轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電工藝及汽輪機選型

轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電工藝及汽輪機選型

0飽和蒸汽發(fā)電機組大力發(fā)展和推廣飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)是滿足國家鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策、滿足當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展要求、實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的重要手段。這是促進鋼鐵產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步和結(jié)構(gòu)調(diào)整、環(huán)境保護和資源廣泛使用水平的有效手段。飽和蒸汽汽輪機是轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備,它的參數(shù)、裝機容量及結(jié)構(gòu)型式等直接影響汽輪機內(nèi)效率、運行安全性及初投資。因此在飽和蒸汽電站建設(shè)前期進行汽輪機選型設(shè)計是非常必要的。1余熱鍋爐余熱轉(zhuǎn)爐飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)主要包括汽化冷卻余熱鍋爐、飽和蒸汽輪機、發(fā)電機三大主體設(shè)備及蒸汽蓄熱、排汽冷卻(空冷系統(tǒng)或水冷系統(tǒng))、給水除氧三大汽水系統(tǒng),其工藝流程見圖1。轉(zhuǎn)爐在吹煉過程中,產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?1300℃以上),為降低煙氣溫度、回收高溫?zé)煔庵械挠酂?轉(zhuǎn)爐配套設(shè)置了煙道式汽化冷卻余熱鍋爐。余熱鍋爐由于受到轉(zhuǎn)爐吹煉時煙氣波動的影響,在整個冶煉周期(38min)內(nèi),只有吹煉期(16min)才有飽和蒸汽產(chǎn)生,同時由于吹煉期煙氣量的急劇變化,余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量也隨之急劇波動。因此為保證汽輪機進汽流量的連續(xù)性和穩(wěn)定性,設(shè)置了蓄熱器系統(tǒng)。在吹煉期內(nèi),余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽被引入蓄熱器內(nèi),蒸汽將蓄熱器內(nèi)的水加熱后并凝結(jié)成水,使蓄熱器內(nèi)水的焓值升高,這樣就完成了蓄熱器的充熱過程,同時供出飽和蒸汽;在非吹煉期,余熱鍋爐不生產(chǎn)蒸汽,調(diào)壓閥前的壓力不斷下降,蓄熱器中的飽和水降壓后迅速閃蒸,飽和水成為過熱水,立即沸騰而自然蒸發(fā),產(chǎn)生連續(xù)蒸汽,經(jīng)調(diào)壓后供汽輪機使用,這樣就完成了蓄熱器的放熱過程。經(jīng)調(diào)壓閥調(diào)壓至0.8MPa～1.3MPa的飽和蒸汽進入汽輪機,在汽輪機內(nèi)膨脹做功,驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。