雷慧杰，張艷偉

（1.安陽工學(xué)院；2.安陽鋼鐵集團(tuán)公司，河南安陽455000）

目前，軋鋼廠在軋制鋼坯前進(jìn)行加熱的熱工裝置是加熱爐，同時(shí)加熱爐也是鋼鐵工業(yè)中的能耗大戶[1]。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，目前國內(nèi)鋼廠加熱爐大多進(jìn)行了節(jié)能改造，其中加熱爐的余熱蒸汽發(fā)電再利用是最有效的措施之一。安陽鋼鐵集團(tuán)公司第一軋鋼廠260棒材生產(chǎn)線的步進(jìn)梁式加熱爐采用500kW螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行余熱蒸汽發(fā)電后，節(jié)能效果顯著，為企業(yè)降本增效做出了貢獻(xiàn)，使節(jié)能減排步伐邁上一個(gè)新臺(tái)階。

1 加熱爐余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)

1.1 工作原理

余熱發(fā)電是指利用生產(chǎn)過程中多余的熱能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)[2]。根據(jù)棒材生產(chǎn)線步進(jìn)梁式加熱爐的余熱蒸汽工況，利用螺桿膨脹發(fā)電機(jī)回收生產(chǎn)過程中的蒸汽能量，做功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電并將發(fā)電并入企業(yè)電網(wǎng)，螺桿膨脹發(fā)電機(jī)的排汽進(jìn)入冷凝系統(tǒng)，冷凝回收后再循環(huán)利用。

1.2 運(yùn)行方式

在加熱爐的蒸汽管網(wǎng)上取汽，蒸汽進(jìn)入螺桿膨脹發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)螺桿膨脹發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，蒸汽全部供螺桿膨脹發(fā)電機(jī)發(fā)電；當(dāng)螺桿膨脹發(fā)電機(jī)不能工作時(shí)，蒸汽直接排空；螺桿膨脹發(fā)電機(jī)的排汽進(jìn)入冷凝系統(tǒng)（冷凝系統(tǒng)如圖1所示），冷凝成90℃左右熱水，通過凝結(jié)水泵打到原系統(tǒng)給水箱，再循環(huán)利用。加熱爐余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)如圖2所示。

冷卻系統(tǒng)占地面積、冷卻水消耗量和冷卻系統(tǒng)耗電量的多少，必然影響到機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益和循環(huán)冷卻系統(tǒng)的設(shè)備投入規(guī)模。為克服上述客觀條件的制約，采用高效蒸發(fā)式的一體化冷凝裝置設(shè)備（如圖3所示），利用水蒸發(fā)時(shí)吸收熱量而使管內(nèi)的水蒸氣冷凝。冷卻水貯于冷凝器底部水盤中，用水位調(diào)節(jié)器保持一定的水位，水位調(diào)節(jié)器采用浮球調(diào)節(jié)自動(dòng)補(bǔ)水，采用一用一備浮球以確保補(bǔ)水系統(tǒng)可靠。水盤中的冷卻水用水泵送至噴淋管，經(jīng)噴嘴噴淋在冷凝器的外表面上形成一層水膜，水膜中部分水吸熱后蒸發(fā)為水蒸氣被空氣帶走，管內(nèi)的水蒸氣放熱逐漸冷凝成液體，未蒸發(fā)的水向下流經(jīng)熱交換層，在風(fēng)的作用下溫度降低，流回底部水盤中繼續(xù)循環(huán)?？諝鈴男嘛L(fēng)入口吸入以冷卻升溫水，熱濕冷空氣則經(jīng)過風(fēng)機(jī)排放到大氣中。

高效蒸發(fā)式冷凝器采用自動(dòng)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，內(nèi)置循環(huán)水泵及風(fēng)機(jī)，每套裝置熱負(fù)荷4800kW，循環(huán)水流量400t/h，補(bǔ)充水流量5t/h。冷凝器及機(jī)封所需循環(huán)冷卻水取自高效蒸發(fā)式冷凝器循環(huán)水泵出口。

高效蒸發(fā)式一體化冷凝裝置將水冷式冷凝器、冷卻塔、水池、水管路等融為一體，大大減少了設(shè)備體積（尺寸L×B×H=6.0m×2.4m×5.0m），使安裝維護(hù)更加方便。另外，該裝置還有耗電量少、可靠性高及噪聲低的特點(diǎn)。采用變頻風(fēng)機(jī)，根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，節(jié)電率達(dá)30%。

