汽輪機在廢氣聯合硫磺制酸裝置中的應用

何 洋，姚元宏，舒曉亮

（新疆中泰創新技術研究院有限責任公司，新疆烏魯木齊 830000）

中泰紡織科技有限公司（以下簡稱中泰紡織）在生產黏膠纖維的過程中會產生大量含CS2，H2S等成分的廢氣，出于環保和硫資源回收的考慮，該公司采用硫磺與廢氣聯合制酸工藝生產硫酸，產能為200 kt/a。制酸裝置配有1套30 t/h的余熱鍋爐，副產3.43 MPa、248 ℃的中壓飽和蒸汽，通過減溫減壓至0.60 MPa、148 ℃后并入廠區蒸汽管網。雖然蒸汽在減壓前后，其焓值沒有發生變化，但損失了大量的技術功，造成了能量浪費。提升硫酸裝置的余熱利用率是提高制酸企業經濟效益的主要途徑之一。利用制酸生產過程中副產的蒸汽作動力源，驅動汽輪機拖動鼓風機、鍋爐給水泵等高能耗設備運轉，是提高制酸裝置能源利用率的有效方法。關于汽輪機在硫酸行業中的應用，已有的相關報道[1-4]中，汽輪機大多用過熱蒸汽驅動，且在運行時完全代替電機，而關于采用飽和蒸汽驅動汽輪機，并使之與電機同時運轉的情況卻鮮有報道。為了進一步推廣汽輪機在硫酸生產行業的應用，筆者詳細介紹了中泰紡織利用中壓飽和蒸汽驅動汽輪機拖動二氧化硫風機運轉的技術改造情況，以供后續類似項目借鑒。

1 蒸汽余熱利用系統改造

為了充分利用蒸汽的能量，減少制酸裝置運行的電耗，中泰紡織決定增設1臺汽輪機拖動二氧化硫風機轉動。改造后的蒸汽余熱利用系統見圖1。

圖1 蒸汽余熱利用系統

從余熱鍋爐汽包中引出3.43 MPa、248 ℃的中壓飽和蒸汽，經汽液分離器處理后接入汽輪機。蒸汽在汽輪機中做功后減溫減壓至0.98 MPa、185 ℃，再經過減溫減壓器變為0.60 MPa、148 ℃后并入廠區蒸汽管網。汽輪機工作時產生的0.70 MPa、165℃乏汽供給鍋爐除氧器使用。

二氧化硫風機為高壓變頻風機，額定風量2 200 m3/min，全壓35 kPa，功率1 800 kW。在制酸裝置開車時，僅使用電機驅動，汽輪機不運行；待裝置能夠穩定產出蒸汽時，啟動汽輪機，通過PLC自動控制系統逐漸調節汽輪機的轉速，并在超越離合器的作用下，汽輪機和風機自動嚙合，使風機由原來的電機驅動變為電機與汽輪機共同驅動。隨后，通過控制系統的調節，汽輪機功率逐漸增大，電機功率逐漸減小，在達到工況下汽輪機的最大功率后，裝置逐漸平穩運行。同時，系統設有安全聯鎖裝置，當汽輪機運行出現障礙時，可以立即與二氧化硫風機“脫鉤”，在保證安全的情況下，不影響正常生產。

汽輪機機組使用XHL-30A型全自動單向超越離合器，通過齒輪元件傳遞功率。汽輪機和二氧化硫風機依靠汽輪機的轉速和電機的轉速差實現自動嚙合或脫離，不需外部控制。當汽輪機轉速高于電機時，離合器自動嚙合；反之，自動脫離。

2 汽輪機控制設置

2.1 汽輪機的技術參數

該改造項目選用由山東淄博荏奧汽輪機有限公司生產的B1.01-3.43/1.1型汽輪機，該汽輪機為單級背壓式，單側水平進汽結構，汽缸為合金鑄鋼件，徑向軸承為滑動軸承，采用稀油站強制潤滑。汽輪機機組汽封采用不銹鋼迷宮式和蜂窩接觸式組合汽封，以加強汽封效果。汽輪機的調速系統采用德國西門子電子調速系統+日本光榮直行程執行器電子調節系統，可以通過上傳下送4~20 mA電信號接入DCS系統，方便遠程監控與操作。汽輪機帶有機械、手動和自動電超速三重超速保護裝置，配備3支CS-1型速度傳感器，實現3選2測速保護，并傳到就地轉速表及控制室。汽輪機機組裝有跳機電磁閥，接受各種停機信號，廠內失電后自行停車。

