汽轮机驱动往复式氢氮压缩机技术的应用

1 概述
    能量利用效率的高低直接影响合成氨的生产成本。以煤为原料的中小化肥企业以消耗大量的能源为生产代价,其吨氨总能耗约在1. 2 ×107 kcal ,两煤一电消耗占到生产成本的70 %左右。与此相对应的是我国引进的大型合成氨企业的吨氨总能耗仅为7 ×106 kcal 。引进技术能耗低主要是因为大型合成氨厂采用了汽轮机直接驱动离心式氢氮压缩机技术。
    煤是一次能源,热是二次能源,电是三次能源,以热代电就是以相对低廉的二次能源———蒸汽作为动力来驱动往复式氢氮压缩机以提高热效率(由68 %提高到78 %～79 %) 。国内有关单位对以热代电驱动往复式氢氮压缩机的效率进行了测算,结果见表1 。
    表1 　以热代电技术的效率测算
条件    用汽价/元t^-1    以热代电功率/KW      用电价/元（KWh)^-1       增加效益/元t^-11         35              2*4900               0.35                    115
1         35              2*4900               0.25                    55.5
2         35              2*3100               0.35                    71.2
2         35              2*3100               0.25                    33.5

由表1 可知:若年产合成氨能力为4 万t,采用7HHE2VG压缩机,轴功率为4 900 kW,或年产合成氨2.5万t ,采用6HHE2VE压缩机,轴功率为3100 kW。结果表明:大容量的压缩机用电价高,以热代电回报丰厚。

2 以热代电的技术关键
往复式氢氮压缩机的负荷是有轴向传动的交变负荷。汽轮机负荷是一种输出为恒热矩的回转式负荷。在汽轮机驱动的往复式压缩机系统中必须具有缓冲转换装置,包括:a) 具有快速离合作用的套齿式高速离合器,以保证压缩机紧急停车后汽轮机继续盘车逐步冷却,补偿汽轮机和二级减速器之间的轴心热位移。b) 设置饶性轴结构的具有减震抗冲击性能的两级减速器,转速由3 000 r/ min →333 r/ min。c)具有可消除压缩机脉动冲击负荷,并兼有轴向补偿能力的螺旋弹簧低速连轴器。d) 具有负荷均匀化能力,补偿负荷波动(力矩交变).