2 螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)

2.1 設(shè)備選型

選用SEPG400-500-3000-1.35-C型螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組1套。采用三相同步發(fā)電機(jī)，自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)技術(shù)，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制發(fā)電機(jī)升壓、降壓，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)電壓。并網(wǎng)送電后，電能直接輸入企業(yè)的電網(wǎng)，驅(qū)動(dòng)各種用電設(shè)備和負(fù)載，并網(wǎng)不會(huì)降低電網(wǎng)的供電品質(zhì)。發(fā)電機(jī)如遇緊急突發(fā)事件，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的安全保護(hù)裝置能與低壓網(wǎng)自動(dòng)分閘，確保低壓網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的安全。

螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組的供汽參數(shù)：蒸汽壓力為1.00～1.20MPa，溫度181～189℃，供汽時(shí)長≥7500小時(shí)/年，蒸汽富余5～8t/h。機(jī)組的進(jìn)排汽參數(shù)選擇如表1所示。

表1 機(jī)組的進(jìn)排汽參數(shù)一覽表

2.2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)采用電動(dòng)調(diào)速控制器[3]，核心部分采用西門子PLC S7-200。PLC控制柜安裝在現(xiàn)場控制室，提供工業(yè)以太網(wǎng)接口，在中控室增設(shè)上位機(jī)，提供機(jī)組所需的數(shù)據(jù)監(jiān)控和操作。

轉(zhuǎn)速控制：并網(wǎng)前，為保證發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)安全運(yùn)行，實(shí)行轉(zhuǎn)速控制程序。轉(zhuǎn)速信號(hào)取自螺桿出軸處的測速編碼器，其輸出信號(hào)作為速度反饋參數(shù)，采用并聯(lián)PID調(diào)節(jié)模式，通過控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，從而保證螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組按設(shè)定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。

功率控制：并網(wǎng)后，隨著電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之變化，發(fā)電機(jī)輸出功率的大小取決于蒸汽對(duì)發(fā)電機(jī)組做功的多少，此時(shí)應(yīng)實(shí)行功率控制程序。發(fā)電機(jī)的輸出功率反饋?zhàn)鳛檎{(diào)節(jié)參數(shù)，通過RS-485通訊采集，采用并聯(lián)PID調(diào)節(jié)模式，通過控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，從而保證機(jī)組功率的輸出。蒸汽不足時(shí)打開閥門盡量多發(fā)電，蒸汽富余時(shí)控制在額定功率。

螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式，能實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)相互切換。

該系統(tǒng)設(shè)有超功率保護(hù)、超速保護(hù)、冷卻水保護(hù)和潤滑油保護(hù)等多種保護(hù)功能，一旦任一保護(hù)裝置發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)都能啟動(dòng)聲、光報(bào)警，必要時(shí)還能自動(dòng)停機(jī)以確保機(jī)組設(shè)備的安全。

3 項(xiàng)目實(shí)施效果

在安鋼一軋廠260棒材生產(chǎn)線加熱爐余熱蒸汽發(fā)電螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組的供汽參數(shù)條件下，總裝機(jī)容量為4000kW，余熱發(fā)電系統(tǒng)的平均發(fā)電功率可達(dá)330kW，扣除自耗功率33kW，平均凈發(fā)電功率為297kW，按照年運(yùn)行時(shí)長7500小時(shí)計(jì)算，年發(fā)電量為222.7萬度；工業(yè)水耗5t/h，年耗水量3.75萬噸；軟水回收6.5t/h，年回收軟水4.875萬噸。

4 結(jié)束語

節(jié)能減排是一個(gè)長期又系統(tǒng)的工程，加熱爐蒸汽余熱發(fā)電技術(shù)利用生產(chǎn)的蒸汽用于發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、節(jié)電，提高了熱能利用效率，又利于環(huán)境保護(hù)，為企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，值得大力推廣和應(yīng)用。

[1]王繼光.宣鋼棒材加熱爐節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用[J].冶金能源，2006(7):30-34.

[2]尹剛.低溫余熱發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢探討[J].東方電氣評(píng)論，2011(1):1-5.

[3]王偉.低品質(zhì)能源余熱發(fā)電工藝及設(shè)備[J].重型機(jī)械，2010(s2):35-38.