工業(yè)余熱余能水蒸氣循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)熱力方案優(yōu)化

黃娟 任曉強(qiáng) 李香林 黃正元

摘 要：石化、冶金等流程工業(yè)存在大量不同品質(zhì)、不同等級(jí)的余熱余能，利用朗肯循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電是企業(yè)提高能源效率、增加經(jīng)濟(jì)效益的主要方式之一。由于中小功率、中高參數(shù)等級(jí)汽輪機(jī)基本型式多樣、通流部分熱力設(shè)計(jì)多為非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，所以循環(huán)熱力系統(tǒng)需要進(jìn)行詳細(xì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較才能獲得最優(yōu)效果。文章對(duì)相關(guān)方法和影響因素進(jìn)行了論述和分析，并以某鋼鐵公司高爐煤氣發(fā)電系統(tǒng)改造方案為例進(jìn)行了比較說明，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析認(rèn)為該公司舊的熱力循環(huán)系統(tǒng)效率還有很大的提高空間，采用高溫高壓鍋爐及同軸再熱發(fā)電機(jī)組的方案能顯著提高發(fā)電效率，最高可減少煤氣耗量40%左右。

關(guān)鍵詞：余熱余能；朗肯循環(huán)；循環(huán)熱力系統(tǒng)；發(fā)電效率

中圖分類號(hào)：TK11+4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）28-0142-05

Abstract： Petrochemical， metallurgical and other process industries have a large number of different quality， different levels of residual energy， the use of Rankine Cycle system to generate electricity is one of the main ways to improve energy efficiency and increase economic efficiency. Because the basic types of middle and small power and middle and high parameter steam turbines are various， and the thermodynamic design of flow passage is mostly non-standard design， detailed optimization design and technical and economic comparison are needed to obtain the optimal effect of the cycle thermodynamic system. In this paper， the relative methods and influencing factors are discussed and analyzed， and the retrofit scheme of blast furnace gas power generation system in a certain iron and steel company is taken as an example to compare and explain. Through the technical and economic analysis， it is concluded that there is still much room for improvement of the efficiency of the old thermal cycle system of the company. The scheme of high temperature and high pressure boiler and coaxial reheat generator set can remarkably improve the power generation efficiency， and the maximum gas consumption can be reduced by about 40%.

Keywords： residual heat and residual energy； Rankine Cycle； cyclic thermodynamic system； power generation efficiency

1 概述

在能源日趨緊張，環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高的形勢(shì)下，資源最優(yōu)的節(jié)約與循環(huán)利用已經(jīng)成為各國(guó)面對(duì)的重要課題。從廣義上講，工業(yè)系統(tǒng)中凡是具有高出環(huán)境的溫度、壓力、濃度等排氣、排液、固體廢棄物和能通過化學(xué)反應(yīng)（包括燃燒）產(chǎn)生熱量的物料，統(tǒng)稱為余熱余能[1]。綜合利用余熱余能資源，減少排放，是緩解資源短缺和環(huán)境污染、建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的有效手段。如據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)鋼鐵行業(yè)余熱資源的回收利用率僅為 30%左右，而國(guó)際先進(jìn)鋼鐵企業(yè)在50%以上[1]。究其原因，一方面是各工序產(chǎn)生的各種余熱資源回收效率低，且回收數(shù)量不足；另一方面是對(duì)已回收的各種能量不能合理地加以使用，造成煤氣、蒸汽、氧氣等二次能源大量排放。

各行業(yè)余熱余能資源綜合發(fā)電利用主要有三種方式，即TRT發(fā)電、熱力發(fā)電和余熱發(fā)電[2]。TRT發(fā)電裝置是利用廢氣的壓力能和熱能，使廢氣經(jīng)透平膨脹機(jī)膨脹做功，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能的裝置。熱力發(fā)電是以燃料燃燒方式利用廢氣，產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。余熱發(fā)電[3]是采用余熱鍋爐吸收廢熱，產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電或者供給用戶使用。大量中低參數(shù)的余熱余能由于參數(shù)較低，也有采用有機(jī)工質(zhì)循環(huán)發(fā)電，但是由于成本、效率等問題，還有待進(jìn)一步發(fā)展。

