提高蒸汽能量利用率的研究

刘正东，坝吉贵，姜 威

（云南磷化集团有限公司，云南 晋宁 650600）

湿法磷酸装置在外界没有低价的硫酸和蒸汽可作为原料、能源利用时，都会配套相应规模的硫酸装置。生产的硫酸作为磷酸生产的原料硫酸，硫酸生产过程中产生的中压过热蒸汽经汽轮发电和汽轮风机做功成为低压蒸汽，送到磷酸装置作为浓缩换热器的加热蒸汽、蒸汽喷射单元的动力蒸汽及各处洗水的加热蒸汽使用。但硫酸装置进入磷酸浓缩换热器的蒸汽压力和温度高于浓缩石墨换热器对蒸汽压力和温度的要求，需要进行相应的调节以满足用汽条件要求。

1 减温减压装置调节蒸汽参数过程中蒸汽产生 损

云南磷化集团有限公司（以下简称公司）磷酸浓缩装置的换热器采用国产换热器，真空控制系统使用水环式真空泵，没有使用蒸汽喷射单元，因此不需要压力较高的蒸汽作为喷射单元的动力蒸汽。从硫酸装置来的过热蒸汽经发电和推动风机后与低温位锅炉产生的蒸汽合并后送到磷酸装置使用，其蒸汽压力和温度均超过了石墨换热器蒸汽的使用参数，故需将蒸汽的压力和温度调节到换热器所需的压力和温度，作为磷酸的加热蒸汽使用。

1.1 的概念

系统的状态发生变化时，将有一部分能量以功或热的形式释放出来，各种不同形式的能量的转换能力不同。表征了热力系统所具有的能量转变为机械能的能力，因此可以用来评价能量的质量、品位、能级。数量相同而形式不同的能量，大者其能的品位高或能质高；少的能的品位低或能质差。机械能、电能的能质高，而热能则是低品质的能量，热能之中，温度高的热能比温度低的热能品位高。

1.2 蒸汽减温减压过程损失

减温减压器的作用就是把高温高压蒸汽调节成低温低压蒸汽，以满足后续设备运行对蒸汽参数的要求，保证设备安全运行。公司原设计磷酸石墨换热器使用的加热蒸汽就是通过减温减压装置得到的，即将硫酸装置送来的压力0.58 MPa（绝对压强）、温度200 ℃的蒸汽调节到浓缩和脱氟装置换热器所需的蒸汽参数：压力0.28 MPa（绝对压强）、温度132 ℃，这样就能满足换热器的正常运行。

减压过程为绝热膨胀过程，不考虑其他热损失时，减温减压前后蒸汽的热量相等，但却造成了蒸汽降低，即减温减压过程把高品质的蒸汽转变成了低品质的蒸汽，降低了蒸汽的做功能力，造成了无形的做功能力的能量损失。

减温减压过程的蒸汽热量及质量平衡如下：

式中qm1——减温减压前蒸汽量，130 000 kg/h；

qm2——减温水用量，kg/h；

qm3——减温减压后蒸汽量，kg/h；

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

H2——100 ℃减温水的焓，419.10 kJ/kg；

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

将数值代入式中并解方程，得到qm2为7 150 kg/h，qm3为137 150 kg/h。

式中Ex前、Ex后——分别为减温减压前、后蒸汽的，kJ/kg；

H0——环境状态时的蒸汽焓，2 537.7 kJ/kg；

T0——环境状态时的温度，293.15 K；

S0——环境状态时的蒸汽熵，8.667 4 kJ/（kg·K）；

S1——减温减压前蒸汽熵，7 kJ/（kg·K）；

S3——减温减压后蒸汽熵，7.020 2 kJ/（kg·K）。

将数值代入式中计算得到Ex前为801.58 kJ/kg，Ex后为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术措施

从计算可知，蒸汽由减温减压前的高能质被无效地降低为低能质的能源，减温减压过程中蒸汽的损失过大，如能通过技改充分利用损失的蒸汽，不仅可降低生产能耗，而且符合企业的节能生产要求，将为企业创造良好的经济效益。

2.1 技改方案——低压汽轮机发电

技改前硫酸进入磷酸装置的蒸汽经减温减压装置调节蒸汽压力和温度后分别用于浓缩和脱氟换热器加热、各洗涤液槽加热。

2.2 发电方式的选择

通过汽轮机推动发电机发电有同步发电和异步发电两种方式，由于异步发电技术具有结构简单、成本低、效率高、使用和维护方便、运行可靠等优点［3］，技改选择异步发电的技术方案。

