蒲洪權(quán)

(重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶 400013)

加熱爐汽化冷卻技術(shù)因其具有大量節(jié)水同時可以回收余熱得到蒸汽等優(yōu)點，在我國鋼鐵企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，工業(yè)和信息化部、水利部更是要求在2017年底前用此技術(shù)全面替代軋鋼加熱爐爐底梁的水冷技術(shù)[1]。可是由于加熱爐汽化冷卻裝置通常產(chǎn)生的是低壓飽和蒸汽，它具有品質(zhì)低、輸送距離短、冷凝水損失大等特點，傳統(tǒng)利用方式受到限制，在大部分鋼鐵企業(yè)中因沒有合理用途不得不選擇對空排放，這樣既污染了環(huán)境，又造成了能源的極大浪費。如何有效利用這些低品位的蒸汽，成為了各大鋼鐵廠迫切需要解決的問題。

近年來，一些鋼鐵企業(yè)嘗試用低壓飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)回收轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的低壓飽和蒸汽[2]，成功解決了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的飽和蒸汽利用，以及由于排放造成的環(huán)境污染和能源浪費問題，這為加熱爐汽化冷卻裝置產(chǎn)生的低品位蒸汽的利用提供了一條途徑。

1 低壓飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)介紹

目前飽和蒸汽發(fā)電應(yīng)用比較成熟的技術(shù)有汽輪機發(fā)電技術(shù)和螺桿膨脹動力發(fā)電技術(shù)。

1.1 低壓飽和蒸汽汽輪機發(fā)電技術(shù)

用蒸汽推動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電的技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展了一個多世紀，歷史久遠，成熟可靠。目前發(fā)電用的蒸汽主要還是過熱蒸汽，但是用飽和蒸汽來發(fā)電的也不少見，核電站中飽和蒸汽汽輪機占了核電站裝機容量近90%，水泥、造紙等領(lǐng)域也有不少。

圖1為低壓飽和蒸汽汽輪機發(fā)電示意圖，爐窯產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)過汽水分離器后，進入汽輪機，推動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，汽輪機的乏汽進入凝汽器冷凝回收，然后經(jīng)過凝結(jié)水泵返回爐窯實現(xiàn)循環(huán)利用。

圖1 低壓飽和蒸汽汽輪機發(fā)電示意圖

1.2 低壓飽和蒸汽螺桿膨脹動力發(fā)電技術(shù)

螺桿膨脹動力發(fā)電技術(shù)的核心設(shè)備是螺桿膨脹動力機。螺桿膨脹動力機在上世紀 70年代被美國率先研制，并成功地用于地熱汽水兩相流的熱能回收利用，機組功率60 kW[3]。其后，日本、奧地利等國也做了大量的研制工作。我國對螺桿膨脹動力機的研究起始于80年代初期，并將其列為八五計劃科技攻關(guān)項目。1990年我國成功研制出5 kW的實用樣機，同年通過國家建材工業(yè)局組織的驗收。目前我國研制螺桿膨脹動力機在電力、化工、造紙等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。我國制造的螺桿膨脹動力機單機功率范圍1～3000 kW。

螺桿膨脹動力機是容積式膨脹旋轉(zhuǎn)螺桿式動力機，基本結(jié)構(gòu)由一對螺旋轉(zhuǎn)子(陰陽螺桿)和機殼組成，見圖2[3]。工作原理是通過熱流體在螺桿槽道中降壓膨脹，推動陰陽螺桿向相反方向旋轉(zhuǎn)對外做功，實現(xiàn)熱能向機械能轉(zhuǎn)換。

低壓蒸汽螺桿膨脹發(fā)電技術(shù)是將低壓飽和蒸汽送至螺桿膨脹動力機，推動螺桿旋轉(zhuǎn)來帶動發(fā)電機發(fā)電，螺桿膨脹動力機的排汽可根據(jù)工廠需要直接送至廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)，也可凝結(jié)成水送回爐窯等。圖3為低壓飽和蒸汽螺桿膨脹動力機發(fā)電示意圖。

圖2 螺桿膨脹動力機原理系統(tǒng)圖

圖3 低壓飽和蒸汽螺桿膨脹動力機發(fā)電示意圖

2 加熱爐低壓飽和蒸汽發(fā)電案例分析

下面以某鋼廠軋鋼車間熱軋生產(chǎn)線為例，該生產(chǎn)線共設(shè)置2座步進梁式加熱爐，對兩種發(fā)電技術(shù)進行比較。該廠2座加熱爐結(jié)構(gòu)形式完全相同，加熱爐水梁立柱采用汽化冷卻技術(shù)。2座加熱爐的汽化冷卻采用集中給水除氧系統(tǒng)，加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽除了小部分需要用于汽化冷卻系統(tǒng)除氧外，還有大量富余，見表1。

