提高蒸汽能量利用率的研究

劉正東，壩吉貴，姜 威

（云南磷化集團有限公司，云南 晉寧 650600）

濕法磷酸裝置在外界沒有低價的硫酸和蒸汽可作為原料、能源利用時，都會配套相應規模的硫酸裝置。生產的硫酸作為磷酸生產的原料硫酸，硫酸生產過程中產生的中壓過熱蒸汽經汽輪發電和汽輪風機做功成為低壓蒸汽，送到磷酸裝置作為濃縮換熱器的加熱蒸汽、蒸汽噴射單元的動力蒸汽及各處洗水的加熱蒸汽使用。但硫酸裝置進入磷酸濃縮換熱器的蒸汽壓力和溫度高于濃縮石墨換熱器對蒸汽壓力和溫度的要求，需要進行相應的調節以滿足用汽條件要求。

1 減溫減壓裝置調節蒸汽參數過程中蒸汽產生 損

云南磷化集團有限公司（以下簡稱公司）磷酸濃縮裝置的換熱器采用國產換熱器，真空控制系統使用水環式真空泵，沒有使用蒸汽噴射單元，因此不需要壓力較高的蒸汽作為噴射單元的動力蒸汽。從硫酸裝置來的過熱蒸汽經發電和推動風機后與低溫位鍋爐產生的蒸汽合并后送到磷酸裝置使用，其蒸汽壓力和溫度均超過了石墨換熱器蒸汽的使用參數，故需將蒸汽的壓力和溫度調節到換熱器所需的壓力和溫度，作為磷酸的加熱蒸汽使用。

1.1 的概念

系統的狀態發生變化時，將有一部分能量以功或熱的形式釋放出來，各種不同形式的能量的轉換能力不同。表征了熱力系統所具有的能量轉變為機械能的能力，因此可以用來評價能量的質量、品位、能級。數量相同而形式不同的能量，大者其能的品位高或能質高；少的能的品位低或能質差。機械能、電能的能質高，而熱能則是低品質的能量，熱能之中，溫度高的熱能比溫度低的熱能品位高。

1.2 蒸汽減溫減壓過程損失

減溫減壓器的作用就是把高溫高壓蒸汽調節成低溫低壓蒸汽，以滿足后續設備運行對蒸汽參數的要求，保證設備安全運行。公司原設計磷酸石墨換熱器使用的加熱蒸汽就是通過減溫減壓裝置得到的，即將硫酸裝置送來的壓力0.58 MPa（絕對壓強）、溫度200 ℃的蒸汽調節到濃縮和脫氟裝置換熱器所需的蒸汽參數：壓力0.28 MPa（絕對壓強）、溫度132 ℃，這樣就能滿足換熱器的正常運行。

減壓過程為絕熱膨脹過程，不考慮其他熱損失時，減溫減壓前后蒸汽的熱量相等，但卻造成了蒸汽降低，即減溫減壓過程把高品質的蒸汽轉變成了低品質的蒸汽，降低了蒸汽的做功能力，造成了無形的做功能力的能量損失。

減溫減壓過程的蒸汽熱量及質量平衡如下：

式中qm1——減溫減壓前蒸汽量，130 000 kg/h；

qm2——減溫水用量，kg/h；

qm3——減溫減壓后蒸汽量，kg/h；

H1——0.58 MPa、200 ℃蒸汽的焓，2 850.48 kJ/kg；

H2——100 ℃減溫水的焓，419.10 kJ/kg；

H3——0.28 MPa、132 ℃蒸汽的焓，2 723.73 kJ/kg。

將數值代入式中并解方程，得到qm2為7 150 kg/h，qm3為137 150 kg/h。

式中Ex前、Ex后——分別為減溫減壓前、后蒸汽的，kJ/kg；

H0——環境狀態時的蒸汽焓，2 537.7 kJ/kg；

T0——環境狀態時的溫度，293.15 K；

S0——環境狀態時的蒸汽熵，8.667 4 kJ/（kg·K）；

S1——減溫減壓前蒸汽熵，7 kJ/（kg·K）；

S3——減溫減壓后蒸汽熵，7.020 2 kJ/（kg·K）。

將數值代入式中計算得到Ex前為801.58 kJ/kg，Ex后為668.91 kJ/kg。

（130 000×801.58-137 150×668.91）kJ/h＝12 384 124.3 kJ/h。

2 提高蒸汽能量利用的技術措施

從計算可知，蒸汽由減溫減壓前的高能質被無效地降低為低能質的能源，減溫減壓過程中蒸汽的損失過大，如能通過技改充分利用損失的蒸汽，不僅可降低生產能耗，而且符合企業的節能生產要求，將為企業創造良好的經濟效益。

2.1 技改方案——低壓汽輪機發電

技改前硫酸進入磷酸裝置的蒸汽經減溫減壓裝置調節蒸汽壓力和溫度后分別用于濃縮和脫氟換熱器加熱、各洗滌液槽加熱。

2.2 發電方式的選擇

通過汽輪機推動發電機發電有同步發電和異步發電兩種方式，由于異步發電技術具有結構簡單、成本低、效率高、使用和維護方便、運行可靠等優點［3］，技改選擇異步發電的技術方案。

