冶炼烟气制酸系统汽轮机驱动循环水泵节能研究与应用.pdf

硫酸工业Sulphuric Acid Industry第 3 期2023 年 6 月No.3Jun.2023冶炼烟气制酸系统汽轮机驱动循环水泵节能研究与应用王炜博，张卫星，岳龙，叶丙丙（国投金城冶金有限责任公司，河南灵宝 472500）摘要：介绍了大型铜冶炼企业硫酸系统富余蒸汽优化利用的情况。将硫酸循环水泵由异步电动机驱动改为采用凝汽式汽轮机驱动，分析了改造后的运行情况和注意事项，对比了应用成本与经济效益，较好地实现了能源的再利用，达到了降本增效的目的。关键词：汽轮机节能富余蒸汽发电中图分类号：TQ111.16；X706 文献标志码：B 文章编号：1002-1507(2023)03-0030-03Research and application on energy-saving of circulating water pump driven by turbine in smelting flue gas acid production systemWANG Weibo,ZHANG Weixing,YUE Long,YE Bingbing(SDIC Jincheng Metallurgy Co.,Ltd.,Lingbao,Henan,472500,China)Abstract:The optimization of surplus steam utilization in the sulphuric acid system of large copper smelting enterprises is introduced.The sulphuric acid circulating water pump is changed from being driven by an asynchronous motor to being driven by a condensing turbine.The operation situation and precautions after the transformation are analyzed,and the application cost and economic benefits are compared.The reuse of energy is well achieved,achieving the goal of cost reduction and efficiency increase.Key words:turbine;energy-saving;surplus steam;electric power generation硫酸工业实际生产过程中，电耗成本占比较高，有必要采取节能降耗措施。某公司硫酸厂区部分设备由电加热改为蒸汽加热，如制酸系统电除雾绝缘子箱改造为蒸汽加热，节能效果明显。该公司硫酸转化系统余热锅炉产出的 0.4 MPa 低压蒸汽利用后仍富余约 9 t/h，该部分蒸汽排空，造成能源的浪费。原硫酸冷却循环水泵由异步电动机驱动，采用出口阀门调节流量，功率因数低、达不到最佳工作效率，耗电量较大。因此，将 560 kW 循环水离心泵由 10 kV 高压电力驱动改造为汽轮机驱动方式，对低压蒸汽进行有效利用，汽轮机多发的电能送至硫酸 10 kV 站的母线上，实现节能降耗。1设备概述汽轮机参数见表 1。1.1设备结构汽轮机为凝气式汽轮机，成套装备一体化设计，收稿日期：2023-01-26。作者简介：王炜博，男，国投金城冶金有限责任公司工程师，主要从事电气管理工作。电话：[phone]；E-mail:。表1汽轮机参数项目参数额定功率/kW1 100转速/(rmin-1)5 600/1 470临界转速/(rmin-1)3 960进汽压力/MPa0.55进汽温度/155.5冷却水温度/32排汽压力/MPa0.01额定进汽流量/(th-1)10转子结构7级压力叶轮安全性高。汽轮机转子是挠性的，临界转速为3 960 r/min，5 600 r/min运行，由齿轮减速装置减速至1 470 r/min后通过汽轮机同轴驱动电动机，既能使31用汽轮机+双轴伸电动机驱动硫酸循环水泵，还能将产生的多余电能送至电网，供其他设备使用。