球形蒸汽蓄能器在鋼鐵廠飽和蒸汽發(fā)電技術中的應用

楊學友,祝百東,周春麗

（1中國東方集團控股有限公司，河北遷西 064306;2.中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176）

1 前言

我集團某鋼鐵公司是集燒結、煉鐵、煉鋼、軋鋼于一體的現(xiàn)代化鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，年生產(chǎn)能力650萬t。公司建設過程中已考慮諸多節(jié)能減排措施，如：球團豎爐余熱回收、高爐BPRT鼓風、高爐余壓發(fā)電、轉爐汽化冷卻、加熱爐汽化冷卻、全燃富余煤氣的汽輪發(fā)電站等。但也存在余熱利用水平不高，如飽和蒸汽大量放散，造成資源浪費的情況。

鋼鐵企業(yè)在正常生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的低品質的蒸汽，其中轉爐汽化冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽壓力、流量波動大，很難直接利用。以前一些企業(yè)都將其直接放散，這樣不但浪費了回收回來的余熱資源，還造成了水資源的浪費以及噪聲污染。利用蓄熱器將這部分富裕蒸汽收集起來用于發(fā)電，不僅改善了企業(yè)環(huán)境，同時產(chǎn)生電能，對企業(yè)的電力供應進行有益的補充。

2 發(fā)電機組方案及系統(tǒng)

廠區(qū)富余蒸汽來源主要為轉爐汽化冷卻系統(tǒng)及加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)。根據(jù)廠區(qū)蒸汽平衡選擇一套12 MW飽和蒸汽補汽凝汽式汽輪發(fā)電機組。

2.1 主機設備參數(shù)

（1）汽輪機

臺數(shù)：1臺

機組型式:飽和蒸汽補汽凝汽式

額定進汽量:60 t/h

最大主進汽能力：76.5 t/h

主汽門前蒸汽壓力：0.8 MPa(a)

主汽門前蒸汽溫度:飽和溫度

額定補汽量：16 t/h

最大補汽能力：20 t/h

補汽速關閥前壓力：0.3 MPa(a)

補汽溫度:飽和溫度

額定排汽壓力：~0.007 MPa(a)

（2）發(fā)電機

臺數(shù)：1臺

型號：QFW-12-2

額定功率：12 MW

額定電壓：10.5 kV

額定轉速：3000 r/min

功率因數(shù)：0.8

頻率：50 Hz

冷卻方式：密閉循環(huán)空氣系統(tǒng)

勵磁方式：無刷勵磁

2.2 主要熱力系統(tǒng)

根據(jù)煉鋼轉爐生產(chǎn)作業(yè)的特點，其汽化冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽流量及壓力波動大，且為飽和蒸汽，品位較低，直接用于發(fā)電無論對于汽輪機組本體安全性還是生產(chǎn)組織連續(xù)運行都產(chǎn)生重要影響。為保證汽輪機用汽的連續(xù)性，在進入汽輪機前設有蓄熱器。根據(jù)蒸汽參數(shù)，進入蓄熱器的蒸汽壓力~1.6 MPa，蓄熱器的出口蒸汽壓力~0.8 MPa。轉爐汽化冷卻產(chǎn)生蒸汽經(jīng)蓄熱器后調節(jié)閥送出，經(jīng)過蒸汽濾潔器，作為主汽最后進入12 MW蒸汽汽輪機中發(fā)電做功。

圖1為12 MW飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)流程圖，其主要的熱力系統(tǒng)包括：主蒸汽系統(tǒng)、補汽系統(tǒng)、凝結水系統(tǒng)抽真空系統(tǒng)、機組軸封系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)和工業(yè)水系統(tǒng)等。

圖1 12MW飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)流程圖

3 飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)難點及解決方案

3.1 鋼鐵廠飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)難點

（1）鋼鐵廠富余蒸汽根據(jù)其來源的不同，蒸汽品質相差較大。如煉鋼轉爐汽化冷卻系統(tǒng)只在吹煉期產(chǎn)生蒸汽，非吹煉期不產(chǎn)生蒸汽。其蒸汽的壓力、流量波動非常大，且為飽和蒸汽，濕度大，直接用于發(fā)電將導致發(fā)電機功率波動大、汽輪機易發(fā)生水蝕現(xiàn)象，不利于發(fā)電機組安全穩(wěn)定的運行。

（2）飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)建設在舊有廠區(qū)內，空間緊張，需要整個系統(tǒng)占地盡量小。

3.2 飽和蒸汽壓力的平穩(wěn)及蓄熱器的選擇

根據(jù)轉爐汽化冷卻產(chǎn)生蒸汽的間斷性和波動性，可以裝設蓄熱器來克服這些問題。在轉爐汽化冷卻系統(tǒng)中，廣泛采用的蓄熱器是臥式圓筒蓄熱器。受制作工藝、運輸條件等的限制，臥式筒形蓄熱器直徑一般不超過3400 mm，容積一般不超過200 m3。為滿足大型企業(yè)生產(chǎn)需求，主要采取多臺并列使用的方式彌補單臺設備蓄熱量較小的缺陷。多臺并列的臥式筒形蓄熱器帶來的主要問題是：占地面積龐大、系統(tǒng)復雜、投資高昂、運行檢修工作量巨大等。

