影响HT-L气化真闪发电功率的因素探究

郭志强

(新乡中新化工有限责任公司，河南新乡 453800)

1 研究背景

新乡中新化工有限责任公司年产20万t甲醇项目采用北京航天长征化学工程股份有限公司开发的具有自主知识产权的HT-L粉煤加压气化技术，设计规模为日产207万m3(CO+H2)。航天气化渣水处理采用两级闪蒸,其中高压闪蒸系统中有约250 t/h、温度为158 ℃的黑水通过真空闪蒸罐闪蒸出压力为-0.050 MPa、温度为85 ℃左右的闪蒸蒸汽。这部分闪蒸蒸汽通过真闪冷却器降温至45 ℃以下后排至沉降槽，该部分闪蒸汽热量不能被有效利用，造成较大能量浪费[1]。

由于该部分闪蒸蒸汽品质低，含灰量较高，含固质量浓度>20 mg/m3，蒸汽流量可观。虽然超低压汽轮机应用洁净蒸汽发电已经得到应用，但高固含量、腐蚀性的低品质蒸汽应用与汽轮机发电为业内首创。在汽轮机的投用过程中经常引起发电机功率的波动，造成多次打闸停机事故。

2 真闪发电功率衡算

2.1 气化高闪物料衡算

高闪的水来自气化装置压力较高的设备，120 t/h来自气化炉，30 t/h来自洗涤塔，两台气化炉共300 t/h的水输送至高压闪蒸罐闪蒸。通过闪蒸，温度由205 ℃降至158 ℃，压力由3.800 MPa降至0.600 MPa。根据物性表，水的比热容C水为4.18 kJ/(kg/℃)，水在205 ℃下的液体焓为875 kJ/kg，水在158 ℃下的液体焓为666 kJ/kg，158 ℃下饱和蒸汽焓为2 755 kJ/kg。根据在闪蒸前后能量和物料守恒，设闪蒸后蒸汽质量为m汽，闪蒸后凝液质量为m液[2]。

闪蒸前的能量：

Q1=300 t/h×1 000×875 kJ/kg

(1)

闪蒸后的能量：

Q2=m汽×1 000×2 755 kJ/kg+m液×

1 000×666 kJ/kg

(2)

质量守恒：

m汽+m液=300

(3)

由(1)、(2)、(3)式可得：

m汽=31 t/h，m液=269 t/h

即通过高压闪蒸罐的闪蒸分离出31 t/h的0.600 MPa蒸汽和269 t/h的0.600 MPa饱和水。

2.2 气化真闪物料衡算

真闪的水来自269 t/h高闪，进行真空闪蒸。通过闪蒸温度由158 ℃降至100 ℃，压力由0.600 MPa降至0.100 MPa。根据物性表，水在158 ℃下的液体焓为666 kJ/kg，水在100 ℃下的液体焓为419 kJ/kg，100 ℃下饱和蒸汽焓为2 675 kJ/kg。根据闪蒸前后能量和物料守恒原则，设闪蒸后蒸汽质量为m汽，闪蒸后凝液质量为m液。

闪蒸前的能量：

Q1=269 t/h×1 000×666 kJ/kg

(4)

闪蒸后能量：

Q2=m汽×1 000×2 675 kJ/kg+m液×

1 000×419 kJ/kg

(5)

质量守恒：

m汽+m液=269

(6)

由(4)、(5)、(6)式可得：

m汽=30 t/h，m液=239 t/h

即通过真闪闪蒸分离出30 t/h的0.100 MPa蒸汽和239 t/h的100 ℃饱和水。

2.3 发电功率衡算

30 t/h、0.100 MPa的蒸汽通过蒸汽轮机做功后压力降为0.015 MPa。根据蒸汽轮机的功率计算公式[2]：

N=GΔHsη/3 600

(7)

其中：N为蒸汽轮机的功率，kW；G为蒸汽质量流量，kg/h；ΔHs为等熵焓降；η为汽轮机热效率，取73%，发电机效率为80%。

计算出该低压蒸汽用于发电的功率：

0.100 MPa、100 ℃的蒸汽焓值为2 675 kJ/kg，比熵为7.36 kJ/kg；0.015 MPa等熵焓值为2 386 kJ/kg。

ΔHs=2 704-2 486=289(kJ/kg)

N=30×1 000×289×0.73/3 600×0.85=

1 494(kW)