1.2通流部分转子采用薄叶轮套装结构，中间用气封套筒分开，在套装转子时，可利用汽封套筒调准动、静叶之间的空隙，将叶轮组装于轴上，并安装轴向键以防叶轮松动时产生转动。汽轮机转子与齿轮减速装置主动轴的连接采用膜片式联轴器，齿轮减速装置被动轴与电机的连接采用离合器，联轴器横装于轴上，并用键连接以传递扭矩。在机组启动及停机时利用齿轮箱主动轴端部的外伸轴头连接电动盘车。1.3调节系统调节系统包括直行程电子式电动执行器、电动调节阀、汽阀总成等部件，通过将电信号输入 PLC进行程序逻辑运算调节转速和负荷。调节汽阀连杆是一个近似四杆机构，通过电动执行器输出的转角位移变化调整气阀的开度来调节进气量，进而达到控制汽轮机转速的目的。调节汽阀连杆的一端与调速器输出端相连，另一端通过固定在调节汽阀阀盖上的支架，形成连杆的支点。在主杠杆上有拉板机构与调节汽阀阀座相连。汽阀总成包括速关气门、调节气阀两部分1，在紧急停机及开机时使用。速关主气门由紧急停机装置的转轴控制，当汽轮机失速后可以使汽轮机自动停机，也可通过手动使危急遮断器连杆动作，汽轮机停止运行2。开机时，通过顺时针旋转气阀的手轮，转轴挂上钩后逆时针方向旋转手轮，气门逐渐开启，蒸汽通过气阀进入汽轮机开始做功，随着转速升高，调速器开始动作，汽轮机进入自控状态，转速稳定在预先整定的转速。然后，可将手轮逆时针旋转至全开位置，主汽阀全开，其行程约为 20 mm，若要再提高汽轮机转速，需调整转速给定旋钮，逐渐升至额定转速。1.4保安系统保安系统是防止发生意外事故的重要装置，机组的保安系统由危急遮断器、危急遮断器连杆、轴向位移保护装置及电超速保护装置组成。当转速为额定转速的 110%112%时，危急遮断器的飞锤作用在危急遮断器连杆的击出杆上，带动整个连杆机构动作，进而使汽阀总成上的转轴旋转，关闭气源，紧急停机。当转速超过额定转速后，可以启动电超速保护按钮使接触器接触，通过电磁阀动作关闭主气门。1.5冷凝系统汽轮机的冷凝系统包括冷凝器、水环真空泵、循环水泵、冷凝水泵、自安全膜板和疏水器等部件。汽轮机的冷凝系统主要是维持机组的真空，同时将蒸汽转换成除盐水回收利用。机组的水环真空泵在开车时可以迅速提高冷凝器的真空度，抽出来的汽气混合物一起排入大气中。在机组运行过程中，当真空度达不到要求状态时，会启动水环真空泵。2工作流程汽轮机驱动循环水泵工作流程见图 1。图1汽轮机驱动循环水泵工作流程图 1 中初始状态下汽轮机未启动，利用双轴伸异步电动机驱动水泵运行；启动汽轮机，蒸汽进入高压缸后喷射在叶轮上，利用高温高压蒸汽驱动转子旋转，当汽轮机转速达到所需的稳定工作转速时，双轴伸异步电动机将切换为发电机模式；在发电的同时，电动机仍可通过联轴器或其他传动装置与水泵连接，继续驱动水泵运行，既保证了水泵的工作，也实现了汽轮机的发电。3运行情况采用汽轮机驱动循环水泵，系统运行稳定。异步电动机和汽轮机驱动循环水泵在操作上的区别如下。1）启动和停止过程。异步电动机驱动一般可以通过启动按钮或控制系统实现快速启动和停止，启动时间相对较短；汽轮机的启动和停止过程相对复杂，涉及到蒸汽系统的稳定运行，需要一定的启动时间和冷却时间。2）起动转矩和转速特性。异步电动机通常具有较大的起动转矩，可以提供较高的启动力矩；汽轮机在启动时需要较长时间以达到设定的转速和工作状态。王炜博等.冶炼烟气制酸系统汽轮机驱动循环水泵节能研究与应用硫酸工业322023 年第 3 期3）控制和保护系统。异步电动机驱动通常使用电气控制系统监测和控制电动机的运行状态，包括电流、转速、电压等参数，更容易实现稳定运行；汽轮机驱动需要更复杂的控制和保护系统，用于监测和控制蒸汽温度和压力、转速和负载等参数，以确保汽轮机的安全稳定运行。4）负载特性。在异步电动机驱动下，负载变化对电动机的影响相对较小，电动机能够自动调整输出转矩和速度以适应负载变化；在汽轮机驱动下，负载变化对汽轮机的影响较大，需要更精确的调节和控制以适应负载需求。5）维护和保养。