朗肯循環(huán)汽輪機(jī)發(fā)電方式目前從經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性方面是比較成熟的，是余熱余能發(fā)電的主要方式之一[4]。中小功率、中高參數(shù)等級(jí)蒸汽輪機(jī)基本型式較多，如常見的包括單背壓式汽輪機(jī)、雙背壓式汽輪機(jī)、凝汽式汽輪機(jī)、抽汽背壓式汽輪機(jī)和抽汽凝汽式汽輪機(jī)等，而且隨著技術(shù)的進(jìn)步，高轉(zhuǎn)速同軸再熱式汽輪機(jī)、分缸再熱式汽輪機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。另外，由于汽輪機(jī)采用高轉(zhuǎn)速對(duì)于提高效率有益，因此同軸再熱機(jī)組結(jié)構(gòu)也常常是備選技術(shù)方案。由于余熱余能利用對(duì)于投資和效率的要求較高，因此在具體方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析比較，才可達(dá)到較好的效果[5]。

2 朗肯循環(huán)熱力設(shè)計(jì)基本理論

朗肯循環(huán)水蒸汽發(fā)電熱力設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是按照給定的設(shè)計(jì)條件，確定熱力循環(huán)基本流程和通流部分參數(shù)，力求獲得較高的相對(duì)內(nèi)效率[6]。

汽輪機(jī)熱力設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，主要包括汽輪機(jī)容量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)汽參數(shù)、排汽壓力或冷卻水溫度、回?zé)峒?jí)數(shù)或給水溫度等。汽輪機(jī)通流部分主要包括進(jìn)汽機(jī)構(gòu)、各級(jí)通流部分葉柵及排汽缸三部分等。若為供熱汽輪機(jī)，則需設(shè)定各供熱抽汽壓力、流量，若設(shè)計(jì)工況下有補(bǔ)汽則應(yīng)設(shè)定補(bǔ)汽壓力、流量。不同的參數(shù)設(shè)計(jì)選取存在相互影響，并最終影響整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的熱力性能指標(biāo)。參見圖1。

除上述熱力參數(shù)選擇以外，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、動(dòng)靜葉柵反動(dòng)度分布、配汽方式（包括噴嘴配汽方式、調(diào)節(jié)閥門配汽方式、調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)隔板配汽方式）、軸封系統(tǒng)、單雙軸結(jié)構(gòu)型式均對(duì)整體循環(huán)效率有顯著影響。除此之外，還需考慮可用余熱余能穩(wěn)定性（工況）對(duì)效率的要求，以及技術(shù)難度和全壽命期投資等因素。

2.1 回?zé)嵯到y(tǒng)的計(jì)算原理

回?zé)嵯到y(tǒng)熱平衡計(jì)算包括回?zé)嵯到y(tǒng)熱平衡估算和回?zé)嵯到y(tǒng)熱平衡精確計(jì)算，其中回?zé)嵯到y(tǒng)熱平衡估算一般采用等溫升原理[7]?；?zé)嵯到y(tǒng)熱平衡精確計(jì)算從第1號(hào)高加開始，若沒有高加，則從除氧器開始計(jì)算，并考慮軸封漏汽和疏水去向使得加熱器抽汽量變化的因素。

汽輪機(jī)前后軸封加上與之相連的管道及附屬設(shè)備，稱為汽輪機(jī)的軸封系統(tǒng)。合理的軸封系統(tǒng)應(yīng)在確定汽封結(jié)構(gòu)的情況下，恰當(dāng)?shù)匕才琵X數(shù)，合理地選擇軸封各段腔室的壓力，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，減少漏汽量，并設(shè)法回收漏汽以提高機(jī)組效率。

