冶金工程论文
摘 要： 为充分回收利用炼钢厂转炉汽化冷却系统回收的饱和蒸汽，降低炼钢工序能耗，进一步提高自发电量，鄂城钢铁有限公司建设炼钢饱和蒸汽发电项目，可充分利用炼钢富余的余热饱和蒸汽进行发电，实现炼钢余热饱和蒸汽的有效利用，同时解决蒸汽放散造成的白色污染问题。
关键词： 饱和蒸汽; 蓄热器; 汽轮发电机;
近年来，我国大力提倡循环、低碳、绿色经济，钢铁企业作为高耗能大户，节能降耗尤其重要，需不断提高能源综合利用效率，降低综合能耗，降低生产成本，才能提高产品竞争力，实现可持续发展。鄂城钢铁有限公司（以下简称公司）在炼钢生产过程中，转炉汽化冷却系统会产生大量低品质的蒸汽，蒸汽压力、流量波动大，含水量高，在炼钢厂RH炉不生产时，转炉余热蒸汽并入公司低压蒸汽管网（正常运行压力0.50MPa左右），对管网压力造成很大冲击。
蒸汽放散既会造成热能的浪费，又会产生噪音和白色污染。公司根据炼钢厂现状，将转炉汽化冷却系统回收的饱和蒸汽用于发电，产生了较好的经济效益和社会效益。
1、 炼钢厂蒸汽产量现状
炼钢厂目前有3座转炉、1座RH炉，其中每座转炉每小时供汽量为16.5t/h，蒸汽压力1.45～2.0MPa。现有系统（3座转炉、1座RH)RH炉生产时每小时耗汽量为23t,R炉不生产时，转炉余热蒸汽进入蓄热器存储。
当蓄热器存储量超过设计值后，会放散多余蒸汽。据统计，2018年炼钢厂富裕蒸汽量约8.80万t，造成资源的极大浪费，并且带来白色污染。根据公司现有的汽平衡结果，最大将会有约49.5t/h的蒸汽富裕，公司目前的蒸汽用户难以消纳这部分蒸汽，为保证生产和管网安全，只能将富裕蒸汽直接排空，这样进一步加剧了能源浪费和白色环境污染问题。
2、 蒸汽平衡
正常情况下1#、2#和3#转炉每台对应的余热锅炉产蒸汽13.5t/炉，其中余热锅炉除氧器消耗1t/炉，则每台余热锅炉外供给蓄热器蒸汽量约12.5t/炉，每台炉月生产炉数为950炉，具体见表1所示。
注：现在生产中，一次除尘冷却器和转炉氧枪氮封都采用蒸汽密封，后期为保证该汽轮发电机组正常运行，且全厂氮气富裕，将改回原设计氮封形式，本表按照两系统采用氮封计算。
由表1可以看出，理论上在RH炉不上生产时，每炉供汽量为12.5t/炉，此时，转炉供汽指标约为80kg/t，该指标符合行业实际情况。连续生产情况下每台转炉供蓄器蒸汽量折合为Q1=12.5×950÷30÷24=16.5t/h，则3台转炉供汽量约为49.5t/h。RH炉生产时，其每小时耗汽量在23t/h，则每小时富裕蒸汽量约为26.5t/h。
实际生产中，由于该蒸汽为饱和蒸汽，且蒸汽输送距离在700m左右，蒸汽因为管道阻力损失和温度损失会产生大量疏水，疏水量按10%考虑，则RH不生产时，供汽轮发电机发电用蒸汽最大量为49.5×0.9=44.55t/h,RH生产时，供汽轮发电机用蒸汽量26.5×0.9=23.85t/h。
考虑正常生产、1台转炉检修和两台转炉检修3种生产情况，做出以下汽平衡表，具体如下：
(1)3台转炉正常生产情况，如表2所示。
由上表可以看出，3台转炉都生产的情况下，当RH不生产时，供给汽轮发电机发电用蒸汽量为44.55t/h。当RH生产时，供汽轮发电机发电用蒸汽量为23.85t/h。
表1 炼钢厂余热蒸汽平衡表
表2 正常生产时蒸汽平衡表
