低壓飽和蒸汽發電技術在加熱爐中的應用

蒲洪權

(重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司，重慶 400013)

加熱爐汽化冷卻技術因其具有大量節水同時可以回收余熱得到蒸汽等優點，在我國鋼鐵企業中得到了廣泛應用，工業和信息化部、水利部更是要求在2017年底前用此技術全面替代軋鋼加熱爐爐底梁的水冷技術[1]。可是由于加熱爐汽化冷卻裝置通常產生的是低壓飽和蒸汽，它具有品質低、輸送距離短、冷凝水損失大等特點，傳統利用方式受到限制，在大部分鋼鐵企業中因沒有合理用途不得不選擇對空排放，這樣既污染了環境，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，一些鋼鐵企業嘗試用低壓飽和蒸汽發電技術回收轉爐生產工藝中產生的低壓飽和蒸汽[2]，成功解決了轉爐生產過程中產生的飽和蒸汽利用，以及由于排放造成的環境污染和能源浪費問題，這為加熱爐汽化冷卻裝置產生的低品位蒸汽的利用提供了一條途徑。

1 低壓飽和蒸汽發電技術介紹

目前飽和蒸汽發電應用比較成熟的技術有汽輪機發電技術和螺桿膨脹動力發電技術。

1.1 低壓飽和蒸汽汽輪機發電技術

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

圖1為低壓飽和蒸汽汽輪機發電示意圖，爐窯產生的飽和蒸汽經過汽水分離器后，進入汽輪機，推動汽輪機帶動發電機發電，汽輪機的乏汽進入凝汽器冷凝回收，然后經過凝結水泵返回爐窯實現循環利用。

圖1 低壓飽和蒸汽汽輪機發電示意圖

1.2 低壓飽和蒸汽螺桿膨脹動力發電技術

螺桿膨脹動力發電技術的核心設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、造紙等行業得到了廣泛的應用。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螺桿式動力機，基本結構由一對螺旋轉子(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對外做功，實現熱能向機械能轉換。

低壓蒸汽螺桿膨脹發電技術是將低壓飽和蒸汽送至螺桿膨脹動力機，推動螺桿旋轉來帶動發電機發電，螺桿膨脹動力機的排汽可根據工廠需要直接送至廠區蒸汽管網，也可凝結成水送回爐窯等。圖3為低壓飽和蒸汽螺桿膨脹動力機發電示意圖。

圖2 螺桿膨脹動力機原理系統圖

圖3 低壓飽和蒸汽螺桿膨脹動力機發電示意圖

2 加熱爐低壓飽和蒸汽發電案例分析

下面以某鋼廠軋鋼車間熱軋生產線為例，該生產線共設置2座步進梁式加熱爐，對兩種發電技術進行比較。該廠2座加熱爐結構形式完全相同，加熱爐水梁立柱采用汽化冷卻技術。2座加熱爐的汽化冷卻采用集中給水除氧系統，加熱爐汽化冷卻系統產生的蒸汽除了小部分需要用于汽化冷卻系統除氧外，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 汽輪發電機組方案

用于汽輪機發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，發電機的發電量在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的發電機組成的汽輪發電機組。汽輪發電機組的主要參數如下：

汽輪發電機組套數：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

汽輪機額定轉速：3000 r/min

發電機額定功率：2500 kW

發電機額定電壓：6.3 kV

發電機額定轉速：3000 r/min

發電機功率因素：0.8

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

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

2.2 螺桿膨脹動力機發電方案

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的發電機，膨脹螺桿動力發電機組的主要參數如下：

膨脹螺桿動力發電機組套數：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

額定轉速：3000 r/min

發電機額定功率：1000 kW

發電機額定電壓：6.3 kV

發電機額定轉速：3000 r/min

發電機功率因素：0.8

螺桿機對進入蒸汽品質要求較低，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，供廠區后續使用。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。

2.3 加熱爐低壓飽和蒸汽發電方案技術經濟比較

采用飽和蒸汽汽輪發電機組和采用螺桿膨脹動力機組技術經濟方案比較見表2。從表2可以看出，飽和蒸汽汽輪發電機組和螺桿膨脹動力機組的技術都比較成熟，雖然飽和蒸汽汽輪機發電系統相對復雜、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電方案比較

3 結論

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

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

(2)相比螺桿膨脹動力發電技術，蒸汽汽輪機發電技術效率更高，經濟效益更好，更加適合在加熱爐中應用。