炼钢蒸汽平衡及蓄热器节能潜力分析

邓万里

引言

炼钢回收蒸汽达到钢铁厂余热回收蒸汽的50%左右，用汽约占全厂蒸汽负荷的10%。作为重要的能源回收和使用单元，炼钢蒸汽平衡数据应在能源统计中准确体现，但其蒸汽计量却导致着统计数据失真，而且蓄热器系统还存在着较大节能潜力，有必要作深入调研分析。

1 炼钢蒸汽系统

某炼钢厂蒸汽供用设施主要有OG转炉汽化冷却系统、ACC蒸汽蓄热器及RH真空脱气装置，构成了OG-ACC-RH蒸汽系统[1]，如图1所示。OG汽化冷却系统在回收转炉烟气中的热量同时，降低烟气温度以利除尘及煤气回收。ACC蒸汽蓄热器（及配套阀组）将转炉发生的脉冲蒸汽转变成相对稳定的蒸汽输出，或从中压蒸汽管网补汽，储存一定量的蒸汽供负荷波动较大的RH用户使用或向低压蒸汽管网供汽，以缓解转炉产汽波动及RH负荷波动对蒸汽管网的强烈冲击。

转炉操作台监控配套的蓄热器：通过补水系统控制蓄热器水位；通过进汽阀（接受汽包产汽）、补汽阀（中压蒸汽）、供汽阀（低压蒸汽）控制蓄热器压力和相关蒸汽流量。转炉不监控RH的蒸汽流量。

2 蒸汽计量和平衡

2.1 蒸汽计量配置

炼钢蒸汽系统计量配置见表1，“仪表现状”表明能源中心计算机监控平台（EMS系统）仅接收到炼钢个别蒸汽计量信号，因此目前在进行“能源统计”时，“结算方式”是以EMS数据结合炼钢抄表数据。

根据图1所示流程，如果将蒸汽蓄热器及前后管段视为整体，那么进出此整体的蒸汽质量流量应该相等（不计疏水损失），“合理方式”是OG蒸汽回收总量+中压蒸汽补入量=低压蒸汽送出量+低压蒸汽使用量，即：①+③+④+⑤=②+⑥+⑦+⑧+⑨，或①=②+(⑥+⑦+⑧+⑨-③-④-⑤)。可以看出，目前“结算方式”将⑦、⑧即2#和4#RH的低压蒸汽使用量列入了中压蒸汽补入量，而④、⑤、⑨并未统计，不能反映炼钢的蒸汽平衡情况。

2.2 实测数据分析

在炼钢厂的配合下，表2收集了连续9日的蒸汽计量数据。

进一步分析如下：

图1 炼钢蒸汽回收及蓄热器系统工艺流程

表1 炼钢蒸汽系统计量方式

在“合理方式”下，进入蓄热器整体的蒸汽流量为①+③+④+⑤=80.4 t/h，流出为②+⑥+⑦+⑧+⑨=21.2+59.2=80.4 t/h；在“结算方式”下，进入“蓄热器整体”的蒸汽流量为①+③+⑦+⑧=95.9 t/h，流出为②+⑥=21.2+7.6=28.8 t/h，明显失衡。

比较两种统计方式，能源统计时多给炼钢结算了35.3-19.8=15.5 t/h的中压蒸汽（约1.1万t/月），而少结算了39.4-7.6=31.8 t/h的低压蒸汽（约2.3万t/月），相当于少结算了0.1万t标煤。

3 蓄热器和蒸汽分配

3.1 蓄热能力计算

为便于后文分析，先对蓄热器的蓄热能力Gx按式（1）计算[2]：

式中，Gx——蓄热能力，kg；

V——蓄热器容积，m3；

φ——蓄热器的充水系数，取为0.8；

η——蓄热器的热效率，取为0.99；

ρ——热压力P1下的饱和水密度；

表2 蒸汽流量数据实测表t/h

根据上式和实际工艺参数（数据略）计算：当蓄热器容积为4×100 m3时（相当于1#RH的配置），蓄热量为10 t；当蓄热器容积为2×150 m3时（相当于2#RH或4#RH的配置），蓄热量为7.5 t；当蓄热器容积为1000 m3时（相当于全部RH的配置），蓄热量为 25 t。

3.2 蒸汽分配情况分析

RH的用汽量有以下几个来源：如果正好遇到OG回收蒸汽，那么可以直接分配得到蒸汽；从蓄热器得到OG回收后储存的蒸汽；从中压管网补汽，这补汽有部分会先进入蓄热器储存，也可能直接减压供给RH（以下不作区分）。

其中，中压补汽有计量；从蓄热器得到的蒸汽，参考上文的蓄热能力数据计算，如1#RH日均处理21炉，其蓄热器能力为10 t，则1 h蓄热器平均供汽量为21/24×10=8.8 t/h；根据蒸汽流量的平衡关系，OG直接分配给RH的蒸汽量=RH用汽-中压补汽-蓄热器供汽。

对RH的用汽来源推算如表3。

（1）1#RH方向有除氧器，故用汽量最大，但中压补汽量极少（如果计量准确的话），用汽中自供比例达到93%。这得益于：OG过来的蒸汽母管和去蓄热器的分配管道较粗，达到DN350；蓄热器能力最大；炼钢外供低压蒸汽走的是1#RH方向，所以1#RH更容易得到OG直接分配的蒸汽。

（2）2#RH处理炉数多，单耗高，引起的冲击负荷最高，中压补汽量最大，占炼钢中压用汽的57%。这与炼钢厂反映的“2#RH用汽压力最难保证”相一致。究其原因，2#RH蓄热器系统的OG供汽，是从1#RH附近的OG蒸汽主管接管过来的，管径只有DN200，偏小，影响了OG向其供汽。

