余熱飽和蒸汽在頂吹爐余熱發(fā)電中的應(yīng)用

張青山， 王硯林， 師永曉

(金川集團(tuán)股份有限公司， 甘肅 金昌 737103)

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余熱飽和蒸汽在頂吹爐余熱發(fā)電中的應(yīng)用

張青山， 王硯林， 師永曉

(金川集團(tuán)股份有限公司， 甘肅 金昌 737103)

針對(duì)頂吹爐余熱鍋爐飽和蒸汽在減壓過程中沒有對(duì)其壓降產(chǎn)生的能量回收利用，造成能量極大浪費(fèi)的情況，本文介紹了通過采用背壓式飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組替代蒸汽熱力系統(tǒng)中的降壓減壓閥，充分利用頂吹爐余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓飽和蒸汽的余熱余壓進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)改造。詳細(xì)介紹了所采用的飽和蒸汽發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。

飽和蒸汽; 余熱發(fā)電; 頂吹爐； 效益

頂吹爐在熔煉過程中，產(chǎn)生的高溫?zé)煔鉃闈M足后續(xù)收塵和制酸工序的要求，采用余熱鍋爐降溫，高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐產(chǎn)出大量飽和蒸汽，其溫度達(dá)257 ℃，壓力達(dá)4.4 MPa。蒸汽通過減壓閥減壓至1.0 MPa后，送入低壓蒸汽供熱管網(wǎng)，用于廠區(qū)工藝、附屬系統(tǒng)用汽以及崗位采暖。

送入供熱網(wǎng)的蒸汽降壓直接采用減壓閥減壓裝置，減壓過程沒有對(duì)其壓降產(chǎn)生的能量回收利用，造成能量的極大浪費(fèi)，特別是夏季，頂吹爐余熱鍋爐產(chǎn)出蒸汽富余量較大，造成能源大量損失。對(duì)此，公司為響應(yīng)國家節(jié)能減排要求，減少能源浪費(fèi)，建設(shè)余熱發(fā)電站，用飽和蒸汽汽輪機(jī)組代替余熱鍋爐減壓閥，對(duì)其飽和中壓蒸汽進(jìn)行余熱回收利用。余熱鍋爐產(chǎn)出的中壓蒸汽(4.4 MPa)，經(jīng)過敷設(shè)熱力蒸汽管，利用現(xiàn)有的管橋送至頂吹爐余熱發(fā)電站，用于汽輪機(jī)發(fā)電，汽輪機(jī)做功后產(chǎn)生的背壓蒸汽壓力為1.0 MPa，再并入廠區(qū)低壓蒸汽供熱管網(wǎng)。

因此，通過飽和蒸汽汽輪機(jī)組替代余熱鍋爐減壓閥，可充分利用頂吹爐余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓飽和蒸汽的余熱余壓進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電后的背壓蒸汽可繼續(xù)并入低壓蒸汽供熱網(wǎng)使用。既合理利用余熱發(fā)電，又不影響生產(chǎn)供汽，還可以降低車間能源消耗。

1 余熱發(fā)電工藝介紹

頂吹爐鍋爐產(chǎn)出的4.4 MPa飽和中壓蒸汽經(jīng)過敷設(shè)熱力蒸汽管，利用現(xiàn)有的管橋送至余熱發(fā)電站，進(jìn)入背壓式飽和蒸汽透平機(jī)，通過控制汽輪機(jī)的背壓(排汽壓力)，把熱能和動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，經(jīng)過汽輪機(jī)做功，將飽和蒸汽減壓至1.0 MPa的背壓蒸汽再送入低壓蒸汽管線供生產(chǎn)和采暖使用。工藝流程如圖1所示。

圖1 背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組工藝流程圖

余熱發(fā)電站內(nèi)設(shè)置1臺(tái)疏水箱，1臺(tái)疏水?dāng)U容器。廠房?jī)?nèi)主蒸汽管道和汽輪機(jī)輸水進(jìn)入輸水?dāng)U容器，經(jīng)輸水?dāng)U容器擴(kuò)容后輸水進(jìn)入疏水箱。正常運(yùn)行時(shí)，疏水泵將疏水箱中的水送入外部熱力管網(wǎng)的凝結(jié)水管后，再輸送至化學(xué)水處理站循環(huán)利用。

