球形蒸汽蓄能器在鋼鐵廠飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用

楊學(xué)友,祝百東,周春麗

（1中國(guó)東方集團(tuán)控股有限公司，河北遷西 064306;2.中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

1 前言

我集團(tuán)某鋼鐵公司是集燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋鋼于一體的現(xiàn)代化鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，年生產(chǎn)能力650萬(wàn)t。公司建設(shè)過(guò)程中已考慮諸多節(jié)能減排措施，如：球團(tuán)豎爐余熱回收、高爐BPRT鼓風(fēng)、高爐余壓發(fā)電、轉(zhuǎn)爐汽化冷卻、加熱爐汽化冷卻、全燃富余煤氣的汽輪發(fā)電站等。但也存在余熱利用水平不高，如飽和蒸汽大量放散，造成資源浪費(fèi)的情況。

鋼鐵企業(yè)在正常生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的低品質(zhì)的蒸汽，其中轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽壓力、流量波動(dòng)大，很難直接利用。以前一些企業(yè)都將其直接放散，這樣不但浪費(fèi)了回收回來(lái)的余熱資源，還造成了水資源的浪費(fèi)以及噪聲污染。利用蓄熱器將這部分富裕蒸汽收集起來(lái)用于發(fā)電，不僅改善了企業(yè)環(huán)境，同時(shí)產(chǎn)生電能，對(duì)企業(yè)的電力供應(yīng)進(jìn)行有益的補(bǔ)充。

2 發(fā)電機(jī)組方案及系統(tǒng)

廠區(qū)富余蒸汽來(lái)源主要為轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)及加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)。根據(jù)廠區(qū)蒸汽平衡選擇一套12 MW飽和蒸汽補(bǔ)汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。

2.1 主機(jī)設(shè)備參數(shù)

（1）汽輪機(jī)

臺(tái)數(shù)：1臺(tái)

機(jī)組型式:飽和蒸汽補(bǔ)汽凝汽式

額定進(jìn)汽量:60 t/h

最大主進(jìn)汽能力：76.5 t/h

主汽門(mén)前蒸汽壓力：0.8 MPa(a)

主汽門(mén)前蒸汽溫度:飽和溫度

額定補(bǔ)汽量：16 t/h

最大補(bǔ)汽能力：20 t/h

補(bǔ)汽速關(guān)閥前壓力：0.3 MPa(a)

補(bǔ)汽溫度:飽和溫度

額定排汽壓力：~0.007 MPa(a)

（2）發(fā)電機(jī)

臺(tái)數(shù)：1臺(tái)

型號(hào)：QFW-12-2

額定功率：12 MW

額定電壓：10.5 kV

額定轉(zhuǎn)速：3000 r/min

功率因數(shù)：0.8

頻率：50 Hz

冷卻方式：密閉循環(huán)空氣系統(tǒng)

勵(lì)磁方式：無(wú)刷勵(lì)磁

2.2 主要熱力系統(tǒng)

根據(jù)煉鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)作業(yè)的特點(diǎn)，其汽化冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽流量及壓力波動(dòng)大，且為飽和蒸汽，品位較低，直接用于發(fā)電無(wú)論對(duì)于汽輪機(jī)組本體安全性還是生產(chǎn)組織連續(xù)運(yùn)行都產(chǎn)生重要影響。為保證汽輪機(jī)用汽的連續(xù)性，在進(jìn)入汽輪機(jī)前設(shè)有蓄熱器。根據(jù)蒸汽參數(shù)，進(jìn)入蓄熱器的蒸汽壓力~1.6 MPa，蓄熱器的出口蒸汽壓力~0.8 MPa。轉(zhuǎn)爐汽化冷卻產(chǎn)生蒸汽經(jīng)蓄熱器后調(diào)節(jié)閥送出，經(jīng)過(guò)蒸汽濾潔器，作為主汽最后進(jìn)入12 MW蒸汽汽輪機(jī)中發(fā)電做功。

圖1為12 MW飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)流程圖，其主要的熱力系統(tǒng)包括：主蒸汽系統(tǒng)、補(bǔ)汽系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)抽真空系統(tǒng)、機(jī)組軸封系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)和工業(yè)水系統(tǒng)等。