汽輪機的主要技術參數見表1。

表1 汽輪機主要技術參數表

2.2 汽輪機機組監測系統

汽輪機機組設置完善的監測點，實時掌握汽輪機的運行狀況。汽輪機監測點設置情況見表2。

表2 汽輪機監測點設置情況

2.3 汽輪機機組控制系統

2.3.1 現場手動和自動控制裝置

汽輪機機組使用西門子S7-200 SMART裝置進行現場控制。當汽輪機轉速小于等于1 000 r/min時，采用手動控制。通過升速和降速2個按鈕控制汽輪機進汽電磁閥的開度，控制汽輪機轉速；另外，還設置有緊急停車按鈕指令，在運行發生異常時，便于技術人員及時處理故障。

當汽輪機轉速大于1 000 r/min時，使用PLC自動控制系統。由PLC實現與設定值的比較并進行一系列運算和處理，最后輸出一個4~20 mA的電流信號，調節汽輪機進汽電磁閥開度，實現對轉速的自動控制。除此之外，控制系統還具有超速超溫的聲光報警功能，在運行異常時，通過電磁脫扣系統進行自動停車保護。

2.3.2 遠程控制系統

汽輪機機組現場控制裝置產生的通訊信號可以上傳到制酸裝置DCS系統。DCS系統不僅可以對汽輪機的運行狀況進行遠程監測，還可以設定控制電流，通過PLC對汽輪機運行進行調節。

2.4 汽輪機安全保護措施

二氧化硫風機作為整個制酸裝置的動力源，保證其安全、平穩運行對制酸生產非常關鍵。經過此次改造，二氧化硫風機由原來的僅靠電機驅動，變為由電機和汽輪機共同驅動，在一定程度上增加了操作和監管的難度。為了保證設備安全運行，此次改造制定了比較完善的報警和聯鎖措施，具體如下：

1）軸瓦溫度高于85 ℃時報警；高于100 ℃時，汽輪機聯鎖停機，離合器自動脫開。

2）軸瓦潤滑油回油溫度超過65 ℃時報警；高于70 ℃時，二次報警。

3）汽輪機軸位移超過±0.4 mm時報警；大于±0.7 mm時汽輪機聯鎖停機。

4）軸瓦振動大于63 μm時報警；大于162 μm時汽輪機聯鎖停機。

5）潤滑油油壓低于0.08 MPa時，聲光報警；出口壓力連續低于0.02 MPa時，汽輪機聯鎖停機。

6）排汽壓力大于1.5 MPa時，汽輪機聯鎖停機。

7）轉速大于3 200 r/min時，聲光報警；大于3 260 r/min 時，汽輪機聯鎖停機。

8）收到系統發出的停機信號時，汽輪機聯鎖停機。

9）有需要時，可以通過操作現場PLC控制系統手動使汽輪機停機。

10）通過DCS遠程操作，使汽輪機停機。

11）汽輪機設置有超速緊急脫扣裝置，通過該裝置可以進行手動停機并能在進汽管維持正常壓力的情況下復位。

3 經濟效益分析

該項目購買汽輪機及配件、新建汽輪機基礎、潤滑油站等共花費114萬元；由于汽輪機和鍋爐距離較遠，為了輸送蒸汽，新增管廊及管道共花費89萬元。汽輪機投入運行后，在進汽量為27 t/h的情況下，可節約用電900 kWh/h，電價按0.4元/kWh計，可節省電費360元/h。1年運行時間按8 000 h計，可節約電費288萬元/a。相對于203萬元的項目總投資，運行9個月左右收回成本，經濟效益顯著。

4 改造注意事項

為了新增汽輪機改造項目的順利實施，下列問題需要著重考慮：

1）由于缺少基礎設計資料，此次技改前期工作比較艱難。為了順利完成項目建設，工藝技術人員對項目現場、已有裝置運行情況等進行了詳細的勘察，準確地向土建、自控等下游專業提出要求，方便各專業進一步開展工作。

2）汽輪機和電動機的協同工作狀態是影響節能效率的關鍵因素。自控技術人員需要設定合理的監測位點、汽輪機控制系統及聯鎖裝置，保證設備能夠平穩運行，并避免發生安全事故。

3）為了避免汽輪機與二氧化硫風機因為設備基礎沉降造成運行事故，需要結構技術人員在設計汽輪機設備基礎時，充分考慮這一特殊情況，并采取相應的應對措施。

4）新增汽輪機采用中壓飽和蒸汽驅動，在蒸汽進入汽輪機前需要進行汽液分離，避免冷凝液對汽輪機的轉子造成損害。

5 結語

中泰紡織200 kt/a廢氣聯合硫磺制酸裝置投用的B1.01-3.43/1.1型汽輪機，采用中壓飽和蒸汽驅動，運行安全可靠，維護簡單方便，經濟效益顯著，對類似的技改項目具有較強的借鑒意義，值得同行參考。