杨卫东 高 军 范昌海 田俊凯*

1 浙江卫星石化股份有限公司 （浙江嘉兴 314000）

2 浙江卫星能源有限公司 （浙江嘉兴 314000）

化工自动化连续生产中的三大动力指电动机、蒸汽轮机（蒸汽透平）、燃气轮机（燃气透平）。电机应用最为常见、应用范围最广、操作最简单，但对于驱动大型压缩机而言，电机抗电网晃电能力最弱；蒸汽透平是目前最常见的大型压缩机驱动力，尤其在乙烯、丙烯制备，原料油重整、裂化等反应中。蒸汽透平操作相对简单、平稳，在保证蒸汽品质的前提下可以连续运行3～5 年，甚至更长时间。蒸汽透平发展历史悠久，积累的经验最为丰富，从运行成本、安全系数等方面来看，是目前大型压缩机驱动力的首选。

燃气轮机的发展可以追溯到第二次世界大战之前，其在航空航天发动机方面得到很好的应用。近年来，燃气轮机在发电行业发展势头很快，但在化工领域的应用屈指可数[1]。燃料气直接转化为动力是最节能的应用方式，理论上，燃气轮机在化工自动化连续生产中运行成本最低，但并未得到广泛应用，原因在于燃气轮机操作难度高，环境温度高时效率下降，空气质量影响压气机效率等。在荷兰等欧美发达国家，为了更好地优化燃气资源，已经有50%以上的化工企业安装燃气轮机[2]。燃气轮机在中国的发展和应用推广较晚，加上进口设备价格高昂，其在化工领域的应用更是少见。伴随着能源结构的变化[3]，国家对能耗指标要求越来越高，人们对环境日益重视，燃气轮机在化工领域的市场前景十分广阔。

对燃气轮机在化工领域的应用进行讨论分析，通过在丙烷脱氢行业燃气轮机、电机、蒸汽轮机的应用对比，发现燃气轮机的运行能耗最低，对目前国内发展方兴未艾的轻烃脱氢的设计具有一定指导意义。通过对燃气轮机空气过滤系统、空气冷却系统的技术升级，实现了燃气轮机在化工连续化生产中的长周期运行。

1 燃气轮机综述

燃气轮机依据负荷一般分为重型燃气轮机、轻型燃气轮机和微型燃气轮机。重型燃气轮机主要应用在发电、航母等机械驱动领域，轻型燃气轮机主要应用于飞机、化工生产等驱动领域，微型燃气轮机主要分布于家庭发电、移动式发电、化工生产等领域。当前，美国通用电气公司（GE）的工业燃气轮机处于世界领先地位，德国西门子燃气轮机以其低NOx的先进控制系统正加速发展，日本（三菱）、英国、法国、俄罗斯、中国等在燃气轮机方面都取得突破性进展。

在能源发电领域，国内外逐步注重节能减排和能源供给安全。美国、日本、韩国和欧洲等发达国家和地区已经逐步增加天然气的发电份额，装机容量占比越来越高，其中美国42%、英国42%、韩国27%；中国目前还处于天然气发电的起步阶段。

燃气轮机通常由空气压缩机、燃烧室、动力透平、排气组成，动力透平可选择发电机、压缩机等作为驱动力。轻型和微型燃气轮机可靠性高、运行成本低、NOx排放低、启动快速、消耗水量低，广泛应用于电力组网发电调整、居家发电、野外发电，化工、能源等领域。下面着重介绍在化工生产领域的应用。

2 燃气轮机在化工自动化连续生产装置中的应用

2.1 压缩机驱动和天然气运输

北京化学工业集团有限责任公司（原北京市氧气厂）液化天然气绿色奥运项目，选用天然气作为燃料，以燃气轮机来驱动制冷压缩机，省去蒸汽轮机需要的大量辅助设施，余热还可以发蒸汽，锅炉热水在冬季用于城市供暖。西气东输工程是我国一项重要的民生工程，是我国能源管道的代表工程，也是目前燃气轮机大规模服役的项目。目前，西气东输沿线装机了115 套燃气轮机，其中，通用电气公司PGT25+系列71 套，罗尔斯- 罗伊斯公司RB211 系列39套，中船重工 703 所国产燃气轮机 5 套[5]。2006 年运行至今，燃气轮机在西气东输中发挥了核心驱动作用，有效保障天然气的平稳输送。

2.2 合成氨领域

20 世纪80 年代，中原化肥厂首次在合成氨装置中使用燃气轮机驱动工艺空气压缩机，至今已经运行30 多年。国内几套新引进的大氮肥装置，例如海南富岛复合肥有限公司一期/二期项目、中国石油天然气股份有限公司乌鲁木齐石化分公司化肥厂、四川省合江县化肥厂、锦西化肥厂、重庆建峰化工股份有限公司一期/二期项目等，都采用燃气轮机驱动空气压缩机。国内对于燃气轮机驱动空气压缩机已经累积了很多运行经验，在节能环保方面取得显著效果。合成氨装置燃气轮机烟气的余热利用主要有两种方式：（1）利用13%～15%的过剩氧作为加热炉的燃烧气体；（2）利用补燃技术加热锅炉形成蒸汽，蒸汽作为其他驱动力[6]。