异步电动机维护和保养相对容易，通常只需要定期检查和更换电动机的轴承、绝缘材料等关键零部件；汽轮机系统则需要更加复杂的维护计划和操作程序，包括定期检查、维护轴承和密封件，检查冷却系统和润滑系统等。汽轮机驱动循环水泵在运行的过程中需要注意的问题有：监测余热锅炉的蒸汽产量和管网蒸汽压力，确保蒸汽供给稳定；控制冷却系统的流量和温度，确保汽轮机的热平衡并在工作温度范围内运行；定期检查和维护润滑系统，确保润滑油的正常供给。4效益核算硫酸车间转化工序余热锅炉设计产汽量为 21 t/h，实际生产中产汽量约 14 t/h，汽轮机进蒸汽 9 t/h 左右，进汽压力为 0.350.52 MPa，汽轮机额定功率为 1 100 kW，汽轮机发电量由送电网电量和水泵消耗电量两部分组成。2022 年 1 月试运行，12 月蒸汽用于供暖，汽轮机停运，211 月汽轮机发电量及运行时间统计见表 2。由表 2 可知，2022 年 211 月，汽轮机项目总发电量为 5 062 302 kWh，平均每小时发电量约为 868 kWh，达到设计值的 79%。其中 8 月份检修结束后系统扩产，管网富余蒸汽量增加，汽轮机转换电量同步增加，9 月份每小时电量约为 998.6 kWh，达到设计值的 91%。根据 2022 年运行记录，除去检修停机时间，汽轮机平均每月运行时间为 670 h，对汽轮机项目进行经济效益核算：1）冷凝水回收。汽轮机项目运行后可回收蒸汽冷凝水 9 t/h 供锅炉使用，每月可节省脱盐水表22022年211月汽轮机发电量及运行时间统计项目送电网电量/kWh水泵消耗电量/kWh运行时间/h停车时间/h2月246 088282 080656883月258 326266 600620524月263 130294 980686585月273 140291 110677436月240 714298 150670747月66 564112 6402564648月105 61099 4402265189月379 290298 7606796510月356 600270 8006774311月356 440301 84068658合计2 545 9022 516 4005 8331 463注：月度数据统计周期为上月26日至当月25日。6 030 t，脱盐水单价按6.27元/t计，可节省脱盐水成本37 808.1元/月。2）汽轮机自身耗电。汽轮机辅机（稀油站、凝结水泵、真空泵）耗电约为 25 kWh/h，据统计，受现场熔炼炉检修影响，汽轮机自身耗电16 750 kWh/月，电单价按0.75元/kWh计，费用为12 562.5元/月。3）其他耗电。因冷却水加热后回循环水池，需提高循环水塔顶风扇运行频率对循环水进行降温，保证系统的运行指标。经测算风扇耗电增加52 kWh/h，每月运行时间按 670 h 计，风扇耗电量为 34 840 kWh/月。运行过程中需对真空泵冷却水进行回收，新增地坑泵电机额定功率为 7.5 kW，每天开启 5 h，每月运行时间按 30 天，运行功率按6 kW 计，地坑泵电机耗电量为 900 kWh/月。新增照明灯 2 台，每台功率 300 W，按每天开启 10 h 计，照明灯耗电量为 180 kWh/月。此项耗电量共计35 920 kWh/月，电单价按0.75 元/kWh计，费用为26 940元/月。4）脱盐水费用。汽轮机真空泵消耗脱盐水5 t/h，脱盐水单价按 6.27 元/t 计，此项费用为21 004.5元/月。5）人工费用。按照现有人员定岗，汽轮机岗位每班配置 1 人，四班三倒，共 4 人，人工成本为20 080元/月。该汽轮机项目每月收益为 336 893.75 元，汽轮机每年运行时间按 11 个月计算，年收益约为 370.6万元。