2.2 發(fā)電循環(huán)熱力設(shè)計(jì)優(yōu)化的基本流程

熱力設(shè)計(jì)的基本流程為，首先根據(jù)余熱余能資源情況確定機(jī)組經(jīng)濟(jì)功率，然后選擇汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、配汽方式，確定設(shè)計(jì)工況和近似熱力過程線的初步計(jì)算。之后進(jìn)行回?zé)嵯到y(tǒng)熱平衡初步估算，接著進(jìn)行調(diào)節(jié)級(jí)詳細(xì)計(jì)算，然后壓力級(jí)焓降分配和級(jí)數(shù)確定、非調(diào)節(jié)級(jí)詳細(xì)計(jì)算。當(dāng)整機(jī)各級(jí)熱力計(jì)算進(jìn)行完后，應(yīng)對(duì)整機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率、內(nèi)功率及蒸汽流量進(jìn)行校核。詳細(xì)計(jì)算所得內(nèi)功率和內(nèi)效率與原要求的內(nèi)功率和估計(jì)的內(nèi)效率的相對(duì)誤差應(yīng)分別<1%。經(jīng)校核后的流量相對(duì)誤差差也應(yīng)在一定范圍內(nèi)，當(dāng)相對(duì)誤差<1%時(shí)，為合格；在<1%與3%之間時(shí)，可根據(jù)計(jì)算所得流量與原先估計(jì)值按比例地修正靜葉和動(dòng)葉的高度；若是相對(duì)誤差大于3%，則應(yīng)根據(jù)計(jì)算所得流量進(jìn)行第二次計(jì)算，并根據(jù)需要重復(fù)上述步驟。

完成熱力計(jì)算后，需要對(duì)汽輪機(jī)各級(jí)強(qiáng)度核算，并初步計(jì)算軸向推力。

在汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)及供熱抽汽流量等發(fā)生變化時(shí)，要對(duì)汽輪機(jī)在新工況下的經(jīng)濟(jì)性和可靠性進(jìn)行變工況熱力核算。上述過程參見圖2。

2.3 發(fā)電循環(huán)熱力方案設(shè)計(jì)的影響因素

2.3.1 轉(zhuǎn)速的影響

通流部分的級(jí)內(nèi)損失包括余速損失，汽輪機(jī)組工作轉(zhuǎn)速大小會(huì)影響到余速損失系數(shù)。相比較而言，高轉(zhuǎn)速機(jī)型的余速損失幾乎為零，而常規(guī)轉(zhuǎn)速機(jī)組>1.5%；高轉(zhuǎn)速機(jī)型的葉高損失<3.5%，常規(guī)轉(zhuǎn)速機(jī)組>3.5%；高轉(zhuǎn)速機(jī)型的扇形損失相差不大；高轉(zhuǎn)速機(jī)型的摩擦損失<1%，常規(guī)轉(zhuǎn)速機(jī)組>3%；高轉(zhuǎn)速機(jī)型的鼓風(fēng)及斥汽損失幾乎為零，常規(guī)轉(zhuǎn)速機(jī)組>1%；高轉(zhuǎn)速機(jī)型的隔板漏汽損失<1%，常規(guī)轉(zhuǎn)速機(jī)組>1.5%；高轉(zhuǎn)速機(jī)型的葉頂漏汽損失<1%，常規(guī)轉(zhuǎn)速機(jī)組>1%。綜合來看，高轉(zhuǎn)速機(jī)型的輪周效率比常規(guī)轉(zhuǎn)速機(jī)組高了5%左右。

一般而言，高轉(zhuǎn)速機(jī)組在內(nèi)效率方面相對(duì)同級(jí)數(shù)常規(guī)就高出8%，常規(guī)轉(zhuǎn)速機(jī)組通過增加級(jí)數(shù)，可以增加效率4%左右，因此，高轉(zhuǎn)速機(jī)組較常規(guī)轉(zhuǎn)速機(jī)組在效率方面有約4%的優(yōu)勢(shì)。

