低壓放散蒸汽回收發(fā)電技術(shù)

戴海波

（寶鋼不銹鋼有限公司能源環(huán)保部，上海200431）

節(jié)能環(huán)保

低壓放散蒸汽回收發(fā)電技術(shù)

戴海波

（寶鋼不銹鋼有限公司能源環(huán)保部，上海200431）

對(duì)鋼鐵企業(yè)低壓飽和蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行研究，分析總結(jié)低壓低溫飽和的間斷性放散蒸汽放散規(guī)律，通過放散蒸汽的有效回收，并利用螺桿膨脹機(jī)發(fā)電技術(shù)，形成低壓飽和蒸汽資源化和再利用的項(xiàng)目方案。

低壓飽和；放散蒸汽；回收利用；發(fā)電

1 前言

隨著節(jié)能技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，鋼鐵企業(yè)余能余熱余壓資源回收利用情況逐步好轉(zhuǎn)，尤其在高溫高壓高品位的余能余熱回收利用方面，但在低溫低熱低品味的余熱利用方面仍在探索和研究，本文結(jié)合寶鋼不銹鋼公司蒸汽的平衡利用，以及對(duì)低壓飽和放散蒸汽情況的分析研究，通過低壓發(fā)電和冷凝回收方式實(shí)現(xiàn)余熱資源回收再利用，使得蒸汽系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)減量放散，甚至零放散。

2 低壓蒸汽運(yùn)行平衡狀況

寶鋼不銹鋼有限公司廠區(qū)內(nèi)目前低壓蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行在0.8～1.2 MPa，主要產(chǎn)生汽源有45 t和75 t燃?xì)忮仩t各一套、燒結(jié)余熱鍋爐、煉鋼余熱（OG鍋爐、AOD鍋爐等）和熱軋余熱（加熱爐鍋爐）等，用戶點(diǎn)包括：高爐爐前、冷軋酸洗、薄板廠、生活后勤等不同區(qū)域使用。低壓蒸汽管網(wǎng)和其他鋼鐵公司一樣也存在著產(chǎn)汽、耗汽平衡問題，當(dāng)產(chǎn)汽量大于耗汽量時(shí)，使低壓管網(wǎng)壓力升高，壓力升高一方面不利于低壓蒸汽管網(wǎng)的安全，同時(shí)也會(huì)影響到軋鋼等工段所產(chǎn)生蒸汽的并網(wǎng)，因此，當(dāng)壓力達(dá)到1.2 MPa時(shí)，通過M11放散點(diǎn)集中進(jìn)行放散，以便維持低壓管網(wǎng)正常壓力。

這其中，煉鋼余熱產(chǎn)汽量隨著冶煉周期變化和使用峰谷波動(dòng)較大，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中產(chǎn)耗汽出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，該系統(tǒng)已設(shè)置7臺(tái)150 m3蓄熱器對(duì)煉鋼冶煉產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)平衡壓力后3.0 MPa部分向RH、VOD精煉爐供汽，未使用高壓蒸汽減壓后上低壓蒸汽管網(wǎng)。由于壓力較高，同時(shí)峰谷交替較為頻繁，對(duì)低壓蒸汽管網(wǎng)沖擊尤為顯著。

另外，熱軋余熱蒸汽由于檢修安排，也存在不間斷上網(wǎng)。根據(jù)對(duì)蒸汽運(yùn)行情況分析，加熱爐系統(tǒng)在檢修時(shí)沒有蒸汽產(chǎn)生，主要通過降低熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)負(fù)荷（蒸汽消耗量降低至約30 t/h），減少系統(tǒng)耗汽需求。當(dāng)加熱爐正常運(yùn)行后，系統(tǒng)蒸汽量比較大，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組提高負(fù)荷運(yùn)行（蒸汽消耗量約50 t/h），富余部分仍通過放散閥放散。

為此，寶鋼不銹鋼公司低壓蒸汽管網(wǎng)和其他鋼鐵公司一樣也存在著產(chǎn)汽、耗汽平衡問題，當(dāng)產(chǎn)汽量小于耗汽量時(shí)，通過燃?xì)忮仩t補(bǔ)充低壓，保證用戶穩(wěn)定使用。當(dāng)產(chǎn)汽量大于耗汽量時(shí)，推動(dòng)低壓管網(wǎng)壓力升高，壓力升高，一方面不利于低壓蒸汽管網(wǎng)的安全，同時(shí)也會(huì)影響到熱軋等余熱所產(chǎn)生蒸汽的正常并網(wǎng)，因此，當(dāng)壓力達(dá)到1.2 MPa時(shí)，通過M11放散點(diǎn)集中進(jìn)行放散，以便維持低壓管網(wǎng)正常壓力。

