转炉余热发电工艺及汽轮机选型

转炉余热发电工艺及汽轮机选型

0饱和蒸汽发电机组大力发展和推广饱和蒸汽发电技术是满足国家钢铁产业发展政策、满足当前可持续发展要求、实现循环经济的重要手段。这是促进钢铁产业技术进步和结构调整、环境保护和资源广泛使用水平的有效手段。饱和蒸汽汽轮机是转炉余热发电系统中最关键的设备,它的参数、装机容量及结构型式等直接影响汽轮机内效率、运行安全性及初投资。因此在饱和蒸汽电站建设前期进行汽轮机选型设计是非常必要的。1余热锅炉余热转炉饱和蒸汽发电系统主要包括汽化冷却余热锅炉、饱和蒸汽轮机、发电机三大主体设备及蒸汽蓄热、排汽冷却(空冷系统或水冷系统)、给水除氧三大汽水系统,其工艺流程见图1。转炉在吹炼过程中,产生大量的高温烟气(1300℃以上),为降低烟气温度、回收高温烟气中的余热,转炉配套设置了烟道式汽化冷却余热锅炉。余热锅炉由于受到转炉吹炼时烟气波动的影响,在整个冶炼周期(38min)内,只有吹炼期(16min)才有饱和蒸汽产生,同时由于吹炼期烟气量的急剧变化,余热锅炉产生的蒸汽量也随之急剧波动。因此为保证汽轮机进汽流量的连续性和稳定性,设置了蓄热器系统。在吹炼期内,余热锅炉产生的蒸汽被引入蓄热器内,蒸汽将蓄热器内的水加热后并凝结成水,使蓄热器内水的焓值升高,这样就完成了蓄热器的充热过程,同时供出饱和蒸汽;在非吹炼期,余热锅炉不生产蒸汽,调压阀前的压力不断下降,蓄热器中的饱和水降压后迅速闪蒸,饱和水成为过热水,立即沸腾而自然蒸发,产生连续蒸汽,经调压后供汽轮机使用,这样就完成了蓄热器的放热过程。经调压阀调压至0.8MPa～1.3MPa的饱和蒸汽进入汽轮机,在汽轮机内膨胀做功,驱动发电机发电。2饱和蒸汽的工艺设计饱和汽轮机作为转炉余热发电系统中最关键的热功转换设备,由于工作介质为饱和蒸汽,在级内膨胀做功后湿度很大,因此在设计中均采用适用于饱和蒸汽机组的去湿技术,除去大部分水分,减轻对部件的冲刷和应力腐蚀,同时汽轮机在结构设计方面应考虑以下两方面问题:(1)通流部分设计饱和汽轮机通流部分采用现代全三维设计技术,精心组织流场,合理匹配动静叶片,采用光顺的流道设计,提高汽轮机内效率;采用高效率的叶片设计技术,选用先进的后加载叶型,提高汽轮机内效率,使之达到先进水平;由于饱和蒸汽含有不凝结气体,因此在设计通流面积时,要予以适当考虑,放大通流面积。(2)各部件材料选用虽然机组的压力和温度很低,应力很小,但由于饱和蒸汽所携带的水份会对汽缸、隔板、叶片产生冲刷,会使转子产生应力腐蚀。因此在饱和汽轮机设计中不但汽缸、隔板和转子材料要选用合金钢,而且进汽控制阀门也要选择合适的阀门材料,以减轻腐蚀,同时由于饱和蒸汽蒸汽湿度大,末两级叶片还要采用防水蚀措施。除了结构设计外在工艺方案选型中还应重点考虑以下3方面问题:①主蒸汽流量修正在汽轮机运行过程中,阀杆及前轴封漏汽,漏汽量大约为进汽流量的3%～5%。而且主蒸汽在汽轮机内做功时部分蒸汽凝结成疏水,引起主蒸汽流量逐级降低,需进行主蒸汽流量修正,避免汽轮机组选型时装机容量过大。②主蒸汽参数修正由于蓄热器出口至汽轮机的主蒸汽管道的长度,决定了汽轮机的进汽参数,因此在设计中应考虑压降与温降。通常规定汽轮机进汽为湿蒸汽,主蒸汽干度x取0.995,以修正主蒸汽焓,进汽压力根据管路阻力计算获得。③排汽方式的选择凝汽器按冷却方式可分为水冷式凝汽器和空冷式凝汽器。由于传统水冷方式耗水量大、占地面积大、运行费用高;而空冷方式非常节水、占地面积小、运行费用低,但在运行中凝汽器排汽压力高。因此在工程建设前期应根据现场实际选定冷却系统,确定排汽压力设计值范围。3机组及放空系统汽轮机设备选型就是确定机组的装机容量和型式。根据转炉工艺中汽化冷却及蓄热系统的变工况蒸汽参数,分别计算汽轮机组发电功率,科学地确定机组的装机容量。避免出现选型设计中机组装机容量过大,给企业增加额外的设备投资。3.1变量设计转炉余热发电系统通常配置中小容量饱和汽轮机组,各有关设计变量的选取参照设计手册及现场运行经验获取。