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.