(2)1台转炉检修，2台转炉正常生产情况，如表3所示。
表3 2台转炉检修时蒸汽平衡表
(3)2台转炉检修，1台转炉正常生产情况，如表4所示。
注：此时，RH炉无法生产，1台转炉供汽无法满足RH用汽要求。
3、 饱和蒸汽发电机组选型
3.1、 发电机组容量选择
由表2蒸汽平衡表可以看出，当3#转炉投产以后，正常情况下，公司6MW炼钢汽化冷却蒸汽发电项目整个管网最大蒸汽富裕量将达到49.5t/h，最小量为26.5t/h，其中最大排放量时间占比达44%。正常生产情况下，RH生产用汽压力为1.0MPa，考虑最大限度利用蓄热器的调节能力，结合管道阻力损失情况，经计算确定，所选定的汽轮机为6MW低压凝汽式汽轮机组，机组进汽压力为0.8MPa。
3台转炉都生产的情况下，当RH不生产时，供给汽轮发电机发电用蒸汽量为44.55t/h，汽轮机可以满负荷（6MW）运行。如果此时蒸汽还有富余，为减少白色污染，可以根据实际情况将一次除尘和氧枪口密封由氮气切换为蒸汽。当RH生产时，供汽轮发电机发电用蒸汽量为23.85t/h，可以保证汽轮机在55%负荷运行。在这种情况下，各个生产系统都可以正常生产，汽轮机不出现停机情况。
表4 两台转炉检修时蒸汽平衡表
1台转炉检修时，当RH不生产时，供给汽轮发电机发电用蒸汽量为29.7t/h，汽轮机可以70%负荷运行。当RH生产时，供汽轮发电机发电用蒸汽量为9.0t/h，此时，无法满足汽轮机最低负荷运行要求。若检修时间较短，可以使汽机处于热机状态，当检修完成后，汽轮机热启动，启动时间较短；若检修时间较长，此时，建议协调RH生产调度，尽量保证RH避开转炉检修时段，以确保汽轮机供汽量；极端情况下，当生产调度有困难时，需要停机，则富裕蒸汽存储在蓄热器内，在此情况下，可以将一次除尘蒸发器和氧枪口密封由氮气切换为蒸汽，尽量不出现蒸汽放散情况。
两台转炉检修时，此时一台转炉供汽无法满足RH生产用汽要求，则RH不生产，供给汽轮发电机组发电用蒸汽量为14.85t/h，汽轮发电机组可以约35%负荷运行，汽轮机不需要停机。
3.2 、汽机发电机组参数
汽轮发电机组采用中低压凝汽式汽轮机组，为合理利用相关资源，降低系统投资，采用某钢铁公司已停产汽轮发电机组，并经专业改造，具体参数如下：
(1）汽轮机
汽轮机形式：单轴、单缸、凝汽式
额定功率：6.0MW
额定转速：3000r/min
额定进汽流量：46.8t/h
主汽门前进汽压力：0.8MPa
主汽门前进汽温度：170.5℃
额定排汽压力：<9.0kPA(a)
额定汽耗率：7.8kg/kW·h
调节系统调节方式：低压电液调节系统
冷却水温度：最高33℃
设计排汽温度：44℃
临界转速：～2035
汽轮机检修时最大件重量：～15t
(2）发电机
额定功率：6.0MW
额定功率因数：0.8（滞后）
额定电压：10.5kV
额定频率：50Hz
4 、工艺流程
本系统为新建一台6MW汽轮发电机组，主蒸汽由厂区管网供给，产生的凝结水通过凝结水泵送至发电机房界区接口后，经管网送至炼钢汽化冷却水箱循环利用。考虑系统运行地安全性、经济性和灵活性，热力系统尽可能简化。为减少汽机末端含湿量，在汽轮机尾部设置除湿措施。
4.1、 主蒸汽系统