表1中平均工況是指加熱爐為新爐時的工況，最大工況為加熱爐水梁耐材部分脫落時的工況。從表中可以看出，該車間蒸汽富余量為15～30 t/h。

表1 某鋼廠軋鋼車間加熱爐蒸汽平衡表

2.1 汽輪發(fā)電機組方案

用于汽輪機發(fā)電的蒸汽量最低約為15 t/h，汽輪機進汽壓力約為1.1 MPa(a)，按此計算，發(fā)電機的發(fā)電量在2100 kW左右，考慮到汽輪機具有一定的超負荷能力，可選一套由2000 kW的汽輪機和2500 kW的發(fā)電機組成的汽輪發(fā)電機組。汽輪發(fā)電機組的主要參數(shù)如下：

汽輪發(fā)電機組套數(shù)：1 套

汽輪機額定進汽量：14 t/h

汽輪機額定進汽壓力：1.1 MPa(a)

汽輪機額定排汽壓力：0.008 MPa(a)

汽輪機額定功率：2000 kW

汽輪機額定轉(zhuǎn)速：3000 r/min

發(fā)電機額定功率：2500 kW

發(fā)電機額定電壓：6.3 kV

發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速：3000 r/min

發(fā)電機功率因素：0.8

汽輪發(fā)電機組除了汽輪機和發(fā)電機兩大主機以外，還配套有汽水分離器、凝汽器、凝結(jié)水泵、射水抽氣器、射水泵、潤滑油站等輔機。凝汽器內(nèi)的凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵加壓送回加熱爐回收利用。

汽輪發(fā)電機組主機、輔機集中布置在發(fā)電站主廠房設(shè)備間內(nèi)。發(fā)電站主廠房位置緊鄰軋鋼廠板加區(qū)，采用雙層布置，主廠房長24 m、跨度12 m、柱距6 m，主要布置汽輪發(fā)電機及輔機，頂部設(shè)有一臺20/5 t吊車，軌面標高約12 m。緊鄰主廠房設(shè)置輔助間，長度24 m，跨度6 m，分設(shè)電氣室和操作室。主廠房附近設(shè)置循環(huán)水泵房及冷卻塔，占地12 m×35 m。

2.2 螺桿膨脹動力機發(fā)電方案

蒸汽螺桿膨脹動力的計算功率815 kW，可選1套800 kW的蒸汽膨脹螺桿動力機，配套1000 kW的發(fā)電機，膨脹螺桿動力發(fā)電機組的主要參數(shù)如下：

膨脹螺桿動力發(fā)電機組套數(shù)：1套

額定進汽量：15.2 t/h

額定進汽壓力：1.1 MPa

額定排汽壓力：0.15 MPa

額定功率：800 kW

額定轉(zhuǎn)速：3000 r/min

發(fā)電機額定功率：1000 kW

發(fā)電機額定電壓：6.3 kV

發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速：3000 r/min

發(fā)電機功率因素：0.8

螺桿機對進入蒸汽品質(zhì)要求較低，無需配置蒸汽濾潔裝置。螺桿機為快裝式機組，乏汽采用直排方式，供廠區(qū)后續(xù)使用。蒸汽螺桿膨脹動力機組占地面積8 m×24 m，無需新建站房，直接布置在加熱爐附近的主廠房內(nèi)。

2.3 加熱爐低壓飽和蒸汽發(fā)電方案技術(shù)經(jīng)濟比較

采用飽和蒸汽汽輪發(fā)電機組和采用螺桿膨脹動力機組技術(shù)經(jīng)濟方案比較見表2。從表2可以看出，飽和蒸汽汽輪發(fā)電機組和螺桿膨脹動力機組的技術(shù)都比較成熟，雖然飽和蒸汽汽輪機發(fā)電系統(tǒng)相對復(fù)雜、投資相對較高，但其機組效率高，投資收益遠遠超出螺桿膨脹動力機組，更加適合加熱爐低品位蒸汽的利用。

表2 某鋼廠軋鋼車間加熱爐飽和蒸汽發(fā)電方案比較

3 結(jié)論

本文以某鋼廠軋鋼車間熱軋生產(chǎn)線2座步進梁式加熱爐產(chǎn)生的飽和蒸汽利用為例，分別采用目前低壓飽和蒸汽發(fā)電比較成熟的兩種技術(shù)——汽輪機發(fā)電技術(shù)和螺桿膨脹動力發(fā)電技術(shù)制定方案，并對2種方案進行對比分析，結(jié)果表明：

(1)蒸汽輪機發(fā)電技術(shù)和螺桿膨脹動力發(fā)電技術(shù)均可用于回收利用加熱爐產(chǎn)生的飽和蒸汽；

(2)相比螺桿膨脹動力發(fā)電技術(shù)，蒸汽汽輪機發(fā)電技術(shù)效率更高，經(jīng)濟效益更好，更加適合在加熱爐中應(yīng)用。