利用冶煉中高溫?zé)煔膺M(jìn)行余熱發(fā)電

□文/劉穎 姚文力

沈陽(yáng)有色冶金設(shè)計(jì)研究院

利用冶煉中高溫?zé)煔膺M(jìn)行余熱發(fā)電

Waste Heat Power Generating by Using High-Temperature Gas During the Process of Smelting

□文/劉穎 姚文力

沈陽(yáng)有色冶金設(shè)計(jì)研究院

本文介紹了二次利用冶煉生產(chǎn)中高溫?zé)煔猓ㄟ^(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽帶動(dòng)抽汽凝汽式飽和蒸汽透平汽輪發(fā)電組，進(jìn)行余熱發(fā)電的過(guò)程。該項(xiàng)目的模式使能源得到充分利用，符合國(guó)家要求低碳環(huán)保節(jié)能減排方針。進(jìn)一步提高企業(yè)社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

余熱是在一定經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，在能源利用設(shè)備中沒(méi)有被利用的能源，也就是多余、廢棄的能源。它包括高溫廢氣余熱、冷卻介質(zhì)余熱、廢汽廢水余熱、高溫產(chǎn)品和爐渣余熱、化學(xué)反應(yīng)余熱、可燃廢氣廢液和廢料余熱以及高壓流體余壓等七種。根據(jù)調(diào)查，各行業(yè)的余熱總資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60%。赤峰富邦銅業(yè)有限責(zé)任公司建成的銅冶煉廠余熱發(fā)電機(jī)組工程項(xiàng)目，銅冶煉廠生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)所排放的高溫?zé)煔饧右允占⒗茫褂酂徨仩t產(chǎn)生的蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，所發(fā)的電與廠內(nèi)電并網(wǎng)。本文對(duì)該工程可行性、硬件選擇、工藝生產(chǎn)流程及技術(shù)條件進(jìn)行充分的論述。

一、余熱回收系統(tǒng)

赤峰富邦銅業(yè)有限責(zé)任公司年產(chǎn)10萬(wàn)噸銅冶煉廠。側(cè)吹爐煙氣帶動(dòng)一臺(tái)產(chǎn)汽18t/h余熱式蒸汽鍋爐，二臺(tái)轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生煙氣各帶動(dòng)一臺(tái)產(chǎn)汽9t/h余熱式蒸汽鍋爐，蒸汽總量36t/h。

余熱蒸汽鍋爐參數(shù):

(1) 蒸汽壓力: 4.2 MPa；(2) 蒸汽溫度: 255 ℃。

二、余熱利用

針對(duì)余熱蒸汽鍋爐參數(shù)選擇抽汽凝汽式飽和蒸汽透平汽輪發(fā)電機(jī)組。透平發(fā)機(jī)組具有高效率、高穩(wěn)定性和高可靠性等顯著特點(diǎn)。透平殼體采用水平剖分設(shè)計(jì)，方便機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子、軸承等部件的安裝和維護(hù)。轉(zhuǎn)子采用多極葉片設(shè)計(jì)，提高效率，減少水蝕，增加穩(wěn)定性和使用壽命。軸承間設(shè)計(jì)，顯著提高轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，并可適應(yīng)重載工況。獨(dú)立齒輪箱設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)高載荷穩(wěn)定、安全和高效率運(yùn)行。

入口電液多閥控制，適應(yīng)較大的蒸汽波動(dòng)，透平發(fā)電機(jī)組蒸汽波動(dòng)適應(yīng)量并網(wǎng)運(yùn)行可達(dá)到入口流量的5%～7%。

機(jī)組應(yīng)用蒸汽參數(shù):

(1) 入口蒸汽壓力: 4.2 MPa( a) ;

(2) 入口蒸汽流量: 36t/h;

(3) 入口蒸汽溫度: 飽和溫度;

(4) 抽汽壓力: 0.6 MPa(a) ;

(5) 抽汽流量: 正常－14.46t/h，最小－0t/h。

余熱蒸汽通過(guò)抽汽凝汽式飽和蒸汽透平發(fā)電機(jī)組，高壓蒸汽通過(guò)高壓透平機(jī)做功減溫減壓后，又根據(jù)廠區(qū)用汽情況靈活抽汽用于其他低壓用汽單元。剩余蒸汽繼續(xù)進(jìn)入低壓透平機(jī)做功。高、低壓透平機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，做功后的乏汽進(jìn)入冷凝器轉(zhuǎn)變成為凝結(jié)水并回收，以達(dá)到降低企業(yè)生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。機(jī)組運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1，發(fā)電機(jī)參數(shù)表見(jiàn)表2。

三、熱力系統(tǒng)

