增效节能技术案例综述


作者:钱伯章,作者系《流程工业》特约撰稿人 日期:2015/08/31 来源:流程工业

石油和化工行业属于国民经济中高耗能的领域,其能耗约占工业能耗的18%,占全国总能耗的13%。2014年石油和化工行业总能耗约5.28亿t标煤,同比增长5.2%,增速比上年减缓1%。全行业万元收入耗标煤约375kg,同比下降0.1%。2015年节能形势将更加严峻。随着行业的不断进步,我国石油和化工行业的能效水平已得到提升,在节能技术创新方面取得许多新突破。

在曾经被外资产品占据大批江山的化工节能装置设备领域,国产品牌已创下了自己的天地,本文列举了一些行业中节能成效显著的案例,特别是一些取得突破性技术进展的国产设备,如电机系统、锅炉和蒸汽系统、输送系统及余热余压利用等方面的节能新技术,以飨读者。

1. 高效节能压缩机

由江苏滨海中汇化工设备有限公司自主研发的XDM(西达姆)—210/0.45型氯气、氢气压缩机,经过运行,各项技术参数完全达到设计要求,可以替代进口产品。该压缩机工作效能相当于传统压缩机的2倍,且每年可节约电费30万元以上。

该产品研发历时3年,新型压缩机将传统的悬臂式结构改为双支撑式设计,解决了传统压缩机运行不平稳、同轴度低、磨损故障率较高、维修不方便、耗能高等缺陷,且制造简单、易于装配调整。贵州遵义碱厂2年多的实际应用证明,与传统YLJ—1250/0.3型产品相比,该产品具有节能效果显著、安全可靠、使用寿命长等优点。此外,该产品还可按照用户实际需求,无需更换底座即可进行无障碍安装,改造费用低廉。

2. 防污气阀助压缩机节能

在化肥、石油化工、矿山开采、发电等行业使用的压缩机中,都要用到气阀。目前,一般气阀设计的前提是在清洁环境中工作,而当气阀应用于含有大量粉尘、焦油或活性炭等污物的复杂气体环境中时,气体中的污物极易粘附在气阀流道槽的表面,导致气阀磨损加快,密封不严,跑气、漏气严重,气阀使用寿命大大缩短,仅为理想工作寿命的1%,有的仅用1~2个月就必须更换。气阀即使还没损坏,也极易被污物堵塞,一旦堵塞必须停机拆下清洗。有的企业不得不十几天就停机拆洗一次,而频繁地停开机不仅损耗了原料气,使企业的产量降低,还会大大增加电耗。

这种现象在以煤为原料的化肥企业中表现得尤为明显。据企业反映,不算机器损耗等间接损失,一台气量为57m3/分的压缩机一次停开机就将损失2000多元。

由温州布莱恩压缩机制造有限公司开发的、已获得国家专利的防污菌状气阀,能在含有粉尘、焦油、活性炭等杂质的复杂气体条件下正常工作。由于这种气阀在阀体表面喷涂有防污层,所以空气中的污物不易粘附到阀体上,气阀的磨损大大减小,同时也解决了跑气、漏气的问题,使生产过程中的能耗降低3%~8%,并且在使用过程中易于维护。通过在阀座和阀盖之间设置定位销,使二者的连接更加稳定,不会因震动等原因发生移位导致密封不严、气阀磨损的现象,气阀使用寿命可提高5倍以上。

该气阀目前已经在湖北宜化集团、武汉福源化工有限公司、福州耀隆化工集团公司氮肥厂、广西柳州化工股份有限公司、青岛碱业股份有限公司、山西晋丰煤化工有限公司、河南绿宇化电有限公司等几十个企业得到了应用。企业普遍反映,使用该气阀降低了能耗,节约了成本。湖北宜化集团的防污气阀已经安装了两年多时间,目前仍然在压缩机内正常使用。福州耀隆化工集团公司氮肥厂将其用在美国进口的压缩机上,也收到了很好的效果。

