阅读说明：本技术 一种硝酸装置能量回收机组 (Nitric acid device energy recuperation unit ) 是由 李旭晶 李宏安 陈余平 陈妍 王育红 刘拥军 王咏梅 周根标 王冬 黄靓 汪传美 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种硝酸装置能量回收机组,包括尾气透平、NOx压缩机、汽轮机、第一齿轮箱和轴流压缩机,所述的尾气透平,包括机匣和安装在机匣内的转轴,机匣上安装有静叶,转轴的轮毂上安装有动叶；所述的尾气透平、NOx压缩机、汽轮机、第一齿轮箱和轴流压缩机依次同轴相连；所述的尾气透平的机匣上沿着轴向依次安装有5级静叶,转轴上沿着轴向依次安装有5级动叶,静叶和动叶依次交替布设。本发明的硝酸装置能量回收机组能量回收效率高,方案中汽轮机将机组拖动工作转速的95％,逐渐将机组负荷提升到装置点火生产所需要的负荷,检查装置运行符合点火要求后点火,调节机组负荷使之满足系统工艺要求。(The invention provides an energy recovery unit of a nitric acid device, which comprises a tail gas turbine, an NOx compressor, a steam turbine, a first gear box and an axial flow compressor, wherein the tail gas turbine comprises a casing and a rotating shaft arranged in the casing, a stationary blade is arranged on the casing, and a movable blade is arranged on a hub of the rotating shaft; the tail gas turbine, the NOx compressor, the steam turbine, the first gear box and the axial flow compressor are sequentially and coaxially connected; 5-stage static blades are sequentially arranged on a casing of the tail gas turbine along the axial direction, 5-stage movable blades are sequentially arranged on a rotating shaft along the axial direction, and the static blades and the movable blades are sequentially and alternately arranged. The nitric acid device energy recovery unit has high energy recovery efficiency, the steam turbine in the scheme drives the unit to 95 percent of the working rotating speed, the load of the unit is gradually increased to the load required by ignition production of the device, the device is ignited after the operation of the device meets the ignition requirement, and the load of the unit is adjusted to meet the process requirement of the system.)

一种硝酸装置能量回收机组

技术领域

本发明属于硝酸领域，涉及双加压法硝酸四合一机组，具体涉及一种硝酸装置能量回收机组。

背景技术

自1905年世界上首座生产硝酸的工厂投产至今硝酸工业经过百余年的发展，已经成为一个技术成熟、设计合理、产品规格齐全、能源综合利用、环保达标的工业体系。现今生产硝酸的流程有常压法、全压法和综合法，综合法以法国Grand-Paroisse流程为代表工艺，也称为双加压法。

该工艺要求中压下进行氨氧化反应，高压下完成NO2吸收。氨氧化的反应热回收后用于驱动汽轮机拖动机组，尾气透平用于回收NOx吸收后的剩余能量，与汽轮机共同驱动机组。

随着我国经济建设中环保、节能战略的推进，工业流程的能量回收装置是国家大力推广的节能环保产品。目前，申请人已经开发了硝酸尾气余热余压能量回收装置(硝酸装置四合一机组)等不同类型的能量回收装置。其中硝酸装置四合一机组是硝酸工业流程系统的核心设备，该装置承担着为系统输送工艺介质、提供动力并从系统中回收能量的重要作用，该装置所需动力取自系统，对节能、环保有着突出的意义。通常情况下，硝酸装置能量回收机组启动需要装置界外提供蒸汽，由汽轮机将机组拖动至开车工况，稳定运行后就可以点火，正常生产后，装置的自产蒸汽完全满足机组拖动。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种硝酸装置能量回收机组，解决现有技术中的硝酸装置能量回收效率不足的技术问题，，满足硝酸装置生产的需求。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种硝酸装置能量回收机组，包括尾气透平、NOx压缩机、汽轮机、第一齿轮箱和轴流压缩机，所述的尾气透平，包括机匣和安装在机匣内的转轴，机匣上安装有静叶，转轴的轮毂上安装有动叶；