2飽和蒸汽的工藝設(shè)計飽和汽輪機作為轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備,由于工作介質(zhì)為飽和蒸汽,在級內(nèi)膨脹做功后濕度很大,因此在設(shè)計中均采用適用于飽和蒸汽機組的去濕技術(shù),除去大部分水分,減輕對部件的沖刷和應(yīng)力腐蝕,同時汽輪機在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面應(yīng)考慮以下兩方面問題:(1)通流部分設(shè)計飽和汽輪機通流部分采用現(xiàn)代全三維設(shè)計技術(shù),精心組織流場,合理匹配動靜葉片,采用光順的流道設(shè)計,提高汽輪機內(nèi)效率;采用高效率的葉片設(shè)計技術(shù),選用先進的后加載葉型,提高汽輪機內(nèi)效率,使之達到先進水平;由于飽和蒸汽含有不凝結(jié)氣體,因此在設(shè)計通流面積時,要予以適當(dāng)考慮,放大通流面積。(2)各部件材料選用雖然機組的壓力和溫度很低,應(yīng)力很小,但由于飽和蒸汽所攜帶的水份會對汽缸、隔板、葉片產(chǎn)生沖刷,會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。因此在飽和汽輪機設(shè)計中不但汽缸、隔板和轉(zhuǎn)子材料要選用合金鋼,而且進汽控制閥門也要選擇合適的閥門材料,以減輕腐蝕,同時由于飽和蒸汽蒸汽濕度大,末兩級葉片還要采用防水蝕措施。除了結(jié)構(gòu)設(shè)計外在工藝方案選型中還應(yīng)重點考慮以下3方面問題:①主蒸汽流量修正在汽輪機運行過程中,閥桿及前軸封漏汽,漏汽量大約為進汽流量的3%～5%。而且主蒸汽在汽輪機內(nèi)做功時部分蒸汽凝結(jié)成疏水,引起主蒸汽流量逐級降低,需進行主蒸汽流量修正,避免汽輪機組選型時裝機容量過大。②主蒸汽參數(shù)修正由于蓄熱器出口至汽輪機的主蒸汽管道的長度,決定了汽輪機的進汽參數(shù),因此在設(shè)計中應(yīng)考慮壓降與溫降。通常規(guī)定汽輪機進汽為濕蒸汽,主蒸汽干度x取0.995,以修正主蒸汽焓,進汽壓力根據(jù)管路阻力計算獲得。③排汽方式的選擇凝汽器按冷卻方式可分為水冷式凝汽器和空冷式凝汽器。由于傳統(tǒng)水冷方式耗水量大、占地面積大、運行費用高;而空冷方式非常節(jié)水、占地面積小、運行費用低,但在運行中凝汽器排汽壓力高。因此在工程建設(shè)前期應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際選定冷卻系統(tǒng),確定排汽壓力設(shè)計值范圍。3機組及放空系統(tǒng)汽輪機設(shè)備選型就是確定機組的裝機容量和型式。根據(jù)轉(zhuǎn)爐工藝中汽化冷卻及蓄熱系統(tǒng)的變工況蒸汽參數(shù),分別計算汽輪機組發(fā)電功率,科學(xué)地確定機組的裝機容量。避免出現(xiàn)選型設(shè)計中機組裝機容量過大,給企業(yè)增加額外的設(shè)備投資。3.1變量設(shè)計轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電系統(tǒng)通常配置中小容量飽和汽輪機組,各有關(guān)設(shè)計變量的選取參照設(shè)計手冊及現(xiàn)場運行經(jīng)驗獲取。(1)排水壓力排汽壓力參數(shù)取值如表1所示。(2)進汽壓力ri的選取參考文獻,汽輪機計算效率參量選取見表2。對于汽輪機內(nèi)效率ηri的取值,當(dāng)進汽壓力在0.8MPa～1.0MPa之間時取0.76,進汽壓力在1.1MPa～1.3MPa之間時取0.78;機械效率ηm取值0.96,發(fā)電機效率ηg取值0.95。(3)排水的干燥度通常對于凝汽式汽輪機在設(shè)計時排汽干度不低于0.92,而對于飽和蒸汽汽輪機排汽干度以不低于0.85為宜,在機組發(fā)電功率計算中需要校核。