饱和蒸汽余热发电技术的应用现状
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作者: 唐咸喜
摘要：根据饱和蒸汽膨胀做功特点，分别介绍了单级汽轮机、多级除湿汽轮机、机内再热除湿汽轮机及螺杆膨胀机等四种适于饱和蒸汽余热发电的技术，并通过实际工程表明，此类技术可靠，节能效果显著，经济效益可观，适合于在钢铁、化工及玻璃等存在大量饱和蒸汽余热资源的行业中广泛应用
关键词：饱和蒸汽，余热发电，汽轮机，螺杆膨胀机
The Application of Cogeneration Technology Using The Saturated Vapour
Abstract: According to the work characteristics of saturated vapour expand, the cogeneration technologies of simple turbine, multipolar dehumidify turbine, self-contained reheat dehumidify turbine and screw expander, which are fit for saturated vapour, were introduced. The actual project indicated that this technology is reliable, apparent effect of energy conservation and attain considerable economic benefit. It can be applied extensively in steel, chemical engineering and glass industry that exist plenty of saturated vapour energy.
Key word: Saturated vapour, Cogeneration, Steam turbine, Screw Expander
1、前言
随着近15年节能工作的大力开展，利用水泥，钢铁及其他工业余热的过热蒸汽发电技术已被广泛应用，但如钢铁生产过程中，在转炉、加热炉等汽化冷却装置内产生的大量低温低压饱和蒸汽，除少量自用外，大部分对空排放，造成了极大的能源浪费，因此，近几年，部分钢铁企业开始采用低压饱和蒸汽发电技术回收生产过程中的大量低温余热，取得了良好的社会效益与经济效益。
2、饱和蒸汽发电技术
相比技术成熟的过热蒸汽发电技术，饱和蒸汽在膨胀做功后，蒸汽湿度增加，若采用常规汽轮机，则会导致液击现象的发生，影响汽轮机效率、缩短叶片使用寿命，为解决上述问题，必须采用新型膨胀机以满足饱和蒸汽的发电要求。
2.1单级汽轮机技术
德国设计的KKK汽轮机组[1,2]，全部采用单级悬臂式结构，膨胀叶轮直接安装于齿轮箱一端输入轴，由于叶轮可自由膨胀，所以从冷态启动至全负荷运行，只需要10 min的暖机预热过程，而短期停机后的重新启动过程，也可在10 s内完成。同时由于采用单级叶轮设计，饱和蒸汽膨胀做功后产生的凝结水直接通过回收装置排出汽轮机，不存在对后级叶片的液击问题。KKK机组的较强适应性，不仅适用于过热蒸汽、饱和蒸汽，甚至适用于任何气体、任何有余压(压力≥0.2MPa即可)可利用的场合。如天然气、煤气减压站、高炉炉顶煤气能量回收(TRT)等。
2.2 多级除湿汽轮机技术
杭州中能汽轮机动力有限公司为抚顺新钢铁制造的BN5.5-0.5饱和凝汽式汽轮机，额定功率5.5MW，进汽压力为0.5MPa饱和蒸汽。该汽轮机采用了以下针对饱和蒸汽的特有设计[3]：
1．进汽、补汽口前增设旋流式蒸汽过滤网汽水分离器。
2．通流部分各压力级前设置疏水槽沟，末三级隔板设置除湿疏水环形槽。
3．末一、二级叶片等进汽边硬化处理。
2.3 机内再热除湿汽轮机技术
机内再热除湿多级冲动式汽轮机[4]，是由广州能源研究所开发的一种新型饱和蒸汽发电设备，原理为在汽轮机汽缸内的其中一相邻级或若干相邻级的级间设置蒸汽再热器，由该汽轮机的主汽门后的主蒸汽管上引出一股新蒸汽通入蒸汽再热器中，用于加热汽轮机中膨胀到一定程度的湿饱和蒸汽，降低其湿度，以保护汽轮机不受水蚀损害。该汽轮机可以广泛适用于饱和或过热度较低的蒸汽，在保持较高汽轮机效率的情况下有效避免了叶片的水蚀问题。
2.4 螺杆膨胀机技术
螺杆膨胀机的结构是由一对阴阳螺杆转子、机壳体、进汽端座、后端座、阻流式轴封、支持轴承和止推轴承组成的，工作原理是压力较高的流体进入螺杆齿槽，推动螺杆转动，齿槽容积增加，流体降压膨胀做功，实现能量转换。螺杆膨胀机既可以用于发电，也可以用于驱动泵、压缩机、风机等，其特点如下：
（1）适用热源广泛：同时适合过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水混合物、热水、易结垢污染热源、石化热工质等：
（2）热源参数波动：允许热源的压力、流量、温度有较大波动，机组能够安全平稳的运行；
（3）操作简单：机组运行可以不暖机车、不盘车、不飞车：长期无大修、维修简单；设备不易损坏，可手动和自动操作，事故率低；