(1) 全部(4.2 MPa) 蒸汽進(jìn)入高壓透平機(jī)做功發(fā)電后，部分低壓蒸汽(0.6MPa) 通過(guò)控制抽汽功能供往低壓蒸汽管線，依需要供其他用汽單位使用，剩余的蒸汽進(jìn)入低壓汽輪機(jī)繼續(xù)做功發(fā)電，最后乏汽進(jìn)入冷凝器轉(zhuǎn)變成凝結(jié)水回收返回鍋爐水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。參見(jiàn)圖1熱力系統(tǒng)示意圖。

(2) 蒸汽系統(tǒng)

主蒸汽系統(tǒng)是從各余熱蒸汽鍋爐蒸汽管道出口形成主蒸汽母管道，再由蒸汽母管分支接入汽輪機(jī)蒸汽入口管道。

(3) 主給水系統(tǒng)

主給水系統(tǒng)從鍋爐給水泵出口至鍋爐省煤器之間的管路。

(4) 給水除氧及補(bǔ)給水系統(tǒng)

為了保證鍋爐給水水質(zhì)，鍋爐給水來(lái)自現(xiàn)有化學(xué)水處理車間，并經(jīng)除氧器加熱氧后進(jìn)入鍋爐給水泵。

(5) 凝結(jié)水系統(tǒng)

凝汽器的乏汽經(jīng)冷卻后產(chǎn)生的凝結(jié)水，經(jīng)凝結(jié)水泵加壓后送至除氧器。

(6) 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

是將凝汽器中的乏汽進(jìn)行間接循環(huán)冷卻，循環(huán)冷卻系統(tǒng)包括冷卻塔及循環(huán)水泵，冷卻塔采用機(jī)力通風(fēng)式。

(7) 除灰渣系統(tǒng)

鍋爐產(chǎn)生的渣，通過(guò)溜渣管排至除渣機(jī)，經(jīng)排渣機(jī)冷卻后排至室外。

(8) 煙氣收塵及冷卻系統(tǒng)

通常采用二級(jí)收塵一級(jí)冷卻，第一級(jí)采用旋風(fēng)除塵再經(jīng)煙氣表面冷卻器，冷卻后的煙氣進(jìn)入第二級(jí)電收塵器處理達(dá)標(biāo)排放。

余熱發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用在滿足廠區(qū)蒸汽合理應(yīng)用的同時(shí)，更可獲得發(fā)電和回收凝結(jié)水雙重經(jīng)濟(jì)效益。從環(huán)境保護(hù)及能源節(jié)約和回收利用的角度，選擇抽汽凝汽式透平發(fā)電機(jī)組可利用余熱蒸汽發(fā)電，同時(shí)靈活適應(yīng)廠區(qū)蒸汽的使用要求，并回收凝結(jié)水，節(jié)約用水同時(shí)節(jié)省了水處理費(fèi)用，為企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)成為企業(yè)節(jié)能環(huán)保的亮點(diǎn)工程。

蒸汽透平發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)完善，機(jī)組為全自動(dòng)運(yùn)行、自我保護(hù)完善，機(jī)組運(yùn)行高效穩(wěn)定。

四、控制系統(tǒng)及構(gòu)成

現(xiàn)在電站自控系統(tǒng)普遍采用分散控制系統(tǒng)(DCS)，本項(xiàng)目采用SIEM ENS 公司SIMATIC PCS7集散控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)自備電站的儀表、電氣、DCS 控制系統(tǒng)的完整統(tǒng)一和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。PCS7 是一種模塊化的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的新一代過(guò)程控制系統(tǒng)，結(jié)合了傳統(tǒng)DCS 和PLC 控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)的所有硬件都基于統(tǒng)一的硬件平臺(tái)；所有軟件也都全部集成在SIM ATIC 程序管理器下。系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)。設(shè)置于電站的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)( DCS) 由現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和中央控制級(jí)組成。根據(jù)電站的特點(diǎn)，在位于汽輪機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層的電站中央控制室內(nèi)設(shè)置I /O 模件機(jī)柜，采集所有來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)并輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)完成電動(dòng)機(jī)順序邏輯控制、工藝過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)與監(jiān)控，以及PID 串級(jí)、多變量復(fù)雜控制等。中央監(jiān)控級(jí)設(shè)1個(gè)工程師工作站和2個(gè)監(jiān)控操作站，分別由監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)、液晶顯示器和打印機(jī)等組成。

