轉(zhuǎn)爐煙道蒸汽余熱發(fā)電在濟(jì)鋼煉鋼廠的實(shí)現(xiàn)

周榮

山鋼集團(tuán)濟(jì)鋼煉鋼廠 250101

轉(zhuǎn)爐煙道蒸汽余熱發(fā)電在濟(jì)鋼煉鋼廠的實(shí)現(xiàn)

周榮

山鋼集團(tuán)濟(jì)鋼煉鋼廠 250101

本文簡要介紹了轉(zhuǎn)爐煙道蒸汽余熱發(fā)電的主要工作原理、主要設(shè)備和控制系統(tǒng)，以及經(jīng)濟(jì)效益。對鋼鐵企業(yè)的能源綜合利用有一定的借鑒意義。

轉(zhuǎn)爐;煙道蒸汽余熱發(fā)電;蓄能器;汽輪機(jī);發(fā)電機(jī)

濟(jì)鋼一煉鋼有45t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐4座，每臺轉(zhuǎn)爐裝有汽化冷卻煙道一座，組成一個(gè)獨(dú)立的蒸汽發(fā)生器。轉(zhuǎn)爐煙道蒸汽壓力低、濕度大、不連續(xù)，難以利用，除了冬季供生活區(qū)暖氣，其余季節(jié)除了供本廠職工浴池外，大部分熱能被浪費(fèi)。為更加有效利用低品位余熱資源，濟(jì)鋼煉鋼廠在不改變原有煉鋼工藝、不影響煉鋼生產(chǎn)的前提下，于07年1月實(shí)施轉(zhuǎn)爐煙道余熱蒸氣發(fā)電項(xiàng)目，為濟(jì)鋼創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

一、轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備

轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)采用汽化冷卻煙道余熱產(chǎn)生的低壓飽和蒸汽直接發(fā)電，系統(tǒng)簡單，安全性高，可靠性好，不須補(bǔ)充其他燃料或能源，易于運(yùn)行操作。轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)流程簡圖如圖一所示，整個(gè)系統(tǒng)可分為煙道蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)、蓄能系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等。

圖一、轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)流程圖

1、煙道蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐煙道是轉(zhuǎn)爐煉鋼的重要設(shè)備，它起著收集、輸送、冷卻轉(zhuǎn)爐冶煉過程中產(chǎn)生的煙氣等多方面的作用。轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)的功能是收集轉(zhuǎn)爐冶煉過程中的高溫?zé)煔獠⑵淅鋮s以滿足除塵及煤氣回收的要求；保證轉(zhuǎn)爐煉鋼安全生產(chǎn)的同時(shí)，生產(chǎn)蒸汽回收大量熱能以供使用，降低轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)成本。配合煙道蒸汽余熱發(fā)電，煙道蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)在原有的汽化冷卻煙道的基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)，提高了汽包的工作壓力，以提高蒸汽產(chǎn)量和干度，滿足發(fā)電需要。煙道余熱蒸汽的壓力隨轉(zhuǎn)爐冶煉生產(chǎn)節(jié)奏而波動(dòng)，一般在0.4～1.6 MPa。

2、蓄能系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐煙道產(chǎn)生的蒸汽是周期性、不連續(xù)的，四座轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的蒸汽全部送至蒸汽母管進(jìn)入蓄能器。當(dāng)母管中新蒸汽壓力高于蓄能器的飽和壓力時(shí)，部分新蒸汽進(jìn)入蓄能器儲存起來以使蒸汽壓力不過快上升。當(dāng)母管中新蒸汽壓力低于蓄能器中的飽和壓力時(shí)，蓄能器則產(chǎn)生二次蒸汽補(bǔ)充到蒸汽母管中以維持母管中的蒸汽壓力不要過快下降。蓄能器通過上述機(jī)制和調(diào)壓閥配合，實(shí)現(xiàn)蒸汽的穩(wěn)壓和穩(wěn)流。蓄能器輸出的蒸氣壓力：1.0 MPa，蓄能器輸出的最大氣流量：34 t/h。

3、蒸汽發(fā)電系統(tǒng)

汽輪機(jī)是發(fā)電系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)，它把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

汽輪機(jī)是特殊非標(biāo)汽輪機(jī)。該機(jī)具有級間再熱除濕功能，適合利用飽和濕蒸汽發(fā)電。汽輪機(jī)采用沖動(dòng)式結(jié)構(gòu)，有一個(gè)速度級和七個(gè)壓力級，在第二壓力級后裝有級間再熱除濕裝置。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，與發(fā)電機(jī)用剛性聯(lián)軸器直接相聯(lián)。

