李文舉，薛亮，張紅衛(wèi)

一種新型轉(zhuǎn)爐蒸汽吸收式換熱系統(tǒng)的應(yīng)用

李文舉1，薛亮2，張紅衛(wèi)1

(1.西安天可華能源科技有限公司，陜西西安，710000;2.西安新唐電力設(shè)計(jì)有限公司,陜西西安，710000)

鋼鐵企業(yè)在采暖季由于大量富裕蒸汽用于采暖，導(dǎo)致蒸汽量不足，汽輪機(jī)無(wú)法運(yùn)行。提出了一種新型轉(zhuǎn)爐蒸汽吸收式換熱系統(tǒng)，能夠節(jié)省采暖用的蒸汽，解決了提高余熱電站的運(yùn)轉(zhuǎn)率。

吸收式熱泵;轉(zhuǎn)爐蒸汽;電站運(yùn)轉(zhuǎn)率

1 引言

當(dāng)前大部分鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐生產(chǎn)出大量的低壓飽和蒸汽，其中一部分鋼鐵工藝自用，另一部分多利用飽和蒸汽汽輪機(jī)進(jìn)行飽和蒸汽發(fā)電。但是由于冬季鋼鐵廠車(chē)間、生活區(qū)和辦公場(chǎng)所采暖需求，使得冬季富裕飽和蒸汽量急劇減少，飽和蒸汽汽輪機(jī)出力下降，甚至無(wú)法運(yùn)行，造成整個(gè)采暖季汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備閑置，建設(shè)項(xiàng)目的投資回收期加長(zhǎng)。

針對(duì)此問(wèn)題，本文提出采用一種新型轉(zhuǎn)爐蒸汽吸收式換熱系統(tǒng)，最大程度利用轉(zhuǎn)爐飽和蒸汽的價(jià)值，大幅降低采暖的蒸汽消耗，進(jìn)而提高飽和蒸汽汽輪機(jī)發(fā)電量。

2 原理介紹

吸收式換熱機(jī)組也稱(chēng)為吸收式熱泵機(jī)組，吸收式熱泵可以分為兩類(lèi)：第一類(lèi)吸收式熱泵、第二類(lèi)吸收式熱泵。第一類(lèi)吸收式熱泵也稱(chēng)增熱型熱泵,是利用少量的高溫?zé)嵩礊轵?qū)動(dòng)熱源，從低溫?zé)嵩粗谢厥諢崃?，制取大量的中溫位有用熱能。第二?lèi)吸收式熱泵也稱(chēng)升溫型熱泵,是利用大量的中溫?zé)嵩串a(chǎn)生少量的高溫位有用熱能。此處用到的是第一類(lèi)吸收式熱泵機(jī)組。

第一類(lèi)吸收式熱泵原理見(jiàn)圖1（以溴化鋰-水型為例）。第一類(lèi)溴化鋰吸收式熱泵機(jī)組是一種以高溫?zé)嵩矗ㄕ羝?、高溫?zé)崴⑷加?、燃?xì)猓轵?qū)動(dòng)熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，回收利用低溫?zé)嵩矗ㄈ鐝U熱水）的熱能，制取所需要的工藝或采暖用高溫?zé)崦剑崴?，?shí)現(xiàn)從低溫向高溫輸送熱能的設(shè)備。熱泵由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器和熱交換器等主要部件及抽氣裝置，屏蔽泵（溶液泵和冷劑泵）等輔助部分組成。抽氣裝置抽除了熱泵內(nèi)的不凝性氣體，并保持熱泵內(nèi)一直處于高真空狀態(tài)。

本文提出的新型轉(zhuǎn)爐蒸汽吸收式換熱系統(tǒng)利用第一類(lèi)吸收式熱泵技術(shù)，以轉(zhuǎn)爐飽和蒸汽為高溫?zé)嵩?，以鋼鐵廠內(nèi)大量的工業(yè)循環(huán)水（30～40℃）為低溫?zé)嵩?，提供采暖用的熱水。整個(gè)吸收式換熱系統(tǒng)的COP（COP=制取的中溫?zé)嵩礋崃?消耗的高溫?zé)嵩礋崃浚┛梢赃_(dá)到1.50，從而節(jié)省出蒸汽去推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。

新型轉(zhuǎn)爐蒸汽吸收式換熱系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）減少鋼鐵企業(yè)的采暖蒸汽消耗量達(dá)33%；

（2）利用了循環(huán)水的低位熱量，同時(shí)減少了循環(huán)水降溫過(guò)程的蒸發(fā)損耗。

（3）提升了轉(zhuǎn)爐飽和蒸汽余熱電站的運(yùn)轉(zhuǎn)率。

圖1 第一類(lèi)吸收式熱泵原理圖

3 方案分析

3.1 項(xiàng)目參數(shù)

