汽動給水泵在煤化工動力站應用及經濟性分析

魏宏博

( 中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

近幾年，我國現代煤化工行業的發展勢頭迅猛，煤制油、煤制烯烴及其衍生物、煤制天然氣、煤制甲醇、煤制乙二醇等一批煤基化學品和燃料的示范項目陸續建設和投產。2005 年至2019 年，上報國家環保部審查批準的大型煤化工項目達27 個，總投資約3 000 億元，各地方政府審批的項目更多。目前，我國煤化工行業正由傳統的煤化工向現代化轉型過程中，以往傳統的煤化工行業在生產的過程中，耗能巨大，關鍵是能源利用率不高，造成了大量的資源浪費。隨著國家對節能減排要求的加強以及現代煤化工行業發展需要，煤化工企業越來越重視各環節的節能。

煤化工動力站是一般是“以汽定電”的原則配置，以保證化工裝置的穩定運行，一般配套多臺中小型鍋爐及抽凝式或抽背式汽輪發電機組。汽水系統均采用母管制，這種配置方案靈活，系統可靠性高，但其熱效率相對高參數、大機組熱效率也較低，故研究煤化工動力站的輔助系統設備配置，提高動力站能源利用率，降低能耗，從而提高其經濟性非常必要。

電動給水泵由于其系統簡單，設備可靠性高，啟停靈活，投資小等特點，大多數的煤化工項目動力站中采用電動給水泵[1-2]。隨著各企業對節能減排的重視，各電站企業在研究如何降低廠用電，在一些高壓供熱機組中采用汽輪機的中壓抽汽來驅動給水泵汽輪機，給水泵的汽輪機排汽再供除氧器用汽，這種由汽動給水泵替代電動給水泵的方案優化在最新版的GB50049—2011《小型火力發電廠設計規范》中就有體現[3]。

1 煤化工動力站采用汽動給水泵方案分析

1.1 某煤化工動力站工程簡介

本文以某100 萬t/a 焦爐煤氣制甲醇項目動力站工程為例進行汽動給水泵替代電動給水泵方案的探討和分析。該動力站規劃4 臺420 t/h 循環流化床鍋爐，鍋爐出口蒸汽參數為9.8 MPa/540℃；1 臺20 MW 抽汽背壓式汽輪機，其抽汽參數為4.2 MPa，排汽壓力為1.27 MPa；2 臺25 MW 的抽汽背壓式汽輪發電機組，其抽汽參數為4.2 MPa，排汽壓力為0.69 MPa；全廠設4 個壓力等級的蒸汽母管，分別為9.8 MPa、4.2 MPa、1.27 MPa、0.69 MPa 等級。

1.2 鍋爐給水泵汽輪機選型

根據該工程鍋爐參數及汽輪機組的抽汽、排汽參數，給水泵汽輪機方案可選擇背壓式機也可選用凝汽式機，現對兩種方案進行比較，如表1 所示。

表1 兩種給水泵汽輪機方案比較表

通過以上兩種方案對比，考慮到凝汽式汽輪機系統復雜，需要凝汽設備等，投資相應也大，本工程化工項目具有穩定的蒸汽負荷需求，給水泵汽輪機可以選用背壓式，這種方案不僅系統簡單，投資相對也較小，關鍵是其排汽可以用于全廠供熱，無冷源損失，能源利用率高。

1.3 給水泵汽輪機汽源選擇

關于給水泵汽輪機汽源的選擇，選用汽輪機的抽汽無疑是最經濟的方案，其關鍵是如何確定抽汽壓力。對于本工程選擇4.2 MPa 等級抽汽還是選擇1.27 MPa 等級抽汽，從可行性分析，兩種方案均是可行的，但選擇4.2 MPa 等級蒸汽比選擇1.27 MPa 等級小汽輪機需要的蒸汽流量就小一些，有利于管道選擇及布置，也有利于給水泵汽輪機選型及布置。考慮以上因素后還需根據全廠用汽負荷進行全廠的蒸汽平衡計算，才能最終確定合理的鍋爐給水泵汽輪機汽源。

