某化工廠轉動設備驅動方式改造方案設計

楊 佼

(中鐵三局集團有限公司勘測設計分公司，山西 太原 030001)

1 工程概況

某化工廠以焦爐氣為原料，年產18萬t合成氨、30萬t尿素，其工藝流程如下：焦爐氣輸送→氣柜→濕法脫流→壓縮→干法脫硫→轉化→變換→補碳→脫碳→精脫硫→甲烷化→氨合成→尿素合成→尿素造粒。其中合成氨裝置工藝流程采用氣柜、濕法脫硫、壓縮、轉化、變換、補碳、脫碳和甲烷化工序，最后經合成工段生成液氨。尿素生產工藝采用二氧化碳汽提法生產工藝，使用合成氨生產中生產出來的液氨及來自合成氨生產脫碳工序的原料CO2氣體來合成尿素。生產工藝包括原料的供應、合成與汽提、低壓分解回收、尿素溶液的蒸發、解吸水解、大顆粒尿素等6個部分。

該化工廠現存工藝轉動設備驅動方式均為電動機驅動，運行時，廠用電率較高，影響全廠的經濟運行指標。為進一步節約能源、降低能耗，提高全廠經濟效益，擬將該廠部分用電設備改為汽輪機驅動。經全面排查，可供改造設備見表1。

表1 改造機組信息表

2 改造方案選擇

考慮將表1用電設備改為汽輪機驅動，汽輪機所需蒸汽配置采用三級管網，改造方案如下：

方案一：此方案考慮三級管網，蒸汽平衡圖如圖1所示。第一級管網為9.0 MPa(a),530 ℃，第二級管網為2.6 MPa(a),380 ℃，第三級管網為0.7 MPa(a),270 ℃。

進汽采用第一級管網，排汽去第二級管網的機組為空分SVK一臺(2 087 kW)，空分MCL一臺(3 796 kW)，CO2壓縮機2臺(2 270 kW×2)。考慮到空分機組是整個廠內工藝中最重要的機組，所以將其放在第一級管網上。CO2壓縮機廠房距空分車間廠房較近，所以這4臺機組進汽用同一個管網，可減少高溫高壓蒸汽管道的布置。

功率較小的機組可以做成進汽采用第二級管網蒸汽，排汽去第三級管網。此類機組有造氣風機2臺(416 kW×2)、尿素循環水泵2臺(400 kW×2)、鼓風機3臺(311 kW×3)。主要是考慮這些機組功率較小，采用這個等級的蒸汽，效率相對較高，機組改造比較方便。

剩下的機組做成進汽0.7 MPa(a)的冷凝式汽輪機，此類機組有冰機3臺(978 kW×3)、循環水泵2臺(900 kW×2)、汽輪機循環水泵2臺(900 kW×2)，這幾臺機組現場有放冷凝器空間，所以考慮采用冷凝機型。

將鍋爐給水泵(948 kW)中的一臺選為汽輪機驅動，進汽采用第二級管網，排汽去第三級管網。將除氧器低壓加熱蒸汽接入第三級管網。另外，二級管網富裕蒸汽可設一臺高壓加熱器，加熱鍋爐給水，以降低鍋爐煤耗。

此方案為三級蒸汽管網，每級管網上均有備用電機，遇到機組檢修或廠內生產蒸汽有調整時，均可通過開電機驅動的備用機組，對管網重新進行平衡。

此方案軸功率20 470 kW，其中，改造功率19 522 kW，改造機組18臺。需要高溫高壓蒸汽約158 t/h。考慮汽水損失，此方案需鍋爐蒸發量為162.9 t/h。標煤消耗量16.4 t/h，脫鹽水消耗量40.2 t/h，發電量20 470 kW。

汽輪機的額定功率是汽輪機設計時需考慮的余量，鍋爐設計需按照汽輪機額定功率時耗汽量來設計，汽機額定功率下，擬選用鍋爐額定蒸發量約180 t/h。

方案二：將方案一中CO2壓縮機(2 270 kW)一臺改為汽輪機驅動，鍋爐給水泵一臺設為汽輪機驅動，不設高壓加熱器，蒸汽平衡圖見圖2。

此方案按軸功率計算鍋爐蒸發量為149.6 t/h。標煤消耗量15.99 t/h，脫鹽水消耗量40.97 t/h，發電量18 147 kW。汽機額定功率下，擬選用鍋爐額定蒸發量約170 t/h。

方案三：將方案一中CO2壓縮機(2 270 kW)一臺改為汽輪機驅動，鍋爐給水泵全部為電驅，不設高壓加熱器，蒸汽平衡圖見圖3。

此方案按軸功率計算鍋爐蒸發量為148.5 t/h。標煤消耗量15.87 t/h，脫鹽水消耗量41.57 t/h，發電量17 252 kW。汽機額定功率下，擬選用鍋爐額定蒸發量約170 t/h。

與方案一相比，標煤耗量相同時，方案二與方案三的發電量更少，為合理利用能源，降低發供電標煤耗，提高全廠經濟效益，選擇方案一更合適。

3 主機選型及主要工藝流程

擬選用燃料適用范圍廣的高溫高壓循環流化床鍋爐。主汽參數：9.81 MPa，540 ℃；給水溫度：180 ℃～215 ℃；鍋爐效率：90%。

各工藝轉動設備改為汽輪機驅動，各汽輪機組選型見表1。

除灰渣系統：采用灰渣分除系統；脫硫系統：利用本廠氨源，采用氨法脫硫；脫硝系統：采用SNCR脫硝。

4 投資情況

本項目為節能技改項目，包括兩大部分。

4.1 汽輪機驅動改造部分

汽輪機18套，包含油站、冷凝器、齒箱、控制系統；冷卻塔1套。

4.2 鍋爐房部分

燃料供應系統充分利用原有系統進行改造，供水可由老廠區接入，脫鹽水由老廠區接入，水處理費用僅考慮加藥取樣費用。其余系統按新上項目考慮。

4.3 總投資估算

根據初步估算，本工程建設總投資15 400萬元，折單位投資6 839.16元/kW。其中靜態投資為14 840萬元，動態投資15 340萬元，詳見表2。

表2 總投資估算表

5 成本費用測算

成本費用計算的主要參數如下：

汽水損失按3%考慮，鍋爐排污率按2%考慮，自用電率按12.74%考慮，鍋爐熱效率按90%考慮。

標煤價由26 840 kJ/kg，289.8元/t折算為316.05元/t，脫鹽水價5.9元/t，電價0.47元/度。

脫硫費用收入與支出大致持平，暫不考慮。

修理費率2.5%，折舊設備按20年，土建按30年，凈殘值率5%，全廠人員50人，工資4萬元/(人·年)，管理費率為工資總額的50%。

總投資中30%為企業自有資金，其余70%向銀行申請貸款解決，年利率4.9%。

主要計算了方案一的成本費用，詳見表3。

表3 技術經濟指標

6 總平面布置

結合廠址區域位置及與周邊廠區的協作條件、地形與氣象條件，方案鍋爐房位于廠區的西北角現有鍋爐房區域，處于廠內全年最小頻率風向的上風側。占地面積2 480 m2(34 m×73 m)。

7 結論及全廠經濟技術指標

方案一的全廠經濟技術指標詳見表3。

全廠投資15 400萬元，折單位投資6 839.16元/kW；發電成本0.2元/度，供電成本0.214元/度；供熱成本46.6元/t(折2.5 MPa,225 ℃)；靜態投資回收期3.42年(不含建設期)。從經濟技術及投資回收期的角度來看，本方案設計是可行的。