結余熱發電系統熱力參數優化關鍵問題討論

安亞利

摘 要：在燒結余熱發電系統熱力參數優化過程中，發電系統熱力參數優化模型、余熱鍋爐排煙溫度優化模型、余熱鍋爐動態關聯參數的確定等關鍵問題決定著發電系統的靜態及動態性能。文章以某鋼鐵公司燒結余熱發電雙壓循環熱力參數優化過程為例對上述關鍵問題進行了討論。

關鍵詞：燒結；余熱發電；熱力參數優化

前言

文章以某鋼鐵公司燒結余熱發電雙壓循環熱力參數優化過程為例，對燒結余熱發電系統熱力參數的優化提供參考。

1 燒結余熱發電雙壓熱力循環工藝流程及基礎數據

燒結余熱發電雙壓熱力循環方式是指余熱鍋爐產生中壓及低壓兩組蒸汽分別進入蒸汽輪機主汽口及補汽口做功的循環方式。圖1為某鋼鐵公司燒結余熱發電雙壓熱力循環工藝流程圖。余熱鍋爐內受熱面布置情況自上至下依次是：中壓過熱器、中壓蒸發器、一級中壓省煤器、低壓蒸發器和二級中壓省煤器。

1.燒結礦冷卻機；2.廢氣收集裝置；3.雙壓余熱鍋爐；4.蒸汽輪機；5.發電機；6.凝汽器；7.循環水泵；8.冷卻塔；9.凝結水泵；10.除氧器；11.低壓給水泵；12.高壓給水泵；13.引風機；14.補水泵

圖1 燒結余熱發電雙壓循環系統

本燒結余熱發電系統的余熱源為燒結冷卻機廢氣，氣體性質為空氣。余熱源基礎參數經實測獲得：采用60%廢氣循環時，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。在汽輪機中，主汽由主汽口進入并膨脹做功，副汽分成兩路，一路作為除氧器熱源，一路經補汽口進入汽輪機與主汽混合膨脹做功，做功后的乏汽經冷凝、除氧后重新進入余熱鍋爐繼續吸熱產生蒸汽，完成水循環。廢氣進入余熱鍋爐進行熱交換，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礦的冷卻介質，吸熱后回到余熱鍋爐，完成煙氣循環。

2 燒結余熱雙壓發電系統熱力參數優化模型

2.1 熱力參數優化目的

燒結余熱發電系統熱力參數優化的目的，是尋找在保證燒結余熱發電系統穩定性、安全性前提下，得出發電系統年凈發電量最佳熱力參數匹配方案。蒸汽參數優化模型的目標函數是在穩定、安全邊界條件控制下的發電系統年發電量，參變量為主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、副蒸汽溫度、副蒸汽壓力。穩定性邊界條件包括熱端溫差、窄點溫差、接近點溫差等發電系統動態特性關聯參數，安全性邊界條件為乏汽干度參數。

2.2 熱力參數優化的約束條件

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

2.3 熱力參數優化模型

2.3.1 蒸汽參數優化模型邊界條件

發電系統穩定性邊界條件的取值范圍：熱端溫差，30-35℃，窄點溫差，20-25℃，接近點溫差，10-20℃，發電系統安全性邊界條件：乏汽干度，大于0.86。

2.3.2 蒸汽參數優化方法

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

2.3.3 蒸汽參數優化結果

副氣壓力越低凈年發電量越高，但是低于0.45MPa的壓力受到二級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。

3 關鍵問題討論

3.1 余熱鍋爐排煙溫度優化模型

利用余熱鍋爐排煙代替常溫空氣冷卻燒結礦可以提高帶冷機排煙溫度和循環效率。余熱鍋爐排煙溫度與入爐廢氣溫度具有復雜關聯的特性，余熱鍋爐排煙溫度降低的同時，其入爐廢氣溫度也隨之降低。分析得出：排煙（冷卻介質）增加10℃循環后進入余熱鍋爐的入口煙氣溫度提高5℃。下邊對此問題進行討論分析：

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

對應的廢氣排煙溫度為180℃、176℃、170℃、166℃、160℃、156℃、150℃。

由上述數據可以看出入口煙氣溫度越低反而發電量越高，但是同時，低壓部分窄點溫差在逐漸降低，在400℃-160℃時，低壓部分窄點溫差為20℃左右，但當395℃-150℃時，窄點溫差為6.85℃，不滿足窄點溫差（下面我們將提到允許最小窄點溫差）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 余熱鍋爐動態關聯參數的確定

3.2.1 窄點溫差和接近點溫差的確定

接近點溫差增加時，余熱鍋爐的總傳熱面積會增加。這是由于接近點溫差增加會引起省煤器的對數平均溫差增加，即省煤器的傳熱面積會減小。但蒸發器的對致平均溫差減小較多，即蒸發器的傳熱面積增大較多，而過熱器的傳熱面積卻保持不變，導致總的傳熱面積會增加，則余熱鍋爐投資費用增加，但是同時年發電量也隨著接近點溫差的增加而增加。實際運行中為了防止在低負荷或啟動期間省煤器內可能發生汽化現象，往往將接近點溫差取的大一些。

窄點溫差與接近點溫差是一對相互關聯的余熱鍋爐設計指標，應通過聯合優化來確定。

最后綜合考慮，經過計算以及參考其他文獻，文章取窄點溫差20℃，接近點溫差20℃。

3.2.2 熱端溫差的確定

傳統的燒結余熱發電系統熱力參數優化方法中，熱端溫差的取值考慮系統的發電量及過熱其造價兩方面經濟性因素，一般取20℃左右。但這樣的取值方法明顯不符合燒結余熱發電廢氣溫度波動的特點，例如當入爐廢氣溫度降低30℃時，將有部分過熱器受熱面失去作用，導致蒸汽溫度下降幅度高達25℃，從而導致發電系統被迫停機。在本優化模型中，經計算比較，熱端溫差取值為30℃。

4 結束語

在燒結余熱發電系統熱力參數優化過程中，文章通過對余熱鍋爐排煙溫度優化模型、余熱鍋爐動態關聯參數的確定等關鍵問題的研究，可以得出結論：（1）燒結余熱發電雙壓系統熱力參數優化結果：主氣壓力為2.7MPa、副氣壓力為0.45MPa。（2）余熱鍋爐排煙溫度優化模型得出結論：入口煙溫在400℃，排煙溫度在160℃時為最佳煙風循環溫度。（3）余熱鍋爐動態關聯最佳參數為：接近點溫差20℃，窄點溫差20℃，熱端溫差為30℃。

參考文獻

[1]林勇虎，等.余熱鍋爐最小溫差與接近溫差的選擇[J].燃氣輪機，1998.

[2]徐傳海.PG658 1B型燃機余熱鍋爐點溫差與接近點溫差的聯合優化[J].熱機技術，2003.

[3]王江峰，等.中低溫余熱發電技術及其在水泥生產中的應用[J].節能，2007.