機(jī)組采用小島式雙層布置方式。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用目前國內(nèi)中小型汽輪機(jī)普遍使用的美國WORDWOOD公司進(jìn)口原裝505型電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制功能齊全，安全可靠。

發(fā)電機(jī)將汽輪機(jī)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈的絕緣材料采用F級絕緣。定子線圈槽內(nèi)固定及繞組端部綁扎工藝?yán)慰浚瞬坎扇∵m調(diào)峰運(yùn)行的技術(shù)措施。定子鐵芯端部結(jié)構(gòu)如壓指、壓圈等采用無磁性材質(zhì)，并采取有效的屏蔽措施，避免產(chǎn)生局部過熱。

4、凝氣系統(tǒng)

凝氣系統(tǒng)是凝汽式汽輪機(jī)的一個(gè)重要組成部分。主要由凝汽器、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、射水抽氣器和管道附件等組成。凝氣系統(tǒng)工作性能的好壞，直接影響到整個(gè)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性和可靠性。凝氣系統(tǒng)采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水的補(bǔ)充水源由濟(jì)鋼動(dòng)力廠供應(yīng)。冷凝器，冷油器、發(fā)電機(jī)空氣冷卻器的冷卻水以及射水池的補(bǔ)充水由本循環(huán)冷卻水系統(tǒng)供應(yīng)。電動(dòng)冷凝水泵配置兩臺，一臺運(yùn)行，一臺備用。冷凝水泵將冷凝水送至為轉(zhuǎn)爐汽化冷卻供水的軟水池，實(shí)現(xiàn)軟化水的回收利用。

二、轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電控制系統(tǒng)采用以微機(jī)混合型分散控制系統(tǒng)（DCS）為核心，并配合專用的控制裝置，包括汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、汽輪機(jī)監(jiān)視儀表系統(tǒng)（TSI）、汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)（ETS），組成先進(jìn)的完善的控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)主要功能：

1）機(jī)組啟停，正常運(yùn)行或異常工況下，自動(dòng)檢測運(yùn)行工況進(jìn)行顯示，報(bào)警/打印，制表，提供信息，積累數(shù)據(jù)。

2）機(jī)組啟動(dòng)和正常運(yùn)行時(shí)，適時(shí)投入各閉環(huán)控制系統(tǒng)，自動(dòng)控制各種參數(shù)。

3）機(jī)組啟停或事故狀態(tài)時(shí)，能自動(dòng)切投設(shè)備和系統(tǒng)，使機(jī)組處于有利的工況下運(yùn)行，并保護(hù)設(shè)備不受損害。

4）在機(jī)組事故跳閘時(shí)，自動(dòng)檢測出發(fā)生事故的首要原因和主要設(shè)備跳閘先后次序，能自動(dòng)追憶打印跳閘前后一段時(shí)間里有關(guān)的主要參數(shù)，以便分析發(fā)生事故的詳細(xì)原因和事故危害程度。

5）根據(jù)操作員指令，自動(dòng)完成局部工藝流程的順序控制，聯(lián)動(dòng)操作。

6）在線進(jìn)行機(jī)組性能、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算分析，提供運(yùn)行操作指導(dǎo)。

下面分別說明各控制系統(tǒng)的功能：

圖二 轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)DCS配置框圖

1、混合型分散控制系統(tǒng)（DCS）

DCS 是一種“混合型”系統(tǒng)，它兼具有PLC系統(tǒng)的開放性和傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)在模擬量控制方面的優(yōu)勢。DCS選用新一代開放型分散控制系統(tǒng)，它提供了一整套完整的、應(yīng)用高級控制策略完成過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)、文檔、實(shí)施和維護(hù)的工具。DCS分散控制系統(tǒng)具有易于開發(fā)、易于擴(kuò)展、易于維護(hù)等特點(diǎn)。

在轉(zhuǎn)爐煙道蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)中，DCS控制系統(tǒng)采用高性能冗余控制器，控制器與上位機(jī)間采用冗余工業(yè)以太網(wǎng)，I/O與控制器間采用高抗干擾能力的Genius網(wǎng)絡(luò)。轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)DCS配置簡圖如圖二所示。DCS控制系統(tǒng)還有強(qiáng)大的自診斷功能，當(dāng)檢出故障時(shí)，一方面發(fā)出的故障報(bào)警信號，指出故障地點(diǎn)或設(shè)備代碼；另一方面切除故障設(shè)備的工作，投入冗余配置設(shè)備運(yùn)行。DCS實(shí)現(xiàn)對汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及輔助系統(tǒng)的啟動(dòng)、停機(jī)、運(yùn)行監(jiān)視控制和管理等功能。

