黃娟 任曉強 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)濟效益的主要方式之一。由于中小功率、中高參數(shù)等級汽輪機基本型式多樣、通流部分熱力設(shè)計多為非標準設(shè)計，所以循環(huán)熱力系統(tǒng)需要進行詳細的優(yōu)化設(shè)計和技術(shù)經(jīng)濟比較才能獲得最優(yōu)效果。文章對相關(guān)方法和影響因素進行了論述和分析，并以某鋼鐵公司高爐煤氣發(fā)電系統(tǒng)改造方案為例進行了比較說明，通過技術(shù)經(jīng)濟分析認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：TK11+4 文獻標志碼：A 文章編號：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)保標準逐漸提高的形勢下，資源最優(yōu)的節(jié)約與循環(huán)利用已經(jīng)成為各國面對的重要課題。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)約型社會的有效手段。如據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，在我國鋼鐵行業(yè)余熱資源的回收利用率僅為 30%左右，而國際先進鋼鐵企業(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)透平膨脹機膨脹做功，將其轉(zhuǎn)化為機械能，進而帶動發(fā)電機旋轉(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)生蒸汽進入汽輪機膨脹做功，從而帶動發(fā)電機發(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，也有采用有機工質(zhì)循環(huán)發(fā)電，但是由于成本、效率等問題，還有待進一步發(fā)展。

朗肯循環(huán)汽輪機發(fā)電方式目前從經(jīng)濟性和技術(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)等級蒸汽輪機基本型式較多，如常見的包括單背壓式汽輪機、雙背壓式汽輪機、凝汽式汽輪機、抽汽背壓式汽輪機和抽汽凝汽式汽輪機等，而且隨著技術(shù)的進步，高轉(zhuǎn)速同軸再熱式汽輪機、分缸再熱式汽輪機應(yīng)運而生。另外，由于汽輪機采用高轉(zhuǎn)速對于提高效率有益，因此同軸再熱機組結(jié)構(gòu)也常常是備選技術(shù)方案。由于余熱余能利用對于投資和效率的要求較高，因此在具體方案設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際情況進行詳細的技術(shù)經(jīng)濟性分析比較，才可達到較好的效果[5]。

2 朗肯循環(huán)熱力設(shè)計基本理論

朗肯循環(huán)水蒸汽發(fā)電熱力設(shè)計的主要任務(wù)是按照給定的設(shè)計條件，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內(nèi)效率[6]。

汽輪機熱力設(shè)計的基本參數(shù)，主要包括汽輪機容量、轉(zhuǎn)速、進汽參數(shù)、排汽壓力或冷卻水溫度、回熱級數(shù)或給水溫度等。汽輪機通流部分主要包括進汽機構(gòu)、各級通流部分葉柵及排汽缸三部分等。若為供熱汽輪機，則需設(shè)定各供熱抽汽壓力、流量，若設(shè)計工況下有補汽則應(yīng)設(shè)定補汽壓力、流量。不同的參數(shù)設(shè)計選取存在相互影響，并最終影響整個循環(huán)系統(tǒng)的熱力性能指標。參見圖1。

除上述熱力參數(shù)選擇以外，汽輪機的轉(zhuǎn)速、動靜葉柵反動度分布、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 回熱系統(tǒng)的計算原理

回熱系統(tǒng)熱平衡計算包括回熱系統(tǒng)熱平衡估算和回熱系統(tǒng)熱平衡精確計算，其中回熱系統(tǒng)熱平衡估算一般采用等溫升原理[7]?；責嵯到y(tǒng)熱平衡精確計算從第1號高加開始，若沒有高加，則從除氧器開始計算，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。

汽輪機前后軸封加上與之相連的管道及附屬設(shè)備，稱為汽輪機的軸封系統(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?shù)匕才琵X數(shù)，合理地選擇軸封各段腔室的壓力，簡化系統(tǒng)，減少漏汽量，并設(shè)法回收漏汽以提高機組效率。