2.3.2 軸向排汽

汽輪機(jī)軸向排汽可減少蒸汽阻力，提高蒸汽通流效率，零米布置因不設(shè)中間運(yùn)行平臺(tái)，還可大大減少土建成本。

2.3.3 分缸與同軸技術(shù)

汽輪機(jī)采用同軸技術(shù)，較分缸技術(shù)（即一臺(tái)背壓機(jī)，一臺(tái)凝汽機(jī)），可減少二個(gè)軸承座和二個(gè)軸承，減少了二個(gè)軸承的機(jī)械功損失，減少了控制用油和潤(rùn)滑用油量，降低了運(yùn)行成本和檢修成本。

采用高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)后，高速機(jī)本身效率有所提高，但是發(fā)電系統(tǒng)需要增加一套變速箱，又將增加機(jī)械傳動(dòng)損失，因此最終效率需要詳細(xì)核算。

2.3.4 中間補(bǔ)汽

對(duì)于既有余能介質(zhì)燃燒鍋爐產(chǎn)生蒸汽，同時(shí)又有流程蒸汽為發(fā)電汽輪機(jī)進(jìn)行補(bǔ)汽的熱力系統(tǒng)，尤其需要綜合平衡可用余能介質(zhì)流量、流程蒸汽溫度流量以及系統(tǒng)一次性投資，才能獲得最優(yōu)方案。

2.3.5 通流部分

汽輪機(jī)通流部分是將蒸汽熱能轉(zhuǎn)換為功的核心部件，其完善程度對(duì)機(jī)組能耗水平有重要影響。汽輪機(jī)通流部件主要包括節(jié)流調(diào)節(jié)裝置、汽輪機(jī)靜葉柵和動(dòng)葉片、汽封和軸封及其它輔助裝置。隨著汽輪機(jī)部件三維流體設(shè)計(jì)技術(shù)的提高及先進(jìn)加工手段的普及，高效通流部件特別是全三維葉柵彎扭技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于中小功率汽輪機(jī)，如有可能，應(yīng)采用更好的葉型和其它通流部件。

3 某鋼鐵公司發(fā)電循環(huán)改造方案分析

某鋼鐵公司現(xiàn)有建設(shè)于上世紀(jì)90年代的余熱鍋爐與飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，為了進(jìn)一步提高能源使用效率，計(jì)劃對(duì)現(xiàn)有的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行改造。

3.1 原方案效率分析

現(xiàn)有的發(fā)電裝置主要能量來源包括兩個(gè)，一個(gè)是軋鋼工藝流程中富余的23t/h，1.175MPa的飽和蒸汽；第二個(gè)是煉鋼爐產(chǎn)生的高爐煤氣（熱值約 750kcal/m3）。發(fā)電裝置通過引風(fēng)機(jī)將高爐煤氣送入鍋爐燃燒，產(chǎn)生60t/h，1.175MPa的飽和蒸汽，與工藝流程的飽和蒸汽混合，一起進(jìn)入12MW的汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，可產(chǎn)生12390kW電能。裝置運(yùn)行示意圖及運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖3所示。

3.2 改造方案

為了提高煤氣的利用效率并且保證裝置的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)了兩套優(yōu)化方案，通過對(duì)比單位發(fā)電量運(yùn)行成本、技術(shù)優(yōu)劣、裝置經(jīng)濟(jì)成本三方面因素，選取最適合的方案以達(dá)到在控制成本的前提下獲得最高運(yùn)行效率的目的。

3.2.1 改造方案1

改造方案1熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖4所示，改造方案的具體內(nèi)容如下：

