飽和蒸汽發(fā)電在煉鋼廠的應(yīng)用

張軍民

（寶武集團(tuán)鄂城鋼鐵有限公司能源環(huán)保部，湖北 鄂州 436000）

近年來，我國大力提倡循環(huán)、低碳、綠色經(jīng)濟(jì)，鋼鐵企業(yè)作為高耗能大戶，節(jié)能降耗尤其重要，需不斷提高能源綜合利用效率，降低綜合能耗，降低生產(chǎn)成本，才能提高產(chǎn)品競爭力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。鄂城鋼鐵有限公司（以下簡稱公司）在煉鋼生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量低品質(zhì)的蒸汽，蒸汽壓力、流量波動(dòng)大，含水量高，在煉鋼廠RH爐不生產(chǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)爐余熱蒸汽并入公司低壓蒸汽管網(wǎng)（正常運(yùn)行壓力0.50MPa左右），對管網(wǎng)壓力造成很大沖擊。

蒸汽放散既會(huì)造成熱能的浪費(fèi)，又會(huì)產(chǎn)生噪音和白色污染。公司根據(jù)煉鋼廠現(xiàn)狀，將轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)回收的飽和蒸汽用于發(fā)電，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 煉鋼廠蒸汽產(chǎn)量現(xiàn)狀

煉鋼廠目前有3座轉(zhuǎn)爐、1座RH爐，其中每座轉(zhuǎn)爐每小時(shí)供汽量為16.5t/h，蒸汽壓力1.45～2.0MPa。現(xiàn)有系統(tǒng)（3座轉(zhuǎn)爐、1座RH）RH爐生產(chǎn)時(shí)每小時(shí)耗汽量為23t，R爐不生產(chǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)爐余熱蒸汽進(jìn)入蓄熱器存儲(chǔ)。

當(dāng)蓄熱器存儲(chǔ)量超過設(shè)計(jì)值后，會(huì)放散多余蒸汽。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年煉鋼廠富裕蒸汽量約8.80萬t，造成資源的極大浪費(fèi)，并且?guī)戆咨廴尽８鶕?jù)公司現(xiàn)有的汽平衡結(jié)果，最大將會(huì)有約49.5t/h的蒸汽富裕，公司目前的蒸汽用戶難以消納這部分蒸汽，為保證生產(chǎn)和管網(wǎng)安全，只能將富裕蒸汽直接排空，這樣進(jìn)一步加劇了能源浪費(fèi)和白色環(huán)境污染問題。

2 蒸汽平衡

正常情況下1#、2#和3#轉(zhuǎn)爐每臺(tái)對應(yīng)的余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽13.5t/爐，其中余熱鍋爐除氧器消耗1t/爐，則每臺(tái)余熱鍋爐外供給蓄熱器蒸汽量約12.5t/爐，每臺(tái)爐月生產(chǎn)爐數(shù)為950爐，具體見表1所示。

注：現(xiàn)在生產(chǎn)中，一次除塵冷卻器和轉(zhuǎn)爐氧槍氮封都采用蒸汽密封，后期為保證該汽輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行，且全廠氮?dú)飧辉＃瑢⒏幕卦O(shè)計(jì)氮封形式，本表按照兩系統(tǒng)采用氮封計(jì)算。

由表1可以看出，理論上在RH爐不上生產(chǎn)時(shí)，每爐供汽量為12.5t/爐，此時(shí)，轉(zhuǎn)爐供汽指標(biāo)約為80kg/t，該指標(biāo)符合行業(yè)實(shí)際情況。連續(xù)生產(chǎn)情況下每臺(tái)轉(zhuǎn)爐供蓄器蒸汽量折合為Q1=12.5×950÷30÷24=16.5t/h，則3臺(tái)轉(zhuǎn)爐供汽量約為49.5t/h。RH爐生產(chǎn)時(shí)，其每小時(shí)耗汽量在23t/h，則每小時(shí)富裕蒸汽量約為26.5t/h。

