低壓蒸汽差壓發電技術應用

邱 煜，趙春禾，王 偉

(1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900;2.上海西重所重型機械成套有限公司，上海 201900)

0 前言

余熱能源通常分為高溫、中溫、低溫三類。溫度在650℃以上為高溫能源，溫度在230～650℃之間為中溫能源，溫度在230℃以下為低溫能源［1］，對于高溫、中溫余熱蒸汽可以直接驅動蒸氣輪機或燃氣輪機帶動發電機組發電加以利用，而低溫余熱能源約占余熱能源總量的30%［2］，利用這部分余熱能量發電，對提高能源利用率具有重要作用。

冶金行業中，低壓蒸汽主要用于加熱、伴熱、保溫及管道吹掃等用途。一般低壓蒸汽管網的壓力范圍在1.0～1.6 MPa、溫度范圍在180～220℃，主要來源于鋼鐵生產過程中的余熱鍋爐。而各區域低壓蒸汽末端用戶需要的壓力為0.5～0.7 MPa，溫度為150～160℃。使低品質余熱能源沒有得到充分利用。我國能源利用率只有30%左右［3］，而一些發達國家能源利用率都在50%以上，美國的能源利用率已超過60%［4］。因此有效利用能源是我國面臨的一個重要課題。

目前大多采用減溫減壓系統的工藝技術來實現低壓蒸汽的降壓目的。

1 低壓蒸汽減溫減壓工藝

目前冶金行業實現低壓蒸汽的降壓基本采用的是節流減壓的工藝。該工藝流程如圖1所示，主要由汽水分離器、減溫減壓裝置、安全閥、以及蒸汽管道閥門等輔助裝置所組成。蒸汽由低壓蒸汽管網引入，首先進入汽水分離器，脫去輸送過程中冷凝的液態水分后，進入減溫減壓裝置(多組并聯)。通過節流減壓與減溫水噴淋降溫后，再經過安全閥排入用戶蒸汽管網。選取的減溫減壓站蒸汽進出口參數見表1。

圖1 減溫減壓工藝流程簡圖Fig.1 Process of temperature＆pressure reduction

表1 減溫減壓裝置前后蒸汽參數Tab.1 Steam parameters before and after thermoreduction＆decompression device fixed

查水蒸汽焓－熵圖可知:

入口蒸汽壓力P1=1.3 MPa(絕壓)，溫度T1=200℃，焓值h1=2 809.6 kJ/kg;

二次蒸汽壓力P2=0.60 MPa(絕壓)，溫度T2=162℃，焓值h2=2 675.76 kJ/kg。

損失能量E為

式中，Q為蒸汽流量;Δh為焓值的差值，Δh=h1－h2。

2 低壓蒸汽差壓發電技術

低壓蒸汽差壓發電技術利用低壓蒸汽進出口的壓差能推動螺桿膨脹動力機做功轉化為電能并入電網。低壓蒸汽差壓發電工藝流程包括蒸汽主路系統、旁路系統、螺桿發電機組系統以及輔助裝置。主路系統和旁路系統的各切斷閥、調節閥按不同控制模式的程序設定，在來源蒸汽或用戶管網壓力波動的情況下，可通過閥門開度來調整系統的排汽壓力，控制其在要求的工藝范圍內，不影響低壓蒸汽減壓后的用戶使用，并確保發電機組穩定運行。

該蒸汽發電系統的參數較低，其運行操作簡單方便，運行的可靠性和安全性高。既能有效的利用蒸汽減溫減壓過程中損失的能量，又能穩定的控制排汽的壓力與溫度，具有良好的經濟效益及節能減排效果。但是由于低壓蒸汽的品位低，且要考慮與原有工藝裝置的配比，因此裝機容量較小，其工藝流程如圖2所示。

圖2 低壓蒸汽差壓發電工藝流程圖Fig.2 Flow chart of power generation using differential pressure of low pressure steam

發電蒸汽取自低壓蒸汽管網經干燥器脫水后的入口點A，依次通過主路系統的流量計、單向閥等各類儀表，進入螺桿發電機組系統，由主汽閥調節進汽量與進汽壓力，進入螺桿機陰陽轉子腔體膨脹做功，降壓后的蒸汽排入原減溫減壓線出口點B，并入用戶管網。同時動力機帶動發電機發電，電能經變壓器并入電網供生產使用。旁路系統并聯于螺桿發電機組系統，配合主汽閥對排汽壓力進行調節，確保出口蒸汽壓力溫度參數符合原工藝要求。

3 螺桿發電機組系統

如圖3所示，螺桿發電機組系統包括螺桿膨脹動力機(自帶潤滑油系統和冷卻水系統)、減速機、發電機、PLC控制柜、并網柜(自帶保護裝置、同期裝置、勵磁裝置等)、聯絡柜。

圖3 螺桿發電機組系統簡圖Fig.3 Sketch of screw power generating set

3.1 螺桿膨脹動力機

螺桿膨脹動力機作為該系統的核心設備，在工業余熱動力回收方面具有如下特點:

(1)適應過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相濕蒸汽、熱水以及被污染、高鹽份(如鍋爐連排水、地熱水、鋼鐵廠沖渣水等)等多種低品位能源;

(2)在熱源壓力、溫度、流量、熱負荷及負載功率等參數大范圍波動情況下能保持穩定運行;