2.3 發電后蒸汽管網與原蒸汽管網的流程搭接

新增加汽輪發電裝置與原生產用汽系統采取并聯方式，這樣當汽輪發電因故障停用時，可用原來的工藝管線輸送蒸汽和調節蒸汽壓力與溫度，不影響主裝置的繼續生產；當主裝置中某一用汽點或全部用汽點都停用蒸汽而硫酸裝置仍在產生蒸汽時，汽輪發電裝置仍可運行，發電后多余蒸汽通過放空管線和消音器直接放空，雖然經濟性相對較差，但在保證硫酸裝置連續生產情況下可避免0.58 MPa的蒸汽直接放空造成的巨大浪費。

當硫酸裝置產生的蒸汽量超過汽輪機的額定進汽量時，多余的蒸汽可通過并聯的減溫減壓旁路管線進行調節后與發電后蒸汽合并，然后再進入后續的各用汽點，這樣可保證汽輪發電裝置在可控狀態下安全運行。

技改后蒸汽利用流程見圖1。

圖1 技改后蒸氣利用流程

2.4 設備選擇及工藝參數

由于硫酸、磷酸的生產受市場因素影響，生產負荷波動較大（在55%～100%波動），而背壓汽輪機對負荷變化適應性差，進汽流量在偏離額定進汽量10%時汽輪機內效率下降2.0%～4.5%［4］，合理選擇背壓機的容量，將關系到技改項目的發電經濟效益能否最大化。為了保證硫酸在低負荷和高負荷生產條件下汽輪機的運行效率，經分析論證，選用2個汽輪發電系列。硫酸裝置低負荷生產時1個汽輪發電系列運行，高負荷生產時2個汽輪發電系列同時運行，同時利用減溫減壓旁路管線調節進汽量，使其盡量接近汽輪機額定蒸汽流量，提高汽輪機的內效率和做功能力，使技改的經濟效益最大化。

汽輪機的進汽壓力選擇硫酸裝置汽輪發電和汽輪風機正常運行時的背壓，排汽壓力滿足磷酸裝置濃縮生產用汽條件，2臺機組的最大用汽量略小于磷酸裝置的最大用汽量，確保汽輪機最高效時有一定的調節余地。

技改設備選型如下。

汽輪機：B1.8-0.5/0.2，額定功率1 800 kW；進汽壓力0.58 MPa，進汽溫度200 ℃；排汽壓力0.28 MPa，排汽溫度143 ℃；額定功率時進汽流量65 t/h。選用的汽輪機為高效能雙支點雙級沖動背壓式汽輪機，相對內效率高，結構緊湊，體積小。

發電機：YXKK630-2，額定功率1 800 kW，額定電壓10 kV，外殼防護等級為IP54，高原型，異步電動機。

汽輪機出口蒸汽溫度高于用汽溫度要求，有一定的過熱度，這樣可以減少蒸汽中水分對汽輪機的沖刷，提高設備的使用周期，在汽輪機出口管道上加噴水減溫器，調節溫度到用汽要求。

3 技改運行效果

3.1 發電量計算

技改項目運行后，進汽輪機蒸汽達到設計要求參數（0.58 MPa、200 ℃），每個系列進汽流量65 t/h，出口蒸汽參數達到設備正常運行參數（0.28 MPa、143 ℃），根據式（6）計算發電量：

式中Ne——發電量，kW·h；

H1——汽輪機進口（0.58 MPa、200 ℃）蒸汽焓，2 850.48 kJ/kg；

H4——汽輪機出口（0.28 MPa、143 ℃）蒸汽焓，2 747.09 kJ/kg；

η1——汽輪機機械效率，98%；

η2——發電機效率，97%；

qm——每個系列進汽流量，65 t/h。

經計算，2個系列小時發電量為3 549 kW·h。

2qm×（801.58-671.51）kJ/kg＝16 909 100 kJ/h。

3.2 創造經濟效益

正常情況下，每年按7 200 h 的生產時間計，電價按公司年平均使用電價0.35 元/（kW · h）計，扣除發電運行成本（包括因采用汽輪發電而減少的0.28 MPa、132 ℃的蒸汽量對應的費用和汽輪發電其他輔機的運行費用）0.045 元/（kW · h）后，每千瓦時的實際收益為0.305 元，則每年可減少電費支出：3 549×7 200×0.305萬元＝779.36萬元，1.5年即可全部收回投資，經濟效益顯著。

4 結論

磷酸生產下游使用蒸汽時若需減溫減壓，可通過做功發電方式進行蒸汽壓力和溫度的調節，從而把減溫減壓過程中蒸汽的損進行合理利用，實現蒸汽能量的梯級利用，提高蒸汽的能量利用率。

背壓汽輪機的工作效率受汽輪機負荷率影響較大，在進行改造方案確定時，需結合生產情況進行綜合考慮，以確保生產中汽輪機的負荷率＞75%，提高能源綜合利用效率。