球形蒸汽蓄能器在钢铁厂饱和蒸汽发电技术中的应用

1 前言

我集团某钢铁公司是集烧结、炼铁、炼钢、轧钢于一体的现代化钢铁联合企业，年生产能力650万t。公司建设过程中已考虑诸多节能减排措施，如：球团竖炉余热回收、高炉BPRT鼓风、高炉余压发电、转炉汽化冷却、加热炉汽化冷却、全燃富余煤气的汽轮发电站等。但也存在余热利用水平不高，如饱和蒸汽大量放散，造成资源浪费的情况。

钢铁企业在正常生产过程中，会产生大量的低品质的蒸汽，其中转炉汽化冷却系统产生的蒸汽压力、流量波动大，很难直接利用。以前一些企业都将其直接放散，这样不但浪费了回收回来的余热资源，还造成了水资源的浪费以及噪声污染。利用蓄热器将这部分富裕蒸汽收集起来用于发电，不仅改善了企业环境，同时产生电能，对企业的电力供应进行有益的补充。

2 发电机组方案及系统

厂区富余蒸汽来源主要为转炉汽化冷却系统及加热炉汽化冷却系统。根据厂区蒸汽平衡选择一套12 MW饱和蒸汽补汽凝汽式汽轮发电机组。

2.1 主机设备参数

（1）汽轮机

台数：1台

机组型式:饱和蒸汽补汽凝汽式

额定进汽量:60 t/h

最大主进汽能力：76.5 t/h

主汽门前蒸汽压力：0.8 MPa(a)

主汽门前蒸汽温度:饱和温度

额定补汽量：16 t/h

最大补汽能力：20 t/h

补汽速关阀前压力：0.3 MPa(a)

补汽温度:饱和温度

额定排汽压力：~0.007 MPa(a)

（2）发电机

台数：1台

型号：QFW-12-2

额定功率：12 MW

额定电压：10.5 kV

额定转速：3000 r/min

功率因数：0.8

频率：50 Hz

冷却方式：密闭循环空气系统

励磁方式：无刷励磁

2.2 主要热力系统

根据炼钢转炉生产作业的特点，其汽化冷却系统产生的蒸汽流量及压力波动大，且为饱和蒸汽，品位较低，直接用于发电无论对于汽轮机组本体安全性还是生产组织连续运行都产生重要影响。为保证汽轮机用汽的连续性，在进入汽轮机前设有蓄热器。根据蒸汽参数，进入蓄热器的蒸汽压力~1.6 MPa，蓄热器的出口蒸汽压力~0.8 MPa。转炉汽化冷却产生蒸汽经蓄热器后调节阀送出，经过蒸汽滤洁器，作为主汽最后进入12 MW蒸汽汽轮机中发电做功。

图1为12 MW饱和蒸汽发电系统流程图，其主要的热力系统包括：主蒸汽系统、补汽系统、凝结水系统抽真空系统、机组轴封系统、润滑油系统和工业水系统等。

图1 12MW饱和蒸汽发电系统流程图

3 饱和蒸汽发电系统难点及解决方案

3.1 钢铁厂饱和蒸汽发电系统难点

（1）钢铁厂富余蒸汽根据其来源的不同，蒸汽品质相差较大。如炼钢转炉汽化冷却系统只在吹炼期产生蒸汽，非吹炼期不产生蒸汽。其蒸汽的压力、流量波动非常大，且为饱和蒸汽，湿度大，直接用于发电将导致发电机功率波动大、汽轮机易发生水蚀现象，不利于发电机组安全稳定的运行。

（2）饱和蒸汽发电系统建设在旧有厂区内，空间紧张，需要整个系统占地尽量小。

3.2 饱和蒸汽压力的平稳及蓄热器的选择

根据转炉汽化冷却产生蒸汽的间断性和波动性，可以装设蓄热器来克服这些问题。在转炉汽化冷却系统中，广泛采用的蓄热器是卧式圆筒蓄热器。受制作工艺、运输条件等的限制，卧式筒形蓄热器直径一般不超过3400 mm，容积一般不超过200 m3。为满足大型企业生产需求，主要采取多台并列使用的方式弥补单台设备蓄热量较小的缺陷。多台并列的卧式筒形蓄热器带来的主要问题是：占地面积庞大、系统复杂、投资高昂、运行检修工作量巨大等。

