周榮

山鋼集團濟鋼煉鋼廠 250101

轉(zhuǎn)爐煙道蒸汽余熱發(fā)電在濟鋼煉鋼廠的實現(xiàn)

周榮

山鋼集團濟鋼煉鋼廠 250101

本文簡要介紹了轉(zhuǎn)爐煙道蒸汽余熱發(fā)電的主要工作原理、主要設(shè)備和控制系統(tǒng)，以及經(jīng)濟效益。對鋼鐵企業(yè)的能源綜合利用有一定的借鑒意義。

轉(zhuǎn)爐;煙道蒸汽余熱發(fā)電;蓄能器;汽輪機;發(fā)電機

濟鋼一煉鋼有45t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐4座，每臺轉(zhuǎn)爐裝有汽化冷卻煙道一座，組成一個獨立的蒸汽發(fā)生器。轉(zhuǎn)爐煙道蒸汽壓力低、濕度大、不連續(xù)，難以利用，除了冬季供生活區(qū)暖氣，其余季節(jié)除了供本廠職工浴池外，大部分熱能被浪費。為更加有效利用低品位余熱資源，濟鋼煉鋼廠在不改變原有煉鋼工藝、不影響煉鋼生產(chǎn)的前提下，于07年1月實施轉(zhuǎn)爐煙道余熱蒸氣發(fā)電項目，為濟鋼創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

一、轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備

轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)采用汽化冷卻煙道余熱產(chǎn)生的低壓飽和蒸汽直接發(fā)電，系統(tǒng)簡單，安全性高，可靠性好，不須補充其他燃料或能源，易于運行操作。轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)流程簡圖如圖一所示，整個系統(tǒng)可分為煙道蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)、蓄能系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機系統(tǒng)等。

圖一、轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)流程圖

1、煙道蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐煙道是轉(zhuǎn)爐煉鋼的重要設(shè)備，它起著收集、輸送、冷卻轉(zhuǎn)爐冶煉過程中產(chǎn)生的煙氣等多方面的作用。轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)的功能是收集轉(zhuǎn)爐冶煉過程中的高溫?zé)煔獠⑵淅鋮s以滿足除塵及煤氣回收的要求；保證轉(zhuǎn)爐煉鋼安全生產(chǎn)的同時，生產(chǎn)蒸汽回收大量熱能以供使用，降低轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)成本。配合煙道蒸汽余熱發(fā)電，煙道蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)在原有的汽化冷卻煙道的基礎(chǔ)上稍加改進，提高了汽包的工作壓力，以提高蒸汽產(chǎn)量和干度，滿足發(fā)電需要。煙道余熱蒸汽的壓力隨轉(zhuǎn)爐冶煉生產(chǎn)節(jié)奏而波動，一般在0.4～1.6 MPa。

2、蓄能系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐煙道產(chǎn)生的蒸汽是周期性、不連續(xù)的，四座轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的蒸汽全部送至蒸汽母管進入蓄能器。當(dāng)母管中新蒸汽壓力高于蓄能器的飽和壓力時，部分新蒸汽進入蓄能器儲存起來以使蒸汽壓力不過快上升。當(dāng)母管中新蒸汽壓力低于蓄能器中的飽和壓力時，蓄能器則產(chǎn)生二次蒸汽補充到蒸汽母管中以維持母管中的蒸汽壓力不要過快下降。蓄能器通過上述機制和調(diào)壓閥配合，實現(xiàn)蒸汽的穩(wěn)壓和穩(wěn)流。蓄能器輸出的蒸氣壓力：1.0 MPa，蓄能器輸出的最大氣流量：34 t/h。

3、蒸汽發(fā)電系統(tǒng)

汽輪機是發(fā)電系統(tǒng)的原動機，它把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械能，拖動發(fā)電機發(fā)電。

汽輪機是特殊非標(biāo)汽輪機。該機具有級間再熱除濕功能，適合利用飽和濕蒸汽發(fā)電。汽輪機采用沖動式結(jié)構(gòu)，有一個速度級和七個壓力級，在第二壓力級后裝有級間再熱除濕裝置。汽輪機轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，與發(fā)電機用剛性聯(lián)軸器直接相聯(lián)。

