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随着环境污染的加剧和全球能源的紧缺,要求中国必须降低能源消耗,实现可持续发展。余热利用属于二次能源,若不回收利用,既浪费能源,又污染环境。因此,深入分析蒸汽系统这支节能“潜力股”,提高运行质量,将对企业整体节能发挥重要作用。
以大连大化集团节能项目为例,目前,合成氨变换废锅副产0.5 MPa饱和蒸汽30 t~40 t没有被充分利用。本系统就是将此直接排放的蒸汽回收使用,减少排放损失和污染,提高能源利用效率和企业经济效益。
1 工艺流程设计
1.1 合成氨副产低压蒸汽回收利用系统设计要点
a) 原有除盐水系统为双回路设计,互为备用,以确保电厂锅炉补水的可靠性。本研究也保证该原则,不影响其原设计;
b) 防止换热器腐蚀漏泄,造成不安全介质进入电厂。因副产蒸汽来源于变换废热锅炉,其热源为变换气(主要成分为H2、N2和微量的CO、CO2、H2S),由于H2和H2S等的腐蚀性,一旦废热锅炉腐蚀发生泄漏,原料气将漏入到蒸汽并被带入且腐蚀换热器。换热器腐蚀泄漏后,原料气将直接漏入到除盐水,随除盐水进入锅炉、汽轮机等电厂主要设备,造成危害。为避免发生此种情况,本方案在以下3个方面采取措施:(a)采用防腐性能优良的换热器,适当加大换热器面积,降低流速,最大限度地减小漏泄机率;(b)控制系统设置参数时,换热器水侧压力高于汽侧压力,保证即使发生换热器泄漏,也只能是水漏入到汽中而不是汽漏入到水中;(c)设置泄漏保护切换装置,保证一旦发生泄漏,立刻把泄漏回路与除盐水系统隔离;
c) 保证蒸汽中冷凝后可能存在的易燃易爆气体及时排放,不能积存,防止发生爆燃等事故,为此在冷凝水箱上设置防爆风机对水箱上部保持通风;
d) 保持电厂低压除氧器运行的稳定。由于电厂除盐水补水量巨大,其除氧效果好坏对锅炉等设备的安全至关重要,另外除氧器是汽水直接混合换热器,汽水配比的大幅波动极易造成汽水冲击,以上2个因素都要求除盐水运行工况相对平稳。而合成氨厂机组的起停、负荷波动及煤种变化都可能造成副产蒸汽量的波动,进而造成除盐水温度的变化。为保证低压除氧器运行平稳,本方案设置监控系统,要求其在蒸汽量突然波动的情况下,能及时提醒运行人员,保持除氧水出水温度的稳定;
e) 防止换热器汽水冲击。汽水冲击极易造成换热器损坏,在本项目中,还会增加不安全介质进入电厂各系统的危害。为避免汽水冲击,本项目选择板式换热器,以减小汽水冲击的危害,同时在控制系统参数设置上,对投入换热器时蒸汽电动阀开启时间采取措施,强化预热,减小汽水冲击;
f) 管道材质选择。由于除盐水系统为开式系统,不能阻止自然溶氧和CO2的进入,因此原系统除盐水管道从除盐水箱直至汽机厂房皆采用衬PE无缝管。由于本系统投入使除盐水流程延长了近1 000 m,且由于温度的提升,将使腐蚀加剧,因此所增加管线仍进行防腐设计,在水温低于50 ℃的进余热换热器除盐水管道,仍采用衬PE(长期耐温50 ℃)无缝管,在水温达90 ℃的出余热换热器除盐水管道,则采用衬PO(长期耐温100 ℃)无缝管。
1.2 合成氨副产低压蒸汽回收利用系统工艺流程
在充分结合大连大化集团生产实际的基础上,决定采用合成氨副产低压蒸汽回收利用技术。
1.2.1 回收利用方式
采用利用合成氨变换工序副产低压蒸汽对电厂除盐水加热的办法,将废热回收回电厂锅炉,以减少电厂低压蒸汽的消耗。
1.2.2 电厂除盐水补水工艺流程和运行参数
