余热电站热力计算分析及装机方案确定

第53卷第1期2011年2月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYVO153NO1FEB2011余热电站热力计算分析及装机方案确定杜小泽，赵斌，张尉然，于树斌，王姑1华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，北京102206；2河北理工大学河北省现代冶金技术重点实验室，河北唐山063009；3中钢设备有限公司，北京102206摘要纯低温余热电站实际运行工况常偏离设计工况，且运行效率低，因此进行电站装机方案的研究具有现实意义。以武钢烧结环冷机测试的热废气温度和流量为基础，通过建立以最大发电净功率为决策变量的闪蒸系统热力计算模型，编制了VB程序，并计算了武钢3台烧结环冷机余热集成回收的电站装机容量，与工程选型设计参数吻合，验证了此方法。其研究结果提高了烧结环冷机余热电站工程可行性研究决策的速度及准确性。关键词烧结环冷机；余热电站；热力计算；机组选型；发电功率分类号TK115文献标识码A文章编号10015884201101003303ANALYSISOFTHERMALCALCULATIONANDDETERMINATIONOFINSTALLEDSCHEMEFORWASTEHEATPOWERSTATIONDUXIA0一ZE，ZHAOBIN一，ZHANGWEIRAN，YUSHUBIN，WANGZHE1KEYLABORATORYOFCONDITIONMONITORINGANDCONTROLFORPOWERPLANTEQUIPMENT，MINISTRYOFEDUCATION，NORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BEIJING102206，CHINA；2HEBEIKEYLABORATORYOFMODERNMETALLURGYTECHNOLOGY，HEBEIPOLYTECHNICUNIVERSITY，TANGSHAN063009，CHINA；3SINOSTEELEQUIPMENTENGINEERINGCOMPANYLIMITED，BEIJING100080，CHINAABSTRACTTHEPRACTICALOPERATINGCONDITIONOFPURELOWTEMPERATUREWASTEHEATPOWERSTATIONOFTENDEVIATESFROMTHEDESIGNCONDITION，ANDTHEOPERATINGEFFICIENCYISLOWSOITHASANACTUALSIGNIFICANCETOSTUDYTHEINSTALLEDSCHEMEOFPOWERSTATIONBASEDONTHETEMPERATUREANDFLOWPARAMETERSOFCIRCULARCOOLERHOTEXHAUSTINWUHANIRONANDSTEELCOLTD，THETHERMALCALCULATINGMODELOFFLASHEVAPORATIONSYSTEMWHICHTOOKTHEMAXIMUMNETGENERATIONPOWERASTHEDECISIONMAKINGVARIABLEWASESTABLISHED，THEVBPROGRAMWASDESIGNED，ANDTHEINSTALLEDCAPACITYOFSINTERINGCIRCULARCOOLERWASTEHEATINTEGRATEDRECOVERYPOWERSTATIONINWUHANIRONANDSTEELCOLTDWASCALCULATEDTHECALCULATIONRESULTMATCHEDWITHTHETYPESELECTIONANDDESIGNPARAMETERSINPROJEET，WHICHVERIFIEDTHISMETHODTHERESULTIMPROVEDTHESPEEDANDACCURACYOFFEASIBILITYSTUDYANDDECISIONMAKINGFORSINTERINGCIRCULARCOOLERWASTEHEATPOWERSTATIONPROJECTKEYWORDSSINTERINGCIRCULARCOOLER；WASTEHEATPOWERSTATION；THERMALCALCULATING；UNITTYPESELECTION；POWEROUTPUT0前言烧结工序有烧结矿显热和烧结机烟气显热两部分余热资源。