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）

對鋼鐵企業(yè)低壓飽和蒸汽管網(wǎng)運行情況進行研究，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，并利用螺桿膨脹機發(fā)電技術(shù)，形成低壓飽和蒸汽資源化和再利用的項目方案。

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現(xiàn)余熱資源回收再利用，使得蒸汽系統(tǒng)實現(xiàn)減量放散，甚至零放散。

2 低壓蒸汽運行平衡狀況

寶鋼不銹鋼有限公司廠區(qū)內(nèi)目前低壓蒸汽管網(wǎng)運行在0.8～1.2 MPa，主要產(chǎn)生汽源有45 t和75 t燃氣鍋爐各一套、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，當產(chǎn)汽量大于耗汽量時，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，同時也會影響到軋鋼等工段所產(chǎn)生蒸汽的并網(wǎng)，因此，當壓力達到1.2 MPa時，通過M11放散點集中進行放散，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較大，導致生產(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150 m3蓄熱器對煉鋼冶煉產(chǎn)生的蒸汽進行調(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，同時峰谷交替較為頻繁，對低壓蒸汽管網(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)對蒸汽運行情況分析，加熱爐系統(tǒng)在檢修時沒有蒸汽產(chǎn)生，主要通過降低熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機負荷（蒸汽消耗量降低至約30 t/h），減少系統(tǒng)耗汽需求。當加熱爐正常運行后，系統(tǒng)蒸汽量比較大，熱電聯(lián)產(chǎn)機組提高負荷運行（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，當產(chǎn)汽量小于耗汽量時，通過燃氣鍋爐補充低壓，保證用戶穩(wěn)定使用。當產(chǎn)汽量大于耗汽量時，推動低壓管網(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，同時也會影響到熱軋等余熱所產(chǎn)生蒸汽的正常并網(wǎng)，因此，當壓力達到1.2 MPa時，通過M11放散點集中進行放散，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，根據(jù)管道壓力進行自動調(diào)節(jié)。管道壓力設(shè)定值為1.2 MPa，當管道壓力超過設(shè)定值，氣動閥打開進行泄壓，當管道壓力低于設(shè)定值，氣動閥關(guān)閉。即維持總管壓力為1.2 MPa目標，供應各蒸汽使用區(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。

圖2 低壓蒸汽網(wǎng)絡(luò)示意圖

低壓蒸汽管網(wǎng)壓力波動通過放散閥放散，放散閥配置2只放散閥，單臺閥門全開狀態(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)，達到該量時，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)閉放散閥時間隨著不同時間段而不同。根據(jù)實際調(diào)查，放散閥最大開度為100%，最大開度時瞬時流量為32 t/h。并根據(jù)統(tǒng)計平均開度60%，平均放散流量為19 t/h。

圖3 某時段閥門開度變化情況

3.2 現(xiàn)場低壓管網(wǎng)蒸汽參數(shù)記錄

記錄放散點現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)（管網(wǎng)壓力、放散閥開度）與集控計算機顯示對比，數(shù)據(jù)能夠?qū)?，分析按照集控計算機實時數(shù)據(jù)與歷史記錄數(shù)據(jù)可靠。

4 利用放散蒸汽的項目方案

4.1 蒸汽動力機組利用思路

為了達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利用，先采用蒸汽直接膨脹螺桿機回收能量，使膨脹后壓力為零，再對蒸汽膨脹后零壓蒸汽利用有機工質(zhì)螺桿膨脹機充分回收蒸汽潛熱，最終使蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)槟Y(jié)水回收利用。

根據(jù)系統(tǒng)最大瞬時放散量（32 t/h）及后續(xù)蓄熱器最大充裝量，選擇機組最大平均消耗汽量為不小于25 t/h。同時，根據(jù)不同季節(jié)蒸汽放散量，采取多臺機組組合運行模式，系統(tǒng)配置蒸汽型膨脹螺桿機2套、有機工質(zhì)型膨脹螺桿機3套，以適應不同蒸汽量運行組合模式。運行模式從0.8 t/h可以啟動運行，最大消耗量達約35 t/h，在此范圍內(nèi)不同工況條件下，進行合理匹配和組合，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，具有一定的波動性。由于蒸汽是間歇性放散為不連續(xù)，若不對波動進行平衡，則會導致一定時間內(nèi)沒有汽量供應給螺桿機。當螺桿機沒有汽量還在運轉(zhuǎn)時，會造成很大的機械損傷及從電網(wǎng)攝取電量，造成能耗損失和機械損傷。同時不采取措施進行平衡，導致管網(wǎng)壓力直接加載到發(fā)電機組上，壓力波動范圍非常大，對機組造成沖擊性損傷。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)電機組使用。