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

熱力設(shè)計的基本流程為，首先根據(jù)余熱余能資源情況確定機組經(jīng)濟功率，然后選擇汽輪機的轉(zhuǎn)速、配汽方式，確定設(shè)計工況和近似熱力過程線的初步計算。之后進行回熱系統(tǒng)熱平衡初步估算，接著進行調(diào)節(jié)級詳細計算，然后壓力級焓降分配和級數(shù)確定、非調(diào)節(jié)級詳細計算。當整機各級熱力計算進行完后，應(yīng)對整機的相對內(nèi)效率、內(nèi)功率及蒸汽流量進行校核。詳細計算所得內(nèi)功率和內(nèi)效率與原要求的內(nèi)功率和估計的內(nèi)效率的相對誤差應(yīng)分別<1%。經(jīng)校核后的流量相對誤差差也應(yīng)在一定范圍內(nèi)，當相對誤差<1%時，為合格；在<1%與3%之間時，可根據(jù)計算所得流量與原先估計值按比例地修正靜葉和動葉的高度；若是相對誤差大于3%，則應(yīng)根據(jù)計算所得流量進行第二次計算，并根據(jù)需要重復上述步驟。

完成熱力計算后，需要對汽輪機各級強度核算，并初步計算軸向推力。

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

2.3 發(fā)電循環(huán)熱力方案設(shè)計的影響因素

2.3.1 轉(zhuǎn)速的影響

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

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

2.3.2 軸向排汽

汽輪機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)中間運行平臺，還可大大減少土建成本。

2.3.3 分缸與同軸技術(shù)

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

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

2.3.4 中間補汽

對于既有余能介質(zhì)燃燒鍋爐產(chǎn)生蒸汽，同時又有流程蒸汽為發(fā)電汽輪機進行補汽的熱力系統(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，其完善程度對機組能耗水平有重要影響。汽輪機通流部件主要包括節(jié)流調(diào)節(jié)裝置、汽輪機靜葉柵和動葉片、汽封和軸封及其它輔助裝置。隨著汽輪機部件三維流體設(shè)計技術(shù)的提高及先進加工手段的普及，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，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90年代的余熱鍋爐與飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，為了進一步提高能源使用效率，計劃對現(xiàn)有的發(fā)電系統(tǒng)進行改造。

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，一個是軋鋼工藝流程中富余的23t/h，1.175MPa的飽和蒸汽；第二個是煉鋼爐產(chǎn)生的高爐煤氣（熱值約 750kcal/m3）。發(fā)電裝置通過引風機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，一起進入12MW的汽輪發(fā)電機組發(fā)電，可產(chǎn)生12390kW電能。裝置運行示意圖及運行數(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行，設(shè)計了兩套優(yōu)化方案，通過對比單位發(fā)電量運行成本、技術(shù)優(yōu)劣、裝置經(jīng)濟成本三方面因素，選取最適合的方案以達到在控制成本的前提下獲得最高運行效率的目的。

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60t/h高溫高壓鍋爐。

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

在12MW凝汽式汽輪發(fā)電機組前面新增一套7.5MW高溫高壓背壓式汽輪發(fā)電機組，汽輪機型號為B7.5-10/3.0。此背壓式汽輪發(fā)電機組采用高速快裝式，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排汽管道混合，進入12MW凝汽式汽輪發(fā)電機組發(fā)電。

為提高循環(huán)熱效率，實現(xiàn)能源梯級利用，為整套汽輪發(fā)電機組增設(shè)一套回熱系統(tǒng)：1GJ+1CY+1DJ，其他輔機系統(tǒng)照舊。新增回熱系統(tǒng)布置在鍋爐房和汽機房之間的空余場地。

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

隨著國內(nèi)外中小型汽輪機技術(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，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)電機組，汽輪機型號為N20-10/545/545型，軋鋼產(chǎn)生的1.175MPa飽和蒸汽通過補汽方式進入汽輪機做功，為提高循環(huán)熱效率，實現(xiàn)能源梯級利用，為整套汽輪發(fā)電機組增設(shè)一套回熱系統(tǒng)：1GJ+1CY+1DJ，其他輔機系統(tǒng)照舊。新增回熱系統(tǒng)布置在鍋爐房和汽機房之間的空余場地。改造方案2熱力系統(tǒng)簡圖見圖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)電機組煤氣耗量，電廠其他設(shè)備煤氣耗量未計。

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)對比。

從表4中可得，在相同的工況下，方案2中同軸再熱機組的發(fā)電功率最大，相較改造之前機組發(fā)電功率提升了約75%，按每年運行7000小時計算，可多發(fā)電6517.77萬度電；方案1中的分缸不再熱機組發(fā)電功率相較改造之前提升了約51.8%，按每年運行7000小時計算，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)濟性分析

上面的理論計算結(jié)果標明：無論補汽與否，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)濟技術(shù)層面占據(jù)明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

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)濟效益，但是需綜合技術(shù)經(jīng)濟兩方面合理考慮優(yōu)化。（2）對于余熱余能利用而言，選用高速、高溫高壓、再熱式汽輪機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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