低壓蒸汽差壓發(fā)電技術(shù)應(yīng)用

邱 煜，趙春禾，王 偉

(1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900;2.上海西重所重型機(jī)械成套有限公司，上海 201900)

0 前言

余熱能源通常分為高溫、中溫、低溫三類。溫度在650℃以上為高溫能源，溫度在230～650℃之間為中溫能源，溫度在230℃以下為低溫能源［1］，對(duì)于高溫、中溫余熱蒸汽可以直接驅(qū)動(dòng)蒸氣輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電加以利用，而低溫余熱能源約占余熱能源總量的30%［2］，利用這部分余熱能量發(fā)電，對(duì)提高能源利用率具有重要作用。

冶金行業(yè)中，低壓蒸汽主要用于加熱、伴熱、保溫及管道吹掃等用途。一般低壓蒸汽管網(wǎng)的壓力范圍在1.0～1.6 MPa、溫度范圍在180～220℃，主要來(lái)源于鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的余熱鍋爐。而各區(qū)域低壓蒸汽末端用戶需要的壓力為0.5～0.7 MPa，溫度為150～160℃。使低品質(zhì)余熱能源沒(méi)有得到充分利用。我國(guó)能源利用率只有30%左右［3］，而一些發(fā)達(dá)國(guó)家能源利用率都在50%以上，美國(guó)的能源利用率已超過(guò)60%［4］。因此有效利用能源是我國(guó)面臨的一個(gè)重要課題。

目前大多采用減溫減壓系統(tǒng)的工藝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)低壓蒸汽的降壓目的。

1 低壓蒸汽減溫減壓工藝

目前冶金行業(yè)實(shí)現(xiàn)低壓蒸汽的降壓基本采用的是節(jié)流減壓的工藝。該工藝流程如圖1所示，主要由汽水分離器、減溫減壓裝置、安全閥、以及蒸汽管道閥門等輔助裝置所組成。蒸汽由低壓蒸汽管網(wǎng)引入，首先進(jìn)入汽水分離器，脫去輸送過(guò)程中冷凝的液態(tài)水分后，進(jìn)入減溫減壓裝置(多組并聯(lián))。通過(guò)節(jié)流減壓與減溫水噴淋降溫后，再經(jīng)過(guò)安全閥排入用戶蒸汽管網(wǎng)。選取的減溫減壓站蒸汽進(jìn)出口參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 減溫減壓工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.1 Process of temperature＆pressure reduction

表1 減溫減壓裝置前后蒸汽參數(shù)Tab.1 Steam parameters before and after thermoreduction＆decompression device fixed

查水蒸汽焓－熵圖可知:

入口蒸汽壓力P1=1.3 MPa(絕壓)，溫度T1=200℃，焓值h1=2 809.6 kJ/kg;

二次蒸汽壓力P2=0.60 MPa(絕壓)，溫度T2=162℃，焓值h2=2 675.76 kJ/kg。

損失能量E為

式中，Q為蒸汽流量;Δh為焓值的差值，Δh=h1－h(huán)2。

2 低壓蒸汽差壓發(fā)電技術(shù)

低壓蒸汽差壓發(fā)電技術(shù)利用低壓蒸汽進(jìn)出口的壓差能推動(dòng)螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)做功轉(zhuǎn)化為電能并入電網(wǎng)。低壓蒸汽差壓發(fā)電工藝流程包括蒸汽主路系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)、螺桿發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)以及輔助裝置。主路系統(tǒng)和旁路系統(tǒng)的各切斷閥、調(diào)節(jié)閥按不同控制模式的程序設(shè)定，在來(lái)源蒸汽或用戶管網(wǎng)壓力波動(dòng)的情況下，可通過(guò)閥門開(kāi)度來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的排汽壓力，控制其在要求的工藝范圍內(nèi)，不影響低壓蒸汽減壓后的用戶使用，并確保發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

該蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)較低，其運(yùn)行操作簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行的可靠性和安全性高。既能有效的利用蒸汽減溫減壓過(guò)程中損失的能量，又能穩(wěn)定的控制排汽的壓力與溫度，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益及節(jié)能減排效果。但是由于低壓蒸汽的品位低，且要考慮與原有工藝裝置的配比，因此裝機(jī)容量較小，其工藝流程如圖2所示。