2 汽輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)介紹

2.1 發(fā)電機(jī)組的選型

目前，適合飽和蒸汽發(fā)電的熱能動(dòng)力設(shè)備有兩種機(jī)型，一種是蒸汽透平機(jī)(汽輪機(jī))，一種是螺桿膨脹機(jī)。根據(jù)頂吹爐熔煉產(chǎn)出的中壓飽和蒸汽富裕量，經(jīng)過蒸汽平衡計(jì)算，考慮選擇德國西門子(原為 KK&K)公司生產(chǎn)的背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組——AVK DIG156N/4W，其特點(diǎn)是汽輪機(jī)排氣壓力高，蒸汽焓降小，排汽所含熱量可以繼續(xù)為生產(chǎn)所利用，汽輪機(jī)采用噴嘴調(diào)節(jié)配汽方式，在工況變動(dòng)時(shí)效率改變不大，且啟動(dòng)快，可頻繁啟停，方便實(shí)現(xiàn)包括余熱發(fā)電站在內(nèi)的整個(gè)工程的PLC控制。

(1)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)

①負(fù)荷變化范圍大、應(yīng)用范圍廣。AVK DIG156N/4W型飽和蒸汽發(fā)電機(jī)進(jìn)汽口采用了3組噴嘴調(diào)節(jié)閥，具有很寬的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍及較高的負(fù)荷效率,機(jī)組可適應(yīng)20%～100%范圍的負(fù)荷變化,且有較高的調(diào)節(jié)精度，同時(shí)根據(jù)用戶工況和蒸汽條件建立液力模型，通過把握透平機(jī)后端含水量這一重要參數(shù)來設(shè)計(jì)透平機(jī)轉(zhuǎn)速。

②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟停迅速。發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟停迅速,運(yùn)行管理簡(jiǎn)單方便、不暖機(jī)車、不盤車，透平機(jī)具有較低的轉(zhuǎn)速，大幅減少飽和蒸汽中水對(duì)渦輪葉片的沖擊，有效減小水蝕。特別適合頂吹爐余熱蒸汽負(fù)荷變化范圍大的余熱鍋爐系統(tǒng)，從啟動(dòng)至發(fā)電并網(wǎng)成功,只需按2次按鈕(并網(wǎng)過程為全自動(dòng),也可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)并網(wǎng)) 。

(2)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

AVK DIG156N/4W型飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組包括透平機(jī)、減速機(jī)、同步發(fā)電機(jī)及監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。透平轉(zhuǎn)子采用單級(jí)葉片設(shè)計(jì)，可減少水蝕，增加穩(wěn)定性和使用壽命。同步發(fā)電機(jī)具有自勵(lì)磁、自調(diào)節(jié)(電壓調(diào)節(jié)范圍為±5%)、無刷結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

透平機(jī)進(jìn)汽門外殼上部通過螺栓固定有一電液控制噴嘴組閥裝置，此噴嘴組閥的作用是在蒸汽量變化的前提下,通過調(diào)整噴嘴電液閥開度大小與數(shù)量提高蒸汽透平機(jī)的發(fā)電效率。透平機(jī)、同步發(fā)電機(jī)配有專門的自動(dòng)控制柜，包括西門子S7- 300 PLC 系統(tǒng)、SIEMENS 6AV6觸摸控制屏、SIEMENS 7um62綜合保護(hù)器、Woodward 505速度調(diào)節(jié)器(速度調(diào)節(jié)器是由一個(gè)32點(diǎn)微處理器組成,通過控制進(jìn)口噴嘴組閥依次達(dá)到控制恒定速度輸出的目的) 、DEIF GPU自動(dòng)同步并網(wǎng)裝置，用于透平機(jī)、同步發(fā)電機(jī)的控制和監(jiān)測(cè)，其控制面盤顯示設(shè)備的工作狀態(tài)。

2.2 機(jī)組運(yùn)行方式

根據(jù)頂吹爐物料波動(dòng)、系統(tǒng)不穩(wěn)定等工藝要求，汽輪發(fā)電機(jī)組采用“以熱定電”的運(yùn)行方式。為保證在汽輪機(jī)故障或檢修期間工藝能繼續(xù)保持生產(chǎn)，利用汽機(jī)旁路減壓裝置作為汽機(jī)旁路系統(tǒng)，用于汽機(jī)停機(jī)時(shí)將主蒸汽通過旁路減壓裝置減壓至生產(chǎn)用汽的壓力，維持工藝生產(chǎn)的正常運(yùn)行。即工藝生產(chǎn)用低壓蒸汽正常情況下通過汽輪機(jī)背壓排氣口獲取。在汽輪機(jī)故障停機(jī)時(shí)，為了保證頂吹爐工藝生產(chǎn)的正常運(yùn)行，鍋爐產(chǎn)生的中壓蒸汽通過減壓裝置減壓至所需參數(shù)的蒸汽。

