1、低壓飽和蒸汽發電技術在鋼鐵行業的應用王鵬、顏玉（北京仟億達科技有限公司，北京 100024）摘要：介紹了轉爐余熱發電系統的組成及工藝流程，對蓄能器以及汽輪機的選型進行了詳細的分析計算，結合某鋼廠轉爐飽和蒸汽的生產情況，計算了蓄能器的體積以及汽輪機的發電能力，確定了此鋼廠的裝機容量和形式。其研究結果可為轉爐余熱發電技術的應用提供理論指導，也可以為相關工藝飽和汽輪機組的選型提供參考。關鍵詞：飽和蒸汽；蓄能器；汽輪機；選型1 概述 隨著我國對節能減排的重視，以及中華人民共和國節約能源法的實施，各行各業對余熱余能的利用也越來越高。當前大部分鋼鐵企業中，轉爐余熱鍋爐生產的飽和蒸汽除供自身消耗外，還有大量

2、剩余，同時由于全廠管網蒸汽一般為過熱蒸汽，飽和蒸汽無法直接并網使用，只能對空排放或經過熱處理后并入管網，造成能源浪費。若采用飽和蒸汽發電，既可以充分利用飽和蒸汽，也可避免蒸汽放散造成的浪費，又能提供電能，產生新的效益。本文主要針對鋼廠飽和蒸汽用于發電的技術和設備選型進行討論。2 轉爐余熱發電系統轉爐飽和蒸汽發電系統主要包括汽化冷卻鍋爐、飽和蒸汽汽輪機、發電機三大主體設備及蓄能器、冷卻塔、除氧給水系統等，其工藝流程見圖1，轉爐在吹煉過程中，產生大量的高溫煙氣（1300以上），為降低煙氣溫度，回收高溫煙氣中的余熱，轉爐配套設置了煙道式汽化冷卻余熱鍋爐。余熱鍋爐由于受轉爐吹煉時煙氣波動的影響，在整個

3、冶煉周期（36min）內，只有吹煉（18min）才有飽和蒸汽產生，同時由于吹煉期煙氣量的急劇變化，余熱鍋爐產生的蒸汽量也隨之急劇波動。因此為了保證汽輪機進汽流量的連續性和穩定性，需要設置蓄能器系統。在吹煉期內，余熱鍋爐產生的蒸汽被引入蓄能器內，蒸汽將蓄能器內的水加熱后并凝結成水，使蓄能器內水的焓值升高，這樣就完成了蓄能器的充熱過程，同時供出飽和蒸汽；在非吹煉期，余熱鍋爐不生產蒸汽，調壓閥前的壓力不斷下降，蓄能器中的飽和水降壓后迅速閃蒸，飽和水成為過熱水，立即沸騰而自然蒸發，產生連續蒸汽，經調壓后供汽輪機使用，這樣就完成了蓄能器的放熱過程。經調壓閥調壓至0.8MPa1.3MPa的飽和蒸汽，經過汽

4、水分離器及主汽閥的調節后進入飽和汽輪機組，在汽輪機內膨脹做功，驅動發電機發電。圖12.1蓄能器的選型2.1.1蓄能器容積的計算在選用蓄能器時，常進行可行性經濟分析，為此必須先計算出平衡熱負荷波動所需要的蒸汽蓄能器的容積，然后進行產品的選擇及投資估算，蒸汽蓄能器容積的計算，主要決定于蓄能器的運行壓力，蒸汽蓄能器的容積按下式計算：式中，：蓄能器的容積（m3）；：蓄熱量（蒸汽）（kg/m3）；：蓄能器充水系數0.650.85；：蓄能器運行效率0.950.99；2.1.2蓄熱能力的計算因為轉爐煉鋼是周期性操作，產汽只在吹氧時發生，故為間斷性熱源，時有時無，時大時小，在未采用蒸汽蓄能器之前，全部排空放散