经核算，30 t/h、0.100 MPa的蒸汽通过蒸汽轮机功率为1 494 kW，年发电1 195.2万kW·h。

3 影响真闪发电功率因素探究

引起发电机功率波动的因素包括压力、温度、组分的变化、系统的影响等。经过总结，影响汽轮机发电量主要因素是汽轮机前后压差，压差大其做功较高，反之亦然。

3.1 循环水温度对发电量的影响

进凝汽器循环水进口温度升高，导致机组排汽压力升高、发电功率减小；当循环水流量增加(循环水泵耗电量增加)，进口水温度则降低，机组排汽压力下降、发电功率增加。循环水温升是影响汽轮机组排汽压力的重要参数，循环水温升过高、过低都会对机组运行的经济性带来不利影响[3-4]。

通过比对真闪发电在冬季和夏季的发电量(见表1)，循环水温度在冬季和夏季温差为5 K，发电量差为220 kW·h，降低进入凝汽器的循环水温度可以有效提升发电负荷。

表1 循环水温度对真闪发电影响

图1 循环水温度与真闪发电量的趋势

3.2 循环水流量对发电量的影响

循环水流量直接影响凝汽器的真空度，循环水流量大则换热效果好，可以保证真空泵负压。若循环水流量降低，则真空泵负压难以维持，汽轮机做功较差，发电功率降低。在汽轮机组投用初期，由于未能掌握循环水流量对真空度的影响，险些酿成跳机事故。通过实际测量，目前循环水体积流量在500 m3/h左右，不足以维持2台汽轮机满负荷运行，后期需继续对循环水进行相关改造。

30 t/h、0.097 MPa的蒸汽通过蒸汽轮机做功后排汽压力降为0.015 MPa。0.015 MPa蒸汽焓值为2 598 kJ/kg，53 ℃的饱和水焓值为226 kJ/kg。

ΔHs=2 598-226=2 372(kJ/kg)

Q=30×1 000×2 372=71 160 000(kJ/h)

两台凝汽器需要循环水量：

m=71 160 000÷4.185 8÷10=1 700(t/h)

单台凝汽器至少需要850 t/h循环水。

原设计循环水管线为DN400，且循环水管线从渣水三楼引至真闪发电，循环水管线阻力大，流量汽轮机排气压力高；DN400管线循环水体积流量为540 m3/h。循环水阻力大，循环水流速为1.2 m/s。

原设计管线流通量仅能满足单台凝汽器的循环水需求量。

通过改造将原DN400管线增粗为DN600管线，取水点改为真闪发电南地下管网，循环水体积流量为1 831 m3/h。降低了循环水管线阻力，循环水流速为1.8 m/s。

通过改造循环水管线，循环水流量达到了设计值，满足了2台汽轮机凝汽器的冷却要求。

表2 循环水改造前后排气压力比对

3.3 捞渣机水量对真闪发电的影响

真闪压力是影响汽轮机发电量的重要因素之一，真闪压力高则气轮机前后压差增大，汽轮机做功较好，进而发电功率大，反之亦然。因此，维持真闪压力稳定极为关键，真闪压力的稳定在于进入真闪闪蒸水量和温度稳定，因此必须保证气化水系统循环水量的稳定。

气化装置进入真闪的水除高闪以外还有来自捞渣机45 ℃的低温水，且该股水伴随气化排渣周期性输送，流量不稳定，造成气化真闪汽轮机发电负荷波动大。该股低温水质量流量约为30 t/h，对气化真闪蒸汽量影响计算如下：

真闪的水来自269 t/h高闪，进行真空闪蒸。通过闪蒸温度由158 ℃降至100 ℃，压力由0.600 MPa降至0.100 MPa；根据物性表，水在158 ℃下的液体焓为666 kJ/kg，水在100 ℃下的液体焓为419 kJ/kg，100 ℃下饱和蒸汽焓为2 675 kJ/kg，30 t/h、45 ℃捞渣机水焓值为190 kJ/kg。根据在闪蒸前后能量和物料守恒原则，设闪蒸后蒸汽质量为m汽，闪蒸后凝液质量为m液。

闪蒸前的能量：

虽然下定决心往前走，但大伙儿心中刚刚发现洞口的喜悦已经消散了，好像向前的每一步，都是提心吊胆，是推开朝向万花谷的窄门，还是举着火把走下黄泉？火把一分一寸地燃烧，在山洞里散发着松油的香气。

Q1=269 t/h×1 000×666 kJ/kg+30 t/h×

1 000×190 kJ/kg

(8)

闪蒸后能量：

Q2=m汽×1 000×2 675 kJ/kg+m液×

1 000×419 kJ/kg

(9)