经过电厂化学处理的除盐水进入除盐水箱,用除盐水泵加压,经冷凝水换热器吸收合成氨部分高温冷凝水热量后进入低压除氧器,除盐水经低压除氧器热力除氧后被除氧水泵加压打至高压除氧器,在各化工分厂正常生产情况下,除盐水运行参数为:流量370 m3/h左右,温度约为15 ℃,过冷凝水换热器后温度升至18 ℃,至低压除氧器被电厂低压蒸汽直接加热至104 ℃。
1.2.3 回收利用流程设计
在冷凝水换热器和低压除氧器之间的除盐水管线上设置切换阀门,将除盐水先引至合成氨厂,在合成氨厂低压蒸汽排放口附近设置换热器,用排放蒸汽对除盐水进行加热后,再将除盐水引回电厂低压除氧器。
1.2.4 除盐水提升温度计算
按照本研究合成氨最大排放蒸汽量30 t计算,蒸汽可将370 m3除盐水(18 ℃)加热到温度约为50 ℃。
2 回收利用系统的应用
2.1主要设备选型
主要设备包括换热器和水泵,其选型如下:
a) 换热器选型。考虑实际工况对换热器的防腐、密封性及防汽水冲击的要求,本方案换热器设计采用全焊接板式换热器。全焊接板式换热器的换热板片是由特种不锈钢以特制模具压制而成,表面光滑不易结垢。根据计算,换热面积取400 m2;
b) 水泵选型。原除盐水加压泵的参数为:流量188 m³/h,量程55 m,电机功率55 kW。共3台,两用一备。由于此前该3台除盐水泵运行流量略显不足,因此结合本次改造,调整水泵参数为:流量280 m³/h,量程70 m,电机功率90 kW。共4台,两用、一联动备、一检修备。
2.2 回收利用系统控制策略
a) 除盐水压力控制。本项目除盐水压力采用水泵变频恒压控制,压力设置原则上高于合成氨副产蒸汽压力,并保证进低压除氧器压力不低于低限值;
b) 回收利用系统与原除盐水管路的切换。原除盐水管线上设置电动开关阀,回收系统进回水设置电动开关阀,使回收系统的投入和切除可自动完成;
c) 换热器漏泄保护。除盐水供回管线上设流量计,测量供回流量偏差,保证漏泄发生后能及时发现,及时切换;
d) 除盐水温度控制。各换热器蒸汽进汽管线上设电动调节阀,对各换热器出口温度进行调节,保证除盐水出水温度恒定;
e) 蒸汽压力控制。低压蒸汽放空管侧设电动调节阀,除盐水流量突然变低时,及时排出富裕蒸汽。
3 数据来源和改造结果
本研究的数据主要来自实地工程生产及运行数据。
3.1 节能效益的确定
3.1.1 节能效益的计算办法
节能效益△C指项目实施后各类能耗节能量乘以能源单价之后的和,计算公式如下:
, (1)
排版时,去掉公式边框。,R用正体
式(1)中,△C为节能效益,元;△QR为结算期的节热量,GJ;CR为结算期热费单价,按照此化工集团内部购买热量单价(53.2元/GJ)进行计算。目前该化工集团内部采购1 t 0.8 MPa过热蒸汽(焓值为2.89 GJ)的单价为154元(含税价格);△QS为结算期的节水量,t;CS为结算期水费单价,按照3.8元/t计算。
3.1.2 节能量的计量
本研究主要节能种类为热量和水。
热量计量采用超声波热量表进行计量,安装在换热器除盐水侧,节热量△QR以实际计量为准。
水量计量采用凝结水计量仪表进行计量,计量凝结水量即为节约水量△QS。
3.2 回收利用系统投入应用后的效益分析
合成氨副产低压蒸汽回收利用系统投入应用后,能回收全部的合成氨副产低压蒸汽,即热量和水。
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