圖1 蒸汽平衡圖

3 低壓蒸汽放散情況

蒸汽管網(wǎng)設(shè)置放散點(diǎn)，根據(jù)管道壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。管道壓力設(shè)定值為1.2 MPa，當(dāng)管道壓力超過設(shè)定值，氣動(dòng)閥打開進(jìn)行泄壓，當(dāng)管道壓力低于設(shè)定值，氣動(dòng)閥關(guān)閉。即維持總管壓力為1.2 MPa目標(biāo)，供應(yīng)各蒸汽使用區(qū)域使用，但管道壓力隨著供汽量與耗汽量之間平衡關(guān)系，管道總管壓力在0.75～1.2 MPa之間波動(dòng)。

圖2 低壓蒸汽網(wǎng)絡(luò)示意圖

低壓蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)通過放散閥放散，放散閥配置2只放散閥，單臺(tái)閥門全開狀態(tài)下，正常蒸汽放散流量9.0 t/h，最大放散流量15.5 t/h，極限放散量22.5 t/h（該種情況不可能出現(xiàn)，達(dá)到該量時(shí)，閥門出口壓力為零，無法外排）。

3.1 蒸汽放散閥開、關(guān)周期

根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄情況，在正常情況下，放散閥開、關(guān)總體呈現(xiàn)一定的周期性變化，但關(guān)閉放散閥時(shí)間隨著不同時(shí)間段而不同。根據(jù)實(shí)際調(diào)查，放散閥最大開度為100%，最大開度時(shí)瞬時(shí)流量為32 t/h。并根據(jù)統(tǒng)計(jì)平均開度60%，平均放散流量為19 t/h。

圖3 某時(shí)段閥門開度變化情況

3.2 現(xiàn)場(chǎng)低壓管網(wǎng)蒸汽參數(shù)記錄

記錄放散點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)（管網(wǎng)壓力、放散閥開度）與集控計(jì)算機(jī)顯示對(duì)比，數(shù)據(jù)能夠?qū)?yīng)，分析按照集控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史記錄數(shù)據(jù)可靠。

4 利用放散蒸汽的項(xiàng)目方案

4.1 蒸汽動(dòng)力機(jī)組利用思路

為了達(dá)到蒸汽能量充分利用，做功后使蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)槟Y(jié)水，并使水資源得到重復(fù)利用，先采用蒸汽直接膨脹螺桿機(jī)回收能量，使膨脹后壓力為零，再對(duì)蒸汽膨脹后零壓蒸汽利用有機(jī)工質(zhì)螺桿膨脹機(jī)充分回收蒸汽潛熱，最終使蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)槟Y(jié)水回收利用。

根據(jù)系統(tǒng)最大瞬時(shí)放散量（32 t/h）及后續(xù)蓄熱器最大充裝量，選擇機(jī)組最大平均消耗汽量為不小于25 t/h。同時(shí)，根據(jù)不同季節(jié)蒸汽放散量，采取多臺(tái)機(jī)組組合運(yùn)行模式，系統(tǒng)配置蒸汽型膨脹螺桿機(jī)2套、有機(jī)工質(zhì)型膨脹螺桿機(jī)3套，以適應(yīng)不同蒸汽量運(yùn)行組合模式。運(yùn)行模式從0.8 t/h可以啟動(dòng)運(yùn)行，最大消耗量達(dá)約35 t/h，在此范圍內(nèi)不同工況條件下，進(jìn)行合理匹配和組合，確保都能夠正常穩(wěn)定、高效發(fā)電。

4.2 放散蒸汽穩(wěn)定輸出量確定

因該系統(tǒng)蒸汽放散量及放散周期隨著生產(chǎn)變化而變化，具有一定的波動(dòng)性。由于蒸汽是間歇性放散為不連續(xù)，若不對(duì)波動(dòng)進(jìn)行平衡，則會(huì)導(dǎo)致一定時(shí)間內(nèi)沒有汽量供應(yīng)給螺桿機(jī)。當(dāng)螺桿機(jī)沒有汽量還在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)造成很大的機(jī)械損傷及從電網(wǎng)攝取電量，造成能耗損失和機(jī)械損傷。同時(shí)不采取措施進(jìn)行平衡，導(dǎo)致管網(wǎng)壓力直接加載到發(fā)電機(jī)組上，壓力波動(dòng)范圍非常大，對(duì)機(jī)組造成沖擊性損傷。因此，需要通過增設(shè)蓄熱器平衡蒸汽波動(dòng)范圍，通過充填攝取管網(wǎng)多余蒸汽量，通過放熱提供平穩(wěn)的蒸汽參數(shù)給發(fā)電機(jī)組使用。