3. 合成氨厂压缩机节能技术

山东潍坊顺利节能润滑技术有限公司自主开发的压缩机节能技术,通过对压缩机气阀和活塞环节进行改造,使氮肥企业的压缩机电耗占吨氨综合电耗的比例降到60%,大型压缩机的电耗比节省10%~15%,吨氨电耗在原基础上下降50~100kWh。

据介绍,气阀、活塞环是影响压缩机可靠性连续运行的关键部件,气阀漏气浪费的电能占压缩机总电耗的20%,活塞环摩擦功率消耗占压缩机总电耗的5%左右。气阀的设计质量决定气阀是否节能。氮肥厂压缩机节能改造时,首先要选用一个主要压缩机做为基本机型,此后再根据所压缩的气体性质、压缩机转速等指标,并在计算多工况基础上,按优选参数设计气阀。

压缩机节能改造技术所选用的高效压缩机气阀是PEEK(聚醚醚酮)阀片和高效缓冲片的结合体,其阻力小而寿命长,气阀能在一个较长的高效区工作半年以上,达到节能目的;节能活塞环通过合理设计间隙,可使活塞环和气缸的磨损极小,密封效果极佳。以年产20万t合成氨厂为例,用这种技术改造,年可节电1600kWh,半年即可收回技改投资。

4. MVR用离心蒸汽压缩机节能明显

由溧阳德维透平机械有限公司自主研发生产的离心蒸汽压缩机,已在青岛明月海藻集团重点节能项目机械蒸汽再压缩(MVR)蒸发系统中连续稳定运行,与之前使用的传统三效蒸发器相比,节能超过70%。

据介绍,该MVR蒸发器用于甘露糖醇浓缩,根据实际运行测算,每蒸发1t水耗电约35kWh,无蒸汽消耗;而项目改造前使用的三效浓缩蒸发系统,每蒸发1t水消耗蒸汽0.35t,耗电10kWh。以蒸汽价格260元/t、电价0.7元/kWh计算,利用MVR系统后每天可节约能源费用近1万元,不到一年即可收回全部投资。

作为优秀的新兴热量循环回用技术,MVR的工作原理就是把工业蒸发过程中回收的二次蒸汽升温后返回到热交换器中重新利用,最大限度利用二次蒸汽中的余热。该技术比传统单效蒸发减少约90%的能源消耗,比常用的三效蒸发节能70%以上,同时还实现了能源、物料的循环运行。

MVR蒸发系统的核心设备是离心蒸汽压缩机,其作用是把回收的二次蒸汽温度提升至设计要求的高度,并回送到热交换器中。国内目前应用的MVR系统都选用国外进口的蒸汽压缩机,主要有离心风机和罗茨风机。离心风机产品价格高,订货周期长,且售后服务很难做到及时周到。罗茨风机运行稳定性差,维护成本高。德维透平公司自2008年成立以来,一直致力于离心蒸汽压缩机的研发和生产,历时3年终于取得突破,所生产的离心蒸汽压缩机性能好,稳定性强,除了在价格上有很强的竞争力,还极大缩短了产品供货周期,售后服务有保证,推动了MVR技术在国内的推广。

据了解,目前使用的蒸发器绝大多数都是高耗能的传统单效或多效蒸发器,用MVR技术替代传统蒸发蒸馏结晶技术有着广阔的市场前景。

5 锅炉用新型风机高效节电

鞍山风机集团有限责任公司拥有的大型锅炉用新型高效节能风机技术节约电能效果显著,可广泛用于冶金、建材、化工等行业,需求十分可观。该技术被列入辽宁省科技计划项目和鞍山市科技计划项目,已取得实用新型专利4项。

我国目前循环流化床锅炉用风机,效率普遍较低,尤其是噪声指标较大,该项目的实施将在很大程度上改善电厂的工作环境。以每台风机轴功率800kW,每天运行10h计算,效率提高3%,每台风机每天可节电240kWh,每年按运行300天计算,可节电7.2万kWh。

该技术原理是通过计算机辅助设计,采用新型风机气动力通道形状和结构参数,实现风机的低噪音、高效、节能;改变传统设计方法,采用微机辅助设计,叶片进口角、叶轮进口加速系数、叶轮进出口宽度比和叶片数等;采用微机预测性能指标和结构参数,减少实验次数、实验费用和实验时间。