本工程采用北京京誠科林環(huán)保科技有限公司自主研發(fā)的球形蒸汽蓄能器，該設備具有占地省、蓄熱量大、用鋼量省、系統(tǒng)簡單、維護量小等優(yōu)點，目前已應用到聯(lián)峰鋼廠、南陽鋼廠等多個余熱回收和利用項目中。

（1）球形蒸汽蓄能器工作原理

當轉爐吹氧時，汽化冷卻裝置產(chǎn)生的多余蒸汽被引入蓄能器內，容器里的壓力漸漸升高，蒸汽在蓄能器內將水加熱并凝結成水，使蓄能器里水的熱焓值升高到與引入蒸汽壓力p1相對應的飽和水焓值，此時蓄能器中的水位也由于蒸汽的凝結而升高。在轉爐非吹氧期或蒸發(fā)量較小的瞬間，當發(fā)電機組繼續(xù)用汽時，蓄能器中的壓力就下降，此時蓄能器中水的熱焓值比降壓后相對應的飽和水焓值大，部份水被蒸發(fā)以彌補產(chǎn)汽的不足，進而保證連續(xù)穩(wěn)定的向發(fā)電機組供汽，蓄能器所允許的最低壓力為p2。

蓄能器容積按下式計算：

式中：

V---蓄能器的容積，m3；

Gx---蓄能器的計算蓄熱能力，kg；

g0---單位蓄熱能力，kg/m3；

η---蓄能器的熱效率，一般η=0.99；

φ---蓄能器沖水系數(shù)。

其中g0由下式可得：

式中：

i1′、i2′---壓力 p1和 p2時飽和水的焓，kJ/kg；

i1″、i2″---壓力 p1和 p2時飽和蒸汽的焓，kJ/kg；

r2′---壓力 p1時飽和水的密度，kg/m3。

（2）球形蒸汽蓄能器的結構特點

球形蒸汽蓄能器設備由1）球形罐體和支柱、2）內部裝置、3）安全排放裝置、4）儀表測量裝置、5）球形梯臺等組成,見圖2。

圖2 球形蒸汽蓄能器的結構示意圖

1）球形罐體、支柱

傳統(tǒng)蓄熱器外殼均采用圓筒體，蓄熱器容積受到限制，且臥式筒體占地大。球形蒸汽蓄能器用球形罐體作為外殼，克服了臥式筒體蓄熱量有限、占地大等缺點。另外應工藝需要，球罐上開有人孔、蒸汽進出口孔、安全閥孔、安全附件開孔、補水和排污孔等。

2）內部裝置

內部裝置主要包括充熱裝置、汽水分離裝置和補水放水裝置等。

蒸汽通過進汽母管進入球形蒸汽蓄能器，與球罐內存水充分混合并均勻加熱球罐內存水，完成充熱過程。混合器設計和布置合理周到，不留充熱死區(qū)。汽水分離裝置布置在球罐頂部，靠近上人孔，位于汽空間內。球形蒸汽蓄能器上方蒸汽空間高度比普通臥式圓筒蓄熱器要大很多，極大提高輸出蒸汽干度。補水、放水裝置用于控制球形蒸汽蓄能器內水位位于一個合理高度，保障蓄熱效率。球罐底部的排污管可定期排出球罐內沉積雜質。

3）安全排放裝置

球罐頂部設有安全閥接口和放散接口，用于防止球罐超壓，保護設備。

4）儀表測量裝置

設置壓力、溫度、液位等測點，用于監(jiān)視球形蒸汽蓄能器運行參數(shù)。

5）球形梯臺

球形梯臺按球罐常規(guī)要求設置。梯子沿球罐外沿螺旋上升至球罐頂部，在球罐頂部開孔四周設環(huán)形檢修平臺。

（3）經(jīng)濟效益與節(jié)能分析

根據(jù)計算，12 MW發(fā)電機組系統(tǒng)中需設650 m3蓄能器，如選用臥式圓筒蓄熱器需選用4臺150 m3蓄熱器，將兩種方案進行比較，結果如表1。

表1 兩種方案比較

通過表1對比可以看出，1臺650 m3球形蒸汽蓄能器的容量可以超過4臺150 m3臥式圓筒形蓄熱器，在達到相同蓄熱目的的前提下，球形蒸汽蓄能器明顯具有占地面積小、結構簡單、系統(tǒng)簡化、材料用量少、散熱損失少等諸多優(yōu)點，而且球形蒸汽蓄能器的汽空間大大高出臥式圓筒形蓄熱器，有利于降低飽和蒸汽的含水率，這在飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)中非常重要。

5 結束語

與傳統(tǒng)臥式圓筒形蒸汽蓄熱器相比，球形蒸汽蓄能器具有占地省、系統(tǒng)簡化、散熱少、蒸汽含水率低等諸多優(yōu)點。可以預見，球形蒸汽蓄能器將越來越被用戶所關注，并將在工業(yè)企業(yè)尤其是鋼鐵廠飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛應用。

[1]蔡發(fā)明,鄒永紅.飽和蒸汽發(fā)電在鋼鐵廠的應用[J].節(jié)能與綜述.2009年增刊.

[2]楊源滿，吳仕明，王國全.蒸汽蓄熱技術的進步大力推廣球形蓄熱技術的應用[P].北京金屬學會第五屆冶金年會.2008.

[3]周春麗，李睿，王冰.第一臺球形蒸汽蓄熱器在聯(lián)峰鋼廠轉爐余熱回收中的應用[P].熱工中心站、熱工專委會2011年年會.