本工程給水泵汽輪機的汽源采用汽輪機的中壓抽汽即4.2 MPa 的參數，排汽采用0.69 MPa等級參數，動力站熱平衡圖，如圖1 所示。

圖1 某100萬t/a焦爐煤氣制甲醇項目動力站熱平衡圖

2 汽動給水泵方案技術經濟性分析

2.1 投資比較

給水泵采用汽輪機驅動，相對電動給水泵方案，就是用汽輪機驅動給水泵替代電動機驅動，給水泵功率及造價基本相當，對兩種方案的投資進行比較，如表2 所示。

表2 汽動給水泵與電動給水泵方案投資比較表 萬元

由表2 可以看出汽動給水泵方案較電動給水泵方案投資增加約220 萬元。

按平均年限法計算設備年折舊率，將增加的投資按設備年折舊率分攤到預計使用壽命期，以此計算采用汽動給水泵方案投資增加分攤到每年的費用。設備年折舊率按下式(1)計算。

式中：殘值率取5%，預計使用壽命按15 a計算，則計算得設備年折舊率約為6.33%，按設備年折舊率將增加投資分攤到預計使用壽命期，則每年分攤費用約為14 萬元。

2.2 廠用電計算

汽動給水泵替代電動給水泵方案，減少的廠用電是電動給水泵的耗電量，計算電動給水泵的耗電量就需先計算給水泵功率。

2.2.1 給水泵軸功率計算給水泵是將除氧器水箱的水輸送至鍋爐汽包，其中克服設備阻力、沿程管道管件阻力等，給水泵的揚程為以下各項之和：從除氧器水箱出口到省煤器進口介質流動總阻力，另加20%裕量，汽包水位與除氧器水位間的水柱靜壓差，鍋爐最大聯系蒸發量時的省煤器入口給水壓力，除氧器額定工作壓力(取負值)[3]。給水泵軸功率可按式(2)進行計算。

式中：N為給水泵軸功率，kW；ρ為給水的密度，kg/m3；g為重力系數，取9.8 N/kg；H為給水泵的揚程，m；Q為給水的流量，m3/s；η為給水泵的效率，%。

根據本工程數據，按式(2)計算得額定工況下給水泵的軸功率為2 140 kW。

2.2.2 給水泵用電量計算

給水泵廠家提供的給水泵運行效率曲線，如圖2 所示。

圖2 給水泵運行效率曲線

由圖2 可以看出，給水泵效率隨負荷降低而減小，我們計算電動給水泵耗電量就需要按不同運行工況進行計算。煤化工行業熱負荷常年相對穩定，本工程機組年運行小時按8 000 h，我們在此假定給水泵運行負荷及運行時間，假定在60%負荷工況運行500 h，在70%負荷工況運行1 000 h，在80%負荷工況運行1 500 h，在90%負荷工況運行3 000 h，在100%負荷工況運行2 000 h，給水泵全年耗電量計算數據如表3 所示。

表3 機組運行負荷率及耗電量計算數據表

由表3 可以看出，采用1 臺汽動給水泵替代電動給水泵后每年可減少廠用電耗電量約1 621×104kWh ，動力站機組選型是“以汽定電”，動力站配置發電機組供全廠用電，不足電量需從電網購電，按當地工業電價0.53 元/kWh 計算，每年可為企業節約電費支出859 萬元。

2.3 動力站鍋爐煤耗量計算

采用汽動給水泵替代電動給水泵，節約了廠用電，但消耗了汽輪機抽汽，在汽輪機發電機組發電量不變的條件下，汽輪機主蒸汽需要增加，鍋爐蒸發量就需要增加，其耗煤量也相應增加，在此進行鍋爐耗煤量的計算。

2.3.1 采用汽動給水泵主蒸汽流量計算首先計算給水泵汽輪機的蒸汽流量，在此進行簡化，按給水泵汽輪機的效率進行測算，可按下式(3)進行計算。

式中：PT為給水泵汽輪機的功率，kW；QT為給水泵汽輪機的蒸汽流量，kg/s；H0為給水泵汽輪機的有效焓降，kJ/kg；ηT為給水泵汽輪機效率，%。

給水泵汽輪機的進汽參數為大汽輪機的抽汽，蒸汽參數為4.2 MPa/440℃，排汽參數與0.69 MPa 排汽的汽輪機的排汽參數一致，即0.69 MPa/260℃，給水泵汽輪機效率按80%，從式(3)可以推算出給水泵汽輪機的蒸汽流量QT為27 t/h。

