技术
TECHNIQUE

螺杆蒸汽膨胀机组在硫磺装置中的应用

  1  前言

  炼油运行二部ⅠⅡⅢ硫磺回收装置溶剂再生系统内溶剂再生塔塔底采用釜式重沸器,热源为系统1.0MPa饱和蒸汽经减温减压为0.35MPa的低低压蒸汽。在1.0MPa饱和蒸汽通过减温减压器转化为0.35MPa低压蒸汽的过程,蒸汽通过节流阀节流降压及喷入除盐水降温等措施,这样造成很大的能量损失,蒸汽没有进行合理的梯级利用,同时也不利于装置挖潜增效。鉴于上述情况,采用以旁路形式接入螺杆膨胀动力机既可实现减温减压,又能利用原减压阀的蒸汽压差驱动螺杆膨胀动力机做功,带动发电机进而进行发电,衍生节能效益。

  2  螺杆膨胀机简介

  2.1 主要参数

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  2.2 主要结构

  螺杆膨胀机主机主要由一对螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件以及联轴节等零件组成,结构简单,其气缸呈两圆相交的“∞”字形,两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋形阴、阳转子,平行地置于气缸中。螺杆膨胀机主机是按照螺杆压缩机的逆原理来工作的,其基本结构和螺杆压缩机相同,工作过程相反。螺杆转子可用现有的螺杆压缩机的生产技术来进行生产,但其制造工艺和控制系统要比螺杆压缩机复杂的多。【1】

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  2.3 工作原理

  蒸汽首先进入膨胀机内螺杆齿槽,推动螺杆转动。随着螺杆转动,膨胀机容积不断增大,蒸汽降压、降温膨胀做功,最后排出气体,从主轴阳转子螺杆输出动力,驱动发电机,实现能量转换做功。

  螺杆膨胀机的工作周期由齿间容积中的吸气、膨胀和排气三个过程组成【2】

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  1)吸气过程:工作介质从进气管中流入齿间容积A(如图2),吸气结束时,齿间容积A就形成了一个由转子和机壳共同围成的密闭空间;

  2)膨胀过程:齿间容积A中的高温高压工质在齿间容积中有膨胀的力并对转子施加一个转矩,推动螺杆转动。随着螺杆转动,齿槽A旋转到B、C、D逐渐加长、容积增大,压力和温度下降。当气体移到位置D时,膨胀过程结束,这时螺杆齿间容积达到最大;

  3)排气过程:有机工质随着转子的不断旋转,通过与齿间容积接通的排气口排出,完成整个膨胀过程。

  从膨胀的始点到终点,随着膨胀过程的进行,其中气体的压力、温度和焓值(蒸汽具有的做功能力)下降,比容和熵值增加,气体的内能转化为机械能对外做功。上述的气体吸气、膨胀、排气三个过程不断循环重复,并不断对外做功。

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  一般用实际焓值降低与理想膨胀过程焓值降低(等熵焓降)的比值来衡量螺杆膨胀机主机的效率,称为等熵效率或内效率。螺杆膨胀机的内效率与主机型线设计、加工精度、工质、工作状态稳定性等密切相关。

  3  螺杆膨胀机组的试运行

  螺杆蒸汽膨胀机组为厂家成套设备,相关仪表、控制信号通过仪表组态进入DCS系统,发电机为异步发电机,其发电并网过程都是自动的。机组至现场安装就位、管线配管结束后,主要工作是对入口蒸汽管线的吹扫、打靶,因低压蒸汽吹扫打靶行业内未有相关标准、规范,加之该入口段管线流程较短,故在操作中主要是参考中压蒸汽打靶方案来执行,管线内吹扫、打靶后状态如图4所示。在机组进行联锁调试正常后,机组达开机条件,2014年5月6日机组一次开车成功、发电并网,发电功率平均在200kW左右。

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  螺杆蒸汽膨胀机开机正常后各润滑点回油正常,油温及振动均满足相关要求,相关参数及现场监控记录如表2。

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  4 机组效率核算

  2014年5月6日开机正常、发电并网后出入口蒸汽及流量相关参数如下:

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  经查:以上两个工况对应水蒸汽入口焓值为2929kJ/kg,出口焓值在2886.6kJ/kg,出入口焓降△H=42.4kJ/kg,若为绝热膨胀,该工况下31.5t/h蒸汽对外做功功率为:P=△H×Q=42.4kJ/kg×31.5t/h×1000kg/t ×1h/3600s=371kW。咨询厂家,在该工况下螺杆膨胀机内效率约为37%,因此此时膨胀机输出轴功率为371kW×37%=137.27kW。

  因背压蒸汽至Ⅱ硫磺装置未碰头,机组未满负荷运行。在此次开机工况下,全年按开机8600小时计算,工业用电价格1元/kW·h,全年回收电量所得利润为:137.27kW××8600h×1元/kW·h=118.05万元,项目投资约400万(螺杆膨胀机组、项目施工及材料费用),约3.5年即能回收成本。

  螺杆膨胀发电机组内效率主要影响因素有:机组的设计、机械加工精度、操作工艺及运行转速等。但是机组在运行过程中有一定的自适应性,根据操作工艺的变化,通过不同的控制手段,如背压控制、转速控制、功率控制等来实现机组的平稳运行。如该机组在最初设计时使用的是系统管网0.8MPa、200℃的过热蒸汽,但是由于入口流程的改变,蒸汽改为Ⅲ催化富气压缩机背压蒸汽,压力0.65-0.8MPa,温度220-240℃,有些偏移当初机组的设计工况。而且生产上考虑到螺杆蒸汽发电机组背压蒸汽为后面再生塔等提供热源,采用的是稳定背压的控制操作方式,机组发电功率会随着入口蒸汽状态的变化而不断变化。

  发电机组正常运行后,背压蒸汽并入硫磺装置减温减压器后,原减温减压器基本全关,约留1t/h的蒸汽量进行暖管,保证应急流程切换使用,溶剂再生塔处热源供给正常,系统操作上各工艺指标均能满足设计要求。

  5  小结

  节能减排增效是我国基本国策,特别是在当今能源危机的大背景下,如何合理利用现有能源,提高能源使用效率更是当务之急。用螺杆膨胀机代替减压阀,可以将厂区蒸汽管网富裕的1.0MPa蒸汽降至装置需要的使用压力,余热发电可为企业创造可观的经济效益,因此具有一定的节能示范作用。该项目中的螺杆蒸汽膨胀发电机组在安装调试结束后,一次开机成功。在实现原1.0MPa低压蒸汽转化为0.35MPa低低压蒸汽满足各生产需要的同时,实现发电并网,带来可观的经济效益。

  参考文献

  [1]高顺庆,胡亮光;蒸汽压差螺杆膨胀机在集中供热中的应用 《煤气与热力》第20卷 第5期;

  [2]米春娥;浅析螺杆膨胀机在石油化工企业的应用 《中国化工贸易》2013年6月第6期。



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