圖2 低壓蒸汽差壓發(fā)電工藝流程圖Fig.2 Flow chart of power generation using differential pressure of low pressure steam

發(fā)電蒸汽取自低壓蒸汽管網(wǎng)經(jīng)干燥器脫水后的入口點(diǎn)A，依次通過(guò)主路系統(tǒng)的流量計(jì)、單向閥等各類儀表，進(jìn)入螺桿發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)，由主汽閥調(diào)節(jié)進(jìn)汽量與進(jìn)汽壓力，進(jìn)入螺桿機(jī)陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子腔體膨脹做功，降壓后的蒸汽排入原減溫減壓線出口點(diǎn)B，并入用戶管網(wǎng)。同時(shí)動(dòng)力機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能經(jīng)變壓器并入電網(wǎng)供生產(chǎn)使用。旁路系統(tǒng)并聯(lián)于螺桿發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)，配合主汽閥對(duì)排汽壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保出口蒸汽壓力溫度參數(shù)符合原工藝要求。

3 螺桿發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)

如圖3所示，螺桿發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)包括螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)(自帶潤(rùn)滑油系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng))、減速機(jī)、發(fā)電機(jī)、PLC控制柜、并網(wǎng)柜(自帶保護(hù)裝置、同期裝置、勵(lì)磁裝置等)、聯(lián)絡(luò)柜。

圖3 螺桿發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.3 Sketch of screw power generating set

3.1 螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)作為該系統(tǒng)的核心設(shè)備，在工業(yè)余熱動(dòng)力回收方面具有如下特點(diǎn):

(1)適應(yīng)過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相濕蒸汽、熱水以及被污染、高鹽份(如鍋爐連排水、地?zé)崴?、鋼鐵廠沖渣水等)等多種低品位能源;

(2)在熱源壓力、溫度、流量、熱負(fù)荷及負(fù)載功率等參數(shù)大范圍波動(dòng)情況下能保持穩(wěn)定運(yùn)行;

(3)啟動(dòng)及正常運(yùn)行操作簡(jiǎn)單、機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、安全、可靠、低噪音、微振動(dòng)、可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無(wú)人職守、遠(yuǎn)距離監(jiān)控;

(4)該動(dòng)力機(jī)為快裝、集裝式機(jī)組，可集中、可分散、可移動(dòng)、占地少，最適合熱源衰減、規(guī)劃可變化等場(chǎng)合應(yīng)用的動(dòng)力機(jī);

(5)適用于大量被廢棄能源(廢蒸汽，0.1 MPa左右、低溫?zé)煔猓?00℃上下、熱風(fēng)、熱水等)雙循環(huán)做功發(fā)電的新技術(shù)新產(chǎn)品［5］。

3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用PLC集中控制，包括主路、旁路調(diào)節(jié)閥、主路快關(guān)、旁路快開(kāi)閥、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁等控制均由PLC完成，觸摸屏上顯示系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)，有手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行模式，手動(dòng)運(yùn)行時(shí)可對(duì)各單個(gè)控制對(duì)象進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)由PLC程序根據(jù)各檢測(cè)反饋值和連鎖條件進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，包括自動(dòng)開(kāi)機(jī)、調(diào)節(jié)閥控制、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁投入、電壓調(diào)節(jié)、并網(wǎng)后功率調(diào)節(jié)、自動(dòng)停機(jī)、緊急停機(jī)等控制過(guò)程，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)可對(duì)功率設(shè)定值和壓力設(shè)定值進(jìn)行修改和寫入，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行平滑調(diào)節(jié);上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與PLC通訊，上位機(jī)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，有電壓、電流、壓力等主要參數(shù)的趨勢(shì)圖，故障報(bào)警記錄等畫面，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)停機(jī)和緊急停機(jī)操作，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏上本地/遠(yuǎn)程選擇到遠(yuǎn)程時(shí)，可在上位機(jī)上通過(guò)對(duì)功率設(shè)定值和壓力設(shè)定值進(jìn)行修改和寫入，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)。

機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定后，系統(tǒng)自動(dòng)并網(wǎng)，并且機(jī)組切換到功率控制。發(fā)電機(jī)功率達(dá)到功率設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)組切入背壓控制。機(jī)組接到停機(jī)指令后根據(jù)相應(yīng)控制邏輯打開(kāi)旁路系統(tǒng)調(diào)節(jié)，確保蒸汽排汽壓力穩(wěn)定。機(jī)組各功能的控制邏輯如圖4～圖7所示。