(1)排水压力排汽压力参数取值如表1所示。(2)进汽压力ri的选取参考文献,汽轮机计算效率参量选取见表2。对于汽轮机内效率ηri的取值,当进汽压力在0.8MPa～1.0MPa之间时取0.76,进汽压力在1.1MPa～1.3MPa之间时取0.78;机械效率ηm取值0.96,发电机效率ηg取值0.95。(3)排水的干燥度通常对于凝汽式汽轮机在设计时排汽干度不低于0.92,而对于饱和蒸汽汽轮机排汽干度以不低于0.85为宜,在机组发电功率计算中需要校核。3.2计算机车发电功率转炉余热锅炉产生不连续、压力不稳定的蒸汽,通过变压式蓄热器和调压阀把机组进汽压力控制在0.8MPa～1.3MPa范围内。(1)冬季气候特征由于受环境温度的影响,饱和汽轮机一年四季的进汽量也就各不相同。冬季环境温度低,部分饱和蒸汽用于采暖,汽轮机的进汽量最小;夏季环境温度高,汽轮机的进汽量最大。根据唐钢一炼钢和二炼钢的生产工况的变化,进行蒸汽流量的测试,参数测试值如表3所示。(2)湿蒸汽的计算根据汽轮机的排汽冷却方式、设计变量的选取值及测试的蒸汽流量分别计算汽轮机组的各工况发电功率。计算方法如下:第一步:根据主蒸汽压力p,由水蒸气表查得饱和蒸汽焓和饱和水焓;按公式h0=hqx+hs(1-x)计算出进入汽轮机的湿蒸汽焓(见表4)。第二步:主蒸汽压力取某一定值(0.8MPa～1.3MPa)时,当排汽压力变化时,其变化过程为定熵过程。根据水蒸汽表可查得与排汽压力相对应的理论排汽焓hct,从而可求出定熵比焓降Δht、根据ηri=ΔhiΔhtηri=ΔhiΔht,可确定有效比焓降Δhi,进而求出实际排汽焓hc(见表5)。第三步:根据汽轮机功率方程式,计算饱和汽轮机的发电功率。Pe=cDD′(h0−hc)3.6ηmηgΡe=cDD′(h0-hc)3.6ηmηg式中,Pe为发电机输出功率;cD为实际做功蒸汽流量修正系数,取0.95。3.3德国耶茨克的德国考(1)进汽压力对从发电功率的影响在额定蒸汽流量75t/h、干度0.995的情况下,分析不同排汽压力下的饱和汽轮机发电功率随进汽压力的变化规律。由图2、图3可知,蒸汽流量一定时,饱和汽轮机的发电功率随着进汽压力的增加而增大,且变化幅度近似相等。在相同的进汽压力下,水冷机组的发电功率比空冷机组高,而且随着排汽压力的增加发电功率逐渐减小。(2)进汽压力对冷水机发电功率的影响在排汽压力16kPa和32kPa的情况下,分析不同流量(45t/h、75t/h、80t/h)下的饱和汽轮机发电功率随进汽压力变化的规律。一定排汽压力下,饱和汽轮机的发电功率随着进汽压力的增大而增大,如图4、图5所示。在流量80t/h、进汽压力0.8MPa时,排汽压力为16kPa时的汽轮机发电功率比排汽压力32kPa时大1.4MW。即在相同的进汽压力时,随着排汽压力增加,汽轮机的发电功率逐渐减小。(3)u3000同进汽压力下大机组发电功率的确定在进汽压力0.8MPa和1.2MPa的情况下,分析不同流量(45t/h、75t/h、80t/h)下的饱和汽轮机发电功率随排汽压力的变化规律。由图6、图7分析得,进汽压力一定时,饱和汽轮机的发电功率随着排汽压力的增大而减小,且减小幅度近似相等。在进汽压力0.8MPa、排汽压力8kPa时,流量为80t/h的工况下汽轮机发电功率大于进汽压力0.8MPa、排汽压力8kPa时,流量为75t/h的工况。即当排汽压力不变时,主蒸汽流量越大则发电功率就越大,且在同一蒸汽流量下,进汽压力越高,发电功率越大。转炉余热发电系统蒸汽只有一种压力,通常选用凝汽式汽轮机,而汽轮机组装机容量要兼顾热源工况而定。通过对空冷机组和水冷机组不同工况发电功率的计算,可知,同一进汽压力下,蒸汽流量越大,发电功率越大。经分析,在额定蒸汽流量为75t/h和进汽压力为1.0MPa工作条件下,对于空冷汽轮机组装机容量确定为9MW,对于水冷汽轮机组确定为10MW。4机组的运行及选型工作转炉蓄热器