5、，應用蓄能器的獨特功能，是把間斷性熱源變成連續性熱源，廢熱全部得以回收綜合利用。對于廢熱回收場合需要的蒸汽蓄能器，要求在一定的時間內，吸收全部廢熱蒸汽，因此可采用充熱時間作為依據，計算蒸汽蓄能器的蓄熱量：式中， G0：計算蓄熱量（kg）；Di：廢熱平均排出量（產汽量）（kg/h）；t：充熱時間（min）；2.1.3單位水容積蓄熱量的計算 單位水容積蓄熱量與充熱、放熱的壓差成正比，壓差越大，節能效果越好。但是充熱、放熱壓差受到供熱系統的供熱與用熱設備限定的工作壓力的約束。蒸汽蓄能器充熱壓力必須依照鍋爐工作壓力（或最高工作壓力）來設定，并考慮系統運行阻力；蒸汽蓄能器放熱壓力必須滿足用戶工作壓力的需

6、求；充熱壓力P1等于鍋爐工作壓力Pg 減去鍋爐至蓄能器入口處管道阻力P1；放熱壓力P2等于用戶最低工作壓力Pc加上蓄能器至熱用戶管道阻力P2；蓄能器充熱至蒸汽蓄能器放熱出口阻力損失約為0.05MPa。單位容積蓄熱量按下式計算： 式中，q0：單位飽和水壓降p1p2產生的蒸汽量（kg/m3）； 、：分別為壓力P1和P2時飽和水的焓值（kJ/kg）；、：分別為壓力為p1和p2時飽和蒸汽的焓值；：p1壓力下飽和水的密度（kg/m3）；2.2飽和汽輪機發電能力的計算轉爐余熱鍋爐產生不連續、壓力不穩定的蒸汽，通過變壓式蓄能器和調壓閥把機組進汽壓力控制在0.8MPa1.3MPa范圍。根據汽輪機的排氣冷卻方式

7、、設計變量的選取值及測試的蒸汽流量分別計算汽輪機組的各工況發電功率。計算方法如下：第一步：根據主蒸汽壓力P，由水蒸汽表查得飽和蒸汽焓和飽和水焓；按公式h0=h0x+hg(1-x)計算出進入汽輪機的濕蒸汽焓（x蒸汽的干燥度）。第二步：主蒸汽壓力取某一定值（0.8MPa1.3MPa）時，當排汽壓力變化時，其變化過程為定熵過程。根據蒸汽表可查得與排汽壓力相對應的理論排汽焓h0,從而可求出定熵比焓降ht、根據=ht/hi，可確定有效比焓降hi，進而求出實際排汽焓hc（為汽輪機內效率）。第三步：根據汽輪機功率方程式，計算飽和汽輪機的發電功率：式中，為發電機輸出功率；為實際做功蒸汽流量修正關系，取0.95

8、；、為汽輪機和發電機的機械效率；3 某鋼鐵余熱蒸汽現狀某轉爐廠現有3臺100t頂底復吹煉鋼轉爐，配套安裝了轉爐余熱鍋爐（汽化冷卻煙道）和轉爐煤氣凈化收集系統。通過分析此鋼廠100t轉爐主要技術指標，結合3臺轉爐的工作程序，對轉爐生產出的蒸汽負荷作如下預測：每爐鐵水平均裝入量：113t；吹氧時間15min；冶煉周期：36min；產生蒸汽時間：18min；蒸汽回收指標：80-90kg/t；每爐鋼平均產汽量：904010170kg（15t/h17t/h）；前燒期（3分鐘）平均產汽量：49t/h；吹氧期（11分鐘）平均產氣量：37t/h；后燒期（2分鐘）平均產汽量：43t/h；3臺轉爐總產汽量：455