該蓄熱器蒸汽壓力取低壓蒸汽管網(wǎng)當前設(shè)定壓力P1為1.2 MPa（對應飽和溫度t1=191.64℃，比焓h1″=2787.68 kJ/kg），蓄熱器進氣壓力不會超過P1，因為超過此壓力，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 放散點現(xiàn)場儀表顯示圖

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計算：

按照蓄熱器不同放熱壓力計算，蓄熱器不同容積對應蓄熱能力（t）見表1。

表1 蓄熱器放熱壓力及容積對應蓄熱能力表

故，選用150 m3蓄熱器，在沒有外界熱源充填情況下，機組高負荷工況下可以連續(xù)運行25 min，40%低負荷工況下可以連續(xù)運行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，最大每小時消耗系統(tǒng)放散量為機組最大消耗25 t/h加上蓄熱器充裝量8.1 t，每小時最大吸收系統(tǒng)蒸汽量可達到近35 t，達到系統(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行存儲、調(diào)整，穩(wěn)定釋放飽和蒸汽（最大可以實現(xiàn)33.1 t/h）膨脹螺桿機進行第一步發(fā)電，做功形成熱態(tài)水后進入工質(zhì)機再次發(fā)電，產(chǎn)生電力通過低壓上網(wǎng)回路實現(xiàn)就地利用。具體設(shè)備工藝見圖6。

圖6 機組運行流程示意圖

其中，通過設(shè)備體積及發(fā)電能力等綜合計算，確定蒸汽動力機進口壓力為0.5 MPa，蓄熱器出口壓力高負荷時為0.55 MPa，低負荷時為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，在運行過程中，由于蒸發(fā)焓差異，充熱量大于放熱量，不需要補充水，只需要在剛開始運行時補充軟化水量，補水管道與凝結(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水。

圖7 蓄熱器補水、凝結(jié)水回水示意圖

同時，正常運行時，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)電機組，并根據(jù)不同工況下平均蒸汽量，確定發(fā)電機組運行模式及負荷。

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

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

4.4 發(fā)電上網(wǎng)系統(tǒng)

膨脹螺桿動力機拖動發(fā)電機采用6 kV高壓異步發(fā)電機形式，動力機部分設(shè)開關(guān)柜（并網(wǎng)、脫網(wǎng)自動控制）、控制柜，具備過載、逆功率、速斷、轉(zhuǎn)速保護功能。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，供開機時輔助設(shè)備啟動用。

發(fā)電系統(tǒng)：發(fā)電機采用異步發(fā)電機，分別配套一組直接膨脹動力機、二套ORC機組，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)濟性分析

根據(jù)前述分析結(jié)果，寶鋼不銹鋼有限公司針對放散點蒸汽能量回收改造，采用蒸汽動力機進行能量回收發(fā)電，節(jié)能效果對比如表2。

由上所述，每年節(jié)能發(fā)電效益計算如下（電費單價按0.63元/kW·h計算）：

0.63 ×（790+2264）=664萬元/年

每年節(jié)水費用為（脫鹽水費單價按5.0元/kW·h計算）：

5.0 ×（18.72+6.24）×4000=50萬元/年

合計節(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，采用多臺發(fā)電機組合方式，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，同時冷凝水實現(xiàn)回用，既回收利用放散能源轉(zhuǎn)化為電力資源，降低外購電力，大幅提高能源利用效率，節(jié)約公司用能成本，同時又實現(xiàn)環(huán)境改善，消除廠房白煙，推進環(huán)境美化，這為鋼鐵企業(yè)加強富余蒸汽利用提供了可借鑒的經(jīng)驗，而且低壓飽和蒸汽發(fā)電裝置在國內(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，通過這項技術(shù)的推廣應用，能夠減少鋼鐵企業(yè)廢熱資源浪費，促進能源節(jié)約和利用，且經(jīng)濟效益可觀。

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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)于華東冶金學院煤化工化學工程與工藝專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事能源管理工作。