針對(duì)某鋼鐵企業(yè)有90 t轉(zhuǎn)爐2臺(tái)，參數(shù)如下：

冶煉周期：32～34 min

吹氧時(shí)間：12～14 min

汽包設(shè)計(jì)壓力：2.45 MPa

汽包運(yùn)行壓力:1.2 MPa

蒸汽流量:15 t/爐

蓄熱器:

容積:150 m3；數(shù)量:1臺(tái)

設(shè)計(jì)壓力3.0 MPa;出口壓力1.0 MPa

2臺(tái)轉(zhuǎn)爐的飽和蒸汽產(chǎn)量約為30.0 t/h，配有額定發(fā)電功率4500 kW的飽和蒸汽汽輪機(jī)，春夏秋季時(shí)，飽和蒸汽全部用來(lái)發(fā)電，冬季時(shí)30.0 t/h蒸汽中25.0 t/h用來(lái)給廠區(qū)20萬(wàn)m2的生活、辦公區(qū)采暖。剩余的5.0 t/h蒸汽，不能滿足汽輪機(jī)最低負(fù)荷要求，故在采暖季4500 kW的飽和蒸汽汽輪機(jī)處于停運(yùn)狀態(tài)。

3.2 計(jì)算選型

如圖2，轉(zhuǎn)爐蓄熱器后設(shè)置兩級(jí)吸收式換熱機(jī)組，高溫?zé)嵩礊檗D(zhuǎn)爐飽和蒸汽，低溫?zé)嵩礊殇搹S循環(huán)冷卻水，經(jīng)第一級(jí)吸收式換熱機(jī)組后產(chǎn)出75℃熱水，再經(jīng)第二級(jí)吸收式換熱機(jī)組后產(chǎn)出90℃左右熱水，再設(shè)置汽水換熱器，用蒸汽加熱90℃熱水，產(chǎn)120℃高溫?zé)崴┒?jí)采暖換熱站。由于吸收了低溫?zé)嵩囱h(huán)水中的大量熱能，所以采暖所消耗的蒸汽要比較傳統(tǒng)方式節(jié)省33%，節(jié)省的飽和蒸汽可以用來(lái)發(fā)電。

圖2 新型轉(zhuǎn)爐蒸汽吸收式換熱系統(tǒng)圖

根據(jù)國(guó)家規(guī)范和原來(lái)采暖蒸汽實(shí)際耗量，取生活辦公區(qū)的熱指標(biāo)q為85 W/m2，采暖熱水溫度Tr取85℃，回水溫度Th為60℃。采暖區(qū)總耗熱量為：

QZ=S×q

S為生活辦公區(qū)的采暖面積

工業(yè)循環(huán)水進(jìn)吸收式換熱機(jī)組溫度為40℃，出水溫度取為30℃；轉(zhuǎn)爐飽和蒸汽壓力1.0 MPa；根據(jù)工業(yè)循環(huán)水、用戶(hù)側(cè)熱水和蒸汽的參數(shù)可知：吸收式熱泵制熱系數(shù)COP約1.50，故熱泵系統(tǒng)回收工業(yè)循環(huán)水的熱量為：

Q0=QZ×（COP-1）/COP

QZ為供暖負(fù)荷，MW；

Q0為低溫側(cè)吸熱量，MW；

COP為吸收式熱泵制熱系數(shù)，由運(yùn)行工況確定。工業(yè)循環(huán)水按10℃進(jìn)出水溫差計(jì)算，則耗水量由下式計(jì)算：

Qm=3600×Q0/（C×Δt）

式中：Qm為工業(yè)循環(huán)水耗水量，t/h；

Δt為工業(yè)循環(huán)水溫差，取10℃；

C為水的比熱，取4.187 kJ/(kg·℃)；

蒸汽需要量由下式計(jì)算：

QZQ=QZ×3600/（COP×Δh）

QZQ為蒸汽需要量，t/h；

Δh為飽和蒸汽可利用焓值，取2400 kJ/kg；

經(jīng)計(jì)算，吸收式熱泵系統(tǒng)的制熱量需求為17 MW，蒸汽需要量為17.0 t/h，設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)低溫側(cè)吸熱量為5.67 MW，需要工業(yè)循環(huán)水487 t/h。鋼鐵廠有足夠水量可以滿足需求。選取該工況下制熱量為9 MW的吸收式熱泵機(jī)組2臺(tái)（型號(hào)和相關(guān)參數(shù)略）。

方案系統(tǒng)主要包含：吸收式熱泵機(jī)組、汽水換熱器、機(jī)組配套水泵、循環(huán)水系統(tǒng)改造、調(diào)節(jié)閥組、控制系統(tǒng)等。