機組采用小島式雙層布置方式。汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用目前國內(nèi)中小型汽輪機普遍使用的美國WORDWOOD公司進口原裝505型電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制功能齊全，安全可靠。

發(fā)電機將汽輪機動能轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈的絕緣材料采用F級絕緣。定子線圈槽內(nèi)固定及繞組端部綁扎工藝?yán)慰?，端部采取適調(diào)峰運行的技術(shù)措施。定子鐵芯端部結(jié)構(gòu)如壓指、壓圈等采用無磁性材質(zhì)，并采取有效的屏蔽措施，避免產(chǎn)生局部過熱。

4、凝氣系統(tǒng)

凝氣系統(tǒng)是凝汽式汽輪機的一個重要組成部分。主要由凝汽器、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、射水抽氣器和管道附件等組成。凝氣系統(tǒng)工作性能的好壞，直接影響到整個機組的熱經(jīng)濟性和可靠性。凝氣系統(tǒng)采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水的補充水源由濟鋼動力廠供應(yīng)。冷凝器，冷油器、發(fā)電機空氣冷卻器的冷卻水以及射水池的補充水由本循環(huán)冷卻水系統(tǒng)供應(yīng)。電動冷凝水泵配置兩臺，一臺運行，一臺備用。冷凝水泵將冷凝水送至為轉(zhuǎn)爐汽化冷卻供水的軟水池，實現(xiàn)軟化水的回收利用。

二、轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電控制系統(tǒng)采用以微機混合型分散控制系統(tǒng)（DCS）為核心，并配合專用的控制裝置，包括汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、汽輪機監(jiān)視儀表系統(tǒng)（TSI）、汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)（ETS），組成先進的完善的控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)主要功能：

1）機組啟停，正常運行或異常工況下，自動檢測運行工況進行顯示，報警/打印，制表，提供信息，積累數(shù)據(jù)。

2）機組啟動和正常運行時，適時投入各閉環(huán)控制系統(tǒng)，自動控制各種參數(shù)。

3）機組啟停或事故狀態(tài)時，能自動切投設(shè)備和系統(tǒng)，使機組處于有利的工況下運行，并保護設(shè)備不受損害。

4）在機組事故跳閘時，自動檢測出發(fā)生事故的首要原因和主要設(shè)備跳閘先后次序，能自動追憶打印跳閘前后一段時間里有關(guān)的主要參數(shù)，以便分析發(fā)生事故的詳細(xì)原因和事故危害程度。

5）根據(jù)操作員指令，自動完成局部工藝流程的順序控制，聯(lián)動操作。

6）在線進行機組性能、技術(shù)、經(jīng)濟指標(biāo)計算分析，提供運行操作指導(dǎo)。

下面分別說明各控制系統(tǒng)的功能：

圖二 轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)DCS配置框圖

1、混合型分散控制系統(tǒng)（DCS）

DCS 是一種“混合型”系統(tǒng)，它兼具有PLC系統(tǒng)的開放性和傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)在模擬量控制方面的優(yōu)勢。DCS選用新一代開放型分散控制系統(tǒng)，它提供了一整套完整的、應(yīng)用高級控制策略完成過程控制系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、文檔、實施和維護的工具。DCS分散控制系統(tǒng)具有易于開發(fā)、易于擴展、易于維護等特點。

在轉(zhuǎn)爐煙道蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)中，DCS控制系統(tǒng)采用高性能冗余控制器，控制器與上位機間采用冗余工業(yè)以太網(wǎng)，I/O與控制器間采用高抗干擾能力的Genius網(wǎng)絡(luò)。轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)DCS配置簡圖如圖二所示。DCS控制系統(tǒng)還有強大的自診斷功能，當(dāng)檢出故障時，一方面發(fā)出的故障報警信號，指出故障地點或設(shè)備代碼；另一方面切除故障設(shè)備的工作，投入冗余配置設(shè)備運行。DCS實現(xiàn)對汽輪機、發(fā)電機及輔助系統(tǒng)的啟動、停機、運行監(jiān)視控制和管理等功能。