烧结工序的余热资源大部分为中低品位的热能，尤其是低于350QC的低温余热，虽然其品位低，但数量非常巨大。目前，国内大型钢铁公司烧结废气的余热利用，首先是在冷却机废气余热回收着手，采用余热锅炉回收烧结矿显热产生蒸汽，并入管网或用于发电，但由于烧结余热具有热源品质整体较低、废气温度波动大和热源的连续性难以保证等特点，造成烧结余热电站运行工况经常偏离设计工况，机组长期低负荷低效率运行。因此，进行机组选型及装机方案的确定具有重要的现实意义。1武钢烧结余热电站概况武钢烧结环冷机余热电站于2007年4月由中钢设备公司承包建设，2009年2月18日并网发电，该电站是目前国内装机容量最大的烧结余热电站，机组投产后可满足武钢烧结生产用电量的35一40。其中余热锅炉装置采用了日本川崎技术，环冷机热废气分3段取气再混合进入对应的余热锅炉进行回收。11烧结环冷机条件武钢烧结厂新1号、4号和5号烧结机为分散布置，每台环冷机配备5台鼓风机。环冷机出口的废气温度为330C400。C。为了充分回收热能，废气系统采用了再循环方式，使收稿日期20100428基金项目河北省唐山市科学技术研究与发展计划项目08360201A一5。作者简介杜小泽1970，男，河北保定人，教授，博士生导师，主要从事强化传热与电力节能方面的研究34汽轮机技术第53卷余热锅炉进口烟气温度提高了5O80。结合武钢烧结厂环冷机废气温度及流量测试报告，余热锅炉进口热废气温度388C394，热废气流量523000MH540000MH。12机炉选型方案新1号、4号环冷机现有余热锅炉需保护性拆除，重建3台新的余热锅炉。余热锅炉采用立式自然循环锅炉，带上汽包，烟气自上而下通过锅炉。同时本系统采用了闪蒸技术，余热锅炉省煤器出水分为两路，一路作为余热锅炉汽包给水；另外一路进入闪蒸器，闪蒸出的饱和蒸汽直接进入汽轮机低压级做功，而闪蒸器的出水又重新经锅炉给水泵送至余热锅炉省煤器形成一个水路循环。余热锅炉省煤器段的工质流量比锅炉后段增大数倍，冷热流体热容量相当大，这样便可防止出现局部温差过大，影响传热效果，从而保证了烟气余热的充分利用。本余热回收发电系统采用三炉一机的配置方式，即在现有3条烧结生产线环冷机旁就近露天各布置一台余热锅炉。结合武钢烧结厂对低压蒸汽的需求，汽轮机组选用抽汽补汽冷凝式汽轮机。武钢烧结余热电站热力系统流程如图1所示。一I5号I【I嘲L一一一1号91L二JI余11号环冷机I热兰L望L1旦炉I。一风机一JJ一给水泵车F，图1武钢烧结余热电站热力系统流程图2烧结余热闪蒸发电系统热力计算模型以武钢烧结余热电站为研究对象，能量平衡方程和质量平衡方程为计算基础，建立以最大发电净功率为决策变量的闪蒸系统热力计算模型。1余热锅炉热力计算模型蒸发器和过热器区段GIII2DH。一H“PDH一H1省煤器区段GI2一I31PDDFDH“一2闪蒸器区段H“D，DDFH，DCH，3给水汇合段HIPD。DFD，DH，P，J。DHHD，JFD42汽轮机内功率D一D。DH一H叼360053发电净功率仇一JV6其中，水泵给水泵、凝结水泵消耗功DGILL360010007P7式中，I为废气焓值，KJM；H为水泵扬程，M；H为水蒸汽焓值，KJKG。发电净功率与废气流量G、主蒸汽流量D、闪蒸汽流量D给水流量D、热端温差、窄点温差、接近点温差、保热系数、给水温度、排汽压力P、闪蒸压力P抽汽压力P相对内效率町机械效率、发电机效率、泵有效效率叼、泵传动效率叼等参数有关，在以上参数一定条件下对该模型进行简化。