3.3 初投資計(jì)算

吸收式熱泵機(jī)組:300萬(wàn)元/臺(tái)，2臺(tái)600萬(wàn)元

附屬設(shè)備：55萬(wàn)元

廠房設(shè)備及安裝工程：80萬(wàn)元

電氣及自控工程：30萬(wàn)元

合計(jì)：765萬(wàn)元

4 經(jīng)濟(jì)性分析

采用新型轉(zhuǎn)爐蒸汽吸收式換熱系統(tǒng)，以轉(zhuǎn)爐飽和蒸汽為高溫?zé)嵩?，以工業(yè)循環(huán)水為低溫?zé)嵩?，產(chǎn)生120℃的高溫?zé)崴┥?、辦公區(qū)采暖，將蒸汽消耗量由原先的25 t/h降至17 t/h，節(jié)省蒸汽量達(dá)8 t/ h。基于此新型轉(zhuǎn)爐蒸汽吸收式換熱系統(tǒng)，加上原先富裕的5 t/h蒸汽，在冬季鋼廠有富裕轉(zhuǎn)爐飽和蒸汽量為8 t/h，可以推動(dòng)飽和蒸汽汽輪機(jī)發(fā)電，折合發(fā)電量1650 kW，使得飽和蒸汽余熱電站在冬季也不停機(jī)，提高了電站的運(yùn)轉(zhuǎn)率。

本方案經(jīng)濟(jì)分析采用滿足原先采暖需求的條件下，節(jié)省出的蒸汽和原先未有效利用的5.0 t/h蒸汽用來(lái)發(fā)電，會(huì)同減少的工業(yè)循環(huán)水的蒸發(fā)損失來(lái)進(jìn)行比較計(jì)算。假設(shè)電價(jià)為為0.6元kWh，水價(jià)3.0元/ t，每年采暖時(shí)間為120天（2880 h）。

經(jīng)濟(jì)性分析如下：

改造部分總造價(jià)：765萬(wàn)元

節(jié)省蒸汽量：8 t/h

節(jié)省蒸汽發(fā)電量:1650 kW

采暖季運(yùn)行小時(shí)數(shù):2880 h

電價(jià):0.6元/kWh

廠用電率:5.5%

采暖季供電量:449.06萬(wàn)kWh/年

發(fā)電收入:269.44萬(wàn)元/年

減少循環(huán)水損失:35064 t/年

水價(jià):3元/t

年節(jié)水費(fèi)用:10.52萬(wàn)元

年收益:279.96萬(wàn)元

投資回收期：2.73年

5 結(jié)論

由于吸收式熱泵用于回收循環(huán)水余熱的類(lèi)似項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)熱電廠中已有較成熟應(yīng)用，比如山西國(guó)陽(yáng)熱電廠改造項(xiàng)目，項(xiàng)目完成后供熱量增加72 MW，采暖面積增加110萬(wàn)m2，所以此項(xiàng)目技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)很小。由經(jīng)濟(jì)性分析可知，基于新型轉(zhuǎn)爐蒸汽吸收式換熱系統(tǒng)的方案投資為765萬(wàn)元，年發(fā)電和節(jié)水收入為279.96萬(wàn)元，33個(gè)月收回投資，效益可觀。本文提出的新型轉(zhuǎn)爐蒸汽吸收式換熱系統(tǒng)，有效解決了采暖季轉(zhuǎn)爐富裕蒸汽不足，余熱電站運(yùn)轉(zhuǎn)率低的問(wèn)題，是一種值得推廣的鋼鐵廠節(jié)能技術(shù)。

[1]董明華,呂向陽(yáng),吳華新.吸收式熱泵技術(shù)在熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].節(jié)能,2010,(6):69-71.

[2]付林,李巖,張世鋼等.吸收式換熱的概念與應(yīng)用[C].全國(guó)暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì).2010.

The App lication of a New-type Converter Steam Absorption Heat Exchange System

Li Wenju1,Xue Liang2,Zhang Hongwei2
(1.Xian TKH Energy Technology Co.,Ltd.,Xian,Shaanxi 710000,China; 2.Xian Xintang Electric Power Design Co.,Ltd.,Xian,Shaanxi 710000,China)

Due to huge amount of surplus steam in steelmaking enterprises to be used for heating in winter,the steam turbines of the steelmakers often do not have enough steam to operate.A new-type converter steam absorption heat exchange system was provided,which can save energy and has improved the operation rate of waste heat power stations.

absorption heat pump;converter steam;operation rate of power station

TK172

B

1006-6764（2015）09-0047-03

2015-04-27

李文舉（1983-），男，工程熱物理專(zhuān)業(yè)工學(xué)碩士，工程師，現(xiàn)從事工業(yè)余熱利用、暖通空調(diào)領(lǐng)域技術(shù)研究工作。