該蓄熱器蒸汽壓力取低壓蒸汽管網(wǎng)當(dāng)前設(shè)定壓力P1為1.2 MPa（對(duì)應(yīng)飽和溫度t1=191.64℃，比焓h1″=2787.68 kJ/kg），蓄熱器進(jìn)氣壓力不會(huì)超過P1，因?yàn)槌^此壓力，煉鋼、熱軋等所產(chǎn)蒸汽部分并不了網(wǎng)。

由此，單位蓄能量g0計(jì)算：

式中，h′代表飽和水比焓，h″代表飽和蒸汽比焓。

圖4 放散點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)儀表顯示圖

或通過圖表查詢單位蓄能量g0，見圖5（1 kgf/cm2=0.98 MPa）。

圖5 單位蓄熱量（蒸汽）曲線圖

蓄熱器容積V計(jì)算：

按照蓄熱器不同放熱壓力計(jì)算，蓄熱器不同容積對(duì)應(yīng)蓄熱能力（t）見表1。

表1 蓄熱器放熱壓力及容積對(duì)應(yīng)蓄熱能力表

故，選用150 m3蓄熱器，在沒有外界熱源充填情況下，機(jī)組高負(fù)荷工況下可以連續(xù)運(yùn)行25 min，40%低負(fù)荷工況下可以連續(xù)運(yùn)行88 min。結(jié)合配置放散閥最大流通量（32 t/h）、放散周期內(nèi)放散閥平均開度（夏季60%），正常生產(chǎn)周期內(nèi)產(chǎn)耗汽平衡實(shí)際情況，夏季最大平均放散量為19 t/h。

由此確定配置150 m3蓄熱器，最大每小時(shí)消耗系統(tǒng)放散量為機(jī)組最大消耗25 t/h加上蓄熱器充裝量8.1 t，每小時(shí)最大吸收系統(tǒng)蒸汽量可達(dá)到近35 t，達(dá)到系統(tǒng)零放散。

4.3 低壓蒸汽發(fā)電工藝

由此可以確定，波動(dòng)蒸汽的上網(wǎng)富余放散蒸汽作為飽和低壓蒸汽通過蓄熱器進(jìn)行存儲(chǔ)、調(diào)整，穩(wěn)定釋放飽和蒸汽（最大可以實(shí)現(xiàn)33.1 t/h）膨脹螺桿機(jī)進(jìn)行第一步發(fā)電，做功形成熱態(tài)水后進(jìn)入工質(zhì)機(jī)再次發(fā)電，產(chǎn)生電力通過低壓上網(wǎng)回路實(shí)現(xiàn)就地利用。具體設(shè)備工藝見圖6。

圖6 機(jī)組運(yùn)行流程示意圖

其中，通過設(shè)備體積及發(fā)電能力等綜合計(jì)算，確定蒸汽動(dòng)力機(jī)進(jìn)口壓力為0.5 MPa，蓄熱器出口壓力高負(fù)荷時(shí)為0.55 MPa，低負(fù)荷時(shí)為0.35 MPa（考慮到部分壓力損失）。該套系統(tǒng)蓄熱器充熱、放熱均為飽和蒸汽，在運(yùn)行過程中，由于蒸發(fā)焓差異，充熱量大于放熱量，不需要補(bǔ)充水，只需要在剛開始運(yùn)行時(shí)補(bǔ)充軟化水量，補(bǔ)水管道與凝結(jié)水管道共用，只是在化水站及蓄熱器處理用聯(lián)通管進(jìn)行調(diào)節(jié)方向。蒸汽凝結(jié)水回用做功后冷凝成水，凝結(jié)水溫度約65～70℃，通過增壓泵提升至化水站補(bǔ)水。

圖7 蓄熱器補(bǔ)水、凝結(jié)水回水示意圖

同時(shí)，正常運(yùn)行時(shí)，開啟放散閥，系統(tǒng)始終利用放散蒸汽，放散蒸汽不通過消音器，而是給蓄熱器或部分直接給發(fā)電機(jī)組，經(jīng)蒸汽通過閥門調(diào)節(jié)恒定壓力至0.5 MPa給發(fā)電機(jī)組，并根據(jù)不同工況下平均蒸汽量，確定發(fā)電機(jī)組運(yùn)行模式及負(fù)荷。