具體硬件: 采用七個(gè)過(guò)程控制機(jī)柜——lAPL－7APL。lAPL為電源柜，2APL－6APL為M CC 柜，7APL 為DCS柜。7APL柜內(nèi)安裝一套冗余過(guò)程控制器AS4142DP及主I/O機(jī)架，處理汽輪發(fā)電機(jī)組和熱管鍋爐部分的測(cè)點(diǎn)和調(diào)節(jié)回路。使用5~12 個(gè)ET200M 遠(yuǎn)程控制機(jī)架安裝各種I/O模塊。總信號(hào)表如表3 所示。

過(guò)程狀態(tài)監(jiān)控管理設(shè)備為2臺(tái)OS站(操作員站)，1臺(tái)ES站( 工程師站)。

整個(gè)的網(wǎng)絡(luò)分為下層控制網(wǎng)、上層管理網(wǎng)。下層控制網(wǎng)采用同軸屏敝電纜，通過(guò)每個(gè)ET200M 上的IM 153 －1通訊卡、帶ProfibusDP/PA接口的過(guò)程儀表、變頻器與AS4142DP控制器互相連接，用于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、處理和控制器的通訊，為Profibus－DP現(xiàn)場(chǎng)通訊網(wǎng)。上層管理網(wǎng)通過(guò)OS 站、ES 站和控制器上的CP443－5通訊卡相連接，操作員站、工程師站可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)視、控制和管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，并能過(guò)OS 站、ES站上的D－LINK 網(wǎng)卡連接，主要實(shí)現(xiàn)工程師和操作員站之間文件管理、拷貝。

PCS7系統(tǒng)控制策略組態(tài): 對(duì)于被控對(duì)象而言，基本上只用梯形圖和CFC 程序組態(tài)。PCS7 將許多邏輯、運(yùn)算功能形成功能塊，在進(jìn)行程序組態(tài)時(shí)，如需用到某種邏輯、運(yùn)算功能，就可在系統(tǒng)的功能塊庫(kù)中找到與之相應(yīng)的功能塊，將其直接拖放至CFC組態(tài)畫面即可。用戶還可利用PCS7提供的一種類PASICAL 語(yǔ)言的SCL 程序結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言自定義特殊功能塊，并存在功能塊庫(kù)中，隨意調(diào)用。

系統(tǒng)配置及功能: 設(shè)置于電站的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(DCS)由現(xiàn)場(chǎng)級(jí)及中央控制級(jí)組成。根據(jù)電站的特點(diǎn)，在位于汽輪機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層的電站中央控制室內(nèi)設(shè)置I/O模件機(jī)柜，采集所有來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)并輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)完成電動(dòng)機(jī)順序邏輯控制、工藝過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)與監(jiān)控，以及PID串級(jí)、多變量復(fù)雜控制等。中央監(jiān)控級(jí)設(shè)1個(gè)工程師工作站和2個(gè)監(jiān)控操作站，分別由監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)、液晶顯示器和打印機(jī)等組成。監(jiān)控操作站的功能包括動(dòng)態(tài)參數(shù)的熱力系統(tǒng)及工藝流程圖顯示、動(dòng)機(jī)開(kāi)/停操作和運(yùn)行狀態(tài)顯示、形圖顯示、歷史趨勢(shì)曲線的顯示、報(bào)警狀態(tài)的顯示、報(bào)警狀態(tài)及運(yùn)行報(bào)告的打印等。

本系統(tǒng)是一個(gè)控制功能分散控制、集中監(jiān)視和管理的控制系統(tǒng)，電站中控室取消了常規(guī)模擬儀表盤和模擬流程圖，代之以大屏幕彩色圖形顯示器，更便于運(yùn)行人員監(jiān)視和操作，同時(shí)大大縮小了中控室的建筑面積。此外系統(tǒng)中還采用了面向過(guò)程的語(yǔ)言，硬件均為模塊化，使整個(gè)系統(tǒng)的操作與維護(hù)更加簡(jiǎn)便，為防止數(shù)據(jù)丟失和電源干擾，系統(tǒng)采用UPS供電，保證了運(yùn)行的可靠性。

五、結(jié)語(yǔ)

冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓瑢⑵錈崮芡ㄟ^(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽再帶動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，能有效提高二次能源的綜合利用率，最大的節(jié)約能源降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。整個(gè)發(fā)電工藝過(guò)程不需要任何燃料，不對(duì)外界排放任何的污染物，并且能降低排氣的溫度，是節(jié)能減排、降低企業(yè)生產(chǎn)成本比較有效的途徑之一。此類型的余熱發(fā)電模式符合國(guó)家的有關(guān)規(guī)定政策低碳、節(jié)能、環(huán)保方針，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。余熱發(fā)電是利國(guó)、利民、利于和促進(jìn)企業(yè)和諧發(fā)展、科學(xué)發(fā)展的多贏工程項(xiàng)目。

略