圖1 12MW飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)流程圖

3 飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)難點(diǎn)及解決方案

3.1 鋼鐵廠飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)難點(diǎn)

（1）鋼鐵廠富余蒸汽根據(jù)其來(lái)源的不同，蒸汽品質(zhì)相差較大。如煉鋼轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)只在吹煉期產(chǎn)生蒸汽，非吹煉期不產(chǎn)生蒸汽。其蒸汽的壓力、流量波動(dòng)非常大，且為飽和蒸汽，濕度大，直接用于發(fā)電將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功率波動(dòng)大、汽輪機(jī)易發(fā)生水蝕現(xiàn)象，不利于發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

（2）飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)在舊有廠區(qū)內(nèi)，空間緊張，需要整個(gè)系統(tǒng)占地盡量小。

3.2 飽和蒸汽壓力的平穩(wěn)及蓄熱器的選擇

根據(jù)轉(zhuǎn)爐汽化冷卻產(chǎn)生蒸汽的間斷性和波動(dòng)性，可以裝設(shè)蓄熱器來(lái)克服這些問(wèn)題。在轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)中，廣泛采用的蓄熱器是臥式圓筒蓄熱器。受制作工藝、運(yùn)輸條件等的限制，臥式筒形蓄熱器直徑一般不超過(guò)3400 mm，容積一般不超過(guò)200 m3。為滿足大型企業(yè)生產(chǎn)需求，主要采取多臺(tái)并列使用的方式彌補(bǔ)單臺(tái)設(shè)備蓄熱量較小的缺陷。多臺(tái)并列的臥式筒形蓄熱器帶來(lái)的主要問(wèn)題是：占地面積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、投資高昂、運(yùn)行檢修工作量巨大等。

本工程采用北京京誠(chéng)科林環(huán)?？萍加邢薰咀灾餮邪l(fā)的球形蒸汽蓄能器，該設(shè)備具有占地省、蓄熱量大、用鋼量省、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，目前已應(yīng)用到聯(lián)峰鋼廠、南陽(yáng)鋼廠等多個(gè)余熱回收和利用項(xiàng)目中。

（1）球形蒸汽蓄能器工作原理

當(dāng)轉(zhuǎn)爐吹氧時(shí)，汽化冷卻裝置產(chǎn)生的多余蒸汽被引入蓄能器內(nèi)，容器里的壓力漸漸升高，蒸汽在蓄能器內(nèi)將水加熱并凝結(jié)成水，使蓄能器里水的熱焓值升高到與引入蒸汽壓力p1相對(duì)應(yīng)的飽和水焓值，此時(shí)蓄能器中的水位也由于蒸汽的凝結(jié)而升高。在轉(zhuǎn)爐非吹氧期或蒸發(fā)量較小的瞬間，當(dāng)發(fā)電機(jī)組繼續(xù)用汽時(shí)，蓄能器中的壓力就下降，此時(shí)蓄能器中水的熱焓值比降壓后相對(duì)應(yīng)的飽和水焓值大，部份水被蒸發(fā)以彌補(bǔ)產(chǎn)汽的不足，進(jìn)而保證連續(xù)穩(wěn)定的向發(fā)電機(jī)組供汽，蓄能器所允許的最低壓力為p2。

蓄能器容積按下式計(jì)算：

式中：

V---蓄能器的容積，m3；

Gx---蓄能器的計(jì)算蓄熱能力，kg；

g0---單位蓄熱能力，kg/m3；

η---蓄能器的熱效率，一般η=0.99；

φ---蓄能器沖水系數(shù)。

其中g(shù)0由下式可得：

式中：

i1′、i2′---壓力 p1和 p2時(shí)飽和水的焓，kJ/kg；

i1″、i2″---壓力 p1和 p2時(shí)飽和蒸汽的焓，kJ/kg；

r2′---壓力 p1時(shí)飽和水的密度，kg/m3。

（2）球形蒸汽蓄能器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

球形蒸汽蓄能器設(shè)備由1）球形罐體和支柱、2）內(nèi)部裝置、3）安全排放裝置、4）儀表測(cè)量裝置、5）球形梯臺(tái)等組成,見(jiàn)圖2。

