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        利用軋鋼加熱爐所產(chǎn)低壓蒸汽發(fā)電的探討

        2015-10-18 02:52:46戎維維
        天津科技 2015年4期
        關(guān)鍵詞:汽化冷卻系統(tǒng)加熱爐

        戎維維,陳 揚(yáng),趙 彬

        (天津鋼鐵集團(tuán)有限公司長材廠 天津 300301)

        0 引 言

        經(jīng)過多年發(fā)展,軋鋼加熱爐水梁汽化冷卻技術(shù)已成為一種較成熟的節(jié)能技術(shù)并得到了廣泛應(yīng)用。與較早的水冷卻技術(shù)相比,它大幅減少了耗水量,同時(shí)能夠得到有較大使用價(jià)值的飽和蒸汽,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前,國內(nèi)絕大多數(shù)軋鋼加熱爐均采用汽化冷卻,該系統(tǒng)通常按低壓蒸汽鍋爐的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)建造,工作壓力為0.4~1.6,MPa。

        以天津鋼鐵集團(tuán)有限公司長材廠為例:加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力為 1.27,MPa,單爐飽和蒸汽產(chǎn)量為 4,t/h左右。在實(shí)際運(yùn)行中,由于要與設(shè)計(jì)壓力為0.8,MPa(實(shí)際運(yùn)行壓力小于 0.5,MPa)的公司低壓蒸汽管網(wǎng)并網(wǎng),實(shí)際運(yùn)行壓力為0.8,MPa。所產(chǎn)蒸汽除極少部分用于廠內(nèi)冬季管線伴熱外,其余全部供給蒸汽管網(wǎng)。

        汽化冷卻系統(tǒng)與其他類似系統(tǒng)回收生產(chǎn)中的余熱制備低壓蒸汽相比,具有明顯的節(jié)能效益。但現(xiàn)階段低壓蒸汽的使用方式還存在不少問題:除少部分用于設(shè)備保溫、管道吹掃外,主要用于采暖、食堂、洗浴等生產(chǎn)輔助環(huán)節(jié);在夏季或蒸汽有富余的時(shí)段,還存在為數(shù)不少的放散。

        除去放散直接浪費(fèi)的情況,低壓蒸汽主要集中在對蒸汽冷凝后的潛熱利用,對更有價(jià)值的做功能力幾乎全部舍棄,因此使用方式存在嚴(yán)重的能量浪費(fèi)。如果能夠利用低壓蒸汽做功進(jìn)而發(fā)電,將大大提高蒸汽利用效率,為工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在的低溫余熱資源提供高效利用的新途徑。

        本文通過分析低壓蒸汽的特點(diǎn)和低溫余熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀,探討了這一技術(shù)用于汽化冷卻系統(tǒng)蒸汽發(fā)電的可行性。

        1 汽化冷卻系統(tǒng)生產(chǎn)蒸汽的特點(diǎn)

        1.1 蒸汽產(chǎn)量具有波動性,并且短期波動和長期波動并存

        短周期波動主要受補(bǔ)水速度變化影響,當(dāng)汽包過量補(bǔ)充新水時(shí)導(dǎo)致包內(nèi)水呈現(xiàn)未飽和狀態(tài),需要經(jīng)過循環(huán)吸熱才能達(dá)到飽和,然后繼續(xù)吸熱汽化,在短期內(nèi)影響蒸汽生產(chǎn)量,造成蒸汽的波動。圖 1為雙棒材某時(shí)間段內(nèi)單爐及合計(jì)蒸汽量的變化情況。

        長周期波動主要受爐內(nèi)熱負(fù)荷變化和水梁包扎完好率的影響。加熱爐熱負(fù)荷變化由車間生產(chǎn)決定,原因較復(fù)雜;水梁的包扎完好率隨著運(yùn)行時(shí)間逐漸降低,一般當(dāng)包扎掉落 10%,時(shí)就應(yīng)停爐檢修,對包扎進(jìn)行修補(bǔ),否則將嚴(yán)重影響加熱爐效率。

        1.2 蒸汽干度較差

        考慮到水梁結(jié)構(gòu)和安全,汽化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)為生產(chǎn)低壓飽和蒸汽。系統(tǒng)一般選擇較小的汽包,出口處汽水分離效果較差,蒸汽含濕量較高;傳輸管道較長,沒有或只進(jìn)行簡單保溫處理,加劇了傳輸過程中蒸汽的冷凝。

        1.3 蒸汽中雜質(zhì)較多

        作為生產(chǎn)的副產(chǎn)品,生產(chǎn)部門對蒸汽潔凈度要求較低。蒸汽中雜質(zhì)較多,主要包括:管道中生成的鐵銹,鈣鎂離子析出物,處理軟水時(shí)加入的藥劑、氯化鈉等物質(zhì)。