實(shí)際生產(chǎn)中，由于該蒸汽為飽和蒸汽，且蒸汽輸送距離在700m左右，蒸汽因?yàn)楣艿雷枇p失和溫度損失會(huì)產(chǎn)生大量疏水，疏水量按10%考慮，則RH不生產(chǎn)時(shí)，供汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電用蒸汽最大量為49.5×0.9=44.55t/h，RH生產(chǎn)時(shí)，供汽輪發(fā)電機(jī)用蒸汽量26.5×0.9=23.85t/h。

考慮正常生產(chǎn)、1臺(tái)轉(zhuǎn)爐檢修和兩臺(tái)轉(zhuǎn)爐檢修3種生產(chǎn)情況，做出以下汽平衡表，具體如下：

（1）3臺(tái)轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)情況，如表2所示。

由上表可以看出，3臺(tái)轉(zhuǎn)爐都生產(chǎn)的情況下，當(dāng)RH不生產(chǎn)時(shí)，供給汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電用蒸汽量為44.55t/h。當(dāng)RH生產(chǎn)時(shí)，供汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電用蒸汽量為23.85t/h。

表1 煉鋼廠余熱蒸汽平衡表

表2 正常生產(chǎn)時(shí)蒸汽平衡表

（2）1臺(tái)轉(zhuǎn)爐檢修，2臺(tái)轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)情況，如表3所示。

表3 2臺(tái)轉(zhuǎn)爐檢修時(shí)蒸汽平衡表

（3）2臺(tái)轉(zhuǎn)爐檢修，1臺(tái)轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)情況，如表4所示。

注：此時(shí)，RH爐無法生產(chǎn)，1臺(tái)轉(zhuǎn)爐供汽無法滿足RH用汽要求。

3 飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組選型

3.1 發(fā)電機(jī)組容量選擇

由表2蒸汽平衡表可以看出，當(dāng)3#轉(zhuǎn)爐投產(chǎn)以后，正常情況下，公司6MW煉鋼汽化冷卻蒸汽發(fā)電項(xiàng)目整個(gè)管網(wǎng)最大蒸汽富裕量將達(dá)到49.5t/h，最小量為26.5t/h，其中最大排放量時(shí)間占比達(dá)44%。正常生產(chǎn)情況下，RH生產(chǎn)用汽壓力為1.0MPa，考慮最大限度利用蓄熱器的調(diào)節(jié)能力，結(jié)合管道阻力損失情況，經(jīng)計(jì)算確定，所選定的汽輪機(jī)為6MW低壓凝汽式汽輪機(jī)組，機(jī)組進(jìn)汽壓力為0.8MPa。

3臺(tái)轉(zhuǎn)爐都生產(chǎn)的情況下，當(dāng)RH不生產(chǎn)時(shí)，供給汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電用蒸汽量為44.55t/h，汽輪機(jī)可以滿負(fù)荷（6MW）運(yùn)行。如果此時(shí)蒸汽還有富余，為減少白色污染，可以根據(jù)實(shí)際情況將一次除塵和氧槍口密封由氮?dú)馇袚Q為蒸汽。當(dāng)RH生產(chǎn)時(shí)，供汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電用蒸汽量為23.85t/h，可以保證汽輪機(jī)在55%負(fù)荷運(yùn)行。在這種情況下，各個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)都可以正常生產(chǎn)，汽輪機(jī)不出現(xiàn)停機(jī)情況。

表4 兩臺(tái)轉(zhuǎn)爐檢修時(shí)蒸汽平衡表

1臺(tái)轉(zhuǎn)爐檢修時(shí)，當(dāng)RH不生產(chǎn)時(shí)，供給汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電用蒸汽量為29.7t/h，汽輪機(jī)可以70%負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)RH生產(chǎn)時(shí)，供汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電用蒸汽量為9.0t/h，此時(shí)，無法滿足汽輪機(jī)最低負(fù)荷運(yùn)行要求。若檢修時(shí)間較短，可以使汽機(jī)處于熱機(jī)狀態(tài)，當(dāng)檢修完成后，汽輪機(jī)熱啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間較短；若檢修時(shí)間較長，此時(shí)，建議協(xié)調(diào)RH生產(chǎn)調(diào)度，盡量保證RH避開轉(zhuǎn)爐檢修時(shí)段，以確保汽輪機(jī)供汽量；極端情況下，當(dāng)生產(chǎn)調(diào)度有困難時(shí)，需要停機(jī)，則富裕蒸汽存儲(chǔ)在蓄熱器內(nèi)，在此情況下，可以將一次除塵蒸發(fā)器和氧槍口密封由氮?dú)馇袚Q為蒸汽，盡量不出現(xiàn)蒸汽放散情況。