9、5t/h；單爐瞬時最大產汽量：45t/h；活動煙罩密封用蒸汽消耗量：2t/h（max）；除氧器用汽量：3t/h；去蓄能器總蒸汽量（扣除汽水損失）；4046t/h；余熱鍋爐出口蒸汽參數：1.02.0MPa；4 主要設計內容及經濟計算為了確保轉爐余熱飽和蒸汽發電項目實施成功，在設計時要充分考慮以下問題：發電站的工藝設計不能影響轉爐煉鋼的生產工藝；發電站的工藝參數選擇要準確，確保轉爐余熱蒸汽供給的相對穩定和發電機的穩定運行；發電站的工藝系統及控制系統應相對簡單明了，便于鋼廠專業管理。汽輪機選用專用飽和蒸汽汽輪機，簡化系統。4.1汽輪發電機組的主要配置及技術參數蓄能器根據鋼廠余熱鍋爐產生蒸汽的數據，蓄

10、能器的蓄熱能力按40t/h設計，充汽壓力按2.0MPa，放汽壓力選擇0.8MPa，放汽時間21min。1 根據計算公式 可以計算出單位蓄能器能力為79.91kg/m3；根據計算公式 可以計算出蓄能器容積為595m3；根據鋼廠飽和蒸汽生產系統的實際情況，本設計擬增加3臺200m3的蓄能器分別布置在3套余熱鍋爐的附近。4.1.2汽輪機汽輪機采用專用飽和蒸汽汽輪機，進汽壓力設計為0.8MPa，最大進汽量40t/h，滿速空載用汽量小于8t/h。汽輪機特點：葉片采用2Cr13制造，提高葉片抗汽蝕能力；每級葉片設計有疏水通道，將凝結水及時排出，保證后級葉片不受水擊影響；汽輪機通道采用三元流技術，效果更高；

11、汽輪機預留15%超負荷設計，應對轉爐變工況運行。根據公式可以得出P約為5326kW,所以初步選定汽輪機的參數：；進汽壓力：0.8MPa；進汽溫度：171；進汽流量：40t/h；輸出功率：5500kW(汽耗7.17kg/kWh)；4.1.3發電機發電機型號：QF-6-2；額定功率：6000kW；額定電壓：10.5kV；4.2經濟效益分析4.2.1發電效益分析機組全年按7200小時運行，全年發電量為：實際發電功率×運行時間×（1廠用電率）×電價即：5500×7200×95%×0.5=1881萬元4.2.2節煤效益分析火電廠平均每千瓦時供電

12、煤耗標定為360g，那么年節約標煤量約為：實際發電功率×運行時間×（1廠用電率）×0.36×103t/kWh即：5500×7200×95%×0.36×103=1.35432萬噸標煤環保效益分析碳燃燒的化學方程式為C+O2=CO2，所以年減少溫室氣體CO2的量為：1.35432×44÷12=4.96584萬噸4.2.4工程靜態投資分析余熱發電概算表1臺5.5MW飽和蒸汽式汽輪機金額單位：萬元序號工程或費用名稱建筑工程費設備購置費安裝工程費設計費其他費用合計各項占工程靜態單位投資（元/KW）一主輔生

13、產工程4367315601200184780.6二與廠址有關的單項工程630632.75三其他費用500301020029012.7小計549731590130200220096四基本預備費（4.5%）90903.93五工程靜態投資5497315901302902290100余熱發電運行成本表序號項目數值單價金額（萬元）一售電收入1年售電量KWh3762萬0.5元/KWh1881二外供蒸汽收入1外供蒸汽GJ 039.5元/ GJ0收入1881三生產成本1工業水t51.8萬2.1元/t108.82工資福利30人4.8萬元/人年1443大修理費2.5%574材料費6.0元/MWh22.575其他費6.0元/MWh22.576合計354.9靜態經濟效益分析本工程靜態投資額為2290萬元，本工程建成后，年售電收入約為1881萬元。扣除運行成本354.9萬元，年收益為1526.1萬元。靜態投資回收期約為1.5年（不含建設期），