燃气轮机与乙烯裂解炉集成技术的节能效果及经济性分析

曹家天，王积欣，郭小丹



燃气轮机与乙烯裂解炉集成技术的节能效果及经济性分析

曹家天，王积欣，郭小丹

（中国寰球工程公司，北京 100012）

通过燃气轮机与乙烯裂解炉集成技术的研究分析，探讨在我国现有经济条件下，应用此技术的节能效果及经济性。

燃气轮机；乙烯；裂解炉；集成；节能；经济性

目前，我国工业总体上尚未摆脱高投入、高消耗、高排放的发展模式，资源能源消耗量大，生态环境问题比较突出，形势依然十分严峻，迫切需要加快构建科技含量高、资源消耗低、环境污染少的绿色制造体系。今后五年是落实制造强国战略的关键时期，是实现工业绿色发展的攻坚阶段。以蒸汽裂解为主流技术的乙烯装置作为能源和石油资源消耗的大户也面临着巨大挑战，“节能、降耗、减排”将成为今后乙烯装置绿色发展的重要课题。1992年2月，ABB Lummus公司与大阪石化在美国《石油与天然气杂志》（Oil & Gas Journal）上，联合公开发表了有关燃气轮机与裂解炉集成技术（英文：Gas Turbine Integration with steam cracker，以下简称GTI技术）的论文。此后该技术逐渐被世人所熟知，并在韩国、日本、印度尼西亚、巴西等国家获得商业化应用，并取得了不错的经济效益。燃气轮机与裂解炉集成技术也作为推广技术列入了我国《工业节能“十二五”规划》，但目前国内还没有应用此技术的乙烯装置。笔者以某工程项目为平台，探讨分析了在我国现有经济条件下，应用此技术的节能效果及经济性。

1 燃气轮机与乙烯裂解炉集成技术

在常规的乙烯裂解炉设计中，烧嘴的助燃气体就是环境空气。裂解炉在10%的过剩空气条件下工作，燃烧后的烟气中含有2%氧气，裂解炉的热效率通常在93%~94%。锅炉给水通过裂解炉的对流段回收烟气余热，并发生超高压蒸汽（12.5 MPa(G)，525 ℃），用于驱动“三机”透平。裂解炉简图如图1所示。

图1 裂解炉简图

常规的燃机发电是用天然气或者其它燃料气与压缩空气在燃烧室里混合后燃烧，燃烧后的高温气体经膨胀透平膨胀做功，膨胀透平驱动发电机把机械能转换成电力输出。膨胀透平排出的尾气一般设置废热锅炉回收余热后排入大气。燃机发电简图如图2所示。

秋季播种，以幼苗越冬，翌年春季收获的菠菜，又称根茬菠菜、冻菠菜、白露菠菜。一般当地日平均气温17～19℃时为播种适期，选用晚熟或不易抽薹的品种10月下旬至11月上旬栽植，翌年春天收获。其他地区播种期可随纬度的不同做适当调节。

图2 燃机发电简图

由于燃机透平的尾气温度高达480~540 ℃，并含富氧13%~15%，这样就可以用这股“热气体”作为裂解炉的部分热源，替代部分燃料和助燃的“冷气体”（环境空气），从而节省燃料消耗，降低乙烯能耗。燃气轮机与乙烯裂解炉集成后，为了平衡氧气的需求，需要配备一台调整风机补充少量空气，补充量大约是燃机透平尾气量的10%。燃气轮机与裂解炉集成技术简图见图3［1］。

图3 燃气轮机与裂解炉集成技术简图

2 节能效果及经济性分析

2.1 经济性分析

笔者以某100万t/a乙烯工程项目为平台，对应用GTI技术进行了研究。研究分为“无GTI”和“有GTI”两种工况。其中“无GTI”工况即常规乙烯装置工况，“有GTI”工况即在常规乙烯装置工况的基础上，增加燃气轮机发电与乙烯裂解炉技术集成，燃气轮机所消耗的燃料即为乙烯装置副产的燃料气。除了燃料气外，GTI技术集成对乙烯原料及产品都没有影响。两种工况的原料及产品对比详见表1。

表1 原料及产品对比表

在“无GTI”工况下，裂解炉副产的超高压蒸汽一般用于驱动裂解气压缩机。裂解气压缩机采用抽凝式透平驱动，背抽的高压蒸汽（4.0 MPa（G）, 400 ℃）用于驱动乙烯机、丙烯机以及其它相同等级的蒸汽用户。