大型锅炉用新型高效节能风机关键技术与装备包括:计算机辅助设计技术。按优化结果进行样机试制和性能试验,考核预估结果,进行修改设计。FLUENT软件为基础的风机流场分析的性能预估的实用软件技术;风机整机相互耦合影响技术;风机通道形状和结构技术等。大型风机生产装备包括数控切割、进口旋压设备,大型龙门铣刨、双柱立车、主轴加工中心,风机检测中心等。

该技术目前已在新疆庆华煤化55亿m3/年煤制天然气项目一期工程、云南先锋化工有限公司先锋褐煤洁净化利用试验示范工程、陕西达华电力工程设计咨询有限公司印尼项目、河南洛阳龙羽集团宜电一期、山西大同华岳热电厂等实施。

6. 节能的高温熔盐泵

泵作为通用动力设备,是目前耗能大的设备,提高泵效对节能意义重大。江苏金麟化工机械有限公司与江苏大学联合研发的新型节能产品——系列高温熔盐泵,可有效降低能耗,替代进口产品。该系列产品流量范围为6~1000m3/h,扬程10~100m。泵设计采用了先进的CFD技术,同时在结构上也进行了创新设计,攻克了熔盐泵效率偏低、上轴承寿命短、不均匀热变形导致滑动轴承抱死等关键技术,使泵的最高效率达到76%,轴承寿命超过2万h,与国际先进水平相当。其中,高扬程参数泵采用二级叶轮结构,降低泵单级叶轮扬程,减小了泵的径向尺寸,同时也有助于泵效的提高;泵壳采用空间导叶结构,其全对称性完全消除了叶轮的径向力,降低了泵体的振动等级;完全消除了熔盐经出液管流出而产生的热膨胀不均匀性;轴下端采用滑动轴承结构,配以优质耐磨合金材质的轴套,保证了叶轮运转的平稳性和泵运行周期;创新性地提出了利用叶轮旋转驱动空气对流对高温熔盐泵轴承进行强化冷却方法,解决了泵轴承冷却问题,大大延长了轴承的使用寿命。

高温熔盐泵作为一种立式液下离心泵,用于高温硝酸盐、亚硝酸盐的输送,并广泛用于三聚氰胺、离子膜烧碱、尿素等化工制备流程中。泵效率与原来产品相比提高了3%~8%,其中600RYC型高温熔盐泵最高效率超过76%,处于国内领先水平。以年产100台泵,每台平均功率160kW,年运转300天计算,年节电量可达到5.76×106kWh。

7.高效节能的循环冷却水输送离心泵

以前,国内化工厂基本都采用普通循环冷却水输送离心泵,由于这种离心泵效率较低,电无用功损失特别严重。上海氯碱化工股份有限公司PVC厂于2011年下半年成功对循环冷却水输送离心泵进行了节能改造,实际节电效果达到38%以上。

在化工生产中,必须进行传热传质的热交换过程,因此,基本所有的化工装置都需要使用循环冷却水,以转移出生产过程中的热量并对其进行冷却。循环冷却水输送一般采用大功率大流量的离心泵,因为循环冷却水输送基本是一个连续不间断的过程,离心泵消耗电能特别巨大。以往,国内化工厂采用的普通循环冷却水输送离心泵,效率较低,电无用功损失严重。直到最近一两年,随着高效节能离心泵的出现,才解决了这一问题。

上海氯碱化工股份有限公司PVC厂循环冷却水输送共有6台离心泵,以前曾经实施过变频节能改造,但节电效果都不理想。

为此,该厂成功对循环冷却水输送离心泵进行节能改造。此改造首先采用了高效流体输送技术检测计算设备,对循环冷却水系统情况进行了系统检测和分析,分析了循环冷却水输送的流体力学特征,并结合专用计算软件进行最优化计算,然后根据最优化计算的结果,选择合适的高效节能循环冷却水输送离心泵,替代以前使用的低效率运行的普通循环冷却水输送离心泵,改造取得了一次性成功。PVC厂改用高效节能离心泵后,每年节电费用上百万元,经济效果特别明显,值得国内厂家借鉴推广。