本工程采用北京京诚科林环保科技有限公司自主研发的球形蒸汽蓄能器，该设备具有占地省、蓄热量大、用钢量省、系统简单、维护量小等优点，目前已应用到联峰钢厂、南阳钢厂等多个余热回收和利用项目中。

（1）球形蒸汽蓄能器工作原理

当转炉吹氧时，汽化冷却装置产生的多余蒸汽被引入蓄能器内，容器里的压力渐渐升高，蒸汽在蓄能器内将水加热并凝结成水，使蓄能器里水的热焓值升高到与引入蒸汽压力p1相对应的饱和水焓值，此时蓄能器中的水位也由于蒸汽的凝结而升高。在转炉非吹氧期或蒸发量较小的瞬间，当发电机组继续用汽时，蓄能器中的压力就下降，此时蓄能器中水的热焓值比降压后相对应的饱和水焓值大，部份水被蒸发以弥补产汽的不足，进而保证连续稳定的向发电机组供汽，蓄能器所允许的最低压力为p2。

蓄能器容积按下式计算：

式中：

V---蓄能器的容积，m3；

Gx---蓄能器的计算蓄热能力，kg；

g0---单位蓄热能力，kg/m3；

η---蓄能器的热效率，一般η=0.99；

φ---蓄能器冲水系数。

其中g0由下式可得：

式中：

i1′、i2′---压力 p1和 p2时饱和水的焓，kJ/kg；

i1″、i2″---压力 p1和 p2时饱和蒸汽的焓，kJ/kg；

r2′---压力 p1时饱和水的密度，kg/m3。

（2）球形蒸汽蓄能器的结构特点

球形蒸汽蓄能器设备由1）球形罐体和支柱、2）内部装置、3）安全排放装置、4）仪表测量装置、5）球形梯台等组成,见图2。

图2 球形蒸汽蓄能器的结构示意图

1）球形罐体、支柱

传统蓄热器外壳均采用圆筒体，蓄热器容积受到限制，且卧式筒体占地大。球形蒸汽蓄能器用球形罐体作为外壳，克服了卧式筒体蓄热量有限、占地大等缺点。另外应工艺需要，球罐上开有人孔、蒸汽进出口孔、安全阀孔、安全附件开孔、补水和排污孔等。

2）内部装置

内部装置主要包括充热装置、汽水分离装置和补水放水装置等。

蒸汽通过进汽母管进入球形蒸汽蓄能器，与球罐内存水充分混合并均匀加热球罐内存水，完成充热过程。混合器设计和布置合理周到，不留充热死区。汽水分离装置布置在球罐顶部，靠近上人孔，位于汽空间内。球形蒸汽蓄能器上方蒸汽空间高度比普通卧式圆筒蓄热器要大很多，极大提高输出蒸汽干度。补水、放水装置用于控制球形蒸汽蓄能器内水位位于一个合理高度，保障蓄热效率。球罐底部的排污管可定期排出球罐内沉积杂质。

3）安全排放装置

球罐顶部设有安全阀接口和放散接口，用于防止球罐超压，保护设备。

4）仪表测量装置

设置压力、温度、液位等测点，用于监视球形蒸汽蓄能器运行参数。

5）球形梯台

球形梯台按球罐常规要求设置。梯子沿球罐外沿螺旋上升至球罐顶部，在球罐顶部开孔四周设环形检修平台。

（3）经济效益与节能分析

根据计算，12 MW发电机组系统中需设650 m3蓄能器，如选用卧式圆筒蓄热器需选用4台150 m3蓄热器，将两种方案进行比较，结果如表1。

表1 两种方案比较

通过表1对比可以看出，1台650 m3球形蒸汽蓄能器的容量可以超过4台150 m3卧式圆筒形蓄热器，在达到相同蓄热目的的前提下，球形蒸汽蓄能器明显具有占地面积小、结构简单、系统简化、材料用量少、散热损失少等诸多优点，而且球形蒸汽蓄能器的汽空间大大高出卧式圆筒形蓄热器，有利于降低饱和蒸汽的含水率，这在饱和蒸汽发电系统中非常重要。

5 结束语

与传统卧式圆筒形蒸汽蓄热器相比，球形蒸汽蓄能器具有占地省、系统简化、散热少、蒸汽含水率低等诸多优点。可以预见，球形蒸汽蓄能器将越来越被用户所关注，并将在工业企业尤其是钢铁厂饱和蒸汽发电系统中得到广泛应用。