低压饱和蒸汽发电技术在钢铁行业的应用
王鹏、颜玉
（北京仟亿达科技有限公司，北京 100024）
摘要：介绍了转炉余热发电系统的组成及工艺流程，对蓄能器以及汽轮机的选型进行了详细的分析计算，结合某钢厂转炉饱和蒸汽的生产情况，计算了蓄能器的体积以及汽轮机的发电能力，确定了此钢厂的装机容量和形式。其研究结果可为转炉余热发电技术的应用提供理论指导，也可以为相关工艺饱和汽轮机组的选型提供参考。 关键词：饱和蒸汽；蓄能器；汽轮机；选型 1 概述
随着我国对节能减排的重视，以及《中华人民共和国节约能源法》的实施，各行各业对余热余能的利用也越来越高。当前大部分钢铁企业中，转炉余热锅炉生产的饱和蒸汽除供自身消耗外，还有大量剩余，同时由于全厂管网蒸汽一般为过热蒸汽，饱和蒸汽无法直接并网使用，只能对空排放或经过热处理后并入管网，造成能源浪费。若采用饱和蒸汽发电，既可以充分利用饱和蒸汽，也可避免蒸汽放散造成的浪费，又能提供电能，产生新的效益。本文主要针对钢厂饱和蒸汽用于发电的技术和设备选型进行讨论。 2 转炉余热发电系统
转炉饱和蒸汽发电系统主要包括汽化冷却锅炉、饱和蒸汽汽轮机、发电机三大主体设备及蓄能器、冷却塔、除氧给水系统等，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。余热锅炉由于受转炉吹炼时烟气波动的影响，在整个冶炼周期（36min ）内，只有吹炼（18min ）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。因此为了保证汽轮机进汽流量的连续性和稳定性，需要设置蓄能器系统。在吹炼期内，余热锅炉产生的蒸汽被引入蓄能器内，蒸汽将蓄能器内的水加热后并凝结成水，使蓄能器内水的焓值升高，这样就完成了蓄能器的充热过程，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，蓄能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，这样就完成了蓄能器的放热过程。经调压阀调压至0.8MPa~1.3MPa的饱和蒸汽，经过汽水分离器及主汽阀的调节后进入饱和汽轮机组，在汽轮机内膨胀做功，驱动发电机发电。
图1
2.1蓄能器的选型 2.1.1蓄能器容积的计算
在选用蓄能器时，常进行可行性经济分析，为此必须先计算出平衡热负荷波动所需要的蒸汽蓄能器的容积，
然后进行产品的选择及投
资估算，蒸汽蓄能器容积的计算，主要决定于蓄能器的运行压力，蒸汽蓄能器的容积按下式计算：
V =
G 0q 0⋅ϕ⋅η
式中，V ：蓄能器的容积（m 3）；
（kg/m）； G 0：蓄热量（蒸汽）
φ：蓄能器充水系数0.65~0.85；
3
η：蓄能器运行效率0.95~0.99；
2.1.2蓄热能力的计算
因为转炉炼钢是周期性操作，产汽只在吹氧时发生，故为间断性热源，时有时无，时大时小，在未采用蒸汽蓄能器之前，全部排空放散，应用蓄能器的独特功能，是把间断性热源变成连续性热源，废热全部得以回收综合利用。对于废热回收场合需要的蒸汽蓄能器，要求在一定的时间内，吸收全部废热蒸汽，因此可采用充热时间作为依据，计算蒸汽蓄能器的蓄热量：
G 0=
D i t
60
式中， G0：计算蓄热量（kg ）；
D i ：废热平均排出量（产汽量）（kg/h）； t ：充热时间（min ）；
2.1.3单位水容积蓄热量的计算
单位水容积蓄热量与充热、放热的压差成正比，压差越大，节能效果越好。但是充热、放热压差受到供热系统的供热与用热设备限定的工作压力的约束。蒸汽蓄能器充热压力必须依照锅炉工作压力（或
最高工作压力）来设定，并考虑系统运行阻力；蒸汽蓄能器放热压力必须满足用户工作压力的需求；充热压力P 1等于锅炉工作压力P g 减去锅炉至蓄能器入口处管道阻力ΔP 1；放热压力P 2等于用户最低工作压力P c 加上蓄能器至热用户管道阻力ΔP 2；蓄能器充热至蒸汽蓄能器放热出口阻力损失约为0.05MPa 。单位容积蓄热量按下式计算：
