球團余熱發(fā)電模型的建立和優(yōu)化

謝天寶

（濟鋼集團有限公司煉鐵廠，山東 濟南 250101）

一、前言

濟鋼集團有限公司煉鐵廠現(xiàn)有球團豎爐3臺，導(dǎo)風(fēng)墻水梁采用氣化冷卻結(jié)構(gòu)，與水梁聯(lián)通的汽包產(chǎn)生蒸汽量大約為13t/h，除少量蒸汽用于冬季采暖外，大部分蒸汽直接排放到大氣，極大地浪費了能源，并產(chǎn)生較大的噪聲和熱污染。為此濟鋼采用螺桿膨脹動力技術(shù)，建立球團余熱發(fā)電機組(圖1)，有效利用了這部分低溫余熱資源。工藝參數(shù)見表1。

表1 球團螺桿膨脹動力發(fā)電機工藝參數(shù)

二、球團余熱發(fā)電機組運行存在的問題

在球團螺桿膨脹發(fā)電投運初期，由于球團余熱發(fā)電工藝參數(shù)和工藝操作匹配不當(dāng)，機組運行效率較低，系統(tǒng)蒸汽壓力在0.25～0.5MPa之間頻繁變化，機組發(fā)電量約為110kW·h，月發(fā)電量僅為8萬kW·h，不能達(dá)到設(shè)計要求。其原因分析如下。

(1)球團余熱產(chǎn)生的蒸汽熱源比較分散，蒸汽在輸送過程中損耗較大；

(2)蒸汽溫度和壓力較低，屬于低品質(zhì)蒸汽；

(3)蒸汽速度波動較大。

在汽包補水過程中汽包產(chǎn)生蒸汽的速度迅速下降，造成發(fā)電機組發(fā)電效率低下；在汽包補水完成后，蒸汽速度迅速上升，極有可能造成發(fā)電機組跳閘。

三、球團余熱發(fā)電模型的建立和優(yōu)化

1.模型的假設(shè)

(1)豎爐爐況穩(wěn)定，熱工參數(shù)保持不變，蒸汽產(chǎn)生速度近似不變。

(2)發(fā)電機組設(shè)備運行穩(wěn)定，油壓、水壓保持穩(wěn)定，進(jìn)口調(diào)節(jié)閥門可靠運行。

(3)汽包設(shè)備運行穩(wěn)定，液位計、壓力表顯示準(zhǔn)確，安全閥、放散閥可靠運行。

(4)環(huán)境溫度基本穩(wěn)定，環(huán)境溫度對蒸汽管路的影響可以忽略。

(5)試驗過程中，汽包蒸汽放散閥門開度關(guān)閉。

2.符號說明

M——產(chǎn)生蒸汽的質(zhì)量；

h——汽包液位；

i——豎爐汽包號碼。

3.模型建立

(1)汽包上水量。

如圖2所示，汽包軟水吸收水梁熱量變成蒸汽返回汽包。汽包產(chǎn)生蒸汽的速度等于汽包水消耗的速度(即汽包上水速度)，液位低于200mm，汽包上水，液位高于400mm停止上水。表2為各豎爐汽包單次上水和消耗時間。

表2 汽包運行參數(shù)

(2)曲線擬合。

以3#汽包為例(見表3)，計算汽包產(chǎn)生蒸汽的速度。利用Matlab軟件，對蒸汽產(chǎn)生曲線進(jìn)行擬合(圖3)。

表3 3#汽包液位變化表

(3)汽包蒸汽產(chǎn)生的速度。

根據(jù)曲線模型可以大致推測出蒸汽產(chǎn)生速度大致符合冪函數(shù)，利用冪函數(shù)對3#汽包蒸汽產(chǎn)生速度進(jìn)行擬合。

擬合模型函數(shù)(3#汽包蒸汽在x時刻產(chǎn)生的瞬時速度)(見圖4)：

同理，2#汽包蒸汽產(chǎn)生速度方程：

4#汽包蒸汽產(chǎn)生速度方程：

模型驗證：根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，汽包在液位低于200mm時給汽包補水，大量冷水補充入水梁，蒸汽產(chǎn)生速度迅速下降，在汽包補水完成正常運行后，蒸汽產(chǎn)生速度逐漸上升。

模型與實際生產(chǎn)相吻合，模型基本有效。由于3臺豎爐大小存在差異，熱參數(shù)不一樣，3臺汽包產(chǎn)生蒸汽速度略有差異。

(4)系統(tǒng)模型的組合狀態(tài)。

各汽包上水時間和運行時間存在差異，根據(jù)各汽包產(chǎn)生蒸汽的函數(shù)方程，對汽包上水和運行時間蒸汽產(chǎn)生速度取中運算(表4)。

表4 t/h

根據(jù)發(fā)電機參數(shù)進(jìn)汽流量9t/h，最大10t/h(如表5所示)，序號1、4、8組合，不能滿足發(fā)電機進(jìn)汽要求，需調(diào)整汽包放散閥。

①組合1狀態(tài)，也就是3臺豎爐同時上水時，蒸汽產(chǎn)生速度小于9t/h。

②組合4、8狀態(tài)，也就是3#、4#汽包正常運行狀態(tài)，3臺汽包蒸汽產(chǎn)生速度大于10t/h，根據(jù)發(fā)電機組運行參數(shù)，適當(dāng)打開2#汽包放散閥門。

③組合2、3、5、6、7狀態(tài)，蒸汽產(chǎn)生速度滿足發(fā)電機要求。

四、球團余熱發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)得到的系統(tǒng)模型的組合狀態(tài)進(jìn)行分析，對球團余熱發(fā)電工藝參數(shù)和工藝操作進(jìn)行匹配。

表5 3臺汽包運行蒸汽產(chǎn)生速度匯總 t/h

(1)3臺豎爐同時上水時，蒸汽產(chǎn)生速度小于9/h，系統(tǒng)蒸汽壓力大幅度下降。關(guān)閉2#汽包放散閥門，把3臺汽包產(chǎn)生蒸汽全部用于發(fā)電。

(2)3#、4#汽包正常運行狀態(tài)，2#汽包上水或運行狀態(tài)，3臺汽包蒸汽產(chǎn)生速度大于10t/h，系統(tǒng)蒸汽壓力在安全閥上限運行。打開2#汽包放散閥門至50%。

(3)3臺豎爐正常生產(chǎn)情況下，確保3#、4#汽包放散閥門關(guān)閉狀態(tài)，使3#、4#汽包回汽閥門處于打開狀態(tài)。

(4)單臺豎爐停產(chǎn)或檢修狀態(tài)下，關(guān)閉該爐座汽包放散閥和回汽閥門，避免系統(tǒng)蒸汽回灌。

五、結(jié)論

自2008年6月正式投產(chǎn)以來，該系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常。通過球團余熱發(fā)電系統(tǒng)的建立，球團余熱蒸汽污染得到解決，并得到8萬kW·h的月發(fā)電收益；通過球團余熱發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化，發(fā)電工藝參數(shù)和工藝操作得到匹配，系統(tǒng)蒸汽壓力穩(wěn)定在3.5～4MPa，小時發(fā)電量從原來110kW·h上升到170kW·h左右，月發(fā)電量從8萬kW·h上升到平均12萬kW·h，大大提高了球團余熱發(fā)電機組的運行效率，降低了能耗，減少了噪聲和熱污染。