（4）安装投运方便：机组占地小，基础简单、现场安装方便，可以整机快装、移动，通用性强。
3 饱和蒸汽发电工程应用实例
3.1 单级汽轮机饱和蒸汽余热发电工程
金隆铜业有限公司原有余热发电系统采用过热蒸汽，背压蒸汽减温减压后供0.6MPa蒸汽管网，多余放空，另用燃煤锅炉生产1.6MPa蒸汽供生产用，生产过程余热未得到充分利用。系统改造后采用KKK单级饱和蒸汽发电机组发电，由一台闪速炉与三台转炉余热锅炉产生的饱和蒸汽(3.8MPa)一部分用于余热发电，另一部分减压后供1.6MPa蒸汽管网，汽轮机背压排汽供0.6MPa蒸汽管网。该系统自2001年投运后，运行稳定，约14个月即收回投资。至2004年底累计发电近3×107kW・h，为企业创造效益约1350万，随着企业2005年进一步扩产改造的完成，饱和蒸汽余热发电项目每年获得500～600万元的经济效益。
北方铜业股份有限公司候马冶炼厂[5,6]，针对熔炼炉与吹炼炉生产过程中产生的饱和蒸汽，采用德国DRESSER-RAND公司的单级饱和蒸汽发电机组，汽轮机进口饱和蒸汽流量l5-34t/h、压力3.8MPa、温度250℃，出口蒸汽压力0.4MPa、温度150℃，经72h现场测试结果表明，在进口蒸汽流量20.8t/h下发电量为987kW。系统运行三年，年均发电量691.2MW・h，年均经济效益297万元。
3.2 多级除湿汽轮机饱和蒸汽余热发电工程
抚顺新钢铁针对钢厂低压蒸汽管网饱和蒸汽（0.5MPa），采用杭州中能汽轮机动力有限公司生产的1台5.5MW饱和蒸汽发电机组，工程于2007年投产，至今运行稳定，年均发电量2.78万MW・h。
首钢迁安钢铁厂针对烧结、转炉汽化冷却装置及热轧加热炉汽化冷却装置生产过程中产生的饱和蒸汽，采用杭州中能汽轮机动力有限公司生产的2台6.5MW饱和蒸汽发电机组[7]，汽轮机进口饱和蒸汽流量45t/h、压力1.2MPa、温度190℃，出口蒸汽压力0.01MPa，系统年发电量4.55万MW・h，年均经济效益2000万元。
3.3 机内再热除湿汽轮机饱和蒸汽余热发电工程
东岭锌品厂针对冶炼锌的过程中汽化冷却系统产生的饱和蒸汽，采用中科院广能所开发的13MW机内再热除湿汽轮机饱和蒸汽余热发电机组，汽轮机进口饱和蒸汽流量65t/h、压力2.6MPa、温度224℃，出口蒸汽压力0.35MPa，系统年发电量4230万kW・h，年均获得1800万元的经济效益。
新余钢铁公司针对转炉汽化冷却系统产生的饱和蒸汽，采用中科院广能所开发的6MW机内再热除湿汽轮机饱和蒸汽余热发电机组[8]，汽轮机进口饱和蒸汽流量40t/h、压力1.3MPa、温度190℃，系统年发电量4300万kW・h，年均经济效益2000万元。
3.4螺杆膨胀机饱和蒸汽余热发电工程
由于螺杆膨胀机的原理、结构、加工完全不同于传统汽轮机，因此，目前国内尚无工业用成型产品，但通过已有实验及理论计算表明，螺杆膨胀机饱和蒸汽余热发电系统具有良好的发电性能与经济效益。
1996年由中国轻工总会主持的科研专项 《工业锅炉饱和蒸汽驱动螺杆动力机背压供汽发电系统中试》[9]的实验表明：饱和蒸汽进汽流量6.6t/h，进汽压力0.9MPa，排汽压力0.4MPa时，发电功率120kW；饱和蒸汽进汽流量8.23t/h，进汽压力1.3MPa，排汽压力0.5MPa时，发电功率200kW，通过工况分析与能耗计算表明系统可实现国家的节能指标，为企业获得节能效益与经济效益。
以生产能力300t/d的浮法玻璃熔窑为例[10]，采用螺杆膨胀机饱和蒸汽余热发电机组，饱和蒸汽进汽流量16t/h，进汽压力1.3MPa，排汽压力0.5MPa，发电功率400kW，年发电量244.8万kW・h，年经济效益155万元。
4、结论
综上所述，饱和蒸汽余热发电技术可靠，节能效果显著，经济效益可观，适合于在钢铁、化工及玻璃等存在大量饱和蒸汽余热资源的行业中广泛应用。
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，硫酸工业，2006（1）：41-44
[2]沈强，饱和蒸汽工业汽轮机的成功运用，冶金动力，2003（1）：32-37
[3]朱能闯，钢铁企业低压饱和蒸汽发电技术应用，中国水运，2008，7（8）：121-122
[4]韩建峰，宫栋杰，饱和蒸汽发电在东岭锌品厂的应用，实用科技，288
[5]李光田，温燕铭，饱和蒸汽发电机组在候马冶炼厂的应用，硫酸工业，2009（1）：37-39
[6]陈辉，武骁军，李光田，余热饱和蒸汽发电在侯马冶炼厂的应用，铜业工程，2007（3）：63-64
[7]周玉磊，低压饱和蒸汽发电技术在冶金企业的应用，冶金动力，2009（1）：32-36
[8]曹武，韩慧珍，炼钢转炉烟气余热饱和蒸汽发电，煤气与热力，2009，25（9）：56-57
[9]董光武，饱和蒸汽驱动的螺杆动力机背压供汽发电系统，热电技术，97（2）：64-66
[10]曹艳华，张海燕，何宏华，浮法玻璃烟气脱硫及余热发电可行性研究，工业炉，2009，31（4）：31-33.
作者简介:
姓名：唐咸喜，性别：男，学历：大本。出生年月：1962年1月生，籍贯：江苏泰兴。职称：高级工程师。研究方向：经济学研究方向。
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