3.2計算機車發(fā)電功率轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐產(chǎn)生不連續(xù)、壓力不穩(wěn)定的蒸汽,通過變壓式蓄熱器和調(diào)壓閥把機組進汽壓力控制在0.8MPa～1.3MPa范圍內(nèi)。(1)冬季氣候特征由于受環(huán)境溫度的影響,飽和汽輪機一年四季的進汽量也就各不相同。冬季環(huán)境溫度低,部分飽和蒸汽用于采暖,汽輪機的進汽量最小;夏季環(huán)境溫度高,汽輪機的進汽量最大。根據(jù)唐鋼一煉鋼和二煉鋼的生產(chǎn)工況的變化,進行蒸汽流量的測試,參數(shù)測試值如表3所示。(2)濕蒸汽的計算根據(jù)汽輪機的排汽冷卻方式、設(shè)計變量的選取值及測試的蒸汽流量分別計算汽輪機組的各工況發(fā)電功率。計算方法如下:第一步:根據(jù)主蒸汽壓力p,由水蒸氣表查得飽和蒸汽焓和飽和水焓;按公式h0=hqx+hs(1-x)計算出進入汽輪機的濕蒸汽焓(見表4)。第二步:主蒸汽壓力取某一定值(0.8MPa～1.3MPa)時,當(dāng)排汽壓力變化時,其變化過程為定熵過程。根據(jù)水蒸汽表可查得與排汽壓力相對應(yīng)的理論排汽焓hct,從而可求出定熵比焓降Δht、根據(jù)ηri=ΔhiΔhtηri=ΔhiΔht,可確定有效比焓降Δhi,進而求出實際排汽焓hc(見表5)。第三步:根據(jù)汽輪機功率方程式,計算飽和汽輪機的發(fā)電功率。Pe=cDD′(h0?hc)3.6ηmηgΡe=cDD′(h0-hc)3.6ηmηg式中,Pe為發(fā)電機輸出功率;cD為實際做功蒸汽流量修正系數(shù),取0.95。3.3德國耶茨克的德國考(1)進汽壓力對從發(fā)電功率的影響在額定蒸汽流量75t/h、干度0.995的情況下,分析不同排汽壓力下的飽和汽輪機發(fā)電功率隨進汽壓力的變化規(guī)律。由圖2、圖3可知,蒸汽流量一定時,飽和汽輪機的發(fā)電功率隨著進汽壓力的增加而增大,且變化幅度近似相等。在相同的進汽壓力下,水冷機組的發(fā)電功率比空冷機組高,而且隨著排汽壓力的增加發(fā)電功率逐漸減小。(2)進汽壓力對冷水機發(fā)電功率的影響在排汽壓力16kPa和32kPa的情況下,分析不同流量(45t/h、75t/h、80t/h)下的飽和汽輪機發(fā)電功率隨進汽壓力變化的規(guī)律。一定排汽壓力下,飽和汽輪機的發(fā)電功率隨著進汽壓力的增大而增大,如圖4、圖5所示。在流量80t/h、進汽壓力0.8MPa時,排汽壓力為16kPa時的汽輪機發(fā)電功率比排汽壓力32kPa時大1.4MW。即在相同的進汽壓力時,隨著排汽壓力增加,汽輪機的發(fā)電功率逐漸減小。(3)u3000同進汽壓力下大機組發(fā)電功率的確定在進汽壓力0.8MPa和1.2MPa的情況下,分析不同流量(45t/h、75t/h、80t/h)下的飽和汽輪機發(fā)電功率隨排汽壓力的變化規(guī)律。由圖6、圖7分析得,進汽壓力一定時,飽和汽輪機的發(fā)電功率隨著排汽壓力的增大而減小,且減小幅度近似相等。在進汽壓力0.8MPa、排汽壓力8kPa時,流量為80t/h的工況下汽輪機發(fā)電功率大于進汽壓力0.8MPa、排汽壓力8kPa時,流量為75t/h的工況。即當(dāng)排汽壓力不變時,主蒸汽流量越大則發(fā)電功率就越大,且在同一蒸汽流量下,進汽壓力越高,發(fā)電功率越大。轉(zhuǎn)爐余熱發(fā)電系統(tǒng)蒸汽只有一種壓力,通常選用凝汽式汽輪機,而汽輪機組裝機容量要兼顧熱源工況而定。通過對空冷機組和水冷機組不同工況發(fā)電功率的計算,可知,同一進汽壓力下,蒸汽流量越大,發(fā)電功率越大。經(jīng)分析,在額定蒸汽流量為75t/h和進汽壓力為1.0MPa工作條件下,對于空冷汽輪機組裝機容量確定為9MW,對于水冷汽輪機組確定為10MW。4機組的運行及選型工作轉(zhuǎn)爐蓄熱器