圖2 球形蒸汽蓄能器的結(jié)構(gòu)示意圖

1）球形罐體、支柱

傳統(tǒng)蓄熱器外殼均采用圓筒體，蓄熱器容積受到限制，且臥式筒體占地大。球形蒸汽蓄能器用球形罐體作為外殼，克服了臥式筒體蓄熱量有限、占地大等缺點(diǎn)。另外應(yīng)工藝需要，球罐上開(kāi)有人孔、蒸汽進(jìn)出口孔、安全閥孔、安全附件開(kāi)孔、補(bǔ)水和排污孔等。

2）內(nèi)部裝置

內(nèi)部裝置主要包括充熱裝置、汽水分離裝置和補(bǔ)水放水裝置等。

蒸汽通過(guò)進(jìn)汽母管進(jìn)入球形蒸汽蓄能器，與球罐內(nèi)存水充分混合并均勻加熱球罐內(nèi)存水，完成充熱過(guò)程?；旌掀髟O(shè)計(jì)和布置合理周到，不留充熱死區(qū)。汽水分離裝置布置在球罐頂部，靠近上人孔，位于汽空間內(nèi)。球形蒸汽蓄能器上方蒸汽空間高度比普通臥式圓筒蓄熱器要大很多，極大提高輸出蒸汽干度。補(bǔ)水、放水裝置用于控制球形蒸汽蓄能器內(nèi)水位位于一個(gè)合理高度，保障蓄熱效率。球罐底部的排污管可定期排出球罐內(nèi)沉積雜質(zhì)。

3）安全排放裝置

球罐頂部設(shè)有安全閥接口和放散接口，用于防止球罐超壓，保護(hù)設(shè)備。

4）儀表測(cè)量裝置

設(shè)置壓力、溫度、液位等測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)視球形蒸汽蓄能器運(yùn)行參數(shù)。

5）球形梯臺(tái)

球形梯臺(tái)按球罐常規(guī)要求設(shè)置。梯子沿球罐外沿螺旋上升至球罐頂部，在球罐頂部開(kāi)孔四周設(shè)環(huán)形檢修平臺(tái)。

（3）經(jīng)濟(jì)效益與節(jié)能分析

根據(jù)計(jì)算，12 MW發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)中需設(shè)650 m3蓄能器，如選用臥式圓筒蓄熱器需選用4臺(tái)150 m3蓄熱器，將兩種方案進(jìn)行比較，結(jié)果如表1。

表1 兩種方案比較

通過(guò)表1對(duì)比可以看出，1臺(tái)650 m3球形蒸汽蓄能器的容量可以超過(guò)4臺(tái)150 m3臥式圓筒形蓄熱器，在達(dá)到相同蓄熱目的的前提下，球形蒸汽蓄能器明顯具有占地面積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)簡(jiǎn)化、材料用量少、散熱損失少等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且球形蒸汽蓄能器的汽空間大大高出臥式圓筒形蓄熱器，有利于降低飽和蒸汽的含水率，這在飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)中非常重要。

5 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)臥式圓筒形蒸汽蓄熱器相比，球形蒸汽蓄能器具有占地省、系統(tǒng)簡(jiǎn)化、散熱少、蒸汽含水率低等諸多優(yōu)點(diǎn)。可以預(yù)見(jiàn)，球形蒸汽蓄能器將越來(lái)越被用戶所關(guān)注，并將在工業(yè)企業(yè)尤其是鋼鐵廠飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

[1]蔡發(fā)明,鄒永紅.飽和蒸汽發(fā)電在鋼鐵廠的應(yīng)用[J].節(jié)能與綜述.2009年增刊.

[2]楊源滿，吳仕明，王國(guó)全.蒸汽蓄熱技術(shù)的進(jìn)步大力推廣球形蓄熱技術(shù)的應(yīng)用[P].北京金屬學(xué)會(huì)第五屆冶金年會(huì).2008.

[3]周春麗，李睿，王冰.第一臺(tái)球形蒸汽蓄熱器在聯(lián)峰鋼廠轉(zhuǎn)爐余熱回收中的應(yīng)用[P].熱工中心站、熱工專委會(huì)2011年年會(huì).