貴冶余熱發(fā)電機組運行狀態(tài)與經濟性分析

江春明

（江西銅業(yè)集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

貴溪冶煉廠目前擁有兩套透平發(fā)電機組［1］，主要作用是將銅冶煉過程中產生的余熱飽和蒸汽經透平機組做功后將機械能轉換為電能。兩套透平發(fā)電機組分別布置在1#、2#動力中心，與一、二系統(tǒng)熔煉系統(tǒng)配套，其中1#透平發(fā)電機組為德國DRESSRAND公司生產飽和蒸汽背壓機組［2］，透平機型號GTW17，機組額定功率為3720kW；2#透平發(fā)電機組為德國KKK公司生產的飽和蒸汽背壓與凝汽雙組合式機組，高壓部分透平機型號為AFA4 G6a背壓式透平，低壓透平部分采用的是AFA6 G6b凝汽式透平，高、低壓透平共用一個發(fā)電機，整個機組額定功率為5500kW。

2 透平機組工藝流程

2.1 1#透平發(fā)電機工藝流程

正常運行狀態(tài)下，閃速爐、轉爐余熱鍋爐產生的4.2MPa飽和蒸汽進入1#透平發(fā)電機經葉輪做功發(fā)電后降壓至1.45MPa，全部排入分汽缸，首先供給熔煉蒸汽干燥等界內低壓用戶使用，剩余蒸汽通過調節(jié)閥控制自動輸送至全廠低壓蒸汽管網。透平發(fā)電機組采用前壓控制方式，通過“WOODWORD505”控制器［3］自動調節(jié)主汽門開度始終將透平進汽壓力穩(wěn)定在4.2MPa，透平背壓則由往低壓管網的蒸汽調節(jié)閥進行控制。

當透平發(fā)電機因各種原因需要停機時，此時余熱鍋爐來的蒸汽只有通過蒸汽旁路調節(jié)閥節(jié)流后進入分汽缸。透平旁路調節(jié)閥同樣為自動控制，始終將調節(jié)閥前蒸汽壓力維持在4.2MPa左右，調節(jié)閥后的壓力控制與蒸汽走透平發(fā)電過程相同。具體工藝流程見圖1。

圖1 1#透平發(fā)電機工藝流程簡圖

2.2 2#透平發(fā)電機工藝流程

為實現(xiàn)貴冶一、二系統(tǒng)高、低壓蒸汽系統(tǒng)的平衡，達到余熱利用的最大化，2#透平發(fā)電機組采用的是所謂“一擔挑”形式，即相當于在1#透平機組的形式基礎上在發(fā)電機另一側增加了一個凝汽式透平。閃速爐、轉爐余熱鍋爐產生的4.0MPa飽和蒸汽經高壓透平吸收熱能發(fā)電后降壓至0.90MPa，與硫酸余熱鍋爐產生的1.0MPa飽和蒸汽混合后，再次進入低壓透平發(fā)電，最后排入復水器回收冷凝水。透平高壓部分同樣采用前壓控制方式，通過“WOODWORD505”控制器自動調節(jié)主汽門開度始終將透平進汽壓力穩(wěn)定在4.0MPa，透平背壓則由低壓透平通過DR22調節(jié)器控制在0.90MPa，即低壓透平進汽壓力與高壓透平背壓相同。

透平發(fā)電機停機時，高壓蒸汽通過蒸汽旁路調節(jié)閥節(jié)流后進入分汽缸，分汽缸壓力由放空調節(jié)閥控制。具體工藝流程見圖2。

圖2 2#透平發(fā)電機工藝流程簡圖

3 熱力過程計算與經濟性分析

3.1 1#透平發(fā)電機運行參數分析

1#透平生產廠家提供的運行狀態(tài)點熱力參數［4］見表1。

表1 1#透平發(fā)電機運行狀態(tài)點熱力參數表

3.1.1 發(fā)電機組量能轉換效率計算

由于無法計量蒸汽進入透平發(fā)電機后的軸封蒸汽消耗及疏水排汽損失，且改損失相對進汽流量占比較小，計算時假定進、排汽流量相同，則透平發(fā)電機組將蒸汽熱能轉換為電能的效率為：

