化工装置蒸汽管网的优化和节能技术应用

戴 立

（中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223）



化工装置蒸汽管网的优化和节能技术应用

戴 立

（中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223）

摘 要：以内蒙古某大型化工项目所配套的蒸汽管网系统为例，阐述了蒸汽分级合理利用的管网优化设置原则，并提出了“热、电、功”联产及回收低位热能的节能思路。

关键词：蒸汽管网；优化；节能；化工装置

随着我国化工行业装置规模的日趋增大，大型化的化工项目包含更多的生产单元，对工业蒸汽的需求也更加复杂多样。因此，蒸汽管网的设计任务主要是保证化工工艺生产装置能够在不同工况条件下安全、稳定运行。目前蒸汽系统在整体设计规范及运行管理上已具有一定的先进性，但在降低能耗研究方面，以前则偏重在大型节能装备上［1］。本文将以内蒙古某化工企业为例，重点对化工装置蒸汽管网的优化和节能技术进行深入分析研究。

1 项目蒸汽管网

本项目属于大型化工项目，化工产品为合成氨和尿素。化工装置的蒸汽需求主要来自2方面：①驱动大型压缩机的蒸汽透平：如空压机、氨压机、合成气压缩机、氮压机和CO2压缩机等；②提供化学反应所需的蒸汽和换热伴热的热源等。同时为贯彻国家热电联产的政策要求，本项目将设置1台25 MW蒸汽发电机组，以满足全厂部分用电需求，全厂蒸汽管网见图1。结合整个项目热负荷、动力负荷和用电负荷综合考虑，本项目蒸汽管网的设计参数见表1。

表1 全厂蒸汽管网参数

全厂主要汽源为项目配套动力站3×240 t/h高温高压循环流化床锅炉，锅炉出口蒸汽将采用单母管制与9.8 MPa（g）高压等级蒸汽管网直接连接，作为全厂高压等级蒸汽的直接来源。同时工艺装置也会由自身的化学放热反应副产部分低品位蒸汽，作为补充的蒸汽汽源。

2 管网的优化节能措施

管网主要遵循蒸汽分级合理利用的设计原则，实现热、电、功联产，节能降耗，以提高全厂热效率。根据本项目蒸汽管网所设置的高、中、低三个蒸汽压力等级，各级采取的节能措施分析如下。

图1 某大型化工项目的全厂蒸汽管网

2.1 9.8 MPa（g）高压蒸汽管网

由于压缩机驱动用的蒸汽透平功率较大，因此对蒸汽做功的能力要求较高。所以考虑将大功率的蒸汽透平设置在高压蒸汽等级，利用锅炉出口的高品位蒸汽（焓值大，做功能力高）直接驱动透平。一方面可保证驱动大功率透平的汽耗率维持在较低的合理量级，避免中压管网因设置太多透平后蒸汽需求量较大，导致管网管径超出合理范围；另一方面也可减少中、低压管网的蒸汽需求量，避免高品质蒸汽在不同压力等级管网下输送而造成蒸汽品位和做功能力的降低。

2.2 5.1 MPa（g）中压蒸汽管网

本级管网并无直接汽源，中压蒸汽的来源主要是由化工装置压缩机的蒸汽透平抽汽提供。抽凝式蒸汽透平的主要特点是从透平中压缸抽出蒸汽，在压差作用下蒸汽的部分内能将转化为驱动透平的机械能，同时该蒸汽还保持一定的压力和焓值可供热用户使用。将此蒸汽抽至中压管网，能够为该等级的蒸汽用户提供能量，从而实现“热功联产”的目的。选用抽凝式透平机组的优点是可调节性强，热、动负荷都可以在很大范围内自由变动［2］。所以考虑将驱动小功率压缩机的蒸汽透平设置在中压等级管网，另外对蒸汽压力有较高要求的工艺装置也将设置在该等级。

由于此级蒸汽管网的汽源来自压缩机蒸汽透平的直接抽汽，因此该蒸汽透平的运行状况直接影响中压蒸汽管网的压力，一旦蒸汽透平运行不稳定，将导致中压蒸汽管网的压力发生波动，进而影响该级管网下的蒸汽透平和工艺装置的运行。鉴于上述因素，在高压蒸汽管网和中压蒸汽管网之间设置具备快开功能的减温减压器，确保在压缩机透平运行故障或抽汽不足时，压力调节阀能够在1s内迅速打开，高压蒸汽经过减压后能够快速补充至中压管网，以维持管网的蒸汽压力恒定在正常范围。