（3）4#RH处理炉数少，单耗低，用汽量也最少。4#RH距离1#转炉最近，引汽主管DN250不小，常与2#RH“抢汽”，于是炼钢厂OG供往4#RH的切断阀仅保留微小开度，即“OG直接分配蒸汽”应接近0，与推算得到的-1.0 t/h相近。因此，4#RH用汽中的自供比例反而最低，仅为36%。

（4）一炼钢蒸汽蓄热器虽有8个共1000 m3，其实是分了3个蓄热器组，2#RH、4#RH的蓄热器与OG蒸汽母管间还设有逆止阀，各蓄热器组相对独立，难以相互支援。因此，虽然8个蓄热器的总能力（25 t）看似可以满足RH处理1炉所需蒸汽（16～24 t），但只要RH用汽时OG没有回收蒸汽，就需要由中压蒸汽管网补汽。

（5）三座转炉OG系统改造后，蒸汽回收能力和管网受到的冲击负荷明显加大。转炉吹炼1炉钢约回收21 t蒸汽，吹炼期蒸汽回收量达到100 t/h，如果蓄热器压力已高且RH未用汽，那么100 t/h的冲击负荷将由管网来承担。这也说明蓄热器能力还是不足，特别是无法适应转炉两炉连吹产汽的情形。

4 能量损失和效益

OG蒸汽回收流量大体上与RH使用量相当：蓄热器系统补入了19.8 t/h的中压蒸汽，减压后外供了21.2 t/h的低压蒸汽。但因二者时间上不匹配和蓄热能力有限，看似“量”相当，却产生了很大的能量损失，因为中压蒸汽和低压蒸汽的“质”（做工能力）是有区别的。

（1）CDQ发电的影响和效益

如果能少补充50%（10 t/h）的中压蒸汽，则减压外供的低压蒸汽也减少10 t/h，RH用汽中自供汽比例将由68%上升至83%。对于全厂蒸汽系统来说，需要CDQ汽轮发电机组少供应中压蒸汽而多供应低压蒸汽，即由减温减压装置供出的10 t/h中压蒸汽本来可进入汽轮机中发电，却在前级抽出供入低压蒸汽管网。

在全厂汽轮发电机中，中压蒸汽（焓值3360 kJ/kg）发电汽耗约 40 t/万 kW·h，低压蒸汽（焓值3060 kJ/kg）发电汽耗约67 t/万kW·h，本例中可多发电（10000/40-10000/67）×10=1000 kW，全年多发电8000余万kW·h，产生效益约500万元。

（2）炼钢就地发电的效益

RH用汽（59.2 t/h）和外供低压蒸汽（21.2 h）都是蒸汽由中压减压为低压的过程，压力能损失很大。如果能利用其中的1/4即约15 t/h的蒸汽，配套建设螺杆发电机组，即可发电300 kW，全年多发电250万kW·h，产生效益约150万元。

炼钢利用螺杆机组以饱和差压发电，国内已有实例[3]。如首钢迁钢3台210 t转炉，利用炼钢蓄热器出口蒸汽到厂区蒸汽管道之间的差压能量，在原降压阀管路上并联一条蒸汽管道，安装螺杆膨胀发电机组来回收饱和蒸汽降压损失的能量，发电做工后蒸汽再进入到厂区蒸汽管网。设计螺杆膨胀动力机进汽排汽压力差1 MPa，进汽流量13 t/h，安装一套SEPG300型螺杆膨胀动力机发电机组，实发功率可达250 kW。

5 结论及建议

（1）炼钢蓄热器及RH蒸汽系统计量点虽然具备，但计量点分散，数据收集困难。目前报表统计方式存在问题，不能反映蒸汽平衡情况。应将相关计量信号进一步梳理、整合，送能源中心EMS系统进行统计，即使暂不具备条件也应人工抄表报量，并在合适的时候修正报表统计方式。

（2）炼钢蒸汽发生与使用的不匹配，导致能量损失严重，节能潜力很大，不但关系到炼钢成本，还关系到CDQ发电效益。这首先与蓄热器和相关管路配置有关。炼钢厂已计划对实施下列改造：新增4台150 m3蓄热器，使蓄热器总数量达12台（容积1600 m3）；拆除2#及4#蓄热器补汽母管止回阀，实现所有蓄热器贯通；增加和扩径部分母管，增加蒸汽流通能力；单独从转炉蒸汽母管引至2#蓄热器，提高蓄热器效率；在转炉蒸汽母管和蓄热器站之间设置控制阀，调节流量分配。

（3）炼钢蒸汽系统的节能挖潜与蒸汽阀组的控制模式和参数密切相关。在增设蓄热器等改造项目实施后，可开展“炼钢蒸汽蓄热器系统工艺及控制系统优化”课题研究。同时，将相关信号通过能源中心EMS系统送燃气锅炉和CDQ发电机组，便于热力厂预判炼钢蒸汽平衡情况和对全厂蒸汽负荷作预调整，减少炼钢的蒸汽冲击负荷。

（4）饱和蒸汽差压发电是提升炼钢回收蒸汽利用价值的一条途径。但由于炼钢蒸汽回收和使用具有大流量和冲击性强的特点，诸如螺杆式发电机组的操控方式、设备运行的稳定性，需要考察国内炼钢厂的实施情况作进一步的比较分析。

[1]戴鸿宽.宝钢转炉炼钢厂蒸汽蓄热器的设计及调试[J].中国建筑学会建筑热能动力分会学术交流大会，2003：134-143.

[2]汪津旋.节能用蒸汽蓄热器[J].石油化工设备，1985（8）：32-54.

[3]余岳峰，胡达，邓金云，等.螺杆膨胀动力机技术及在低温余热发电中的应用[J].上海节能，2011（7）：22-25.