结余热发电系统热力参数优化关键问题讨论

安亚利

摘 要：在烧结余热发电系统热力参数优化过程中，发电系统热力参数优化模型、余热锅炉排烟温度优化模型、余热锅炉动态关联参数的确定等关键问题决定着发电系统的静态及动态性能。文章以某钢铁公司烧结余热发电双压循环热力参数优化过程为例对上述关键问题进行了讨论。

关键词：烧结；余热发电；热力参数优化

前言

文章以某钢铁公司烧结余热发电双压循环热力参数优化过程为例，对烧结余热发电系统热力参数的优化提供参考。

1 烧结余热发电双压热力循环工艺流程及基础数据

烧结余热发电双压热力循环方式是指余热锅炉产生中压及低压两组蒸汽分别进入蒸汽轮机主汽口及补汽口做功的循环方式。图1为某钢铁公司烧结余热发电双压热力循环工艺流程图。余热锅炉内受热面布置情况自上至下依次是：中压过热器、中压蒸发器、一级中压省煤器、低压蒸发器和二级中压省煤器。

1.烧结矿冷却机；2.废气收集装置；3.双压余热锅炉；4.蒸汽轮机；5.发电机；6.凝汽器；7.循环水泵；8.冷却塔；9.凝结水泵；10.除氧器；11.低压给水泵；12.高压给水泵；13.引风机；14.补水泵

图1 烧结余热发电双压循环系统

本烧结余热发电系统的余热源为烧结冷却机废气，气体性质为空气。余热源基础参数经实测获得：采用60%废气循环时，余热锅炉入口的废气温度为395℃，废气量为40×104Nm3/h，含尘量为30mg/Nm3。在汽轮机中，主汽由主汽口进入并膨胀做功，副汽分成两路，一路作为除氧器热源，一路经补汽口进入汽轮机与主汽混合膨胀做功，做功后的乏汽经冷凝、除氧后重新进入余热锅炉继续吸热产生蒸汽，完成水循环。废气进入余热锅炉进行热交换，然后排烟分为两路，一路作为排烟排向大气；另一路和空气作为烧结矿的冷却介质，吸热后回到余热锅炉，完成烟气循环。

2 烧结余热双压发电系统热力参数优化模型

2.1 热力参数优化目的

烧结余热发电系统热力参数优化的目的，是寻找在保证烧结余热发电系统稳定性、安全性前提下，得出发电系统年净发电量最佳热力参数匹配方案。蒸汽参数优化模型的目标函数是在稳定、安全边界条件控制下的发电系统年发电量，参变量为主蒸汽温度、主蒸汽压力、副蒸汽温度、副蒸汽压力。稳定性边界条件包括热端温差、窄点温差、接近点温差等发电系统动态特性关联参数，安全性边界条件为乏汽干度参数。

2.2 热力参数优化的约束条件

（1）对主蒸汽温度的约束条件；（2）对主蒸汽压力的约束条件；（3）对副汽温度和压力的约束条件。

2.3 热力参数优化模型

2.3.1 蒸汽参数优化模型边界条件

发电系统稳定性边界条件的取值范围：热端温差，30-35℃，窄点温差，20-25℃，接近点温差，10-20℃，发电系统安全性边界条件：乏汽干度，大于0.86。

2.3.2 蒸汽参数优化方法

（1）选定副气压力，改变主气压力，此时，可以得到此副气压力下的最大年发电量的点（峰值点）。（2）选取不同副气压力，就可以得到不同副气压力下的峰值，将这些峰值进行比较，在边界条件的约束下，可以得到最优值。

2.3.3 蒸汽参数优化结果

副气压力越低净年发电量越高，但是低于0.45MPa的压力受到二级中压省煤器烟温降幅的约束，不符和条件。所以选取副气压力为0.45MPa点。

3 关键问题讨论

3.1 余热锅炉排烟温度优化模型

利用余热锅炉排烟代替常温空气冷却烧结矿可以提高带冷机排烟温度和循环效率。余热锅炉排烟温度与入炉废气温度具有复杂关联的特性，余热锅炉排烟温度降低的同时，其入炉废气温度也随之降低。分析得出：排烟（冷却介质）增加10℃循環后进入余热锅炉的入口烟气温度提高5℃。下边对此问题进行讨论分析：

分别取烟气入口温度为410℃、408℃、405℃、403℃、400℃、398℃、395℃。

对应的废气排烟温度为180℃、176℃、170℃、166℃、160℃、156℃、150℃。

由上述数据可以看出入口烟气温度越低反而发电量越高，但是同时，低压部分窄点温差在逐渐降低，在400℃-160℃时，低压部分窄点温差为20℃左右，但当395℃-150℃时，窄点温差为6.85℃，不满足窄点温差（下面我们将提到允许最小窄点温差）要求。所以最合适的入口烟温与排烟组合为入口烟气400℃、排烟温度为160℃。

3.2 余热锅炉动态关联参数的确定

3.2.1 窄点温差和接近点温差的确定

接近点温差增加时，余热锅炉的总传热面积会增加。这是由于接近点温差增加会引起省煤器的对数平均温差增加，即省煤器的传热面积会减小。但蒸发器的对致平均温差减小较多，即蒸发器的传热面积增大较多，而过热器的传热面积却保持不变，导致总的传热面积会增加，则余热锅炉投资费用增加，但是同时年发电量也随着接近点温差的增加而增加。实际运行中为了防止在低负荷或启动期间省煤器内可能发生汽化现象，往往将接近点温差取的大一些。

窄点温差与接近点温差是一对相互关联的余热锅炉设计指标，应通过联合优化来确定。

最后综合考虑，经过计算以及参考其他文献，文章取窄点温差20℃，接近点温差20℃。

3.2.2 热端温差的确定

传统的烧结余热发电系统热力参数优化方法中，热端温差的取值考虑系统的发电量及过热其造价两方面经济性因素，一般取20℃左右。但这样的取值方法明显不符合烧结余热发电废气温度波动的特点，例如当入炉废气温度降低30℃时，将有部分过热器受热面失去作用，导致蒸汽温度下降幅度高达25℃，从而导致发电系统被迫停机。在本优化模型中，经计算比较，热端温差取值为30℃。

4 结束语

在烧结余热发电系统热力参数优化过程中，文章通过对余热锅炉排烟温度优化模型、余热锅炉动态关联参数的确定等关键问题的研究，可以得出结论：（1）烧结余热发电双压系统热力参数优化结果：主气压力为2.7MPa、副气压力为0.45MPa。（2）余热锅炉排烟温度优化模型得出结论：入口烟温在400℃，排烟温度在160℃时为最佳烟风循环温度。（3）余热锅炉动态关联最佳参数为：接近点温差20℃，窄点温差20℃，热端温差为30℃。

参考文献

[1]林勇虎，等.余热锅炉最小温差与接近温差的选择[J].燃气轮机，1998.

[2]徐传海.PG658 1B型燃机余热锅炉点温差与接近点温差的联合优化[J].热机技术，2003.

[3]王江峰，等.中低温余热发电技术及其在水泥生产中的应用[J].节能，2007.