當(dāng)蒸汽量波動(dòng)比較大，蓄熱器無法蓄能全部蒸汽時(shí)，會(huì)使蓄熱器壓力上升，至蓄熱器設(shè)定安全壓力1.22 MPa時(shí)，通過蓄熱器放散閥進(jìn)行泄壓，放散蒸汽通過消音器放散。

當(dāng)蒸汽量波動(dòng)特別大遠(yuǎn)超過蓄熱器蓄熱量時(shí)，為了防止動(dòng)力管網(wǎng)壓力超過上限極限，自動(dòng)通過原來安全泄壓閥進(jìn)行泄壓（該閥門壓力不重新設(shè)定）。

4.4 發(fā)電上網(wǎng)系統(tǒng)

膨脹螺桿動(dòng)力機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)采用6 kV高壓異步發(fā)電機(jī)形式，動(dòng)力機(jī)部分設(shè)開關(guān)柜（并網(wǎng)、脫網(wǎng)自動(dòng)控制）、控制柜，具備過載、逆功率、速斷、轉(zhuǎn)速保護(hù)功能。發(fā)出電并入750高爐1#高配變電所備用配電柜處。

自耗電采取380 V電壓等級(jí)，供開機(jī)時(shí)輔助設(shè)備啟動(dòng)用。

發(fā)電系統(tǒng)：發(fā)電機(jī)采用異步發(fā)電機(jī)，分別配套一組直接膨脹動(dòng)力機(jī)、二套ORC機(jī)組，出線端共同反饋至750高爐1#高配變電所備用配電柜處母線。

圖8 電氣系統(tǒng)示意圖

5 放散蒸汽發(fā)電經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)前述分析結(jié)果，寶鋼不銹鋼有限公司針對(duì)放散點(diǎn)蒸汽能量回收改造，采用蒸汽動(dòng)力機(jī)進(jìn)行能量回收發(fā)電，節(jié)能效果對(duì)比如表2。

由上所述，每年節(jié)能發(fā)電效益計(jì)算如下（電費(fèi)單價(jià)按0.63元/kW·h計(jì)算）：

0.63 ×（790+2264）=664萬元/年

每年節(jié)水費(fèi)用為（脫鹽水費(fèi)單價(jià)按5.0元/kW·h計(jì)算）：

5.0 ×（18.72+6.24）×4000=50萬元/年

合計(jì)節(jié)約成本：714萬元/年

表2 過程系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能效果表

6 結(jié)語

通過對(duì)低壓放散蒸汽特性及規(guī)律的研究分析，結(jié)合各種壓力和流量工況條件，采用多臺(tái)發(fā)電機(jī)組合方式，形成壓力梯度范圍內(nèi)的最大發(fā)電量，確保放散蒸汽得到高效回收利用，同時(shí)冷凝水實(shí)現(xiàn)回用，既回收利用放散能源轉(zhuǎn)化為電力資源，降低外購(gòu)電力，大幅提高能源利用效率，節(jié)約公司用能成本，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)環(huán)境改善，消除廠房白煙，推進(jìn)環(huán)境美化，這為鋼鐵企業(yè)加強(qiáng)富余蒸汽利用提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，而且低壓飽和蒸汽發(fā)電裝置在國(guó)內(nèi)也剛剛起步，在低溫低壓熱電轉(zhuǎn)換方面具有較為廣闊的發(fā)展前景，通過這項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，能夠減少鋼鐵企業(yè)廢熱資源浪費(fèi)，促進(jìn)能源節(jié)約和利用，且經(jīng)濟(jì)效益可觀。

[1]錢士進(jìn).我國(guó)鋼鐵冶金余熱利用不足現(xiàn)狀及對(duì)策分析[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011，（7）：1-2.

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TheRecoveryandPowerGenerationTechnologyforLowPressureExhaustSteam

DAI Haibo
(Baosteel Stainless Steel Co.,Ltd.,Shanghai 200431,China)

The operation state of low pressure saturated steam pipeline networks of steel enterpriseswasinvestigatedandthepatternofintermittentexhaustingoflow-pressure low-temperature saturated steam was analyzed.Through effective recovery of the exhaust steam and adopting of the power generation technology of screw expander,a project plan for recycling and utilization of low pressure saturated steam was drawn up.

low pressure saturation;exhaust steam;recycling;electricity generation

X77

B

1006-6764(2015)05-0063-05

2015－01－20

戴海波（1978－），男，2001年畢業(yè)于華東冶金學(xué)院煤化工化學(xué)工程與工藝專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事能源管理工作。