工业余热余能水蒸气循环发电系统热力方案优化

工作转速大小会影响到余速损失系数。相比较而言，高转速机型的余速损失几乎为零，而常规转速机组>1.5%；高转速机型的叶高损失<3.5%，常规转速机组>3.5%；高转速机型的扇形损失相差不大；高转速机型的摩擦损失<1%，常规转速机组>3%；高转速机型的鼓风及斥汽损失几乎为零，常规转速机组>1%；高转速机型的隔板漏汽损失<1%，常规转速机组>1.5%；高转速机型的叶顶漏汽损失<1%，常规转速机组>1%。综合来看，高转速机型的轮周效率比常规转速机组高了5%左右。

一般而言，高转速机组在内效率方面相对同级数常规就高出8%，常规转速机组通过增加级数，可以增加效率4%左右，因此，高转速机组较常规转速机组在效率方面有约4%的优势。

2.3.2 轴向排汽

汽轮机轴向排汽可减少蒸汽阻力，提高蒸汽通流效率，零米布置因不设中间运行平台，还可大大减少土建成本。

2.3.3 分缸与同轴技术

汽轮机采用同轴技术，较分缸技术（即一台背压机，一台凝汽机），可减少二个轴承座和二个轴承，减少了二个轴承的机械功损失，减少了控制用油和润滑用油量，降低了运行成本和检修成本。

采用高转速汽轮机后，高速机本身效率有所提高，但是发电系统需要增加一套变速箱，又将增加机械传动损失，因此最终效率需要详细核算。

2.3.4 中间补汽

对于既有余能介质燃烧锅炉产生蒸汽，同时又有流程蒸汽为发电汽轮机进行补汽的热力系统，尤其需要综合平衡可用余能介质流量、流程蒸汽温度流量以及系统一次性投资，才能获得最优方案。

2.3.5 通流部分

汽轮机通流部分是将蒸汽热能转换为功的核心部件，其完善程度对机组能耗水平有重要影响。汽轮机通流部件主要包括节流调节装置、汽轮机静叶栅和动叶片、汽封和轴封及其它辅助装置。随着汽轮机部件三维流体设计技术的提高及先进加工手段的普及，高效通流部件特别是全三维叶栅弯扭技术已经开始应用于中小功率汽轮机，如有可能，应采用更好的叶型和其它通流部件。

3 某钢铁公司发电循环改造方案分析

某钢铁公司现有建设于上世纪90年代的余热锅炉与饱和蒸汽发电系统，为了进一步提高能源使用效率，计划对现有的发电系统进行改造。

3.1 原方案效率分析

现有的发电装置主要能量来源包括两个，一个是轧钢工艺流程中富余的23t/h，1.175MPa的饱和蒸汽；第二个是炼钢炉产生的高炉煤气（热值约 750kcal/m3）。发电装置通过引风机将高炉煤气送入锅炉燃烧，产生60t/h，1.175MPa的饱和蒸汽，与工艺流程的饱和蒸汽混合，一起进入12MW的汽轮发电机组发电，可产生12390kW电能。装置运行示意图及运行数据如图3所示。

3.2 改造方案

为了提高煤气的利用效率并且保证装置的正常运行，设计了两套优化方案，通过对比单位发电量运行成本、技术优劣、装置经济成本三方面因素，选取最适合的方案以达到在控制成本的前提下获得最高运行效率的目的。

3.2.1 改造方案1

改造方案1热力系统简图如图4所示，改造方案的具体内容如下：

拆除现有60t/h饱和蒸汽锅炉，新增一台60t/h高温高压锅炉。

因蒸汽参数变化，原12MW凝汽式汽轮机效率較低，拟改造12MW凝汽式汽轮机通流部分来提高内效率。

在12MW凝汽式汽轮发电机组前面新增一套7.5MW高温高压背压式汽轮发电机组，汽轮机型号为B7.5-10/3.0。此背压式汽轮发电机组采用高速快装式，零米布置。

轧钢工艺流程中富余的23t/h，1.175MPa的饱和蒸汽通过母管与背压机排汽管道混合，进入12MW凝汽式汽轮发电机组发电。

为提高循环热效率，实现能源梯级利用，为整套汽轮发电机组增设一套回热系统：1GJ+1CY+1DJ，其他辅机系统照旧。新增回热系统布置在锅炉房和汽机房之间的空余场地。

需说明的是原方案采用的是大气式除氧器，锅炉给水温度为104℃，现为了提高循环热效率，采用了高压除氧器，锅炉给水温度为215℃，电厂循环热效率有所提高。

3.2.2 改造方案2

随着国内外中小型汽轮机技术的发展，100MW以内采用分缸再热及30MW以内采用同轴再热高速高效型汽轮机，可以明显提高电厂的循环热效率和能源利用率。

因此改造方案2采用高温高压同轴再热、轴向排汽式汽轮发电机组，汽轮机型号为N20-10/545/545型，轧钢产生的1.175MPa饱和蒸汽通过补汽方式进入汽轮机做功，为提高循环热效率，实现能源梯级利用，为整套汽轮发电机组增设一套回热系统：1GJ+1CY+1DJ，其他辅机系统照旧。新增回热系统布置在锅炉房和汽机房之间的空余场地。改造方案2热力系统简图见图5。

即在其他条件相同的情况下，同轴再热的煤气耗量要减少15%左右。该数据仅为汽轮发电机组煤气耗量，电厂其他设备煤气耗量未计。

3.2.3 改造方案比较

（1）发电量分析

表4中列出改造方案与原始方案的热力特性数据对比。

从表4中可得，在相同的工况下，方案2中同轴再热机组的发电功率最大，相较改造之前机组发电功率提升了约75%，按每年运行7000小时计算，可多发电6517.77万度电；方案1中的分缸不再热机组发电功率相较改造之前提升了约51.8%，按每年运行7000小时计算，可多发电4489.52万度电。明显可得，同等条件下，改造方案2的发电量更大。

（2）经济性分析

上面的理论计算结果标明：无论补汽与否，方案2较方案1节能效果更显著，方案2在建设初期多投资的钱不到一年即可回收。

综合以上因素考虑，方案2相较方案1在经济技术层面占据明显的优势。

4 结束语

本文研究结论如下：（1）工业余热余能利用朗肯循环系统可有效利用资源提高经济效益，但是需综合技术经济两方面合理考虑优化。（2）对于余热余能利用而言，选用高速、高温高压、再热式汽轮机可有效提高热力系统的效率。（3）本文研究及案例可供类似行业余热余能利用及旧系统改造提供参考。

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