在“有GTI”工况下，燃气轮机尾气的含氧量在13%~15%，低于环境空气的含氧量。所以，为保证裂解炉同样的10%的空气过剩率，所需的助燃气量要增加，产生的烟气量也要增加，而工艺物料侧的吸热是一定的。为保证相同的热效率（相同的排烟温度），对流段锅炉给水预热管及超高压蒸汽过热管要增加换热面积，裂解炉超高压蒸汽产量会增加［2］。为平衡增加的超高压蒸汽，可采取用超高压蒸汽驱动裂解气压缩机和丙烯机，乙烯装置的蒸汽平衡也要随之进行调整。根据100万t/a乙烯副产的燃料气量，“有GTI”工况配置GE PG 7121型燃机，装机85 MW，扣除自用电，可发电83.2 MW。两种工况的公用工程消耗对比详见表2。

表2 公用工程消耗对比表

按“有GTI”工况，投资增加5 000万美元计，对两种工况进行技术经济测算（表中只列出GTI使用前后有变化的投入产出量），结果如表3所示。

表3 使用GTI经济性测算表

通过以上计算，“有GTI”工况下，使用燃料气发电，当燃料气含税价格为3 024元/t（以天然气价格计，约为8.9USD/MMBtu），电的含税价格为0.68元/(kW·h)进行计算时，其内部收益率为44.12%，投资回收期3.27 a。这说明使用GTI技术，经济效益显著。

保持电价不变（含税价格为0.68元/(kW·h)），当燃料气含税价格提高到4 300元/t（以天然气价格计，约12.6 USD/MMBtu）时，内部收益率为12%，投资回收期8.55 a。也就是说，按照基准内部收益率12%测算，当燃料气含税价格高于4 300元/t时，使用GTI技术并不经济。

燃料气价格维持在3 024元/t不变，电的含税价格降低到0.45元/(kW·h)以下时，内部收益率为12%，投资回收期8.22年。也就是说，按照基准内部收益率12%测算，当电的含税价格低于0.45元/(kW·h)时，使用GTI技术也不经济。

2.2 节能效果分析

根据《乙烯装置单位产品能耗限额》（GB 30250-2013）耗能工质折算值，计算两种工况装置能耗，计算结果详见表4。由表4可知，“无GTI”工况乙烯单位产品能耗564.31 kgoe/t，“有GTI”工况乙烯单位产品能耗484.87 kgoe/t，“有GTI”工况比“无GTI”工况单位产品能耗降低79.45 kgoe/t，降幅达14%，节能效果显著。

表4 两种工况乙烯装置单位产品能耗对比表

3 结论及建议

（1）在乙烯装置应用GTI技术，其经济性与燃料气和电价密切相关。当燃料气含税价格为3024元/吨（以天然气价格计，约为8.9 USD/MMBtu），电的含税价格为0.68元/kWh进行计算时，其内部收益率为44.12%，投资回收期3.27 a，经济效益显著。

（2）在“有GTI”工况下，保持电价不变（含税价格为0.68元/(kW·h)，当燃料气含税价格高于4 300元/t时（以天然气价格计，约12.6 USD/MMBtu）时；或者燃料气价格维持在3 024元/t不变，电的含税价格降低到0.45元/(kW·h)以下时，内部收益率在12%以下，应用GTI技术均不经济。

（3）在乙烯装置应用GTI技术，以100万t/a乙烯为例，吨乙烯产品能耗下降79.45 kgoe，能耗降低14%，节能效果显著。

（4）在当前的经济形势下，天然气价格相对较低，电价相对较高，是乙烯装置应用GTI技术的最佳时期，可以在短期内收回投资，并取得可观的经济效益。

参考文献：

［1］ John V.Albano, Edward F.Olszewski,Toshiyuki Fukushima. Gas turbine integration reduces ethylene plant’s energy needs[J]. Oil & Gas Journal, 1992(10): 55-60.

［2］张磊. 裂解炉技术改造与节能（二）[J]. 乙烯工业，2009，21(2)：56-58.

Energy Conservation and Economic Efficiency Analysis on Integrated Technology of Gas Turbine and Steam Cracker

（China Huanqiu Contracting & Engineering Corp., Beijing 100012，China）

Based on study and analysis of integrated technology of gas turbine and steam cracker in ethylene plant, energy conservation and economic efficiency of this technology were discussed.

gas turbine; ethylene; steam cracker; energy conservation; economical efficiency

TQ 325

A

1671-0460（2016）09-2137-04

2016-08-06

曹家天（1968-），男，吉林省榆树市人，高级工程师，硕士， 1990 年本科毕业于吉林工学院（现长春工业大学），2002 年北京化工大学研究生毕业，现从事项目前期咨询工作，国家节能评估专家。E-mail：caojiatian@hqcec.com。