兩臺(tái)轉(zhuǎn)爐檢修時(shí)，此時(shí)一臺(tái)轉(zhuǎn)爐供汽無法滿足RH生產(chǎn)用汽要求，則RH不生產(chǎn)，供給汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電用蒸汽量為14.85t/h，汽輪發(fā)電機(jī)組可以約35%負(fù)荷運(yùn)行，汽輪機(jī)不需要停機(jī)。

3.2 汽機(jī)發(fā)電機(jī)組參數(shù)

汽輪發(fā)電機(jī)組采用中低壓凝汽式汽輪機(jī)組，為合理利用相關(guān)資源，降低系統(tǒng)投資，采用某鋼鐵公司已停產(chǎn)汽輪發(fā)電機(jī)組，并經(jīng)專業(yè)改造，具體參數(shù)如下：

（1）汽輪機(jī)

汽輪機(jī)形式：單軸、單缸、凝汽式

額定功率：6.0MW

額定轉(zhuǎn)速：3000r/min

額定進(jìn)汽流量：46.8t/h

主汽門前進(jìn)汽壓力：0.8MPa

主汽門前進(jìn)汽溫度：170.5℃

額定排汽壓力：＜9.0kPA(a)

額定汽耗率：7.8kg/kW·h

調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式：低壓電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)

冷卻水溫度：最高33℃

設(shè)計(jì)排汽溫度：44℃

臨界轉(zhuǎn)速：～2035

汽輪機(jī)檢修時(shí)最大件重量：～15t

（2）發(fā)電機(jī)

額定功率：6.0MW

額定功率因數(shù)：0.8（滯后）

額定電壓：10.5kV

額定頻率：50Hz

4 工藝流程

本系統(tǒng)為新建一臺(tái)6MW汽輪發(fā)電機(jī)組，主蒸汽由廠區(qū)管網(wǎng)供給，產(chǎn)生的凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵送至發(fā)電機(jī)房界區(qū)接口后，經(jīng)管網(wǎng)送至煉鋼汽化冷卻水箱循環(huán)利用。考慮系統(tǒng)運(yùn)行地安全性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性，熱力系統(tǒng)盡可能簡化。為減少汽機(jī)末端含濕量，在汽輪機(jī)尾部設(shè)置除濕措施。

4.1 主蒸汽系統(tǒng)

主蒸汽系統(tǒng)的功能是將蒸汽由管網(wǎng)接口送至汽輪機(jī)作功，同時(shí)，在機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)過程中，向汽輪機(jī)的汽封系統(tǒng)供汽。主蒸汽經(jīng)一根DN250(20鋼)的管道送至穩(wěn)壓箱后進(jìn)入汽輪機(jī)主汽門。主蒸汽管道及補(bǔ)汽管道考慮有適當(dāng)?shù)氖杷c(diǎn)和相應(yīng)的疏水閥，以保證機(jī)組在起動(dòng)暖管、低負(fù)荷或故障條件下能及時(shí)疏盡管道中的凝結(jié)水，避免汽輪機(jī)進(jìn)水事故的發(fā)生。主蒸汽管道由蓄熱器接至發(fā)電機(jī)廠房，管道每隔100m和管道低點(diǎn)設(shè)置疏水裝置。

4.2 凝結(jié)水系統(tǒng)

機(jī)組凝結(jié)水從凝汽器熱井引出，由凝結(jié)水泵升壓，經(jīng)汽封加熱器送至廠房界區(qū)。在汽輪機(jī)旁設(shè)置2臺(tái)凝結(jié)水泵，1臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用，每臺(tái)泵的容量滿足純凝工況最大凝結(jié)水量的110%的凝結(jié)水需求。泵揚(yáng)程按100m計(jì)。在軸封加熱器后，凝結(jié)水管道設(shè)有一路至凝汽器的凝結(jié)水再循環(huán)管，凝結(jié)水管道由凝結(jié)水泵送至煉鋼汽化冷卻水箱。