        2 動力機(jī)械選取

        目前主要有小型蒸汽輪機(jī)和螺桿膨脹機(jī),適合這種壓力較低、品質(zhì)較差的小規(guī)模蒸汽。

        2.1 汽輪機(jī)

        大型電站通常使用蒸汽汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電,它具有單機(jī)功率大、效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。蒸汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格及制造難度較高,比較適合蒸汽量較大的場合,我國目前最小的蒸汽輪機(jī)功率為 750,kW。[1]

        常規(guī)汽輪機(jī)使用有一定過熱度的過熱蒸汽,[2]專門設(shè)計(jì)的飽和蒸汽汽輪機(jī)對蒸汽品質(zhì)的要求也較高。如果蒸汽中夾帶水滴或其他異物,運(yùn)行時(shí)沖擊高速旋轉(zhuǎn)的葉片,會造成葉片腐蝕、振動,嚴(yán)重的會導(dǎo)致安全事故。

        2.2 螺桿膨脹機(jī)

        螺桿膨脹動力機(jī)屬于回轉(zhuǎn)容積式膨脹機(jī),通過改變?nèi)莘e使蒸汽膨脹做功。從結(jié)構(gòu)上可分為雙螺桿膨脹機(jī)和單螺桿膨脹機(jī)。

        螺桿膨脹機(jī)適合流量較小的場合,功率一般在10~1,000,kW 之間。對蒸汽壓力限制在 0.15~3.0,MPa,溫度小于300,℃,適用于絕大多數(shù)工業(yè)蒸汽系統(tǒng)。

        不同型號機(jī)器的實(shí)測數(shù)據(jù)表明,在中小容量范圍內(nèi)(1,500,kW),螺桿膨脹機(jī)的效率要比透平膨脹機(jī)及汽輪機(jī)高10%,~20%,,其制造成本要小于透平膨脹機(jī)和汽輪機(jī)。[3]另外,它對工況的適應(yīng)性較強(qiáng),當(dāng)負(fù)荷減至滿負(fù)荷的 60%,時(shí),效率僅下降 10%,。[4]

        螺桿膨脹動力機(jī)是一種全流式動力機(jī),適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水混合物。螺桿與螺桿、螺桿與機(jī)殼之間的相對運(yùn)動可以去除間隙的污垢,未能除去的污垢可起到減小間隙的作用,減少泄漏損失,反而能夠提高機(jī)組效率。

        與蒸汽輪機(jī)相比,螺桿膨脹動力機(jī)的投資較少,運(yùn)行費(fèi)用較低,控制和維修方便,使用安全。

        總之,與汽輪機(jī)相比,螺桿膨脹機(jī)更適用于規(guī)模較小、工況條件較差的工業(yè)低壓飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)。

        3 發(fā)電機(jī)選擇

        本文主要從速度類型角度對發(fā)電機(jī)選型問題進(jìn)行分析。

        3.1 定速恒頻發(fā)電機(jī)

        定速恒頻發(fā)電機(jī)要在一個(gè)額定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,并且轉(zhuǎn)速與發(fā)電頻率嚴(yán)格對應(yīng)。當(dāng)動力機(jī)輸出功變化時(shí),通過調(diào)節(jié)扭矩來改變發(fā)電功率。

        機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),如果動力機(jī)輸出功較小,無法維持額定轉(zhuǎn)速,發(fā)電機(jī)受電網(wǎng)鉗制,將會從電網(wǎng)吸收電能反過來驅(qū)動系統(tǒng)保持轉(zhuǎn)速,此時(shí)發(fā)電機(jī)組會成為耗電的電動機(jī)。

        3.2 變速恒頻發(fā)電機(jī)

        變速恒頻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可在很大的范圍內(nèi)變化,發(fā)電的頻率與轉(zhuǎn)速無關(guān),通過特殊的運(yùn)行結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)換裝置保證發(fā)電頻率恒定并向外供電。該類發(fā)電機(jī)在允許范圍內(nèi),發(fā)電功率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。當(dāng)動力機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)發(fā)電量較多,反之發(fā)電量就少。

        3.3 兩者的比較

        從機(jī)組變負(fù)荷適應(yīng)能力角度分析:兩類發(fā)電機(jī)對波動都具有一定的適應(yīng)性;但當(dāng)蒸汽量減少到臨界點(diǎn)時(shí),變速發(fā)電機(jī)組可以降低速度減少發(fā)電直至停機(jī),在這個(gè)區(qū)間,恒速機(jī)組如不能及時(shí)斷網(wǎng)將成為耗能機(jī)。