機組的DCS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍如下：

1）蒸汽系統(tǒng)控制

2）汽機控制

3）發(fā)變電及機組廠用電控制

4）輔助公用系統(tǒng)控制

5）電氣公用系統(tǒng)控制

2、汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)

采用WOODWARD公司生產(chǎn)的505E電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)完成對汽機本體的監(jiān)視和控制。汽輪機配置的是WOODWARD的，它的主要功能有：

1）自動/手動啟動

2）同期

3）并網(wǎng)和初負(fù)荷控制

4）功率控制

5）入口壓力控制

6）功頻控制器

7）甩負(fù)荷功能

8）超速試驗

3、汽輪機監(jiān)視儀表（TSI）

汽輪機制造廠家還配置了測量轉(zhuǎn)速、熱膨脹、軸承振動、軸向位移、油箱油位及冷凝器熱井水位的儀表裝置，構(gòu)成了較完整可靠的控制系統(tǒng)。當(dāng)參數(shù)超過定值時，輸出信號作為記錄和報警，重要參數(shù)超限時輸出停機信號至ETS裝置。

4、汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）

系統(tǒng)配置了一套由常規(guī)繼電器組成的緊急停機保護系統(tǒng)(ETS)，以確保停機的可靠性。

ETS系統(tǒng)能監(jiān)控汽機監(jiān)視儀表（TSI）系統(tǒng)中的參數(shù)，當(dāng)這些參數(shù)超過了運行極限值時，關(guān)閉汽機進汽閥。

ETS系統(tǒng)接受所有汽機跳閘接點輸入，發(fā)出跳閘信號，并實現(xiàn)跳閘試驗功能。

ETS系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)中的PLC功能模塊實現(xiàn)，跳閘信號采用冗余配置。

測量出的參數(shù)通過數(shù)據(jù)處理后能換算成以mA單位輸出和打印記錄。

三、轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)主要經(jīng)濟效益

轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)主要經(jīng)濟效益可從發(fā)電量和節(jié)約軟水兩方面計算：

1、噸鋼發(fā)電量

濟鋼余熱蒸汽發(fā)電項目于07年初投產(chǎn)，但由于配套的四座轉(zhuǎn)爐煙道和汽化冷卻系統(tǒng)沒有全部實施，蒸汽壓力低， 2007年累計發(fā)電量達2284萬KWh；08年下半年1#爐役后，濟鋼一煉鋼全面完成四座轉(zhuǎn)爐蒸汽發(fā)電配套的汽包煙道改造，除少部分蒸汽為保證汽包安全放散外，大部分蒸汽全部回收，蒸汽發(fā)電供汽壓力提高，發(fā)電指標(biāo)明顯提高。08年余熱蒸汽發(fā)電量實現(xiàn)8.609 kWh/t.G；09年余熱蒸汽發(fā)電量達到9.117 kWh/t.G；10年前11個月蒸汽發(fā)電為9.81kWh/t.G。

2、回收軟水量

轉(zhuǎn)爐煙道蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)中，汽輪機排汽進入凝汽器后，在凝汽器內(nèi)把熱量傳遞給循環(huán)水而凝結(jié)成水，冷噸水泵將冷凝水送至為轉(zhuǎn)爐汽化冷卻供水的軟水池，通過軟水泵將蒸汽凝結(jié)水送回到汽包，實現(xiàn)了軟水的循環(huán)利用和軟水的零排放，每小時回收軟水約28噸，每月可回收軟水20160噸。

四、結(jié)束語

濟鋼第一煉鋼廠4×45t轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)是國內(nèi)首例利用轉(zhuǎn)爐煙道汽化冷卻蒸汽進行發(fā)電的節(jié)能減排項目，為一煉鋼創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益，成為總公司發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、綠色品牌的亮點。隨著濟鋼老產(chǎn)線的停產(chǎn)，轉(zhuǎn)爐煙道蒸汽余熱發(fā)電項目也面臨著關(guān)停的問題，但該系統(tǒng)自投產(chǎn)以來經(jīng)歷了四年的運行，可以為其他企業(yè)的能源綜合利用提供一定的借鑒。

[1]國電太原第一熱電廠.汽輪機及輔助設(shè)備.中國電力出版社

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.04.002