因數越低，因總線上的有功功率與無功功率雖然都有一定程度的下降，但下降的比例不同，有功功率下降多，無功功率下降少，故造成此現象，因此對廠區總線上功率因數敏感的企業需格外引起重視。

4 收益成本分析

4.1 投資成本

項目全套投資（含設計、采購、施工、安裝調試）約1 600萬元人民幣。

4.2 運行成本

運行過程的費用以自耗電為主，包括控制系統用電、循環水系統用電等，宜按設計發電量的2%～3%計。

4.3 節能效益

按單臺機組平均供電功率750 kW，全年運行7 200 h計，本項目三臺機組全年發電量3×750×7 200=1 620萬kW·h，每年節約標準煤約5 400噸。

4.4 技術經濟評價

按2017年“貴州省電網銷售電價表”中大工業用電最低電價0.482 6元/kW·h計，全年節約電費1 620×0.482 6=782萬元，投資回收期約2年；全年減少二氧化碳排放約16 000噸，經濟效益和社會效益十分可觀。

5 結束語

以低品位蒸汽為工質的高效小型背壓汽機用于低壓差條件下的能量回收，該技術可廣泛替代各行業中減溫減壓器，不僅能為企業帶來實實在在的經濟回報，更能為節能減排事業添磚加瓦，具有廣闊的應用前景。