文菊红1，陈春祥1，王斌1，蒋焓2
（1四川美丰化工科技有限责任公司，四川 绵阳621000；2 杭州汽轮动力集团股份有限公司，浙江 杭州310022）
［摘 要］四川美丰化工科技有限责任公司200 kt/a双加压法稀硝酸装置年平均副产压力4.0 MPa、温度420 ℃过热蒸汽32.4 t/h，22.8 t/h副产蒸汽用于四合一机组凝汽式汽轮机（正常工况功率5 000 kW），剩余9.6 t/h副产蒸汽增湿为0.83 MPa饱和蒸汽外送（对外销售）。针对凝汽式汽轮机效率低、热能利用率低的问题，提出电机驱动与抽汽式汽轮机驱动两种改造方案——电机驱动改造方案通过外销全部副产中压蒸汽，热能利用率可由约35%提升至约92%；抽汽式汽轮机驱动改造方案通过分级利用蒸汽，实现热动联产。经分析与论证，蒸汽价（元/t）/电价[元/（kW·h）]≥245时，宜采用电机驱动方案；蒸汽价/电价＜245时，宜采用抽汽式汽轮机驱动方案。实际应用案例表明，四合一机组由凝汽式汽轮机驱动改为电机或抽汽式汽轮机驱动都是切实可行的。本稀硝酸装置受园区循环产业链影响以及蒸汽销售量限制，四合一机组宜选用改为抽汽式汽轮机驱动的方案。
［关键词］双加压法稀硝酸装置；四合一机组；凝汽式汽轮机驱动；改造方案；电机驱动；抽汽式汽轮机驱动；能耗分析；应用案例
［中图分类号］TK269+.1 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）06-0017-04
0 引 言
四川美丰化工科技有限责任公司200 kt/a双加压法稀硝酸装置于2014年2月投产，其四合一机组由凝汽式汽轮机、NOX压缩机、齿轮箱、轴流式空气压缩机及尾气透平组成，其中，尾气透平提供约60%的动力，凝汽式汽轮机补充剩余约40%的动力。传统凝汽式汽轮机采用简单兰金循环（Rankine Cycle），高品位蒸汽做功后直接冷凝，理论热效率仅36%～38%，大量热能通过冷端损失浪费；对兰金循环工艺的改进，通常采用汽轮机再热循环、回热循环以及提供动力和热能的热电（动）循环[1]。尽管提升蒸汽参数或采用回热技术可提升热效率，但受限于设备材质、工艺热平衡调整及高昂的改造成本，难以得到实际应用。因此，亟需探索适配现有装置的低成本、高效益的改造方案，以突破传统凝汽式汽轮机热效率瓶颈并实现热能梯级利用。
针对本稀硝酸装置四合一机组中传统凝汽式汽轮机效率低、热能利用率低的问题，提出电机驱动与抽汽式汽轮机驱动两种改造方案。经分析与论证，四合一机组改电机驱动方案通过外销全部副产中压蒸汽，热能利用率可由约35%提升至约92%；四合一机组改抽汽式汽轮机驱动方案通过分级利用蒸汽，实现热动联产，符合国家产业政策。两种改造方案均能显著提升热能利用效率，大幅降低冷端损失，经济效益显著。以下就本稀硝酸装置四合一机组的驱动改造方案作一分析与探讨。
1 背景情况
中小型凝汽式汽轮机因其蒸汽初参数低、循环效率低，又因其通流设计落后、内效率低，造成其冷端损失所占比例大，若将其改造为抽汽式汽轮机就能回收一部分冷端损失。将100 MW以下的中小型凝汽式汽轮机改造成供热机组，是投资最少收益最大的途径，这是我国中小型凝汽式汽轮机的最好出路[2]。从政策来看，国家要求在2003年底之前全部关停50 MW以下的凝汽式汽轮机发电机组；为发挥设备潜力，同时鼓励发展集中供热机组，将这类凝汽式汽轮机改造为抽汽式汽轮机，使机组循环热效率提高，并达到一定的热电比，从而可使此类机组作为热电联供机组得到保留[3]。
结合周边市场对蒸汽的需求及现有稀硝酸装置四合一机组的配置现状，提出两种改造方案。一是现有的四合一机组淘汰凝汽式汽轮机，改为电机驱动，稀硝酸装置自产的中压蒸汽可全部外送或直接销售，或直接用作企业后续工艺系统的动力蒸汽；中压蒸汽也可用于背压式发电机组发电，背压低压蒸汽进行再利用[4]。二是将四合一机组现有凝汽式汽轮机改为抽汽式汽轮机，稀硝酸装置副产中压过热蒸汽全部注入抽汽式汽轮机，经膨胀做功后抽出部分低压蒸汽供热，其余蒸汽继续膨胀做功，最后冷却成凝结水回用，由此可实现热动联产，提高热能利用效率，减少环境污染。
2 改造方案分析
本稀硝酸装置产能为25 t/h（折纯，下同），年有效生产时间8 000 h；年平均副产压力4.0 MPa、温度420 ℃的过热蒸汽32.4 t/h，其中，22.8 t/h的副产蒸汽用于四合一机组凝汽式汽轮机（汽轮机正常工况功率5 000 kW），剩余9.6 t/h的副产蒸汽增湿为0.83 MPa饱和蒸汽外送（对外销售）。
2.1 凝汽式汽轮机改电机方案
1）技术路径。高速直联方式轴系设备少，轴系简洁，与原汽拖机组轴系长度差别较小，轴系计算相对简单，机组整体效率较高，运行成本低。
2）设备选型。采用5 500 kW高速变频电机（电压10 kV，级数2P，效率≥98%），直联NOX压缩机。
3）轴系设计。保留原齿轮箱（输入轴转速8 520 r/min，输出轴转速7 289 r/min），取消汽轮机及冷凝系统，新增电机底座（Q345R钢板焊接，抗震等级8级）。
4）热力系统调整。副产32.4 t/h的中压过热蒸汽（压力4.0 MPa、温度420 ℃），增湿为0.83 MPa饱和蒸汽，饱和蒸汽全部外销，热利用率可由约35%提升至约92%。
5）设备布置。原机组中的汽轮机去掉，新增高速变频电机，四合一机组由高速变频电机、NOX压缩机、齿轮箱、轴流式空气压缩机及尾气透平组成，设备联接不变。
6）旋转方向。从电机端看机组，电机与NOX压缩机逆时针方向旋转，轴流式空气压缩机、尾气透平顺时针方向旋转。
2.2 凝汽式汽轮机改抽汽式汽轮机方案
更多内容详见《中氮肥》2025年第6期