质量守恒：

m汽+m液=299

(10)

由(8)、(9)、(10)式可得：

m汽=27 t/h，m液=272 t/h

捞渣机水不进真闪罐比进真闪罐多消耗3 t闪蒸汽。

3 t/h、0.097 MPa的蒸汽通过蒸汽轮机做功后压力降为0.015 MPa。根据蒸汽轮机的功率计算公式：

N=GΔHsη/3 600

(11)

其中G为蒸汽流量，kg/h；ΔHs为等熵焓降；η为汽轮机热效率，取73%，发电机效率为80%。

计算出该低压蒸汽用于发电的功率：

0.097 MPa、99 ℃的蒸汽焓值为2 674 kJ/kg，比熵为7.37 kJ/kg；0.015 MPa等熵焓值为2 390 kJ/kg。

真闪在捞渣机进水后，发电量会突然降低138 kW·h，伴随气化炉下渣波动。当两台气化炉同时排渣时，发电量理论波动276 kW·h，与实际真闪发电波动值(96～190 kW·h)相吻合。真闪蒸汽量的波动严重影响了真闪发电量和真闪的稳定运行(见表3、图2)。

表3 真闪发电与下渣影响波动

图2 真闪发电与下渣影响波动

3.4 气化水系统循环量对真闪发电的影响

系统水循环流量对真闪压力影响较大，发电量和真闪闪蒸汽量直接相关联。在气化炉开车初期，由于气化炉压力较低，其外排黑水需进去压力较低的真闪建立水循环，待气化炉负荷提升(0.500 MPa)后再切为高闪系统。当系统水循环流量较大时，会造成真闪闪蒸汽量减小，进而造成发电功率波动且较低。在气化炉系统建立真闪系统循环期间，最直观表现是排气温度的变化。排气温度从49 ℃升高至79 ℃，且波动较大。排气温度升高，现场真空泵排出气体温度较高，随之排气压力降低，发电机的负荷也随之降低。

原设计进300 t/h高闪黑水，气化循环水量每增加10 t/h，高闪进水增加10 t/h，即进高闪黑水310 t/h。水在205 ℃下的液体焓为875 kJ/kg，水在158 ℃下的液体焓为666 kJ/kg，158 ℃下饱和蒸汽焓为2 755 kJ/kg。根据在闪蒸前后能量和物料守恒原则，设闪蒸后蒸汽质量为m汽，闪蒸后凝液质量为m液。

闪蒸前的能量：

Q1=310 t/h×1 000×875 kJ/kg

(12)

闪蒸后能量：

Q2=m汽×1 000×2 755 kJ/kg+m液×

1 000×666 kJ/kg

(13)

质量守恒：

m汽+m液=310

(14)

由(12)、(13)、(14)式可得：

m汽=31 t/h，m液=279 t/h

通过高压闪蒸罐的闪蒸分离出31 t/h的0.600 MPa蒸汽和279 t/h的0.600 MPa饱和水。

真闪的水来自279 t/h高闪，进行真空闪蒸。通过闪蒸温度由158 ℃降至100 ℃，压力由0.600 MPa降至0.100 MPa。根据物性表，水在158 ℃下的液体焓为666 kJ/kg，水在100 ℃下的液体焓为419 kJ/kg，100 ℃下饱和蒸汽焓为2 675 kJ/kg。根据在闪蒸前后能量和物料守恒原则，设闪蒸后蒸汽质量为m汽，闪蒸后凝液质量为m液。

闪蒸前的能量：

Q1=279 t/h×1 000×666 kJ/kg

(15)

闪蒸后能量：

Q2=m汽×1 000×2 675 kJ/kg+m液×

1 000×419 kJ/kg

(16)

质量守恒：

m汽+m液=279

(17)

由(15)、(16)、(17)式可得：

m汽=30.5 t/h，m液=248.5 t/h

N=0.5×1 000×284×0.73/3 600×0.8=

23(kW·h)

即气化循环水量增加10 t，真闪蒸汽增加0.5 t，增加发电量23 kW·h。

4 结语

引起气化真闪发电机功率波动的因素包括循环水流量、温度、气化系统循环水量；影响汽轮机的发电量主要因素是汽轮机前后闪蒸汽压差；循环水温度是影响汽轮机组凝汽器压力的重要参数；气化系统水循环流量对真闪压力影响较大，发电量和真闪闪蒸汽量直接相关联。探究影响真闪发电机功率的因素，为真闪发电机稳定运行起到指导作用，可提升气化装置乏汽的利用率。