低壓飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

1、低壓飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用王鵬、顏玉（北京仟億達(dá)科技有限公司，北京 100024）摘要：介紹了轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電系統(tǒng)的組成及工藝流程，對(duì)蓄能器以及汽輪機(jī)的選型進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算，結(jié)合某鋼廠轉(zhuǎn)爐飽和蒸汽的生產(chǎn)情況，計(jì)算了蓄能器的體積以及汽輪機(jī)的發(fā)電能力，確定了此鋼廠的裝機(jī)容量和形式。其研究結(jié)果可為轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，也可以為相關(guān)工藝飽和汽輪機(jī)組的選型提供參考。關(guān)鍵詞：飽和蒸汽；蓄能器；汽輪機(jī)；選型1 概述 隨著我國(guó)對(duì)節(jié)能減排的重視，以及中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法的實(shí)施，各行各業(yè)對(duì)余熱余能的利用也越來越高。當(dāng)前大部分鋼鐵企業(yè)中，轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐生產(chǎn)的飽和蒸汽除供自身消耗外，還有大量

2、剩余，同時(shí)由于全廠管網(wǎng)蒸汽一般為過熱蒸汽，飽和蒸汽無(wú)法直接并網(wǎng)使用，只能對(duì)空排放或經(jīng)過熱處理后并入管網(wǎng)，造成能源浪費(fèi)。若采用飽和蒸汽發(fā)電，既可以充分利用飽和蒸汽，也可避免蒸汽放散造成的浪費(fèi)，又能提供電能，產(chǎn)生新的效益。本文主要針對(duì)鋼廠飽和蒸汽用于發(fā)電的技術(shù)和設(shè)備選型進(jìn)行討論。2 轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)主要包括汽化冷卻鍋爐、飽和蒸汽汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)三大主體設(shè)備及蓄能器、冷卻塔、除氧給水系統(tǒng)等，其工藝流程見圖1，轉(zhuǎn)爐在吹煉過程中，產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔猓?300以上），為降低煙氣溫度，回收高溫?zé)煔庵械挠酂幔D(zhuǎn)爐配套設(shè)置了煙道式汽化冷卻余熱鍋爐。余熱鍋爐由于受轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)煙氣波動(dòng)的影響，在整個(gè)

3、冶煉周期（36min）內(nèi)，只有吹煉（18min）才有飽和蒸汽產(chǎn)生，同時(shí)由于吹煉期煙氣量的急劇變化，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量也隨之急劇波動(dòng)。因此為了保證汽輪機(jī)進(jìn)汽流量的連續(xù)性和穩(wěn)定性，需要設(shè)置蓄能器系統(tǒng)。在吹煉期內(nèi)，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽被引入蓄能器內(nèi)，蒸汽將蓄能器內(nèi)的水加熱后并凝結(jié)成水，使蓄能器內(nèi)水的焓值升高，這樣就完成了蓄能器的充熱過程，同時(shí)供出飽和蒸汽；在非吹煉期，余熱鍋爐不生產(chǎn)蒸汽，調(diào)壓閥前的壓力不斷下降，蓄能器中的飽和水降壓后迅速閃蒸，飽和水成為過熱水，立即沸騰而自然蒸發(fā)，產(chǎn)生連續(xù)蒸汽，經(jīng)調(diào)壓后供汽輪機(jī)使用，這樣就完成了蓄能器的放熱過程。經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)壓至0.8MPa1.3MPa的飽和蒸汽，經(jīng)過汽

4、水分離器及主汽閥的調(diào)節(jié)后進(jìn)入飽和汽輪機(jī)組，在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。圖12.1蓄能器的選型2.1.1蓄能器容積的計(jì)算在選用蓄能器時(shí)，常進(jìn)行可行性經(jīng)濟(jì)分析，為此必須先計(jì)算出平衡熱負(fù)荷波動(dòng)所需要的蒸汽蓄能器的容積，然后進(jìn)行產(chǎn)品的選擇及投資估算，蒸汽蓄能器容積的計(jì)算，主要決定于蓄能器的運(yùn)行壓力，蒸汽蓄能器的容積按下式計(jì)算：式中，：蓄能器的容積（m3）；：蓄熱量（蒸汽）（kg/m3）；：蓄能器充水系數(shù)0.650.85；：蓄能器運(yùn)行效率0.950.99；2.1.2蓄熱能力的計(jì)算因?yàn)檗D(zhuǎn)爐煉鋼是周期性操作，產(chǎn)汽只在吹氧時(shí)發(fā)生，故為間斷性熱源，時(shí)有時(shí)無(wú)，時(shí)大時(shí)小，在未采用蒸汽蓄能器之前，全部排空放散