q 0=
i 1' -i 2'
γ1
(i 1' ' +i 2' ' ) -i 2'
2
式中，q 0：单位饱和水压降p1→p2产生的蒸汽量（kg/m3）；
； i 1' 、i 2' ：分别为压力P 1和P 2时饱和水的焓值（kJ/kg）
i 1'' 、i 2'' ：分别为压力为p 1和p 2时饱和蒸汽的焓值；
γ：p 1压力下饱和水的密度（kg/m）；
3
2.2饱和汽轮机发电能力的计算
转炉余热锅炉产生不连续、压力不稳定的蒸汽，通过变压式蓄能器和调压阀把机组进汽压力控制在0.8MPa~1.3MPa范围。根据汽轮机的排气冷却方式、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 ，由水蒸汽表查得饱和蒸汽焓和饱和水焓；按公式h 0=h0x+hg (1-x)计算出进入汽轮机的湿蒸汽焓（x 蒸汽的干燥度）。
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。根据蒸汽表可查得与排汽压力相对应的理论排汽焓h 0, 从而可求出定熵比焓降Δh t 、根据η=Δh t /Δh i ，
可确定有效比焓降Δh i ，进而求出实际排汽焓h （。 c η为汽轮机内效率）
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：
p =c
D (h 0-h c )
ηm ηg 3.6
式中，p 为发电机输出功率；
c 为实际做功蒸汽流量修正关系，取0.95；
ηm 、ηg 为汽轮机和发电机的机械效率；
3 某钢铁余热蒸汽现状
某转炉厂现有3台100t 顶底复吹炼钢转炉，配套安装了转炉余热锅炉（汽化冷却烟道）和转炉煤气净化收集系统。通过分析此钢厂100t 转炉主要技术指标，结合3台转炉的工作程序，对转炉生产出的蒸汽负荷作如下预测： 每炉铁水平均装入量：113t ； 吹氧时间15min ； 冶炼周期：36min ； 产生蒸汽时间：18min ； 蒸汽回收指标：80-90kg/t；
每炉钢平均产汽量：9040~10170kg（15t/h~17t/h）； 前烧期（3分钟）平均产汽量：49t/h； 吹氧期（11分钟）平均产气量：37t/h； 后烧期（2分钟）平均产汽量：43t/h； 3台转炉总产汽量：45~55t/h； 单炉瞬时最大产汽量：45t/h；
活动烟罩密封用蒸汽消耗量：2t/h（max ）； 除氧器用汽量：3t/h；
去蓄能器总蒸汽量（扣除汽水损失）；40~46t/h； 余热锅炉出口蒸汽参数：1.0~2.0MPa； 4 主要设计内容及经济计算
为了确保转炉余热饱和蒸汽发电项目实施成功，在设计时要充分考虑以下问题：
⑴发电站的工艺设计不能影响转炉炼钢的生产工艺；
⑵发电站的工艺参数选择要准确，确保转炉余热蒸汽供给的相对稳定和发电机的稳定运行；
⑶发电站的工艺系统及控制系统应相对简单明了，便于钢厂专业管理。汽轮机选用专用饱和蒸汽汽轮机，简化系统。 4.1汽轮发电机组的主要配置及技术参数 4.1.1蓄能器
根据钢厂余热锅炉产生蒸汽的数据，蓄能器的蓄热能力按40t/h设计，充汽压力按2.0MPa ，放汽压力选择0.8MPa ，放汽时间21min 。
i 1' -i 2'
q =γ可以计算出单位蓄能器能0⑴ 根据计算公式1
(i 1' ' +i 2' ' ) -i 2'
23
力为79.91kg/m；
G 0
V =⑵根据计算公式 q ⋅ϕ⋅η 可以计算出蓄能器容积为595m 3；
根据钢厂饱和蒸汽生产系统的实际情况，本设计拟增加3台200m 3的蓄能器分别布置在3套余热锅炉的附近。 4.1.2汽轮机
汽轮机采用专用饱和蒸汽汽轮机，进汽压力设计为0.8MPa ，最大进汽量40t/h，满速空载用汽量小于8t/h。汽轮机特点：叶片采用2Cr13制造，提高叶片抗汽蚀能力；每级叶片设计有疏水通道，将凝结水及时排出，保证后级叶片不受水击影响；汽轮机通道采用三元流技术，效果更高；汽轮机预留15%超负荷设计，应对转炉变工况运行。