简化后的模型为N八P，AT，AT，T，PR，P3验证计算及装机方案确定汽轮机设备选型就是确定机组的装机容量和型式。根据烧结工序变工况蒸汽参数，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，给企业增加额外的基建和设备投资。31计算假设及设计变量选取汽包排污率取2，余热锅炉保热系数取098，主蒸汽及补汽管道压降取5，主蒸汽管道温降取2E，补汽管道温降和轴封冷凝器温升忽略不计，给水压力取余热锅炉出口蒸汽压力的12倍。烧结余热发电系统通常配置中小容量汽轮机组，机组其它设计变量的选取参照设计手册选取见表1。32计算结果分析以武钢烧结余热发电工艺中的热废气温度390C、流量530000MH为基准，依据本文建立的闪蒸系统热力计算模型，编制VB程序，通过计算得到的系统主要参数见表2。其中，单台锅炉计算所得出的发电功率为97717KW，3台锅炉发电功率为2931MW和武钢额定工况发电功率2914MW非常一致，其它所得结果与文献6厂家额定和纯凝两个工况对应参数也基本吻合，验证了所建模型。33汽轮机选型分析武钢余热发电系统补汽为饱和蒸汽，通过程序计算分析，在一定条件下补汽压力越低越好，综合考虑省煤器传热温差、给水泵耗功、汽轮机结构设计等因素的制约，武钢闪蒸汽压力选定为039MPA。1主蒸汽温度随着余热锅炉主蒸汽温度的升高，主蒸汽流量相对减少，但在其它条件相同时，发电净功率逐渐增大见图2，而主蒸汽温度的提高还能增加汽轮机的排汽干度，因此，主蒸汽温度通常尽可能取高些。考虑到余热锅炉主蒸汽温度受DH，一HD一D一，到余热锅炉进口废气温度的波动及热端温差的影响，主蒸汽表1热力系统计算参变量选取第1期杜小泽等余热电站热力计算分析及装机方案确定35参褂督贴图2发电净功率随主蒸汽温度变化温度确定为360C。2主蒸汽压力由图3可知，对于武钢烧结余热电站闪蒸系统，汽轮机进口主蒸汽压力并非越高越好，存在一优化主蒸汽压力，它使得系统发电净功率最高。在其它变量选定时，主蒸汽压力为207MPA时，单台锅炉发电净功率达到最大值为97717KW。富槲21222324252627主蒸汽压力MPA图3发电净功率随主蒸汽压力变化3给水温度配置除氧器的余热电站可保证给水温度维持在1O4左右，而无除氧器的闪蒸系统的给水温度主要由闪蒸器压力下的饱和水、凝结水和补充水参数决定。其中影响较大的是前两个参数。从图4分析可知，给水温度从96C提高到100时，单台锅炉发电净功率提高了18462KW。譬褂她图4发电净功率随给水温度变化4排汽压力由图5分析可知，排汽压力越大，单台锅炉发电净功率越小。随着排汽压力增大，相应最佳主蒸汽压力升高，但上升幅度较小。其中排汽压力从8KPA增加到12KPA，对应单台锅炉发电净功率降低了6517KW。褂姑图5发电净功率随排汽压力变化武钢烧结余热发电系统有主蒸汽和补汽两种参数，同时考虑生产用蒸汽的需求，通常选用凝汽、补汽、抽汽式汽轮机。而汽轮机组装机容量要兼顾热源工况而定，通过对汽轮机额定抽汽工况和纯凝工况发电功率的程序计算结果见表2分析，凝汽补汽抽汽式汽轮机组装机容量确定为33MW。4结论1本文以武钢烧结环冷机余热电站为研究对象，依据质量和能量平衡方程，建立了以最大发电净功率为决策变量的闪蒸系统热力计算模型，并编程计算了3台烧结环冷机电站两个典型工况的发电功率。分析了主蒸汽压力、主蒸汽温度、给水温度和排汽压力等参数对发电净功率的影响，最终确定的汽轮机组装机容量33MW与工程选型设计参数吻合。2余热电站优化设计的前提是钢铁公司烧结厂提供的基础数据与设计要求相符，选用成熟的废气系统和热力循环系统，合理地选取设计变量，以电站净发电量最大为目标，确定蒸汽参数及装机方案。其研究结果提高了烧结环冷机余热电站工程可行性研究决策的速度及准确性。参考文献1王