所述的尾气透平、NOx压缩机、汽轮机、第一齿轮箱和轴流压缩机依次同轴相连；

所述的尾气透平的机匣上沿着轴向依次安装有5级静叶，转轴上沿着轴向依次安装有5级动叶，静叶和动叶依次交替布设。

所述的5级静叶分别为一级静叶、二级静叶、三级静叶、四级静叶和五级静叶；所述的5级静叶的叶型均径处的叶型参分别为：

所述的一级静叶，弦长为53.0mm，叶宽为35.1mm，最大厚度为19.1mm，进口几何角为3.5°，出口几何角为77.8°，节距为39.8mm，喉宽为10.3mm；

所述的二级静叶，弦长为43.6mm，叶宽为29mm，最大厚度为15.4mm，进口几何角为-10.5°，出口几何角为76.7°，节距为34.6mm，喉宽为10.1mm；

所述的三级静叶，弦长为43.6mm，叶宽为29.7mm，最大厚度为15.4mm，进口几何角为-10.9°，出口几何角为75.4°，节距为34.6mm，喉宽为10.6mm；

所述的四级静叶，弦长为45.4mm，叶宽为30.7mm，最大厚度为16.3mm，进口几何角为-13.4°，出口几何角为76.1°，节距为33.4mm，喉宽为10.5mm；

所述的五级静叶，弦长为49.6mm，叶宽为36.8mm，最大厚度为17.2mm，进口几何角为-15.3°，出口几何角为71.6°，节距为36.0mm，喉宽为12.8mm；

所述的5级动叶分别为一级动叶、二级动叶、三级动叶、四级动叶和五级动叶，所述的5级动叶的叶型均径处的叶型参数分别为：

所述的一级动叶，弦长为45.5mm，叶宽为30.2mm，最大厚度为16.4mm，进口几何角为-11.9°，出口几何角为77.7°，节距为36.0mm，喉宽为9.4mm；

所述的二级动叶，弦长为45.7mm，叶宽为31.4mm，最大厚度为16.7mm，进口几何角为-9.7°，出口几何角为74.8°，节距为32.8mm，喉宽为9.2mm；

所述的三级动叶，弦长为51.4mm，叶宽为35mm，最大厚度为16.7mm，进口几何角为-4.8°，出口几何角为74.6°，节距为30.5mm，喉宽为7.9mm；

所述的四级动叶，弦长为59mm，叶宽为41.2mm，最大厚度为19.2mm，进口几何角为-1.2°，出口几何角为72.7°，节距为34mm，喉宽为9.4mm；

所述的五级动叶，弦长为65.5mm，叶宽为51.4mm，最大厚度为11.5mm，进口几何角为-11.9°，出口几何角为67.2°，节距为37mm，喉宽为12.5mm。

本发明还具有如下技术特征：

所述的一级静叶的叶片数为56，二级静叶的叶片数为60，三级静叶的叶片数为60，四级静叶的叶片数为62，五级静叶的叶片数为62。

所述的一级动叶的叶片数为62，二级动叶的叶片数为68，三级动叶的叶片数为68，四级动叶的叶片数为61，五级动叶的叶片数为56。

还包括依次与轴流压缩机相连的第二齿轮箱和电动机。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明的硝酸装置能量回收机组能量回收效率高，本发明旨在解决硝酸装置反应热和工艺介质余热余压回收驱动压缩机组后剩余能量的去向问题。方案中汽轮机将机组拖动工作转速的95％，逐渐将机组负荷提升到装置点火生产所需要的负荷，检查装置运行符合点火要求后点火，调节机组负荷使之满足系统工艺要求；当装置正常生产后，装置生产的反应热、工艺气余热余压回收后可满足原动机驱动机组做功，富裕机械能通过发电机转换为电能用于发电。