圖4 機(jī)組啟動(dòng)控制邏輯圖Fig.4 Control logic of the generating set startup

圖5 機(jī)組功率控制邏輯圖Fig.5 Control logic of generating set power

圖6 機(jī)組背壓控制邏輯圖Fig.6 Control logic of generating set back pressure

圖7 機(jī)組停機(jī)控制邏輯圖Fig.7 Control logic of the generating set shutdown

3.3 并網(wǎng)系統(tǒng)

并網(wǎng)系統(tǒng)主要包括綜保裝置、同期裝置、勵(lì)磁裝置及各類儀表等。

(1)綜保裝置。采用南自PSM 694U數(shù)字式電機(jī)綜合保護(hù)器。一方面可以顯示所有的電量參數(shù);一方面可以將所有電量參數(shù)以通訊的方式傳至PLC控制系統(tǒng);一方面可以對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行起到保護(hù)作用，當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，立即切斷發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的聯(lián)接。

(2)同期裝置。采用深圳旭振PTQ2000A1微機(jī)同步裝置，嚴(yán)格保證同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)的“必要條件”，只要有一相條件不滿足，則無(wú)法發(fā)出合閘指令，只有“必要條件都滿足”才允許發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，并且根據(jù)每次并網(wǎng)的情況，自動(dòng)調(diào)整并網(wǎng)脈沖的觸發(fā)時(shí)間，使發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)的沖擊達(dá)到最小，保證并網(wǎng)安全。

(3)勵(lì)磁裝置。采用的國(guó)際品牌ABB先進(jìn)的數(shù)字勵(lì)磁裝置。并網(wǎng)前，根據(jù)電網(wǎng)的情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，保證并網(wǎng)前，發(fā)電機(jī)的電壓與電網(wǎng)的電壓匹配。并網(wǎng)后，不管電網(wǎng)如何波動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)(滯后0.85～1.0)。

(4)電流、電壓、頻率、功率因數(shù)指針表:可以顯示發(fā)電電流、發(fā)電機(jī)輸出電壓、發(fā)電機(jī)功率因數(shù)、發(fā)電機(jī)頻率、電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)頻率等電量參數(shù)。

(5)浪涌吸收裝置。防止雷擊、電網(wǎng)的高次偕波燒毀發(fā)電關(guān)鍵控制部件。

4 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

該工藝流程中低壓蒸汽輸入壓力為1.0～1.6 MPa、溫度為180～220℃。二次蒸汽輸出壓力為0.5～0.7 MPa，溫度為150～170℃。蒸汽流量額定18.5 t/h，發(fā)電機(jī)裝機(jī)功率300 kW。

(1)按照本文計(jì)算數(shù)據(jù)，取螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)效率為η=40%，計(jì)算螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)功率為

(2)計(jì)算實(shí)際發(fā)電功率。

式中，ηm為發(fā)電機(jī)組取機(jī)械效率ηm=0.9;ηe為發(fā)電機(jī)效率，ηe=0.95。

如按發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)功率為235 kW計(jì)算，年運(yùn)行時(shí)間平均7 000 h，年發(fā)電效益為130萬(wàn)元。

5 結(jié)束語(yǔ)

該工藝技術(shù)適用于各類蒸汽減溫減壓機(jī)組，用以代替減溫減壓裝置，可以在保證排汽壓力穩(wěn)定的前提下，將低壓蒸汽這種低品位能源在減溫減壓過(guò)程中損失的能量有效的收集起來(lái)，通過(guò)螺桿膨脹機(jī)發(fā)電系統(tǒng)將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，并入電網(wǎng)供生產(chǎn)使用。同時(shí)，做完功壓力溫度降低后的蒸汽排入減溫減壓機(jī)組后的用戶管網(wǎng)，在節(jié)能減排上實(shí)施效果明顯，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

［1］羅琪.抽汽回?zé)崾接袡C(jī)工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的熱力特性分析［J］.現(xiàn)代電力，2009(06).

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［4］王偉.低品質(zhì)熱源余熱發(fā)電工藝及設(shè)備［J］.重型機(jī)械，2010(S2).

［5］曹武，劉凱.螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)技術(shù)的探討.煤氣與熱力，2005(08).