根据公式p =c 汽轮机的参数：
型号：N5.5-0.8/171； 进汽压力：0.8MPa ； 进汽温度：171℃； 进汽流量：40t/h；
输出功率：5500kW(汽耗7.17kg/kW•h) ； 4.1.3发电机
发电机型号：QF-6-2； 额定功率：6000kW ； 额定电压：10.5kV ； 4.2经济效益分析 4.2.1发电效益分析
机组全年按7200小时运行，全年发电量为：实际发电功率×运行时间×（1﹣厂用电率）×电价
即：5500×7200×95%×0.5=1881万元 4.2.2节煤效益分析
D (h 0-h c )
ηm ηg 可以得出P 约为5326kW, 所以初步选定3.6
火电厂平均每千瓦时供电煤耗标定为360g ，那么年节约标煤量约为：实际发电功率×运行时间×（1﹣厂用电率）×0.36×10﹣3t/kWh 即：5500×7200×95%×0.36×10﹣3=1.35432万吨标煤 4.2.3环保效益分析
碳燃烧的化学方程式为C+O2=CO2，所以年减少温室气体CO 2的量为：1.35432×44÷12=4.96584万吨 4.2.4工程静态投资分析
余热发电概算表
余热发电运行成本表
静态经济效益分析
本工程静态投资额为2290万元，本工程建成后，年售电收入约为1881万元。扣除运行成本354.9万元，年收益为1526.1万元。静态投资回收期约为1.5年（不含建设期），约18个月即可回收全部建设投资。 5 结语
转炉蓄能器的选型是保证主蒸汽持续稳定的基础，而主蒸汽参数的计算又是装机容量确定的关键。电站饱和汽轮机在设计中应充分考虑运行的安全性，还要特别重视机组的选型工作。随着近几年来低压饱和蒸汽发电技术的突飞猛进，饱和蒸汽发电项目造价大幅度降低，同时余热回收效率大幅提高。饱和蒸汽发电项目，不但能减排大量的CO 2，创造巨大的环保效益，同时能充分利用转炉饱和蒸汽，创造可观的节能效益和经济效益。
低压饱和蒸汽发电技术在钢铁行业的应用
王鹏、颜玉
（北京仟亿达科技有限公司，北京 100024）
摘要：介绍了转炉余热发电系统的组成及工艺流程，对蓄能器以及汽轮机的选型进行了详细的分析计算，结合某钢厂转炉饱和蒸汽的生产情况，计算了蓄能器的体积以及汽轮机的发电能力，确定了此钢厂的装机容量和形式。其研究结果可为转炉余热发电技术的应用提供理论指导，也可以为相关工艺饱和汽轮机组的选型提供参考。 关键词：饱和蒸汽；蓄能器；汽轮机；选型 1 概述
随着我国对节能减排的重视，以及《中华人民共和国节约能源法》的实施，各行各业对余热余能的利用也越来越高。当前大部分钢铁企业中，转炉余热锅炉生产的饱和蒸汽除供自身消耗外，还有大量剩余，同时由于全厂管网蒸汽一般为过热蒸汽，饱和蒸汽无法直接并网使用，只能对空排放或经过热处理后并入管网，造成能源浪费。若采用饱和蒸汽发电，既可以充分利用饱和蒸汽，也可避免蒸汽放散造成的浪费，又能提供电能，产生新的效益。本文主要针对钢厂饱和蒸汽用于发电的技术和设备选型进行讨论。 2 转炉余热发电系统
转炉饱和蒸汽发电系统主要包括汽化冷却锅炉、饱和蒸汽汽轮机、发电机三大主体设备及蓄能器、冷却塔、除氧给水系统等，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。余热锅炉由于受转炉吹炼时烟气波动的影响，在整个冶炼周期（36min ）内，只有吹炼（18min ）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。因此为了保证汽轮机进汽流量的连续性和稳定性，需要设置蓄能器系统。在吹炼期内，余热锅炉产生的蒸汽被引入蓄能器内，蒸汽将蓄能器内的水加热后并凝结成水，使蓄能器内水的焓值升高，这样就完成了蓄能器的充热过程，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，蓄能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，这样就完成了蓄能器的放热过程。经调压阀调压至0.8MPa~1.3MPa的饱和蒸汽，经过汽水分离器及主汽阀的调节后进入饱和汽轮机组，在汽轮机内膨胀做功，驱动发电机发电。