熱力發(fā)電系統(tǒng)主要有下列兩種運(yùn)行工況：

(1)正常發(fā)電工況。在正常發(fā)電工況下，余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽送往汽輪發(fā)電機(jī)組，蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)降壓發(fā)電后用于工藝生產(chǎn)。此工況下汽機(jī)旁路蒸汽減壓系統(tǒng)處于熱備狀態(tài)，汽輪機(jī)的進(jìn)汽按照余熱鍋爐產(chǎn)汽量調(diào)節(jié)。

(2)停機(jī)不停爐工況。汽輪機(jī)檢修或故障停機(jī)，工藝生產(chǎn)正常進(jìn)行，在此工況下，汽機(jī)旁路蒸汽減壓裝置投入運(yùn)行，主蒸汽通過旁路減壓裝置減壓至生產(chǎn)用汽的參數(shù)。

2.3 汽輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)

頂吹爐余熱發(fā)電汽輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)見表1。

表1 頂吹爐余熱發(fā)電汽輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)

3 汽輪機(jī)系統(tǒng)調(diào)速機(jī)構(gòu)

汽輪機(jī)調(diào)速采用美國 WOODWARD公司的以微處理器為基礎(chǔ)的505數(shù)字式調(diào)節(jié)器，可現(xiàn)場(chǎng)編程組態(tài)，采用菜單驅(qū)動(dòng)軟件引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工程師，根據(jù)具體的發(fā)電機(jī)或機(jī)械驅(qū)動(dòng)應(yīng)用要求對(duì)調(diào)速器進(jìn)行編程組態(tài)。適用于單執(zhí)行機(jī)構(gòu)或雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)的汽輪機(jī)控制。按照汽輪機(jī)停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)短，505調(diào)速器對(duì)汽輪機(jī)設(shè)定了“冷態(tài)”和“熱態(tài)”兩種狀態(tài)，汽輪機(jī)啟動(dòng)后自動(dòng)執(zhí)行“順序自動(dòng)啟動(dòng)程序”，按照設(shè)定的“時(shí)間”和“升速速率”，執(zhí)行“低速”、“高速”和“額定”暖機(jī)升速的過程。圖2為汽輪機(jī)順序自動(dòng)啟動(dòng)示意圖。505 調(diào)速器能設(shè)置成獨(dú)立單元或連西門子S7- 300PLC一起運(yùn)行，如圖3所示。

圖2 汽輪機(jī)順序自動(dòng)啟動(dòng)示意圖

圖4 汽輪發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)

圖3 505數(shù)字式調(diào)節(jié)器

4 發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過對(duì)各個(gè)閥門的控制來實(shí)現(xiàn)沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、帶負(fù)荷、閥門試驗(yàn)、抽汽控制等一系列控制功能，并完成對(duì)工況的監(jiān)視、事故追憶和報(bào)警打印等如汽輪發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)?？刂葡到y(tǒng)圖4所示。主要功能有：轉(zhuǎn)速目標(biāo)值設(shè)定、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、抽汽壓力調(diào)節(jié)、負(fù)荷分配、功率目標(biāo)值設(shè)定、不等率設(shè)定、冷熱態(tài)自啟動(dòng)程序設(shè)定、跨越臨界轉(zhuǎn)速控制、超速試驗(yàn)及保護(hù)、外部停機(jī)輸入、圖形顯示、輸入輸出監(jiān)控、手自動(dòng)方式轉(zhuǎn)換等。

5 主要熱力系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)

(1)管網(wǎng)系統(tǒng)。主蒸汽管道包括汽包出口到汽輪機(jī)進(jìn)口的蒸汽母管和汽輪機(jī)出口到低壓蒸汽管網(wǎng)的蒸汽母管，主蒸汽系統(tǒng)采用單母管制。主蒸汽管道接入透平機(jī)進(jìn)汽口，透平機(jī)進(jìn)出口管道上均設(shè)有電動(dòng)切斷閥，是保證汽輪機(jī)組安全運(yùn)行、防止抽汽管道蒸汽倒流引起汽輪機(jī)超速事故的重要安全設(shè)備。主蒸汽進(jìn)透平機(jī)前，首先進(jìn)入汽水分離器將飽和蒸汽中的水分分離排除，防止透平機(jī)葉片水擊。