5、，應(yīng)用蓄能器的獨(dú)特功能，是把間斷性熱源變成連續(xù)性熱源，廢熱全部得以回收綜合利用。對(duì)于廢熱回收?qǐng)龊闲枰恼羝钅芷?，要求在一定的時(shí)間內(nèi)，吸收全部廢熱蒸汽，因此可采用充熱時(shí)間作為依據(jù)，計(jì)算蒸汽蓄能器的蓄熱量：式中， G0：計(jì)算蓄熱量（kg）；Di：廢熱平均排出量（產(chǎn)汽量）（kg/h）；t：充熱時(shí)間（min）；2.1.3單位水容積蓄熱量的計(jì)算 單位水容積蓄熱量與充熱、放熱的壓差成正比，壓差越大，節(jié)能效果越好。但是充熱、放熱壓差受到供熱系統(tǒng)的供熱與用熱設(shè)備限定的工作壓力的約束。蒸汽蓄能器充熱壓力必須依照鍋爐工作壓力（或最高工作壓力）來設(shè)定，并考慮系統(tǒng)運(yùn)行阻力；蒸汽蓄能器放熱壓力必須滿足用戶工作壓力的需

6、求；充熱壓力P1等于鍋爐工作壓力Pg 減去鍋爐至蓄能器入口處管道阻力P1；放熱壓力P2等于用戶最低工作壓力Pc加上蓄能器至熱用戶管道阻力P2；蓄能器充熱至蒸汽蓄能器放熱出口阻力損失約為0.05MPa。單位容積蓄熱量按下式計(jì)算： 式中，q0：?jiǎn)挝伙柡退畨航祊1p2產(chǎn)生的蒸汽量（kg/m3）； 、：分別為壓力P1和P2時(shí)飽和水的焓值（kJ/kg）；、：分別為壓力為p1和p2時(shí)飽和蒸汽的焓值；：p1壓力下飽和水的密度（kg/m3）；2.2飽和汽輪機(jī)發(fā)電能力的計(jì)算轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐產(chǎn)生不連續(xù)、壓力不穩(wěn)定的蒸汽，通過變壓式蓄能器和調(diào)壓閥把機(jī)組進(jìn)汽壓力控制在0.8MPa1.3MPa范圍。根據(jù)汽輪機(jī)的排氣冷卻方式

7、、設(shè)計(jì)變量的選取值及測(cè)試的蒸汽流量分別計(jì)算汽輪機(jī)組的各工況發(fā)電功率。計(jì)算方法如下：第一步：根據(jù)主蒸汽壓力P，由水蒸汽表查得飽和蒸汽焓和飽和水焓；按公式h0=h0x+hg(1-x)計(jì)算出進(jìn)入汽輪機(jī)的濕蒸汽焓（x蒸汽的干燥度）。第二步：主蒸汽壓力取某一定值（0.8MPa1.3MPa）時(shí)，當(dāng)排汽壓力變化時(shí)，其變化過程為定熵過程。根據(jù)蒸汽表可查得與排汽壓力相對(duì)應(yīng)的理論排汽焓h0,從而可求出定熵比焓降ht、根據(jù)=ht/hi，可確定有效比焓降hi，進(jìn)而求出實(shí)際排汽焓hc（為汽輪機(jī)內(nèi)效率）。第三步：根據(jù)汽輪機(jī)功率方程式，計(jì)算飽和汽輪機(jī)的發(fā)電功率：式中，為發(fā)電機(jī)輸出功率；為實(shí)際做功蒸汽流量修正關(guān)系，取0.95

8、；、為汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的機(jī)械效率；3 某鋼鐵余熱蒸汽現(xiàn)狀某轉(zhuǎn)爐廠現(xiàn)有3臺(tái)100t頂?shù)讖?fù)吹煉鋼轉(zhuǎn)爐，配套安裝了轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐（汽化冷卻煙道）和轉(zhuǎn)爐煤氣凈化收集系統(tǒng)。通過分析此鋼廠100t轉(zhuǎn)爐主要技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合3臺(tái)轉(zhuǎn)爐的工作程序，對(duì)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)出的蒸汽負(fù)荷作如下預(yù)測(cè)：每爐鐵水平均裝入量：113t；吹氧時(shí)間15min；冶煉周期：36min；產(chǎn)生蒸汽時(shí)間：18min；蒸汽回收指標(biāo)：80-90kg/t；每爐鋼平均產(chǎn)汽量：904010170kg（15t/h17t/h）；前燒期（3分鐘）平均產(chǎn)汽量：49t/h；吹氧期（11分鐘）平均產(chǎn)氣量：37t/h；后燒期（2分鐘）平均產(chǎn)汽量：43t/h；3臺(tái)轉(zhuǎn)爐總產(chǎn)汽量：455

