結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)熱力參數(shù)優(yōu)化關(guān)鍵問題討論

安亞利

摘 要：在燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)熱力參數(shù)優(yōu)化過程中，發(fā)電系統(tǒng)熱力參數(shù)優(yōu)化模型、余熱鍋爐排煙溫度優(yōu)化模型、余熱鍋爐動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)參數(shù)的確定等關(guān)鍵問題決定著發(fā)電系統(tǒng)的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)性能。文章以某鋼鐵公司燒結(jié)余熱發(fā)電雙壓循環(huán)熱力參數(shù)優(yōu)化過程為例對(duì)上述關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：燒結(jié)；余熱發(fā)電；熱力參數(shù)優(yōu)化

前言

文章以某鋼鐵公司燒結(jié)余熱發(fā)電雙壓循環(huán)熱力參數(shù)優(yōu)化過程為例，對(duì)燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)熱力參數(shù)的優(yōu)化提供參考。

1 燒結(jié)余熱發(fā)電雙壓熱力循環(huán)工藝流程及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

燒結(jié)余熱發(fā)電雙壓熱力循環(huán)方式是指余熱鍋爐產(chǎn)生中壓及低壓兩組蒸汽分別進(jìn)入蒸汽輪機(jī)主汽口及補(bǔ)汽口做功的循環(huán)方式。圖1為某鋼鐵公司燒結(jié)余熱發(fā)電雙壓熱力循環(huán)工藝流程圖。余熱鍋爐內(nèi)受熱面布置情況自上至下依次是：中壓過熱器、中壓蒸發(fā)器、一級(jí)中壓省煤器、低壓蒸發(fā)器和二級(jí)中壓省煤器。

1.燒結(jié)礦冷卻機(jī)；2.廢氣收集裝置；3.雙壓余熱鍋爐；4.蒸汽輪機(jī)；5.發(fā)電機(jī)；6.凝汽器；7.循環(huán)水泵；8.冷卻塔；9.凝結(jié)水泵；10.除氧器；11.低壓給水泵；12.高壓給水泵；13.引風(fēng)機(jī)；14.補(bǔ)水泵

圖1 燒結(jié)余熱發(fā)電雙壓循環(huán)系統(tǒng)

本燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)的余熱源為燒結(jié)冷卻機(jī)廢氣，氣體性質(zhì)為空氣。余熱源基礎(chǔ)參數(shù)經(jīng)實(shí)測(cè)獲得：采用60%廢氣循環(huán)時(shí)，余熱鍋爐入口的廢氣溫度為395℃，廢氣量為40×104Nm3/h，含塵量為30mg/Nm3。在汽輪機(jī)中，主汽由主汽口進(jìn)入并膨脹做功，副汽分成兩路，一路作為除氧器熱源，一路經(jīng)補(bǔ)汽口進(jìn)入汽輪機(jī)與主汽混合膨脹做功，做功后的乏汽經(jīng)冷凝、除氧后重新進(jìn)入余熱鍋爐繼續(xù)吸熱產(chǎn)生蒸汽，完成水循環(huán)。廢氣進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行熱交換，然后排煙分為兩路，一路作為排煙排向大氣；另一路和空氣作為燒結(jié)礦的冷卻介質(zhì)，吸熱后回到余熱鍋爐，完成煙氣循環(huán)。

2 燒結(jié)余熱雙壓發(fā)電系統(tǒng)熱力參數(shù)優(yōu)化模型

2.1 熱力參數(shù)優(yōu)化目的

燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)熱力參數(shù)優(yōu)化的目的，是尋找在保證燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性前提下，得出發(fā)電系統(tǒng)年凈發(fā)電量最佳熱力參數(shù)匹配方案。蒸汽參數(shù)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)是在穩(wěn)定、安全邊界條件控制下的發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量，參變量為主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、副蒸汽溫度、副蒸汽壓力。穩(wěn)定性邊界條件包括熱端溫差、窄點(diǎn)溫差、接近點(diǎn)溫差等發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性關(guān)聯(lián)參數(shù)，安全性邊界條件為乏汽干度參數(shù)。

2.2 熱力參數(shù)優(yōu)化的約束條件

（1）對(duì)主蒸汽溫度的約束條件；（2）對(duì)主蒸汽壓力的約束條件；（3）對(duì)副汽溫度和壓力的約束條件。

2.3 熱力參數(shù)優(yōu)化模型

2.3.1 蒸汽參數(shù)優(yōu)化模型邊界條件

發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性邊界條件的取值范圍：熱端溫差，30-35℃，窄點(diǎn)溫差，20-25℃，接近點(diǎn)溫差，10-20℃，發(fā)電系統(tǒng)安全性邊界條件：乏汽干度，大于0.86。

2.3.2 蒸汽參數(shù)優(yōu)化方法

（1）選定副氣壓力，改變主氣壓力，此時(shí)，可以得到此副氣壓力下的最大年發(fā)電量的點(diǎn)（峰值點(diǎn)）。（2）選取不同副氣壓力，就可以得到不同副氣壓力下的峰值，將這些峰值進(jìn)行比較，在邊界條件的約束下，可以得到最優(yōu)值。

2.3.3 蒸汽參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

副氣壓力越低凈年發(fā)電量越高，但是低于0.45MPa的壓力受到二級(jí)中壓省煤器煙溫降幅的約束，不符和條件。所以選取副氣壓力為0.45MPa點(diǎn)。