附图说明

图1是静叶、动叶、子午流道及流道均径处的结构原理示意图。

图2是叶型均径处叶型的几何参数的结构原理示意图。

图3(a)和(b)是CFD计算的对比例1的4级方案和对比例2的5级方案的总压示意图。

图3(c)和(d)是CFD计算的对比例1的4级方案和对比例2的5级方案动叶相对速度矢量示意图。

图4是本发明的尾气透平的子午流道上下壁面的结构示意图。

图5是本发明的二级静叶、三级静叶和四级静叶的二维结构示意图。

图6是本发明的二级静叶、三级静叶和四级静叶的三维结构示意图。

图7是本发明的三级动叶、四级动叶和五级动叶的二维结构示意图。

图8是本发明的三级动叶、四级动叶和五级动叶的三维结构示意图。

图9是本发明的二级静叶、三级静叶和四级静叶与对比例2的二级静叶、三级静叶和四级静叶的叶型二维对比示意图。

图10是本发明的三级动叶、四级动叶和五级动叶和对比例2的三级动叶、四级动叶和五级动叶的叶型二维对比示意图。

图11是本发明的硝酸装置能量回收机组的连接关系示意图。

图中各个标号的含义为：1-机匣，2-转轴，3-轮毂，4-静叶，5-动叶，6-流道均径处；7-尾气透平，8-NOx压缩机，9-汽轮机，10-第一齿轮箱，11-轴流压缩机，12-第二齿轮箱，13-电动机；

401-一级静叶，402-二级静叶，403-三级静叶，404-四级静叶，405-五级静叶；501-一级动叶，502-二级动叶，503-三级动叶，504-四级动叶，505-五级动叶。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

双加压法硝酸生产装置用能量回收发电机组，通过轴流压缩机、NOx压缩机为装置输送所需工艺气体，由蒸汽轮机回收装置的反应热，尾气透平回收硝酸尾气富裕能量，转化为机械能拖动压缩机组做功。

硝酸装置能量回收发电机组充分利用装置反应热和硝酸吸收反应后尾气剩余能量，除满足机组拖动所需要消耗的机械能外，富裕机械能通过发电机发电。

硝酸装置能量回收机组中，由蒸汽轮机、NOx压缩机、齿轮箱、轴流压缩机、尾气透平及相关的辅助设备组成。其中用于驱动的汽轮机蒸汽源自装置自产蒸汽、尾气透平回收装置吸收后的剩余能量，用于驱动为系统提供工艺介质的轴流压缩机、NOx压缩机。能量回收机组为装置输送工艺介质、提供动力，同时从装置中回收能量。本发明提出了将硝酸装置生产副产余压余热发电的思路。

本发明在机组启动过程中，由装置界外蒸汽驱动汽轮机完成将机组拖动至机组设计转速的95％，逐渐调节装置工艺负荷，使之满足装置点火要求。

当硝酸装置正常生产后，通过废热锅炉回收装置反应热并通过汽轮机转换为机械能，将工艺气所具有的余压余热通过尾气透平回收；本发明可以有效回收硝酸生产反应热和工艺气余热余压，并转化为机械能驱动机组做功。剩余能量通过发电机转换为电能，上网发电。

本发明中，子午流道上下壁面如图1所示，子午流道上壁面即机匣1，子午流道下壁面即轮毂3。叶型均径处的叶型参数如图2所示。图中，弦长为L₁，叶宽为D₁，最大厚度为d，进口几何角为α，出口几何角为β，节距为L₂，喉宽为D₂。

本发明中，CFD指的是计算流体动力分析。尾气透平的效率为等熵效率，采用CFD方法进行计算或者获取。CFD方法为本领域已知的常用方法。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图4至图10所示，本实施例给出一种尾气透平，包括机匣1和安装在机匣1内的转轴2，机匣1上安装有静叶4，转轴2的轮毂3上安装有动叶5，机匣1上沿着轴向依次安装有5级静叶4，转轴2上沿着轴向依次安装有5级动叶5，静叶4和动叶5依次交替布设；