式中，η為汽輪機發(fā)電效率，%；E為發(fā)電量，kJ；Q為熱量，kJ；hg1為進汽蒸汽焓值，kJ/kg；為排汽蒸汽焓值，kJ/kg；q為進、排汽蒸汽流量，t/h。

根據式3-1和表1數據，計算得到透平各不同運行狀態(tài)點時的熱、功轉換效率，見表2。

從表2可知，蒸汽經過透平發(fā)電機組做功，進行熱功轉換之后，透平進、出口蒸汽焓值變化減少的熱量并沒有全部轉換為電能，這部分損失的能量主要通過設備運轉過程中的油冷卻器和發(fā)電機空氣冷卻器中的冷卻水被帶走。

表2 1#透平發(fā)電機組發(fā)電效率計算表

分析上表，可以看出。

（1）運行狀態(tài)A點與B點，進、排汽壓力相同，A點進汽流量高于B點，透平發(fā)電效率A點略高于B點。

（2）運行狀態(tài)B點與C點，進汽壓力相同，蒸汽流量相同，B點排汽壓力（11bara）低于C（17bara）點，透平發(fā)電效率B點較C點高3.63%。

（3）運行狀態(tài)D點與E點，蒸汽流量相同，D點進汽壓力（43bara）高于E（41bara）點，D點排汽壓力（11bara）低于E（17bara）點，透平發(fā)電效率D點較E點高10.35%。

通過上述分析，要提高透平發(fā)電機組的能量轉換效率，一是應盡可能提高透平進汽壓力或降低排汽壓力，即增大透平進、出口的蒸汽壓力差；二是應盡可能使蒸汽流量維持在高位。

3.1.2 排汽蒸汽干度計算

從表1可知，A、B、D工作點的排汽壓力為11bara，查“飽和蒸汽特性數據表”可得：

hg2= 2781.28 kJ/kg （干飽和蒸汽比焓）

hfg2= 1999.86 kJ/kg （蒸發(fā)比焓）

C、E、F工作點的排汽壓力為17bara，查“飽和蒸汽特性數據表”可得：

hg2= 2795.00 kJ/kg （干飽和蒸汽比焓）

hfg2= 1922.97 kJ/kg （蒸發(fā)比焓）

（1）透平進、排汽壓力下對應干飽和蒸汽焓值差

由式3-2計算可得，43bara的干飽和蒸汽與11bara、17bara的干飽和蒸汽的熱焓值差僅分別為17.72 kJ/kg和 4.00 kJ/kg。但通過將查表得到的干飽和蒸汽比焓hg2與廠家提供的實際排汽焓值hg21比較可知，經過透平做功輸出電能后，排汽焓值均比相同壓力下的對應干飽和蒸汽比焓大幅降低，表明此時透平背壓排汽為濕蒸汽，即排汽中會產生一定含量的冷凝［5］水通過疏水器排出。這說明透平進、排汽蒸汽壓力下降造成的焓值差僅占透平發(fā)電機獲得電量的很小部分，絕大部分的電量來源于蒸汽做功過程中一定比例的蒸汽變成飽和水而放出的汽化潛熱。

（2）排汽蒸汽干度［6］和冷凝水量

式中：X為蒸汽干度，%；Δhg為干飽和蒸汽焓值與實際排汽焓值差，kJ/kg；hfg為蒸發(fā)比焓（汽化潛熱），kJ/kg；q1為冷凝水流量，t/h；q為進汽蒸汽流量，t/h。