拆除現(xiàn)有60t/h飽和蒸汽鍋爐，新增一臺(tái)60t/h高溫高壓鍋爐。

因蒸汽參數(shù)變化，原12MW凝汽式汽輪機(jī)效率較低，擬改造12MW凝汽式汽輪機(jī)通流部分來提高內(nèi)效率。

在12MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組前面新增一套7.5MW高溫高壓背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)型號(hào)為B7.5-10/3.0。此背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組采用高速快裝式，零米布置。

軋鋼工藝流程中富余的23t/h，1.175MPa的飽和蒸汽通過母管與背壓機(jī)排汽管道混合，進(jìn)入12MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

為提高循環(huán)熱效率，實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，為整套汽輪發(fā)電機(jī)組增設(shè)一套回?zé)嵯到y(tǒng)：1GJ+1CY+1DJ，其他輔機(jī)系統(tǒng)照舊。新增回?zé)嵯到y(tǒng)布置在鍋爐房和汽機(jī)房之間的空余場(chǎng)地。

需說明的是原方案采用的是大氣式除氧器，鍋爐給水溫度為104℃，現(xiàn)為了提高循環(huán)熱效率，采用了高壓除氧器，鍋爐給水溫度為215℃，電廠循環(huán)熱效率有所提高。

3.2.2 改造方案2

隨著國(guó)內(nèi)外中小型汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展，100MW以內(nèi)采用分缸再熱及30MW以內(nèi)采用同軸再熱高速高效型汽輪機(jī)，可以明顯提高電廠的循環(huán)熱效率和能源利用率。

因此改造方案2采用高溫高壓同軸再熱、軸向排汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)型號(hào)為N20-10/545/545型，軋鋼產(chǎn)生的1.175MPa飽和蒸汽通過補(bǔ)汽方式進(jìn)入汽輪機(jī)做功，為提高循環(huán)熱效率，實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，為整套汽輪發(fā)電機(jī)組增設(shè)一套回?zé)嵯到y(tǒng)：1GJ+1CY+1DJ，其他輔機(jī)系統(tǒng)照舊。新增回?zé)嵯到y(tǒng)布置在鍋爐房和汽機(jī)房之間的空余場(chǎng)地。改造方案2熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見圖5。

即在其他條件相同的情況下，同軸再熱的煤氣耗量要減少15%左右。該數(shù)據(jù)僅為汽輪發(fā)電機(jī)組煤氣耗量，電廠其他設(shè)備煤氣耗量未計(jì)。

3.2.3 改造方案比較

（1）發(fā)電量分析

表4中列出改造方案與原始方案的熱力特性數(shù)據(jù)對(duì)比。

從表4中可得，在相同的工況下，方案2中同軸再熱機(jī)組的發(fā)電功率最大，相較改造之前機(jī)組發(fā)電功率提升了約75%，按每年運(yùn)行7000小時(shí)計(jì)算，可多發(fā)電6517.77萬度電；方案1中的分缸不再熱機(jī)組發(fā)電功率相較改造之前提升了約51.8%，按每年運(yùn)行7000小時(shí)計(jì)算，可多發(fā)電4489.52萬度電。明顯可得，同等條件下，改造方案2的發(fā)電量更大。

（2）經(jīng)濟(jì)性分析

上面的理論計(jì)算結(jié)果標(biāo)明：無論補(bǔ)汽與否，方案2較方案1節(jié)能效果更顯著，方案2在建設(shè)初期多投資的錢不到一年即可回收。

綜合以上因素考慮，方案2相較方案1在經(jīng)濟(jì)技術(shù)層面占據(jù)明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究結(jié)論如下：（1）工業(yè)余熱余能利用朗肯循環(huán)系統(tǒng)可有效利用資源提高經(jīng)濟(jì)效益，但是需綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)兩方面合理考慮優(yōu)化。（2）對(duì)于余熱余能利用而言，選用高速、高溫高壓、再熱式汽輪機(jī)可有效提高熱力系統(tǒng)的效率。（3）本文研究及案例可供類似行業(yè)余熱余能利用及舊系統(tǒng)改造提供參考。

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