(2)疏放水系統(tǒng)。余熱發(fā)電站內(nèi)分別設(shè)置有10 m3的疏水箱和SK- 0.75 疏水?dāng)U容器，設(shè)備以及管道的低壓輸水、凝結(jié)水，通過低壓疏水母管后最終流入疏水?dāng)U容器。其中設(shè)備和管道的高壓疏水進(jìn)入高壓疏水母管后進(jìn)入疏水?dāng)U容器，在疏水?dāng)U容器內(nèi)擴(kuò)容后將二次蒸汽放空，疏水進(jìn)入疏水箱。 疏放水系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)疏水泵(1用1備)，運(yùn)行時(shí)疏水泵與液位計(jì)聯(lián)鎖，高水位時(shí)泵自動(dòng)開啟將疏水箱中的水送入外部熱力管網(wǎng)的凝結(jié)水管后，再輸送至化學(xué)水處理站循環(huán)利用，低水位時(shí)停泵蓄水。

(3)冷卻系統(tǒng)。頂吹爐余熱發(fā)電站內(nèi)的設(shè)備冷卻水采用兩路冷卻水，一路為原頂吹爐設(shè)備循環(huán)水，一路為自來水，當(dāng)設(shè)備循環(huán)水故障時(shí)，可以切換到自來水，保證發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行。發(fā)電機(jī)采用風(fēng)冷方式，通過設(shè)備循環(huán)水冷卻風(fēng)，風(fēng)再冷卻發(fā)電機(jī)；汽輪機(jī)采用油冷方式，通過設(shè)備循環(huán)水冷卻油，油再冷卻汽輪機(jī)。

6 節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益

頂吹爐余熱鍋爐產(chǎn)出飽和蒸汽，壓力為4.1～4.6 MPa，產(chǎn)汽量約為2 640 t/d，平均每小時(shí)產(chǎn)汽量約110 t/h，全部送往余熱發(fā)電站發(fā)電，發(fā)電功率為5 997 kW，若年利用小時(shí)數(shù)為6 000 h，除去頂吹爐余熱鍋爐的自用電設(shè)備用電量，發(fā)電機(jī)組每年可外供發(fā)電量約3 490.2萬kW·h，全年可節(jié)省標(biāo)煤4 293 t，如果電價(jià)按0.53元/kWh計(jì)算，則年發(fā)電收入1 849.81萬元，節(jié)能效果明顯。表2為年度發(fā)電效益表。汽輪機(jī)發(fā)電后產(chǎn)生的1.0 MPa背壓蒸汽，可繼續(xù)并入廠區(qū)低壓蒸汽供熱管網(wǎng)正常使用。

表2 年度發(fā)電效益表

7 結(jié)束語

通過利用背壓式飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組替代蒸汽熱力系統(tǒng)中的降壓減壓閥，可充分利用頂吹爐余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓飽和蒸汽的余熱余壓進(jìn)行發(fā)電，提高熱能利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能節(jié)電，而發(fā)電后的蒸汽可繼續(xù)并入低壓蒸汽熱網(wǎng)使用。既合理利用余熱發(fā)電，又不影響生產(chǎn)供汽，還可以降低能源消耗，為企業(yè)創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。同時(shí)本項(xiàng)目也采取了多項(xiàng)節(jié)能措施，使余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓飽和蒸汽得到充分、合理的利用。

[1] 曹武，韓慧珍. 煉鋼轉(zhuǎn)爐煙氣余熱飽和蒸汽發(fā)電[J].煤氣與熱力,2005,(9)：56-57.

Application of exhaust heat saturated steam in power generation of top-blown furnace

ZHANG Qing-shan， WANG Yan-lin， SHI Yong-xiao

Combined with energy generated in the pressure reducing of saturated steam in exhaust heat boiler not be recycled, which resulting in a tremendous waste of energy, this paper introduced the technical transformation of use of backpressure saturated steam generator replacement step-down pressure reducing valve in steam thermal system, make full use of exhaust heat and pressure of middle pressure saturated steam generated in the exhaust heat boiler of top blown furnace to carry out power generation. The structural characteristics and working principle of saturated steam generators were described in detail.

saturated steam； power generation with exhaust heat； top-blown furnace; benefits

張青山(1969—)，男，甘肅民勤人，本科，電氣工程師，長(zhǎng)期從事自動(dòng)化控制技術(shù)研究與應(yīng)用。

2014-- 04-- 23

2014-- 06-- 13

TF083.1

B

1672-- 6103(2015)02-- 0065-- 04