機(jī)組的DCS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍如下：

1）蒸汽系統(tǒng)控制

2）汽機(jī)控制

3）發(fā)變電及機(jī)組廠用電控制

4）輔助公用系統(tǒng)控制

5）電氣公用系統(tǒng)控制

2、汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)

采用WOODWARD公司生產(chǎn)的505E電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)完成對汽機(jī)本體的監(jiān)視和控制。汽輪機(jī)配置的是WOODWARD的，它的主要功能有：

1）自動(dòng)/手動(dòng)啟動(dòng)

2）同期

3）并網(wǎng)和初負(fù)荷控制

4）功率控制

5）入口壓力控制

6）功頻控制器

7）甩負(fù)荷功能

8）超速試驗(yàn)

3、汽輪機(jī)監(jiān)視儀表（TSI）

汽輪機(jī)制造廠家還配置了測量轉(zhuǎn)速、熱膨脹、軸承振動(dòng)、軸向位移、油箱油位及冷凝器熱井水位的儀表裝置，構(gòu)成了較完整可靠的控制系統(tǒng)。當(dāng)參數(shù)超過定值時(shí)，輸出信號作為記錄和報(bào)警，重要參數(shù)超限時(shí)輸出停機(jī)信號至ETS裝置。

4、汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）

系統(tǒng)配置了一套由常規(guī)繼電器組成的緊急停機(jī)保護(hù)系統(tǒng)(ETS)，以確保停機(jī)的可靠性。

ETS系統(tǒng)能監(jiān)控汽機(jī)監(jiān)視儀表（TSI）系統(tǒng)中的參數(shù)，當(dāng)這些參數(shù)超過了運(yùn)行極限值時(shí)，關(guān)閉汽機(jī)進(jìn)汽閥。

ETS系統(tǒng)接受所有汽機(jī)跳閘接點(diǎn)輸入，發(fā)出跳閘信號，并實(shí)現(xiàn)跳閘試驗(yàn)功能。

ETS系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)中的PLC功能模塊實(shí)現(xiàn)，跳閘信號采用冗余配置。

測量出的參數(shù)通過數(shù)據(jù)處理后能換算成以mA單位輸出和打印記錄。

三、轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)主要經(jīng)濟(jì)效益

轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)主要經(jīng)濟(jì)效益可從發(fā)電量和節(jié)約軟水兩方面計(jì)算：

1、噸鋼發(fā)電量

濟(jì)鋼余熱蒸汽發(fā)電項(xiàng)目于07年初投產(chǎn)，但由于配套的四座轉(zhuǎn)爐煙道和汽化冷卻系統(tǒng)沒有全部實(shí)施，蒸汽壓力低， 2007年累計(jì)發(fā)電量達(dá)2284萬KWh；08年下半年1#爐役后，濟(jì)鋼一煉鋼全面完成四座轉(zhuǎn)爐蒸汽發(fā)電配套的汽包煙道改造，除少部分蒸汽為保證汽包安全放散外，大部分蒸汽全部回收，蒸汽發(fā)電供汽壓力提高，發(fā)電指標(biāo)明顯提高。08年余熱蒸汽發(fā)電量實(shí)現(xiàn)8.609 kWh/t.G；09年余熱蒸汽發(fā)電量達(dá)到9.117 kWh/t.G；10年前11個(gè)月蒸汽發(fā)電為9.81kWh/t.G。

2、回收軟水量

轉(zhuǎn)爐煙道蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)中，汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器后，在凝汽器內(nèi)把熱量傳遞給循環(huán)水而凝結(jié)成水，冷噸水泵將冷凝水送至為轉(zhuǎn)爐汽化冷卻供水的軟水池，通過軟水泵將蒸汽凝結(jié)水送回到汽包，實(shí)現(xiàn)了軟水的循環(huán)利用和軟水的零排放，每小時(shí)回收軟水約28噸，每月可回收軟水20160噸。

四、結(jié)束語

濟(jì)鋼第一煉鋼廠4×45t轉(zhuǎn)爐煙道余熱發(fā)電系統(tǒng)是國內(nèi)首例利用轉(zhuǎn)爐煙道汽化冷卻蒸汽進(jìn)行發(fā)電的節(jié)能減排項(xiàng)目，為一煉鋼創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，成為總公司發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色品牌的亮點(diǎn)。隨著濟(jì)鋼老產(chǎn)線的停產(chǎn)，轉(zhuǎn)爐煙道蒸汽余熱發(fā)電項(xiàng)目也面臨著關(guān)停的問題，但該系統(tǒng)自投產(chǎn)以來經(jīng)歷了四年的運(yùn)行，可以為其他企業(yè)的能源綜合利用提供一定的借鑒。

[1]國電太原第一熱電廠.汽輪機(jī)及輔助設(shè)備.中國電力出版社

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.04.002