图1
2.1蓄能器的选型 2.1.1蓄能器容积的计算
在选用蓄能器时，常进行可行性经济分析，为此必须先计算出平衡热负荷波动所需要的蒸汽蓄能器的容积，
然后进行产品的选择及投
资估算，蒸汽蓄能器容积的计算，主要决定于蓄能器的运行压力，蒸汽蓄能器的容积按下式计算：
V =
G 0q 0⋅ϕ⋅η
式中，V ：蓄能器的容积（m 3）；
（kg/m）； G 0：蓄热量（蒸汽）
φ：蓄能器充水系数0.65~0.85；
3
η：蓄能器运行效率0.95~0.99；
2.1.2蓄热能力的计算
因为转炉炼钢是周期性操作，产汽只在吹氧时发生，故为间断性热源，时有时无，时大时小，在未采用蒸汽蓄能器之前，全部排空放散，应用蓄能器的独特功能，是把间断性热源变成连续性热源，废热全部得以回收综合利用。对于废热回收场合需要的蒸汽蓄能器，要求在一定的时间内，吸收全部废热蒸汽，因此可采用充热时间作为依据，计算蒸汽蓄能器的蓄热量：
G 0=
D i t
60
式中， G0：计算蓄热量（kg ）；
D i ：废热平均排出量（产汽量）（kg/h）； t ：充热时间（min ）；
2.1.3单位水容积蓄热量的计算
单位水容积蓄热量与充热、放热的压差成正比，压差越大，节能效果越好。但是充热、放热压差受到供热系统的供热与用热设备限定的工作压力的约束。蒸汽蓄能器充热压力必须依照锅炉工作压力（或
最高工作压力）来设定，并考虑系统运行阻力；蒸汽蓄能器放热压力必须满足用户工作压力的需求；充热压力P 1等于锅炉工作压力P g 减去锅炉至蓄能器入口处管道阻力ΔP 1；放热压力P 2等于用户最低工作压力P c 加上蓄能器至热用户管道阻力ΔP 2；蓄能器充热至蒸汽蓄能器放热出口阻力损失约为0.05MPa 。单位容积蓄热量按下式计算：
q 0=
i 1' -i 2'
γ1
(i 1' ' +i 2' ' ) -i 2'
2
式中，q 0：单位饱和水压降p1→p2产生的蒸汽量（kg/m3）；
； i 1' 、i 2' ：分别为压力P 1和P 2时饱和水的焓值（kJ/kg）
i 1'' 、i 2'' ：分别为压力为p 1和p 2时饱和蒸汽的焓值；
γ：p 1压力下饱和水的密度（kg/m）；
3
2.2饱和汽轮机发电能力的计算
转炉余热锅炉产生不连续、压力不稳定的蒸汽，通过变压式蓄能器和调压阀把机组进汽压力控制在0.8MPa~1.3MPa范围。根据汽轮机的排气冷却方式、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 ，由水蒸汽表查得饱和蒸汽焓和饱和水焓；按公式h 0=h0x+hg (1-x)计算出进入汽轮机的湿蒸汽焓（x 蒸汽的干燥度）。
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。根据蒸汽表可查得与排汽压力相对应的理论排汽焓h 0, 从而可求出定熵比焓降Δh t 、根据η=Δh t /Δh i ，
可确定有效比焓降Δh i ，进而求出实际排汽焓h （。 c η为汽轮机内效率）
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：
p =c
D (h 0-h c )
ηm ηg 3.6
式中，p 为发电机输出功率；
c 为实际做功蒸汽流量修正关系，取0.95；
ηm 、ηg 为汽轮机和发电机的机械效率；
3 某钢铁余热蒸汽现状
某转炉厂现有3台100t 顶底复吹炼钢转炉，配套安装了转炉余热锅炉（汽化冷却烟道）和转炉煤气净化收集系统。通过分析此钢厂100t 转炉主要技术指标，结合3台转炉的工作程序，对转炉生产出的蒸汽负荷作如下预测： 每炉铁水平均装入量：113t ； 吹氧时间15min ； 冶炼周期：36min ； 产生蒸汽时间：18min ； 蒸汽回收指标：80-90kg/t；