9、5t/h；單爐瞬時(shí)最大產(chǎn)汽量：45t/h；活動(dòng)煙罩密封用蒸汽消耗量：2t/h（max）；除氧器用汽量：3t/h；去蓄能器總蒸汽量（扣除汽水損失）；4046t/h；余熱鍋爐出口蒸汽參數(shù)：1.02.0MPa；4 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容及經(jīng)濟(jì)計(jì)算為了確保轉(zhuǎn)爐余熱飽和蒸汽發(fā)電項(xiàng)目實(shí)施成功，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮以下問題：發(fā)電站的工藝設(shè)計(jì)不能影響轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)工藝；發(fā)電站的工藝參數(shù)選擇要準(zhǔn)確，確保轉(zhuǎn)爐余熱蒸汽供給的相對(duì)穩(wěn)定和發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行；發(fā)電站的工藝系統(tǒng)及控制系統(tǒng)應(yīng)相對(duì)簡(jiǎn)單明了，便于鋼廠專業(yè)管理。汽輪機(jī)選用專用飽和蒸汽汽輪機(jī)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)。4.1汽輪發(fā)電機(jī)組的主要配置及技術(shù)參數(shù)蓄能器根據(jù)鋼廠余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽的數(shù)據(jù)，蓄

10、能器的蓄熱能力按40t/h設(shè)計(jì)，充汽壓力按2.0MPa，放汽壓力選擇0.8MPa，放汽時(shí)間21min。1 根據(jù)計(jì)算公式 可以計(jì)算出單位蓄能器能力為79.91kg/m3；根據(jù)計(jì)算公式 可以計(jì)算出蓄能器容積為595m3；根據(jù)鋼廠飽和蒸汽生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)擬增加3臺(tái)200m3的蓄能器分別布置在3套余熱鍋爐的附近。4.1.2汽輪機(jī)汽輪機(jī)采用專用飽和蒸汽汽輪機(jī)，進(jìn)汽壓力設(shè)計(jì)為0.8MPa，最大進(jìn)汽量40t/h，滿速空載用汽量小于8t/h。汽輪機(jī)特點(diǎn)：葉片采用2Cr13制造，提高葉片抗汽蝕能力；每級(jí)葉片設(shè)計(jì)有疏水通道，將凝結(jié)水及時(shí)排出，保證后級(jí)葉片不受水擊影響；汽輪機(jī)通道采用三元流技術(shù)，效果更高；

11、汽輪機(jī)預(yù)留15%超負(fù)荷設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)爐變工況運(yùn)行。根據(jù)公式可以得出P約為5326kW,所以初步選定汽輪機(jī)的參數(shù)：；進(jìn)汽壓力：0.8MPa；進(jìn)汽溫度：171；進(jìn)汽流量：40t/h；輸出功率：5500kW(汽耗7.17kg/kWh)；4.1.3發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)型號(hào)：QF-6-2；額定功率：6000kW；額定電壓：10.5kV；4.2經(jīng)濟(jì)效益分析4.2.1發(fā)電效益分析機(jī)組全年按7200小時(shí)運(yùn)行，全年發(fā)電量為：實(shí)際發(fā)電功率×運(yùn)行時(shí)間×（1廠用電率）×電價(jià)即：5500×7200×95%×0.5=1881萬(wàn)元4.2.2節(jié)煤效益分析火電廠平均每千瓦時(shí)供電

12、煤耗標(biāo)定為360g，那么年節(jié)約標(biāo)煤量約為：實(shí)際發(fā)電功率×運(yùn)行時(shí)間×（1廠用電率）×0.36×103t/kWh即：5500×7200×95%×0.36×103=1.35432萬(wàn)噸標(biāo)煤環(huán)保效益分析碳燃燒的化學(xué)方程式為C+O2=CO2，所以年減少溫室氣體CO2的量為：1.35432×44÷12=4.96584萬(wàn)噸4.2.4工程靜態(tài)投資分析余熱發(fā)電概算表1臺(tái)5.5MW飽和蒸汽式汽輪機(jī)金額單位：萬(wàn)元序號(hào)工程或費(fèi)用名稱建筑工程費(fèi)設(shè)備購(gòu)置費(fèi)安裝工程費(fèi)設(shè)計(jì)費(fèi)其他費(fèi)用合計(jì)各項(xiàng)占工程靜態(tài)單位投資（元/KW）一主輔生

13、產(chǎn)工程4367315601200184780.6二與廠址有關(guān)的單項(xiàng)工程630632.75三其他費(fèi)用500301020029012.7小計(jì)549731590130200220096四基本預(yù)備費(fèi)（4.5%）90903.93五工程靜態(tài)投資5497315901302902290100余熱發(fā)電運(yùn)行成本表序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值單價(jià)金額（萬(wàn)元）一售電收入1年售電量KWh3762萬(wàn)0.5元/KWh1881二外供蒸汽收入1外供蒸汽GJ 039.5元/ GJ0收入1881三生產(chǎn)成本1工業(yè)水t51.8萬(wàn)2.1元/t108.82工資福利30人4.8萬(wàn)元/人年1443大修理費(fèi)2.5%574材料費(fèi)6.0元/MWh22.575其他費(fèi)6.0元/MWh22.576合計(jì)354.9靜態(tài)經(jīng)濟(jì)效益分析本工程靜態(tài)投資額為2290萬(wàn)元，本工程建成后，年售電收入約為1881萬(wàn)元。扣除運(yùn)行成本354.9萬(wàn)元，年收益為1526.1萬(wàn)元。靜態(tài)投資回收期約為1.5年（不含建設(shè)期），