5级静叶4分别为一级静叶401、二级静叶402、三级静叶403、四级静叶404和五级静叶405；5级静叶4的叶型均径处的叶型参分别为：

5级动叶5分别为一级动叶501、二级动叶502、三级动叶503、四级动叶504和五级动叶505，5级动叶5的叶型均径处的叶型参数分别为：

具体的，一级静叶401的叶片数为56，二级静叶402的叶片数为60，三级静叶403的叶片数为60，四级静叶404的叶片数为62，五级静叶405的叶片数为62。

具体的，一级动叶501的叶片数为62，二级动叶502的叶片数为68，三级动叶503的叶片数为68，四级动叶504的叶片数为61，五级动叶505的叶片数为56。

经CFD验证，实施例2的尾气透平相对于对比例1的尾气透平的效率提升了2.23％。以17400kw的尾气透平为例，节能效果在原有方案基础上，每年可多回收约300万度电。

对比例1：(4级尾气透平)

本实施例给出一种节能尾气透平，包括机匣和安装在机匣内的转轴，机匣上安装有静叶，转轴的轮毂上安装有动叶，机匣上沿着轴向依次安装有四级静叶，转轴上沿着轴向依次安装有四级动叶，静叶和动叶依次交替布设；

四级静叶分别为一级静叶、二级静叶、三级静叶和四级静叶；四级静叶的叶型均径处的叶型参数分别为：

四级动叶分别为一级动叶、二级动叶、三级动叶和四级动叶；四级动叶的叶型均径处的叶型参数分别为：

具体的，一级静叶的叶片数为60，二级静叶的叶片数为74，三级静叶的叶片数为76，四级静叶的叶片数为74。

具体的，一级动叶的叶片数为72，二级动叶的叶片数为75，三级动叶的叶片数为64，四级动叶的叶片数为59。

对比例2：(增加级数至5级)

本实施例给出一种节能尾气透平，包括机匣和安装在机匣内的转轴，机匣上安装有静叶，转轴的轮毂上安装有动叶，机匣上沿着轴向依次安装有5级静叶，转轴上沿着轴向依次安装有5级动叶，静叶和动叶依次交替布设；

5级静叶分别为一级静叶、二级静叶、三级静叶、四级静叶和五级静叶；五级静叶的叶型均径处的叶型参数分别为：

5级动叶分别为一级动叶、二级动叶、三级动叶、四级动叶和五级动叶；5级动叶的叶型均径处的叶型参数分别为：

具体的，一级静叶的叶片数为56，二级静叶的叶片数为63，三级静叶的叶片数为63，四级静叶的叶片数为65，五级静叶的叶片数为62。

具体的，一级动叶的叶片数为62，二级动叶的叶片数为65，三级动叶的叶片数为65，四级动叶的叶片数为58，五级动叶的叶片数为53。

经CFD验证，对比例2的尾气透平相对于对比例1的尾气透平的效率提升了0.8％。

对比例3：(在对比例2的基础上只优化静叶)

本对比例给出一种节能尾气透平，与对比例2的区别仅仅在于，二级静叶、三级静叶和四级静叶的叶型均径处的叶型参数不同，其它结构相同。

本对比例中，二级静叶的叶型均径处的叶型参数与实施例1中的二级静叶的叶型均径处的叶型参数相同。

本对比例中，三级静叶的叶型均径处的叶型参数与实施例1中的二级静叶的叶型均径处的叶型参数相同。

本对比例中，四级静叶的叶型均径处的叶型参数与实施例1中的二级静叶的叶型均径处的叶型参数相同。

经CFD验证，对比例3的尾气透平相对于对比例1的尾气透平的效率提升了1.08％。

对比例4：(在对比例2的基础上只优化静叶的叶片数)