3 以热代电项目试点情况介绍
山东鲁西化工集团鲁西化工股份对以热代电项目进行了试点,取得了一定的效果。
3.1项目条件
a) 氢氮压缩机为年产4万t生产能力;
b) 吨氨压缩耗电850 kW·h ;
c) 电价为0. 3 元/ (kW·h) ;
d) 10 MPa 高压蒸汽先发电,降至3. 84 MPa 后抽汽28 t/ h (130 t/ h 高压锅炉) ,吨蒸汽成本35 元,汽轮机冷凝液返回锅炉。
3.2电驱动和蒸汽驱动两种方式直接费用比较
3.2.1 电驱动费用
成本(电) :0.3×850 =255 元。
3.2.2汽驱动费用
a) 汽轮机做功每kW·h 耗汽5 kg ,吨氨能耗仍
以850 kW·h 计,则成本(蒸汽) : 5 ×850/ 1 000 ×35 = 148. 75 元。
b) 采用汽轮机驱动增加循环水量引起水泵风机耗电30 kW·h ,成本(电) :0.3×30 =9元。
c) 润滑油、水处理剂消耗:吨氨增加2 元。
d) 维修费:吨氨增加2 元。
3.2.3 二种驱动方式直接费用比较
电驱动比汽驱动运行吨氨成本增加为: 255-(148. 75+9+ 2+2) = 93.25 元。
3.3 电驱动和汽驱动两种方式的投资费用比较
3.3.1电驱动投资费用
电动机及配电投资100 万元(5100kW同步电机) 。
3.3.2汽驱动投资费用
   汽轮机及传动链投资310万元,土建投资增加50万元,循环水系统投资70万元,共计430万元。
3.3.3二种驱动方式投资费用比较
汽驱动比电驱动增加投资费用:
430 万元- 100 万元= 330 万元。
汽驱动比电驱动年增财务费用:
设备折旧及贷款利率均按7 %计,由于投资增加,则年增财务费用:330×(0.07+ 0.07) = 46.2万元。
3.4 以热代电效益估算
3. 4.1 年产4 万t 合成氨氢氮压缩机以热代电年增效益:93. 25 ×4 - 46. 2 = 326. 8 万元。由此可见:
采用汽驱动增加330 万元的投资用一年即可得到回收,第二年后吨氨增加效益为326. 8/ 4 = 81. 7 万元。
3.4. 2 对于电价高于0. 3 元/ kW·h 的情况或国家取消优惠电价后所产生的效益将更好。
3.5 鲁西化工股份以热代电技术实际试点情况自2000 年开始,鲁西化工通过调研和技术经济性效益分析,建设了两台由汽轮机驱动的氢氮压缩机,其中一台为年产合成氨2.5万t的6HHE2VE机组,另一台为年产合成氨4 万t 的7HHE2V G 机组。6HHE2VE 机组已于2003 年7 月11 日正式投运。投运至今,除期间因压缩机阀片原因停车维修、二级减速箱存在磨损较大外,运行一直比较稳定。
3.6以热代电应用的一些相关技术配套措施
    线管式湿式电除焦油技术是一根钢管配一根电晕丝,钢管内壁为阳极,电晕丝为阴极,设备上方有布水装置,钢管内壁(阳极) 有自上而下流动水膜的电除热技术,半水煤气自下而上通过管内时,半水煤气中的焦油和灰尘经电离后带上负电荷,并趋向阳极———管内壁随水膜向下流淌,杜绝了焦油在管内壁上的黏堆积,保证了阴极和阳极间极距稳定,从而稳定了电压。同时半水煤气均匀通过管内截面电离,无死角和盲区。
    氮肥企业达到经济规模后和氢氮压缩机实现大型化后,采用线管式电除焦油技术可以延长压缩机运行周期,减少因焦油对一段阀门的黏堵,稳定运行,提高效益。这项技术存在的问题是投资较大(由于钢材耗费多,基础要求严和结构较复杂等原因) ,处理汽量为24 000 m3/ h～30 000 m3/ h (年产合成氨6 万t) 。随着这项技术的发展,它在结构和材质上又有所突破,目前处理汽量为24 000 m3/ h～30 000 m3/ h 的改进型线管式湿式电除焦油器价格已降为45 万元～50 万元,从而为这项技术走向行业、提高压缩机运行周期创造了条件。
4 以热代电项目分解实施方案
    为解决半水煤气中焦油和粉尘含量高、压缩机一段阀门易黏堵等问题,江苏某企业受湖北宜化集团宜化股份氮氢压缩机高低压分设实践的启发,提出将7HHE2V G压缩机的一、二段和三、四、五、六段分设的构想,即一、二段低压侧由电动机驱动,三、四、五、六段中高压侧由汽轮机驱动,低压侧压缩机增加备机一台,保证低压侧阀门焦油黏堵时可切换至备机,并保证汽轮机驱动的高压侧不受影响,形成整体经济性能较好的配置。但由于企业拟在原料路线改造上整体考虑,故本方案没有实施。
5 以热代电技术推广应用前景
    以热代电热能综合利用技术是一项提高热能综合利用效率,高能高用、低能低用的先进技术。这项技术不仅在氮肥行业是首创,而且在我国其他行业也是没有的,它为氮肥行业降低电耗、降低成本开辟了新路。对于自有热电锅炉发电机组且氢氮压缩机台机能力在2 万t/ a 以上的规模较大的氮肥企业来说,为应对电价上涨、供电紧张和氮肥优惠电价随时取消等不确定性因素的变化,以热代电是一项值得重视和推广的技术。为确保试点工作的顺利进行,建议做好以下工作:a) 汽轮机设计制造单位要在原工业汽轮机基础上有针对性地改进完善;压缩机制造厂要改进结构,提高材质和机组运转率,并做好传动连接技术的开发和国产化工作。b) 试点单位应加强生产管理,保证原料七净化,提高压缩机连续运转时间。c) 国家有关部门应尽快制定有关设计、安
装验收的技术标准,以利于这项技术的应用推广。