根據式3-2 、3-3計算得到透平各不同運行狀態(tài)點時的排汽干度和冷凝水量，見表3。

表3 1#透平發(fā)電機組排汽干度及冷凝水量計算表

3.1.3 1#透平發(fā)電機經濟性分析

透平發(fā)電機經濟性分析是通過計算蒸汽進入透平發(fā)電與蒸汽走旁路直接供熱兩種運行方式的經濟收益，對比發(fā)現(xiàn)哪種運行方式更具經濟性。

通過前面的計算分析可知，蒸汽進入透平機組發(fā)電，得到發(fā)電量可以減少電費成本支出，但損失的熱量使得部分蒸汽變成冷凝水排出，即補充到低壓蒸汽管網的蒸汽量相應的減少，在低壓蒸汽管網壓力不足情況下，這部分減少的蒸汽量需要通過燃煤鍋爐產生。而蒸汽走旁路直接供熱情況下，則不存在蒸汽流量損失，不需產生這部分的蒸汽成本。

兩種運行方式的經濟收益計算見表4。

表4 1#透平發(fā)電機組經濟收益計算表

表4中過程損失：前面分析過程中沒有考慮透平軸封蒸汽消耗及汽門噴嘴疏水排汽損失，經濟性計算時該部分蒸汽量損失按1.00 t/h。

電量價格與蒸汽成本：電量價格0.678元/kW·h，蒸汽成本160元/t。

從表4“整體效率”一欄可以明顯看出，當發(fā)電機負荷越大時整體經濟收益越明顯，當發(fā)電機負荷低于500kW左右時，此時蒸汽發(fā)電的經濟性還不如直接走旁路供熱。

3.2 2#透平發(fā)電機經濟性分析

2#透平生產廠家僅提供了額定工況的狀態(tài)點參數：

AFA4 G6a背壓式透平：進汽壓力44.5bara，排汽壓力10.5bara，蒸汽流量50t/h

AFA6 G6b凝汽式透平：進汽壓力10.5bara，排汽壓力0.3bara，蒸汽流量35t/h

發(fā)電機功率：5500kW

從前面的工藝流程介紹可知，44.5bara首先進入AFA4 G6a背壓式透平做功降壓至10.5bara排出，然后35t/h的蒸汽進入AFA6 G6b凝汽式透平做功后排至冷凝器內冷卻回收冷凝水，多余的壓力為10.5bara蒸汽則自動輸送至全廠低壓蒸汽管網。與1#透平不同，2#透平運行過程中由于需要將低壓透平排出的乏汽冷凝為水，增加了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，循環(huán)水泵、冷凝水泵、冷卻塔風機等設備運行需消耗功率約為380kW。

由于廠家沒有給出壓力為10.5bara蒸汽焓值，中間狀態(tài)過程無法準確計算，參考1#透平，假定進入AFA4 G6a背壓式透平做功后排出壓力為10.5bara的蒸汽干度為94%，從而對2#透平發(fā)電機滿負荷狀態(tài)與不發(fā)電直接供熱兩種運行方式進行經濟分析：

滿負荷狀態(tài)時的產出：實際電量：5500-380=5120 kW·h

低壓蒸汽：50×0.94-35 = 12 t/h

產出價值 ：5120×0.678+12×160 = 5391.36 元

直接供熱式的產出：低壓蒸汽：50 t/h

產出價值：50×160 = 8000元

效益對比：5391.36-8000 = -2608.64元

從上面的計算可知，當低壓蒸汽不足，燃煤鍋爐房處于高負荷狀態(tài)時，此時將余熱鍋爐產生的中壓蒸汽進入2#透平發(fā)電的經濟性遠不如直接將蒸汽送入低壓管網供熱。但通過對1#透平的分析可知，2#透平中的背壓部分發(fā)電是處于正收益狀態(tài)，導致負收益的主要為冷凝式透平部分。因此，冬季時低壓蒸汽不足時，應盡量將壓力10.5bara的蒸汽送入低壓蒸汽管網供熱，減少冷凝式透平的發(fā)電量。

4 結語

通過對貴冶1#、2#透平發(fā)電機組不同運行狀態(tài)時的熱力計算及經濟性分析過程，我們需要改變透平發(fā)電機組作業(yè)率越高、發(fā)電量越大經濟效益越好的觀念，而要根據不同的生產實際，調整透平發(fā)電機組的運行參數及運行模式，這樣才能取得最大的經濟效益。

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