1 台 1 100 kW 的汽轮机机组的整体投资为（下转第39页）39表10胺液MDEA浓度的影响分析胺液MDEA质量分数/%净化尾气(H2S)/10-6胺液循环量/(th-1)再生塔蒸汽消耗量/(th-1)再生塔回流量/(th-1)30.00 30.32 61.97 12.92 1.06 32.00 28.01 62.11 13.03 1.64 34.00 25.91 62.24 13.12 2.17 36.00 24.34 62.37 13.17 2.47 38.00 23.20 62.50 13.20 2.64 40.00 22.48 62.62 13.22 2.78 42.00 22.10 62.75 13.22 2.78 44.00 22.26 62.87 13.20 2.68 46.00 22.69 63.00 13.15 2.43 48.00 23.56 63.12 13.08 2.04 50.00 32.92 63.24 12.97 1.45 再生塔蒸汽消耗量逐渐降低；当MDEA质量分数高于42%后，净化尾气中H2S体积分数开始升高。实际装置运行的MDEA质量分数为40%，建议维持现状。4.4.3胺液H2S含量优化在保证净化尾气 H2S 含量及胺液 MDEA 浓度等不变时，存在最优的胺液 H2S 含量使再生塔蒸汽消耗量最小。模型中通过调整胺液循环量使净化尾气(H2S)基本在(255)10-6，分析胺液 H2S 含量对胺液循环量、再生塔蒸汽消耗量、再生塔回流量等的影响，结果见表 11。由表 11 可知，在保证净化尾气 H2S 含量基本不变的情况下，随胺液 H2S 含量的降低，胺液循环量逐渐增加，再生塔蒸汽消耗量也随之增加。当前装置胺液(H2S)控制在 0.29 g/L 左右，将其调整至0.35 g/L，可在保证净化尾气 H2S 含量基本不变的情况下，节省 0.63 t/h 的低低压蒸汽消耗量。每年节约蒸汽约 5 292 t。5结论以实际运行数据搭建的基准模型模拟数据与实表11胺液H2S含量的影响分析胺液(H2S)/(gL-1)净化尾气(H2S)/10-6胺液循环量/(th-1)再生塔蒸汽消耗量/(th-1)再生塔回流量/(th-1)0.41 24.14 58.65 10.95 1.13 0.39 24.87 59.70 11.48 1.25 0.37 25.28 59.24 11.90 1.34 0.35 24.61 59.33 12.25 1.42 0.33 24.29 59.94 12.54 1.54 0.31 25.85 60.81 12.78 1.68 0.29 24.11 60.42 12.99 1.78 0.27 25.46 60.67 13.17 1.82 0.25 24.44 62.13 13.33 1.99 0.23 24.43 65.24 13.46 2.09 0.21 25.21 67.48 13.59 2.21 际装置运行数据基本吻合，误差均在允许范围内。1）对克劳斯反应温度进行分析，建议将一级克劳斯反应温度保持在 239.2，将二级克劳斯反应温度由 231 降至 220，以最大程度提高硫黄单程收率，减少吸收再生单元负荷及能耗。2）对加氢反应条件进行分析，将补氢量由 600 m3/h 降至 500 m3/h，在保证含硫化合物通过加氢和水解方式转化为 H2S 的同时，减少装置氢气用量。3）对尾气焚烧单元进行分析，建议将焚烧炉温度由 620 降至 600，烟气(O2)控制在 2.5%，以期在满足烟气排放指标的情况下，减少燃料和动力消耗。4）对胺液吸收再生单元进行分析，采用适当降低胺液循环量、提高胺液 MDEA 浓度、提高胺液 H2S 含量的方案，在不改变净化尾气 H2S 含量的情况下，可节省蒸汽消耗。参考文献：1 李菁菁.硫磺回收装置的能耗分析及节能J.炼油技术与工程,2007,37(2):52-57.180万元，6个月即可收回全部投资。5结语针对烟气制酸系统中异步电动机工作效率低、耗电量较大的问题，将 560 kW 循环水离心泵由 10 kV 高压电力驱动改造为汽轮机驱动，有效利用了低压蒸汽。汽轮机驱动投入使用后，每年发电量超过 500 万 kWh，较好地实现了节能降耗，也为同类企业提供了较好的借鉴。参考文献：1 盛晖.WOODWARD505控制器结合横河DCS在汽动给水泵中的应用J.化工自动化及仪表,2021,48(3):302-305.2 李美颐.低温余热有机工质汽轮机流场模拟及叶型优化研究D.阜新:辽宁工程技术大学,2019.（上接第32页）许可.硫黄回收装置流程模拟及优化