本对比例给出一种节能尾气透平，与对比例2的区别仅仅在于，二级静叶、三级静叶和四级静叶的叶片数不同，其它结构相同。

本对比例中，二级静叶的叶片数、三级静叶的叶片数和四级静叶的叶片数与实施例1中对应的二级静叶的叶片数、三级静叶的叶片数和四级静叶的叶片数相同。

经CFD验证，对比例4的尾气透平相对于对比例1的效率提升了1.15％。

对比例5：(在对比例2的基础上只优化动叶)

本对比例给出一种节能尾气透平，与对比例1的区别仅仅在于，三级动叶、四级动叶和五级动叶的叶型均径处的叶型参数不同，其它结构相同。

本对比例中，三级动叶的叶型均径处的叶型参数与实施例1中的三级动叶的叶型均径处的叶型参数相同。

本对比例中，四级动叶的叶型均径处的叶型参数与实施例1中的四级动叶的叶型均径处的叶型参数相同。

本对比例中，五级动叶的叶型均径处的叶型参数与实施例1中的5级动叶的叶型均径处的叶型参数相同。

经CFD验证，对比例5的尾气透平相对于对比例1的尾气透平的效率提升了1.2％。

对比例6：(在对比例2的基础上只优化动叶的叶片数)

本对比例给出一种节能尾气透平，与对比例1的区别仅仅在于，三级动叶、四级动叶和五级动叶的叶型的叶片数不同，其它结构相同。

本对比例中，三级动叶的叶片数、四级动叶的叶片数和五级动叶的叶片数与实施例1中对应的三级动叶的叶片数、四级动叶的叶片数和五级动叶的叶片数相同。

经CFD验证，对比例4的尾气透平相对于对比例1的尾气透平的效率提升了1.33％。

实施例2：

遵从上述技术方案，如图11所示，本实施例给出一种硝酸装置能量回收机组，包括尾气透平7、NOx压缩机8、汽轮机9、第一齿轮箱10和轴流压缩机11，

尾气透平7、NOx压缩机8、汽轮机9、第一齿轮箱10和轴流压缩机11依次同轴相连；

尾气透平7采用是实施例1中的尾气透平。

作为本实施例的一种优选方案，还包括依次与轴流压缩机11相连的第二齿轮箱12和电动机13。在本机组中电动机用来解决新上硝酸生产装置没有足够的界外蒸汽用于机组启动时的机组启动问题。本发明中电动机通过变速离合器与硝酸装置能量回收机组相连接。该方案旨在解决无外供蒸汽时硝酸装置能量回收机组的启动问题。方案中电动机将机组拖动至硝酸装置生产的开车工况，解决了无外供蒸汽条件下硝酸装置能量回收机组的启动问题，通过变速离合器，将电动机在适当的时候与能量回收机组解列，避免了电动机在硝酸装置正常生产，能量回收机组正常运行时电动机空转带来的能量损失。

NOx压缩机8、汽轮机9、第一齿轮箱10、轴流压缩机11、第二齿轮箱12和电动机13均采用本领域已知设备。

耗汽量应用对比：

以某现有的27万吨硝酸装置能量回收机组(简称四合一机组)与本发明的36万吨硝酸装置能量回收机组的耗汽量对比为例，说明本申请的机组的能量回收效率高。

27万吨四合一机组：

设计输入的条件：

1)空气压缩机AV56-14

2)氧化氮压缩机E71-3

3)尾气透平膨胀机WP11-960/360

4)汽轮机NK40/45

根据该27万吨四合一机组现场实测数据，其设计汽耗为31.2t/h，折合到每生产1吨100％硝酸所需消耗蒸汽，机组汽轮机耗汽量约为0.832t/h。

本发明的36万吨硝酸装置能量回收机组：

设计输入的条件：

1)空气压缩机AV63-15

2)氧化氮压缩机E80-3

3)尾气透平膨胀机WP18.2-1092/420

4)汽轮机EA-3667

根据本套36万吨机组现场实测数据，其设计汽耗为32.8t/h，折合到每生产1万吨100％硝酸所需消耗蒸汽，机组汽轮机耗汽量约为0.656t/h。