4.3 油系統(tǒng)

機(jī)組設(shè)置一臺(tái)主機(jī)潤滑油箱，油箱容積為4m3，廠房外設(shè)有汽機(jī)潤滑油系統(tǒng)的事故油箱，事故工況時(shí)，主機(jī)潤滑油系統(tǒng)的潤滑油排放至該事故油箱，事故油箱容積為10m3。廠房設(shè)置高壓交流油泵、交流潤滑油泵和直流油泵，直流油泵作為在交流電源或交流潤滑油泵出現(xiàn)故障時(shí)，保證汽輪發(fā)電機(jī)組軸承潤滑油的供油。

4.4 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為帶機(jī)力通風(fēng)冷卻塔的二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)，設(shè)循環(huán)水泵，向凝汽器、冷油器、發(fā)電機(jī)空冷器提供循環(huán)水冷卻。

4.5 抽真空系統(tǒng)

抽真空系統(tǒng)在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，抽取凝汽器內(nèi)以及輔助設(shè)備和管道里的空氣，使其真空達(dá)到要求的啟動(dòng)值（抽吸狀態(tài)）；機(jī)組正常運(yùn)行期間，該系統(tǒng)排除集結(jié)在凝汽器內(nèi)的不凝結(jié)氣體，以維持系統(tǒng)真空。本機(jī)組設(shè)置2臺(tái)真空泵，1臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。

4.6 穩(wěn)壓疏水系統(tǒng)

在管道間設(shè)置一臺(tái)集汽箱，集汽箱具有穩(wěn)定汽機(jī)進(jìn)口主蒸汽壓力和疏水的功能，以滿足汽輪機(jī)對蒸汽品質(zhì)的要求。汽輪機(jī)主汽由管網(wǎng)送至汽輪發(fā)電機(jī)主廠房界區(qū)，在廠房內(nèi)設(shè)置穩(wěn)壓箱，蒸汽穩(wěn)壓后進(jìn)入汽輪機(jī)，穩(wěn)壓箱設(shè)置隔斷閥。主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電后，乏汽進(jìn)入凝汽器經(jīng)循環(huán)水冷卻凝結(jié)成水，生成的凝結(jié)水由凝結(jié)水泵經(jīng)汽封加熱器送至煉鋼汽化冷卻水箱。

5 關(guān)鍵技術(shù)

蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹過程中產(chǎn)生的水分較多，必須考慮汽輪機(jī)低壓級葉片帶水去濕措施。由于低壓飽和蒸汽的比焓較低，同常規(guī)汽輪機(jī)相比，其耗汽量較大。汽輪機(jī)通流部分需充分考慮余熱發(fā)電系統(tǒng)低壓蒸汽特點(diǎn)，末尾幾級葉片動(dòng)葉需激光強(qiáng)化，以便有效地防止水蝕；采用三維設(shè)計(jì)，盡量減小排汽余速損失。隔板全部采用焊接式隔板。全部直葉片動(dòng)葉設(shè)計(jì)用自帶圍帶、整圈連接；圍帶加工成內(nèi)斜外平的形式，形成光滑的通道子午面；并對通道擴(kuò)張角進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高機(jī)組的整體效率。

6 結(jié)語

飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)建成后，轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)、RH爐生產(chǎn)、蓄熱器和汽輪機(jī)發(fā)電各單元更加緊密有機(jī)協(xié)調(diào)，各生產(chǎn)單元之間運(yùn)行流暢。汽輪發(fā)電機(jī)生產(chǎn)單元能夠根據(jù)RH爐生產(chǎn)節(jié)奏和生產(chǎn)安排，適時(shí)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)進(jìn)汽量；RH爐生產(chǎn)單元將生產(chǎn)安排提前告知汽輪機(jī)單元，以便汽輪機(jī)單元根據(jù)RH生產(chǎn)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)進(jìn)汽量。在各種生產(chǎn)工況下，對煉鋼轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的飽和蒸汽進(jìn)行完全回收，避免了蒸汽放散，解決了困擾企業(yè)的白色污染問題，節(jié)能減排效果明顯。