3 關(guān)鍵問題討論

3.1 余熱鍋爐排煙溫度優(yōu)化模型

利用余熱鍋爐排煙代替常溫空氣冷卻燒結(jié)礦可以提高帶冷機(jī)排煙溫度和循環(huán)效率。余熱鍋爐排煙溫度與入爐廢氣溫度具有復(fù)雜關(guān)聯(lián)的特性，余熱鍋爐排煙溫度降低的同時(shí)，其入爐廢氣溫度也隨之降低。分析得出：排煙（冷卻介質(zhì)）增加10℃循環(huán)后進(jìn)入余熱鍋爐的入口煙氣溫度提高5℃。下邊對(duì)此問題進(jìn)行討論分析：

分別取煙氣入口溫度為410℃、408℃、405℃、403℃、400℃、398℃、395℃。

對(duì)應(yīng)的廢氣排煙溫度為180℃、176℃、170℃、166℃、160℃、156℃、150℃。

由上述數(shù)據(jù)可以看出入口煙氣溫度越低反而發(fā)電量越高，但是同時(shí)，低壓部分窄點(diǎn)溫差在逐漸降低，在400℃-160℃時(shí)，低壓部分窄點(diǎn)溫差為20℃左右，但當(dāng)395℃-150℃時(shí)，窄點(diǎn)溫差為6.85℃，不滿足窄點(diǎn)溫差（下面我們將提到允許最小窄點(diǎn)溫差）要求。所以最合適的入口煙溫與排煙組合為入口煙氣400℃、排煙溫度為160℃。

3.2 余熱鍋爐動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)參數(shù)的確定

3.2.1 窄點(diǎn)溫差和接近點(diǎn)溫差的確定

接近點(diǎn)溫差增加時(shí)，余熱鍋爐的總傳熱面積會(huì)增加。這是由于接近點(diǎn)溫差增加會(huì)引起省煤器的對(duì)數(shù)平均溫差增加，即省煤器的傳熱面積會(huì)減小。但蒸發(fā)器的對(duì)致平均溫差減小較多，即蒸發(fā)器的傳熱面積增大較多，而過熱器的傳熱面積卻保持不變，導(dǎo)致總的傳熱面積會(huì)增加，則余熱鍋爐投資費(fèi)用增加，但是同時(shí)年發(fā)電量也隨著接近點(diǎn)溫差的增加而增加。實(shí)際運(yùn)行中為了防止在低負(fù)荷或啟動(dòng)期間省煤器內(nèi)可能發(fā)生汽化現(xiàn)象，往往將接近點(diǎn)溫差取的大一些。

窄點(diǎn)溫差與接近點(diǎn)溫差是一對(duì)相互關(guān)聯(lián)的余熱鍋爐設(shè)計(jì)指標(biāo)，應(yīng)通過聯(lián)合優(yōu)化來確定。

最后綜合考慮，經(jīng)過計(jì)算以及參考其他文獻(xiàn)，文章取窄點(diǎn)溫差20℃，接近點(diǎn)溫差20℃。

3.2.2 熱端溫差的確定

傳統(tǒng)的燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)熱力參數(shù)優(yōu)化方法中，熱端溫差的取值考慮系統(tǒng)的發(fā)電量及過熱其造價(jià)兩方面經(jīng)濟(jì)性因素，一般取20℃左右。但這樣的取值方法明顯不符合燒結(jié)余熱發(fā)電廢氣溫度波動(dòng)的特點(diǎn)，例如當(dāng)入爐廢氣溫度降低30℃時(shí)，將有部分過熱器受熱面失去作用，導(dǎo)致蒸汽溫度下降幅度高達(dá)25℃，從而導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)被迫停機(jī)。在本優(yōu)化模型中，經(jīng)計(jì)算比較，熱端溫差取值為30℃。

4 結(jié)束語

在燒結(jié)余熱發(fā)電系統(tǒng)熱力參數(shù)優(yōu)化過程中，文章通過對(duì)余熱鍋爐排煙溫度優(yōu)化模型、余熱鍋爐動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)參數(shù)的確定等關(guān)鍵問題的研究，可以得出結(jié)論：（1）燒結(jié)余熱發(fā)電雙壓系統(tǒng)熱力參數(shù)優(yōu)化結(jié)果：主氣壓力為2.7MPa、副氣壓力為0.45MPa。（2）余熱鍋爐排煙溫度優(yōu)化模型得出結(jié)論：入口煙溫在400℃，排煙溫度在160℃時(shí)為最佳煙風(fēng)循環(huán)溫度。（3）余熱鍋爐動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)最佳參數(shù)為：接近點(diǎn)溫差20℃，窄點(diǎn)溫差20℃，熱端溫差為30℃。

參考文獻(xiàn)

[1]林勇虎，等.余熱鍋爐最小溫差與接近溫差的選擇[J].燃?xì)廨啓C(jī)，1998.

[2]徐傳海.PG658 1B型燃機(jī)余熱鍋爐點(diǎn)溫差與接近點(diǎn)溫差的聯(lián)合優(yōu)化[J].熱機(jī)技術(shù)，2003.

[3]王江峰，等.中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及其在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].節(jié)能，2007.