球团余热发电模型的建立和优化

谢天宝

（济钢集团有限公司炼铁厂，山东 济南 250101）

一、前言

济钢集团有限公司炼铁厂现有球团竖炉3台，导风墙水梁采用气化冷却结构，与水梁联通的汽包产生蒸汽量大约为13t/h，除少量蒸汽用于冬季采暖外，大部分蒸汽直接排放到大气，极大地浪费了能源，并产生较大的噪声和热污染。为此济钢采用螺杆膨胀动力技术，建立球团余热发电机组(图1)，有效利用了这部分低温余热资源。工艺参数见表1。

表1 球团螺杆膨胀动力发电机工艺参数

二、球团余热发电机组运行存在的问题

在球团螺杆膨胀发电投运初期，由于球团余热发电工艺参数和工艺操作匹配不当，机组运行效率较低，系统蒸汽压力在0.25～0.5MPa之间频繁变化，机组发电量约为110kW·h，月发电量仅为8万kW·h，不能达到设计要求。其原因分析如下。

(1)球团余热产生的蒸汽热源比较分散，蒸汽在输送过程中损耗较大；

(2)蒸汽温度和压力较低，属于低品质蒸汽；

(3)蒸汽速度波动较大。

在汽包补水过程中汽包产生蒸汽的速度迅速下降，造成发电机组发电效率低下；在汽包补水完成后，蒸汽速度迅速上升，极有可能造成发电机组跳闸。

三、球团余热发电模型的建立和优化

1.模型的假设

(1)竖炉炉况稳定，热工参数保持不变，蒸汽产生速度近似不变。

(2)发电机组设备运行稳定，油压、水压保持稳定，进口调节阀门可靠运行。

(3)汽包设备运行稳定，液位计、压力表显示准确，安全阀、放散阀可靠运行。

(4)环境温度基本稳定，环境温度对蒸汽管路的影响可以忽略。

(5)试验过程中，汽包蒸汽放散阀门开度关闭。

2.符号说明

M——产生蒸汽的质量；

h——汽包液位；

i——竖炉汽包号码。

3.模型建立

(1)汽包上水量。

如图2所示，汽包软水吸收水梁热量变成蒸汽返回汽包。汽包产生蒸汽的速度等于汽包水消耗的速度(即汽包上水速度)，液位低于200mm，汽包上水，液位高于400mm停止上水。表2为各竖炉汽包单次上水和消耗时间。

表2 汽包运行参数

(2)曲线拟合。

以3#汽包为例(见表3)，计算汽包产生蒸汽的速度。利用Matlab软件，对蒸汽产生曲线进行拟合(图3)。

表3 3#汽包液位变化表

(3)汽包蒸汽产生的速度。

根据曲线模型可以大致推测出蒸汽产生速度大致符合幂函数，利用幂函数对3#汽包蒸汽产生速度进行拟合。

拟合模型函数(3#汽包蒸汽在x时刻产生的瞬时速度)(见图4)：

同理，2#汽包蒸汽产生速度方程：

4#汽包蒸汽产生速度方程：

模型验证：根据实际生产经验，汽包在液位低于200mm时给汽包补水，大量冷水补充入水梁，蒸汽产生速度迅速下降，在汽包补水完成正常运行后，蒸汽产生速度逐渐上升。

模型与实际生产相吻合，模型基本有效。由于3台竖炉大小存在差异，热参数不一样，3台汽包产生蒸汽速度略有差异。

(4)系统模型的组合状态。

各汽包上水时间和运行时间存在差异，根据各汽包产生蒸汽的函数方程，对汽包上水和运行时间蒸汽产生速度取中运算(表4)。

表4 t/h

根据发电机参数进汽流量9t/h，最大10t/h(如表5所示)，序号1、4、8组合，不能满足发电机进汽要求，需调整汽包放散阀。

①组合1状态，也就是3台竖炉同时上水时，蒸汽产生速度小于9t/h。

②组合4、8状态，也就是3#、4#汽包正常运行状态，3台汽包蒸汽产生速度大于10t/h，根据发电机组运行参数，适当打开2#汽包放散阀门。

③组合2、3、5、6、7状态，蒸汽产生速度满足发电机要求。

四、球团余热发电系统优化

根据得到的系统模型的组合状态进行分析，对球团余热发电工艺参数和工艺操作进行匹配。

表5 3台汽包运行蒸汽产生速度汇总 t/h

(1)3台竖炉同时上水时，蒸汽产生速度小于9/h，系统蒸汽压力大幅度下降。关闭2#汽包放散阀门，把3台汽包产生蒸汽全部用于发电。

(2)3#、4#汽包正常运行状态，2#汽包上水或运行状态，3台汽包蒸汽产生速度大于10t/h，系统蒸汽压力在安全阀上限运行。打开2#汽包放散阀门至50%。

(3)3台竖炉正常生产情况下，确保3#、4#汽包放散阀门关闭状态，使3#、4#汽包回汽阀门处于打开状态。

(4)单台竖炉停产或检修状态下，关闭该炉座汽包放散阀和回汽阀门，避免系统蒸汽回灌。

五、结论

自2008年6月正式投产以来，该系统运转正常。通过球团余热发电系统的建立，球团余热蒸汽污染得到解决，并得到8万kW·h的月发电收益；通过球团余热发电系统优化，发电工艺参数和工艺操作得到匹配，系统蒸汽压力稳定在3.5～4MPa，小时发电量从原来110kW·h上升到170kW·h左右，月发电量从8万kW·h上升到平均12万kW·h，大大提高了球团余热发电机组的运行效率，降低了能耗，减少了噪声和热污染。