2.3 发电后蒸汽管网与原蒸汽管网的流程搭接

新增加汽轮发电装置与原生产用汽系统采取并联方式，这样当汽轮发电因故障停用时，可用原来的工艺管线输送蒸汽和调节蒸汽压力与温度，不影响主装置的继续生产；当主装置中某一用汽点或全部用汽点都停用蒸汽而硫酸装置仍在产生蒸汽时，汽轮发电装置仍可运行，发电后多余蒸汽通过放空管线和消音器直接放空，虽然经济性相对较差，但在保证硫酸装置连续生产情况下可避免0.58 MPa的蒸汽直接放空造成的巨大浪费。

当硫酸装置产生的蒸汽量超过汽轮机的额定进汽量时，多余的蒸汽可通过并联的减温减压旁路管线进行调节后与发电后蒸汽合并，然后再进入后续的各用汽点，这样可保证汽轮发电装置在可控状态下安全运行。

技改后蒸汽利用流程见图1。

图1 技改后蒸气利用流程

2.4 设备选择及工艺参数

由于硫酸、磷酸的生产受市场因素影响，生产负荷波动较大（在55%～100%波动），而背压汽轮机对负荷变化适应性差，进汽流量在偏离额定进汽量10%时汽轮机内效率下降2.0%～4.5%［4］，合理选择背压机的容量，将关系到技改项目的发电经济效益能否最大化。为了保证硫酸在低负荷和高负荷生产条件下汽轮机的运行效率，经分析论证，选用2个汽轮发电系列。硫酸装置低负荷生产时1个汽轮发电系列运行，高负荷生产时2个汽轮发电系列同时运行，同时利用减温减压旁路管线调节进汽量，使其尽量接近汽轮机额定蒸汽流量，提高汽轮机的内效率和做功能力，使技改的经济效益最大化。

汽轮机的进汽压力选择硫酸装置汽轮发电和汽轮风机正常运行时的背压，排汽压力满足磷酸装置浓缩生产用汽条件，2台机组的最大用汽量略小于磷酸装置的最大用汽量，确保汽轮机最高效时有一定的调节余地。

技改设备选型如下。

汽轮机：B1.8-0.5/0.2，额定功率1 800 kW；进汽压力0.58 MPa，进汽温度200 ℃；排汽压力0.28 MPa，排汽温度143 ℃；额定功率时进汽流量65 t/h。选用的汽轮机为高效能双支点双级冲动背压式汽轮机，相对内效率高，结构紧凑，体积小。

发电机：YXKK630-2，额定功率1 800 kW，额定电压10 kV，外壳防护等级为IP54，高原型，异步电动机。

汽轮机出口蒸汽温度高于用汽温度要求，有一定的过热度，这样可以减少蒸汽中水分对汽轮机的冲刷，提高设备的使用周期，在汽轮机出口管道上加喷水减温器，调节温度到用汽要求。

3 技改运行效果

3.1 发电量计算

技改项目运行后，进汽轮机蒸汽达到设计要求参数（0.58 MPa、200 ℃），每个系列进汽流量65 t/h，出口蒸汽参数达到设备正常运行参数（0.28 MPa、143 ℃），根据式（6）计算发电量：

式中Ne——发电量，kW·h；

H1——汽轮机进口（0.58 MPa、200 ℃）蒸汽焓，2 850.48 kJ/kg；

H4——汽轮机出口（0.28 MPa、143 ℃）蒸汽焓，2 747.09 kJ/kg；

η1——汽轮机机械效率，98%；

η2——发电机效率，97%；

qm——每个系列进汽流量，65 t/h。

经计算，2个系列小时发电量为3 549 kW·h。

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

3.2 创造经济效益

正常情况下，每年按7 200 h 的生产时间计，电价按公司年平均使用电价0.35 元/（kW · h）计，扣除发电运行成本（包括因采用汽轮发电而减少的0.28 MPa、132 ℃的蒸汽量对应的费用和汽轮发电其他辅机的运行费用）0.045 元/（kW · h）后，每千瓦时的实际收益为0.305 元，则每年可减少电费支出：3 549×7 200×0.305万元＝779.36万元，1.5年即可全部收回投资，经济效益显著。

4 结论

磷酸生产下游使用蒸汽时若需减温减压，可通过做功发电方式进行蒸汽压力和温度的调节，从而把减温减压过程中蒸汽的损进行合理利用，实现蒸汽能量的梯级利用，提高蒸汽的能量利用率。

背压汽轮机的工作效率受汽轮机负荷率影响较大，在进行改造方案确定时，需结合生产情况进行综合考虑，以确保生产中汽轮机的负荷率＞75%，提高能源综合利用效率。