(3)啟動及正常運行操作簡單、機組運轉平穩、安全、可靠、低噪音、微振動、可實現全自動無人職守、遠距離監控;

(4)該動力機為快裝、集裝式機組，可集中、可分散、可移動、占地少，最適合熱源衰減、規劃可變化等場合應用的動力機;

(5)適用于大量被廢棄能源(廢蒸汽，0.1 MPa左右、低溫煙氣，200℃上下、熱風、熱水等)雙循環做功發電的新技術新產品［5］。

3.2 控制系統

控制系統采用PLC集中控制，包括主路、旁路調節閥、主路快關、旁路快開閥、潤滑系統、冷卻系統、發電機勵磁等控制均由PLC完成，觸摸屏上顯示系統狀態和參數，有手動/自動運行模式，手動運行時可對各單個控制對象進行點動控制和調節，自動運行時系統由PLC程序根據各檢測反饋值和連鎖條件進行自動調節，包括自動開機、調節閥控制、發電機勵磁投入、電壓調節、并網后功率調節、自動停機、緊急停機等控制過程，自動運行時可對功率設定值和壓力設定值進行修改和寫入，從而對系統進行平滑調節;上位機通過以太網與PLC通訊，上位機顯示系統的運行狀態和參數，有電壓、電流、壓力等主要參數的趨勢圖，故障報警記錄等畫面，可以進行遠程自動停機和緊急停機操作，當現場觸摸屏上本地/遠程選擇到遠程時，可在上位機上通過對功率設定值和壓力設定值進行修改和寫入，對系統進行平滑調節。

機組自動啟動，轉速達到額定后，系統自動并網，并且機組切換到功率控制。發電機功率達到功率設定范圍內時，機組切入背壓控制。機組接到停機指令后根據相應控制邏輯打開旁路系統調節，確保蒸汽排汽壓力穩定。機組各功能的控制邏輯如圖4～圖7所示。

圖4 機組啟動控制邏輯圖Fig.4 Control logic of the generating set startup

圖5 機組功率控制邏輯圖Fig.5 Control logic of generating set power

圖6 機組背壓控制邏輯圖Fig.6 Control logic of generating set back pressure

圖7 機組停機控制邏輯圖Fig.7 Control logic of the generating set shutdown

3.3 并網系統

并網系統主要包括綜保裝置、同期裝置、勵磁裝置及各類儀表等。

(1)綜保裝置。采用南自PSM 694U數字式電機綜合保護器。一方面可以顯示所有的電量參數;一方面可以將所有電量參數以通訊的方式傳至PLC控制系統;一方面可以對發電機運行起到保護作用，當發電機出現故障時，立即切斷發電機與電網的聯接。

(2)同期裝置。采用深圳旭振PTQ2000A1微機同步裝置，嚴格保證同步發電機并網時的“必要條件”，只要有一相條件不滿足，則無法發出合閘指令，只有“必要條件都滿足”才允許發電機并網，并且根據每次并網的情況，自動調整并網脈沖的觸發時間，使發電機并入電網的沖擊達到最小，保證并網安全。

(3)勵磁裝置。采用的國際品牌ABB先進的數字勵磁裝置。并網前，根據電網的情況，自動調節發電機的輸出電壓，保證并網前，發電機的電壓與電網的電壓匹配。并網后，不管電網如何波動，自動調節發電機的勵磁電流，穩定發電機的功率因數(滯后0.85～1.0)。

(4)電流、電壓、頻率、功率因數指針表:可以顯示發電電流、發電機輸出電壓、發電機功率因數、發電機頻率、電網電壓、電網頻率等電量參數。

(5)浪涌吸收裝置。防止雷擊、電網的高次偕波燒毀發電關鍵控制部件。

4 系統運行參數

該工藝流程中低壓蒸汽輸入壓力為1.0～1.6 MPa、溫度為180～220℃。二次蒸汽輸出壓力為0.5～0.7 MPa，溫度為150～170℃。蒸汽流量額定18.5 t/h，發電機裝機功率300 kW。

(1)按照本文計算數據，取螺桿膨脹動力機效率為η=40%，計算螺桿膨脹動力機功率為

(2)計算實際發電功率。

式中，ηm為發電機組取機械效率ηm=0.9;ηe為發電機效率，ηe=0.95。

如按發電機組設計功率為235 kW計算，年運行時間平均7 000 h，年發電效益為130萬元。

5 結束語

該工藝技術適用于各類蒸汽減溫減壓機組，用以代替減溫減壓裝置，可以在保證排汽壓力穩定的前提下，將低壓蒸汽這種低品位能源在減溫減壓過程中損失的能量有效的收集起來，通過螺桿膨脹機發電系統將勢能轉化為電能，并入電網供生產使用。同時，做完功壓力溫度降低后的蒸汽排入減溫減壓機組后的用戶管網，在節能減排上實施效果明顯，具有良好的推廣應用前景。

［1］羅琪.抽汽回熱式有機工質發電系統的熱力特性分析［J］.現代電力，2009(06).

［2］金秋.低溫余熱利用技術.現代化工，1986(05).

［3］汪玉林.低溫余熱能源發電裝置綜述［J］.熱電技術，2007(01).

［4］王偉.低品質熱源余熱發電工藝及設備［J］.重型機械，2010(S2).

［5］曹武，劉凱.螺桿膨脹動力機技術的探討.煤氣與熱力，2005(08).