2.3 轻烃脱氢领域

燃气轮机在石油化工领域用途广泛、潜力较大。目前主要应用包括：建立联合循环系统发电，保障化工厂区电力安全；作为驱动力直接驱动压缩机；作为驱动力直接驱动泵。燃气轮机的尾气余热，大部分化工装置可直接作为热源加热工艺气体，这样可以提高燃气轮机的效率与加热炉的综合热效率，避免化工生产中能量多次转化的效能损失。

乙烯、丙烯是国家战略物质，轻烃脱氢是当下石油化工领域研究最多的工艺，未来竞争中成本优势、环保优势是根本。国内第一套鲁姆斯技术丙烷脱氢（PDH）装置（天津渤化石化有限公司）的催化剂再生空气压缩机利用两台燃气轮机直接驱动压缩机，以天然气为原料，在降本增效方面发挥了重要作用；国内第一套UOP 技术PDH 装置（浙江卫星能源有限公司）产品气压缩机以燃气轮机作为驱动力，以丙烷的副产碳二为主要燃料，运行成本低于同行业的运行成本，二期项目依然选择燃气轮机作为驱动力。

2.4 燃气轮机经济指标分析

以45 万t/a PDH 装置为例，比较燃气轮机、蒸汽轮机、电机作为产品气压缩机驱动力的经济指标。装置的主要燃料来源是副产氢气、脱乙塔碳二、脱丙烷塔碳三，上述燃料不足时外输天然气/丙烷。对比分析中，仅假设产品气压缩的驱动力不同，其他后续工艺相同。其分离系统碳二可以直接作为燃气轮机的燃料，设计指标如表1 所示。其中：吨产品损失0.196 t 脱盐水[7]，补水脱盐水自产，价格为 10 元 /t；电费均价0.67 元/（kW·h）；燃气轮机燃料输入均价3 300 元 /t，燃料外输 3 000 元 /t；循环水 0.3 元 /t；1 t蒸汽需要90 m3天然气，天然气价格按照2.7 元/m3折算。

表1 3 种驱动力设计指标

按年运行8 000 h 计算，年度运行成本如表2 所示。用燃气轮机比蒸汽轮机节约8 300 余万元，电机比蒸汽轮机节约5 538 万元，这是建立在锅炉以天然气和丙烷脱氢装置副产气体为燃料的基础上，如果有燃煤能耗指标，结果会不同。从操作稳定性看，蒸汽轮机相对最稳定，燃气轮机投资最高。如果靠近装置发电厂，电力价格可降到0.53 元/（kW·h），则电机运行成本低于燃气轮机。如果选择的工程园区没有完善的蒸汽、电力系统、PDH 副产物、碳二，副氢，LPG 又没有很好的下游，那么综合考虑，选择燃气轮机是最合适的方案。如果装置缺少水源，那么电机和燃气轮机也是较佳选择。

表2 3 种驱动力运行费用对比

3 燃气轮机长周期运行技术升级

3.1 温度对燃气轮机效率的影响

燃气轮机效率随温度升高而下降，夏季温度高于35 ℃后，效率下降比较明显；冬季温度低于5 ℃及湿度大于85%时，入口过滤器存在结冰问题，下雪时也可能造成吸风口结冰堵塞，影响风道进气量，造成非计划停车[8]。根据专利208816238U[9]对燃气轮机空气系统进行技术升级，实现了夏季降温保效率和冬季升温防结冰，解除了其在连续生产中的限制。

3.2 空气过滤系统

空气质量对压气机的效率影响直观，为减少结垢，空气过滤器在线更换可有效保证燃气轮机的长周期运行。压气机效率下降1%，导致机组效率下降1.8%[10]；燃气轮机设计中，压气机效率下降1.5%时，需进行离线清洗，制约了化工装置的连续长周期运行。根据专利208564776U[11]，结合空气质量，改造入口过滤器，实现了装置长周期连续运行。更换一次滤芯花费30 万元，而避免一次离线清洗可节约800 万元。

经过上述两项技术升级改造，解决了困扰燃气轮机在化工装置中应用的难题，实现了其长周期运行，实现真正意义上的从设计到运行的节能降耗。

4 结论

随着国家对能源结构越来越重视，燃气轮机装机容量将越来越大，用途不再局限于发电，更多地直接作为驱动力驱动压缩机。在化工连续化生产中，燃气轮机的配备使运行成本大幅降低。解决了高温和结冰对燃气轮机长周期运行的影响，避免非计划停车；空气过滤系统的升级改造，有效过滤粉尘，增加燃气轮机在线时长。改造后，燃气轮机可满足化工连续化长周期运行的要求，真正实现降本增效。