對于動力站汽輪機來說，在發電量不變情況下，增加抽汽量，其進汽量也需增加，以0.69 MPa背壓機為例，根據汽輪機廠的熱平衡，可知該汽輪機的效率為91.7%，我們按式(3)可以推算如維持汽輪發電機組的發電量不變，則需增加主蒸汽流量為18 t/h，其相應增加的排汽用于全廠供熱。

2.3.2 采用汽動給水泵鍋爐煤耗量計算

主蒸汽流量增加，則全廠的鍋爐煤耗增加，鍋爐標準煤耗增加量可按式(4)進行計算。

式中：δBi為鍋爐標準煤耗增加量，t/h；Qi為鍋爐增加的主蒸汽流量，t/h；Hb為增加主蒸汽的有效焓降，kJ/kg；29 307.6 為標煤的熱值，kJ/kg；ηb為鍋爐效率，本工程為循環流化床鍋爐，效率按92%計算。

根據式(4)計算可得：采用汽動給水泵方案，鍋爐標準煤耗增加量為0.36 t/h。

標煤價格按450 元/t，全年運行小時按8 000 h，則每年煤耗增加費用約為130 萬元。

由于該工程給水泵汽輪機選用背壓式方案，背壓式汽輪機對負荷變化的適應性較差，當低負荷運行時，其效率下降，排汽溫度也會升高，經濟性變差，故本工程在給水泵配置選型時未推薦全部給水泵采用汽動方案，建議采用1 ～2 臺給水泵選用汽動方案，其它給水泵選用電動調速給水泵方案。機組運行時，汽動給水泵帶基礎負荷，用帶變頻或液力耦合器調速給水泵來進行鍋爐變負荷工況給水量調節。其次，本工程鍋爐為定壓運行，鍋爐在60%～100%負荷之間鍋爐的效率為91%～92%，變化不大，故鍋爐煤耗量計算時未考慮機組各種運行負荷下的變工況。

3 節能減排測算

本工程采用1 臺汽動給水泵替代電動給水泵方案后，機組年運行小時按8 000 h 計算，則每年可以節約廠用電消耗約1 621×104kWh，這樣企業每年從電網少購電1 621×104kWh。以當地發電煤耗水平320 g/kWh 進行測算，采用電動給水泵方案少購電量消耗當地的標準煤耗量約為0.65 t/h，而采用汽動給水泵方案替代電動給水泵方案后動力站增加的煤耗約為0.36 t/h，則節約的煤耗約為0.29 t/h，全年運行小時按8 000 h，每年可節約煤炭消耗約0.232 萬t，同時減少了煤燃燒后污染物的排放，具有明顯的節能減排效果。

4 結論

1)本文以某100 萬t/a 焦爐煤氣制甲醇項目動力站為例，對其給水泵驅動方式進行了分析，分析表明在有穩定用汽負荷時，煤化工動力站宜采用背壓式汽動給水泵。

2)采用背壓式汽輪機驅動給水泵替代電動給水泵具有較好的經濟性和顯著的節能減排效果。對該工程而言，如采用1 臺汽動給水泵替代電動給水泵方案，投資增加約220 萬元，將增加費用按設備折舊率分攤到設備壽命周期，每年分攤費用約為14 萬元；廠用電消耗降低約1 621×104kWh，每年可節約電費約859 萬元；當發電機組出力不變時，則標準煤耗增加0.36 t/h，每年增加煤耗的費用約為130 萬元；這樣，每年可為企業帶來約715 萬元的收益。動力站為熱電聯產，發電煤耗遠低于當地發電煤耗水平，按1 臺電動給水泵的年耗電量折算后每年可減少標準煤消耗約0.232 萬t 及其燃燒后污染物的排放。