8. 国产液力透平泵打造过程节能利器

沈阳鼓风机集团为湖北金润能源有限公司研制的多级液力透平泵机组经多次试车,选出最优参数结构装配成功,已于2014年10月底抵达现场。这标志着继LNG(液化天然气)液力透平后,我国在热高分油液力透平核心技术上也获得突破。

沈鼓集团为湖北金润能源成功研制的多级液力透平泵经专家测定,其振动值、噪音值、温度、压力等多项设计指标均达到国外同类产品水平,每h可回收205.1kW压力能量。按年运行8400h计算,一年可节电172万kWh。

能量回收透平是利用生产装置中稳定的液力能(主要是压力能),通过液力透平叶轮驱动发电机,将液态流体所具有的能量经过透平喷管时转化为动能,从而驱动透平轴旋转,达到回收能量降低电耗的目的,这项过程节能技术节能降耗显著,经济效益明显。

随着国家对节能减排的要求越来越高和能源费用上涨,有效利用液力能已成为炼化企业对能量回收利用的重要环节,液力透平泵也正在成为新建化工和石化装置不可缺少的重要配套装置。比如已获应用的大型合成氨装置CO2脱出系统中的贫液泵、加氢裂化装置的进料油泵等,都是以液力透平作为辅助驱动。

但受国外技术封锁,我国对液力透平整个工艺流程的核心技术一直未能突破,国内大多炼化企业只能采用进口的Flowserve、荏原、Sulzer等公司产品,价格高且加工时间长、维修难,给国内应用企业带来很多困扰。而1套国产千万t级加氢装置液力透平机组价格为1000万元,只是进口产品价格的1/2左右。

沈鼓集团在前期充分调研、理论分析等技术储备的基础上,攻克了液力透平泵体耐高温、高压,耐冲刷、气蚀、气液混输以及轴向平衡力等诸多技术难题,成功地将气体透平膨胀机的导叶结构形式应用于液力透平当中,极大的提升了透平的首级效率。

此外,沈鼓技术人员还通过强大的商业CFD数值计算分析平台,全方位模拟演示了液力透平内流场的流动情况,掌握了内部通流流道中存在的主要问题,成功完成了液力透平泵的模型设计、模型选择、特性测试、流场数据模拟、测量、分析比较、完善和优化创新,使液力透平泵整机效率提升7.0个百分点,扬程提高524.7米。

液力透平可以对工艺流程中产生的高压液体进行再利用,是一种能量回收装置,主要应用于石油化工加氢裂化装置、天然气液化装置、大型合成氨装置以及海水淡化装置等,是具有长远经济效益的节能装置。

9. 立式多级离心泵能效赶超国际

青岛三利集团研发的新产品——三利立式多级离心泵,于2014年11月通过山东省机械设计研究院组织的检测。报告显示,该离心泵能效超出国内同类泵的15%,超出同行业最高水平泵产品的3%。该产品于2015年初投放市场。

当前日本荏原、丹麦格兰富、美国ITT、德国威乐泵业等国际知名水泵企业在国内高端水泵产品市场几乎处于垄断地位,中国1000多家泵业企业绝大多数徘徊在低端市场,水泵能效与国际通用水平差距为15%~20%。

青岛三利集团是我国无负压供水技术独创者。据介绍,为了打破外国企业对高端水泵市场的垄断,三利立式多级离心泵从立项到研发成功耗资1.2亿元,前后历时7年。为了核心零件——叶轮的扭曲度问题,他们从图纸到开模,从流体力学到电焊技术,多环节攻关,其中仅磨具一项就耗资5000多万元。

泵被誉为工业心脏,在能源、石化、航空、钢铁等重要行业中有大量应用。据预测,到2015年我国泵业市场规模将达到1580亿元左右。未来一段时间,高效率的注水泵、抽油泵、输油泵和螺杆泵等需求将会大增,不同类型工业泵需求量在14万~15万台。哈尔滨工业大学表示,泵业用电占据工业用电总量的20%,水泵能效每提高一个百分点,对我国节能减排都意义重大。