        從蒸汽膨脹做功的角度分析:當(dāng)蒸汽量偏離最佳點(diǎn)時(shí),變速發(fā)電機(jī)通過改變轉(zhuǎn)速,可始終保持蒸汽最佳膨脹比;恒速發(fā)電機(jī)組蒸汽則會出現(xiàn)過膨脹或膨脹不充分,造成機(jī)械轉(zhuǎn)換效率的降低。

        綜上所述,變速恒頻發(fā)電機(jī)組更適合蒸汽頻繁波動的情況,且能夠維持較高的系統(tǒng)效率。

        4 并網(wǎng)方式

        小型發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率一般只有幾百千瓦,通常作為小型分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行供電。發(fā)電量全部供車間自用,無需并入外網(wǎng),可以避免電力上網(wǎng)報(bào)批等繁瑣手續(xù)。

        具體并網(wǎng)方式為:發(fā)電機(jī)發(fā)出的電力經(jīng)自動校準(zhǔn)同步裝置在 0.4,kV 側(cè)低壓母線與電網(wǎng)并網(wǎng),所發(fā)出的電能全部供給負(fù)荷。[5]對于蒸汽波動對發(fā)電量的影響,由于波動量在 100,kW范圍內(nèi),相對于生產(chǎn)車間上萬千瓦的供電規(guī)模,系統(tǒng)對廠內(nèi)電網(wǎng)的沖擊在安全范圍內(nèi),一般不需要采取措施進(jìn)行控制。

        5 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

        本文給出了壓差發(fā)電或全壓發(fā)電兩種蒸汽發(fā)電方案,分別針對有低壓蒸汽需求的用戶和純電力需求用戶,回收機(jī)械為螺桿膨脹機(jī)。

        5.1 壓差發(fā)電

        此方案將 1.2,MPa飽和蒸汽引入螺桿膨脹機(jī)做功,帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電(見圖2)。通過膨脹機(jī)膨脹比選擇和運(yùn)行工況的控制,使出口蒸汽具有 0.2,MPa表壓。這些蒸汽再經(jīng)管網(wǎng)分配給附近食堂、洗浴、辦公樓等部門,滿足這些用戶的用熱需求。

        5.2 全壓發(fā)電

        該方案盡可能利用蒸汽能量做功,通過冷凝器和真空泵使出口蒸汽壓力低于大氣壓。乏汽在冷凝器中凝結(jié),冷凝水經(jīng)冷凝水泵輸送回軟水箱供汽化冷卻系統(tǒng)循環(huán)使用(見圖3)。

        圖2 蒸汽壓差發(fā)電方案Fig.2 Scheme of differential pressure power generation using heating steam

        圖3 蒸汽全壓發(fā)電方案Fig.3 Scheme of full pressure power generation using heating steam

        6 發(fā)電效益計(jì)算及分析

        表1給出了兩種不同方案帶來的發(fā)電收益。

        由表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):壓差發(fā)電方案發(fā)電功率只有全壓發(fā)電的51.7%,,但出口表壓0.2,MPa的低壓蒸汽仍能夠供下游蒸汽用戶使用,較適合附近有低壓蒸汽需求的場合,蒸汽的整體利用率較高。

        全壓方案發(fā)電量較大,且可以回收軟化水繼續(xù)循環(huán)使用,發(fā)電效率較高。如果方案利用加熱爐助燃空氣作為冷凝器冷卻介質(zhì),在冷凝蒸汽的同時(shí)可預(yù)熱助燃空氣,同樣可以提高余熱的利用率。

        表1 不同蒸汽發(fā)電方案的收益Tab.1 Comparison of benefits from different power generation schemes

        7 結(jié) 論

        利用類似汽化冷卻系統(tǒng)生產(chǎn)的低壓飽和蒸汽發(fā)電,在技術(shù)上是可行的,并且能夠獲得到很好的經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)的推廣將為低溫余熱資源的高效利用擴(kuò)展新途徑,改變現(xiàn)有低壓蒸汽的使用方式。■

        [1]劉林頂.單螺桿膨脹機(jī)及其有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2010.

        [2]汪玉林.低溫余熱能源發(fā)電裝置綜述[J].熱電技術(shù),2007(1):1-4.

        [3]余岳峰,胡達(dá),鄧金云,等.螺桿膨脹動力機(jī)技術(shù)及在低溫余熱發(fā)電中的應(yīng)用[J].上海節(jié)能,2011(7):22-25.

        [4]刁安娜,楊毅,王亞洲.螺桿膨脹動力驅(qū)動技術(shù)在余熱余壓回收中的應(yīng)用[J].上海節(jié)能,2013(6):37-42.

        [5]莫賓,蔡鳴,蔣潔.利用低壓飽和蒸汽發(fā)電的實(shí)例[J].云南化工,2001,38(5):57-59.

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