由于高压至中压减温减压器主要应用在开车和事故工况，考虑到其特殊的重要性，该减温减压器将采取分体式控制，高压透平蒸汽旁路系统见图2，其中阀PCV001作为正常中压管网的压力调节阀，根据中压蒸汽管线的压力随时调整阀门开度；PCV002作为压缩机透平抽汽的流量跟踪。PCV001 和PCV002互为备用，可以起到双重保险的功能。双旁路系统的冗余设计能够防止一套旁路故障导致全厂都需紧急停车的事故发生。

图2 高压透平蒸汽旁路系统

2.3 0.6 MPa（g）低压蒸汽管网

由于该级蒸汽的品位较低，虽然仍具有一定的过热度，但与高压蒸汽相比，低压蒸汽的做功能力明显下降，不适合作为驱动蒸汽透平的动力来源。因此本级蒸汽主要用于设备、管线的伴热或采暖的热源。同样，本级管网上并无换热设备能够稳定、持续地提供副产低压蒸汽，所以考虑利用高压管网上汽轮发电机组的低压抽汽作为低压管网的蒸汽汽源，实现“热电联产”的目的［3］。

另外尿素装置的换热反应可副产25t/h的低压饱和蒸汽（0.3 MPa（g）），但压力过低，无法并入低压蒸汽管网。若这部分蒸汽直接排放，又将造成能量的浪费。现考虑采用蒸汽喷射器，以中压蒸汽作为喷射动力汽源，将低压饱和蒸汽由0.3 MPa（g）提压升至0.6 MPa（g）后并入低压蒸汽管网，供该级蒸汽用户使用。蒸汽喷射器示意见图3。

图3 蒸汽喷射器示意

中压驱动蒸汽进入喷射器的压力适配器驱动入口，通过喷嘴形成高速汽流，将0.3 MPa（g）的低压蒸汽吸入，经混合、扩压后形成0.6 MPa（g）的低压蒸汽供出。25 t低压蒸汽（0.3 MPa（g））大约需30t的中压驱动蒸汽。按照5.1 MPa（g）中压蒸汽90元/t，0.6 MPa（g）低压蒸汽70元/t，0.3 MPa（g）低压蒸汽30元/t的价格计算［4］，增加蒸汽喷射器后，每年回收该股低压饱和蒸汽即可增加约300万元的经济效益。

3 结语

一般而言，可按下述措施考虑蒸汽管网的设计和优化：①对蒸汽分级合理利用，实现热、电、功联产；②尽量回收低品位热源，达到节能降耗的目的。

由于化工系统运行工况复杂，整个装置的热负荷、动力负荷和用电负荷会伴随化工工艺装置的负荷波动而发生变化。因此配套蒸汽管网的设计和优化应着眼于蒸汽系统的可靠性、安全性和稳定性，并结合化工装置的实际需求考虑相应的节能措施。

参考文献：

［1］李明君，等.大型蒸汽管网降压运行的可行性分析［J］.上海理工大学学报，2010，32（1）：79-83.

［2］李国俊，等.大型蒸汽管网系统的运行优化调度［J］.化工进展，2007，26（1）：77-81.

［3］洪向道.中小型热电联产工程设计手册［M］.中国电力出版社，2008.

［4］赵仁平，等.制浆造纸业蒸汽价格及能源优化利用的探讨［J］.中华纸业，2012，33（16）：56-60.

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.014 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.014

中图分类号：TK284.1

文献标识码：B

文章编号：1004-8901（2016）02-0049-03

作者简介：戴立（1982年-），男，湖北黄冈人，2007年毕业于华中科技大学热能工程专业，硕士，高级工程师，现主要从事热力系统的工艺设计工作。

收稿日期：2016-01-18

Optimization and Energy-saving Technology Application of Steam Pipe Network of Chemical Plant

DAI Li
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

Abstract：This paper takes the steam pipe network system of a certain large chemical plant in Inner Mongolia as an example，expounds the steam pipe network optimization setup principles for reasonable steam grading utilization and puts forward the energy-saving idea of cogeneration of heat，electricity and power and recovery of low grade heat energy.

Keywords：steam pipe network；optimization；energy-saving；chemical plant