主蒸汽系统的功能是将蒸汽由管网接口送至汽轮机作功，同时，在机组启动和停机过程中，向汽轮机的汽封系统供汽。主蒸汽经一根DN250(20钢)的管道送至稳压箱后进入汽轮机主汽门。主蒸汽管道及补汽管道考虑有适当的疏水点和相应的疏水阀，以保证机组在起动暖管、低负荷或故障条件下能及时疏尽管道中的凝结水，避免汽轮机进水事故的发生。主蒸汽管道由蓄热器接至发电机厂房，管道每隔100m和管道低点设置疏水装置。
4.2 、凝结水系统
机组凝结水从凝汽器热井引出，由凝结水泵升压，经汽封加热器送至厂房界区。在汽轮机旁设置2台凝结水泵，1台运行，1台备用，每台泵的容量满足纯凝工况最大凝结水量的110%的凝结水需求。泵扬程按100m计。在轴封加热器后，凝结水管道设有一路至凝汽器的凝结水再循环管，凝结水管道由凝结水泵送至炼钢汽化冷却水箱。
4.3、 油系统
机组设置一台主机润滑油箱，油箱容积为4m3，厂房外设有汽机润滑油系统的事故油箱，事故工况时，主机润滑油系统的润滑油排放至该事故油箱，事故油箱容积为10m3。厂房设置高压交流油泵、交流润滑油泵和直流油泵，直流油泵作为在交流电源或交流润滑油泵出现故障时，保证汽轮发电机组轴承润滑油的供油。
4.4、 循环冷却水系统
循环冷却水系统为带机力通风冷却塔的二次循环冷却系统，设循环水泵，向凝汽器、冷油器、发电机空冷器提供循环水冷却。
4.5、 抽真空系统
抽真空系统在机组启动时，抽取凝汽器内以及辅助设备和管道里的空气，使其真空达到要求的启动值（抽吸状态）；机组正常运行期间，该系统排除集结在凝汽器内的不凝结气体，以维持系统真空。本机组设置2台真空泵，1台运行，1台备用。
4.6 、稳压疏水系统
在管道间设置一台集汽箱，集汽箱具有稳定汽机进口主蒸汽压力和疏水的功能，以满足汽轮机对蒸汽品质的要求。汽轮机主汽由管网送至汽轮发电机主厂房界区，在厂房内设置稳压箱，蒸汽稳压后进入汽轮机，稳压箱设置隔断阀。主蒸汽进入汽轮机发电后，乏汽进入凝汽器经循环水冷却凝结成水，生成的凝结水由凝结水泵经汽封加热器送至炼钢汽化冷却水箱。
5 、关键技术
蒸汽在汽轮机内膨胀过程中产生的水分较多，必须考虑汽轮机低压级叶片带水去湿措施。由于低压饱和蒸汽的比焓较低，同常规汽轮机相比，其耗汽量较大。汽轮机通流部分需充分考虑余热发电系统低压蒸汽特点，末尾几级叶片动叶需激光强化，以便有效地防止水蚀；采用三维设计，尽量减小排汽余速损失。隔板全部采用焊接式隔板。全部直叶片动叶设计用自带围带、整圈连接；围带加工成内斜外平的形式，形成光滑的通道子午面；并对通道扩张角进行最优化设计，提高机组的整体效率。
6 、结语
饱和蒸汽发电系统建成后，转炉生产、RH炉生产、蓄热器和汽轮机发电各单元更加紧密有机协调，各生产单元之间运行流畅。汽轮发电机生产单元能够根据RH炉生产节奏和生产安排，适时调节汽轮机进汽量；RH炉生产单元将生产安排提前告知汽轮机单元，以便汽轮机单元根据RH生产调节汽轮机进汽量。在各种生产工况下，对炼钢转炉产生的饱和蒸汽进行完全回收，避免了蒸汽放散，解决了困扰企业的白色污染问题，节能减排效果明显。
参考文献
[1]何梅松.饱和蒸汽发电技术在废热利用系统中的应用[J]，硫酸工业，2010(1).
[2]马赛，赵建波.饱和蒸汽发电技术在废热利用系统中的应用[J]，应用能源技术，2014(3).
[3]何世文，徐玉林，裴永红.转炉汽化冷却回收蒸汽用于发电技术的实践[J]，冶金能源，2009(5):51-53.