每炉钢平均产汽量：9040~10170kg（15t/h~17t/h）； 前烧期（3分钟）平均产汽量：49t/h； 吹氧期（11分钟）平均产气量：37t/h； 后烧期（2分钟）平均产汽量：43t/h； 3台转炉总产汽量：45~55t/h； 单炉瞬时最大产汽量：45t/h；
活动烟罩密封用蒸汽消耗量：2t/h（max ）； 除氧器用汽量：3t/h；
去蓄能器总蒸汽量（扣除汽水损失）；40~46t/h； 余热锅炉出口蒸汽参数：1.0~2.0MPa； 4 主要设计内容及经济计算
为了确保转炉余热饱和蒸汽发电项目实施成功，在设计时要充分考虑以下问题：
⑴发电站的工艺设计不能影响转炉炼钢的生产工艺；
⑵发电站的工艺参数选择要准确，确保转炉余热蒸汽供给的相对稳定和发电机的稳定运行；
⑶发电站的工艺系统及控制系统应相对简单明了，便于钢厂专业管理。汽轮机选用专用饱和蒸汽汽轮机，简化系统。 4.1汽轮发电机组的主要配置及技术参数 4.1.1蓄能器
根据钢厂余热锅炉产生蒸汽的数据，蓄能器的蓄热能力按40t/h设计，充汽压力按2.0MPa ，放汽压力选择0.8MPa ，放汽时间21min 。
i 1' -i 2'
q =γ可以计算出单位蓄能器能0⑴ 根据计算公式1
(i 1' ' +i 2' ' ) -i 2'
23
力为79.91kg/m；
G 0
V =⑵根据计算公式 q ⋅ϕ⋅η 可以计算出蓄能器容积为595m 3；
根据钢厂饱和蒸汽生产系统的实际情况，本设计拟增加3台200m 3的蓄能器分别布置在3套余热锅炉的附近。 4.1.2汽轮机
汽轮机采用专用饱和蒸汽汽轮机，进汽压力设计为0.8MPa ，最大进汽量40t/h，满速空载用汽量小于8t/h。汽轮机特点：叶片采用2Cr13制造，提高叶片抗汽蚀能力；每级叶片设计有疏水通道，将凝结水及时排出，保证后级叶片不受水击影响；汽轮机通道采用三元流技术，效果更高；汽轮机预留15%超负荷设计，应对转炉变工况运行。
根据公式p =c 汽轮机的参数：
型号：N5.5-0.8/171； 进汽压力：0.8MPa ； 进汽温度：171℃； 进汽流量：40t/h；
输出功率：5500kW(汽耗7.17kg/kW•h) ； 4.1.3发电机
发电机型号：QF-6-2； 额定功率：6000kW ； 额定电压：10.5kV ； 4.2经济效益分析 4.2.1发电效益分析
机组全年按7200小时运行，全年发电量为：实际发电功率×运行时间×（1﹣厂用电率）×电价
即：5500×7200×95%×0.5=1881万元 4.2.2节煤效益分析
D (h 0-h c )
ηm ηg 可以得出P 约为5326kW, 所以初步选定3.6
火电厂平均每千瓦时供电煤耗标定为360g ，那么年节约标煤量约为：实际发电功率×运行时间×（1﹣厂用电率）×0.36×10﹣3t/kWh 即：5500×7200×95%×0.36×10﹣3=1.35432万吨标煤 4.2.3环保效益分析
碳燃烧的化学方程式为C+O2=CO2，所以年减少温室气体CO 2的量为：1.35432×44÷12=4.96584万吨 4.2.4工程静态投资分析
余热发电概算表
余热发电运行成本表
静态经济效益分析
本工程静态投资额为2290万元，本工程建成后，年售电收入约为1881万元。扣除运行成本354.9万元，年收益为1526.1万元。静态投资回收期约为1.5年（不含建设期），约18个月即可回收全部建设投资。 5 结语
转炉蓄能器的选型是保证主蒸汽持续稳定的基础，而主蒸汽参数的计算又是装机容量确定的关键。电站饱和汽轮机在设计中应充分考虑运行的安全性，还要特别重视机组的选型工作。随着近几年来低压饱和蒸汽发电技术的突飞猛进，饱和蒸汽发电项目造价大幅度降低，同时余热回收效率大幅提高。饱和蒸汽发电项目，不但能减排大量的CO 2，创造巨大的环保效益，同时能充分利用转炉饱和蒸汽，创造可观的节能效益和经济效益。