贵冶余热发电机组运行状态与经济性分析

2018-03-22江春明

铜业工程 2018年1期

江春明

（江西铜业集团公司贵溪冶炼厂，江西贵溪 335424）

1 引言

贵溪冶炼厂目前拥有两套透平发电机组［1］，主要作用是将铜冶炼过程中产生的余热饱和蒸汽经透平机组做功后将机械能转换为电能。两套透平发电机组分别布置在1#、2#动力中心，与一、二系统熔炼系统配套，其中1#透平发电机组为德国DRESSRAND公司生产饱和蒸汽背压机组［2］，透平机型号GTW17，机组额定功率为3720kW；2#透平发电机组为德国KKK公司生产的饱和蒸汽背压与凝汽双组合式机组，高压部分透平机型号为AFA4 G6a背压式透平，低压透平部分采用的是AFA6 G6b凝汽式透平，高、低压透平共用一个发电机，整个机组额定功率为5500kW。

2 透平机组工艺流程

2.1 1#透平发电机工艺流程

正常运行状态下，闪速炉、转炉余热锅炉产生的4.2MPa饱和蒸汽进入1#透平发电机经叶轮做功发电后降压至1.45MPa，全部排入分汽缸，首先供给熔炼蒸汽干燥等界内低压用户使用，剩余蒸汽通过调节阀控制自动输送至全厂低压蒸汽管网。透平发电机组采用前压控制方式，通过“WOODWORD505”控制器［3］自动调节主汽门开度始终将透平进汽压力稳定在4.2MPa，透平背压则由往低压管网的蒸汽调节阀进行控制。

当透平发电机因各种原因需要停机时，此时余热锅炉来的蒸汽只有通过蒸汽旁路调节阀节流后进入分汽缸。透平旁路调节阀同样为自动控制，始终将调节阀前蒸汽压力维持在4.2MPa左右，调节阀后的压力控制与蒸汽走透平发电过程相同。具体工艺流程见图1。

图1 1#透平发电机工艺流程简图

2.2 2#透平发电机工艺流程

为实现贵冶一、二系统高、低压蒸汽系统的平衡，达到余热利用的最大化，2#透平发电机组采用的是所谓“一担挑”形式，即相当于在1#透平机组的形式基础上在发电机另一侧增加了一个凝汽式透平。闪速炉、转炉余热锅炉产生的4.0MPa饱和蒸汽经高压透平吸收热能发电后降压至0.90MPa，与硫酸余热锅炉产生的1.0MPa饱和蒸汽混合后，再次进入低压透平发电，最后排入复水器回收冷凝水。透平高压部分同样采用前压控制方式，通过“WOODWORD505”控制器自动调节主汽门开度始终将透平进汽压力稳定在4.0MPa，透平背压则由低压透平通过DR22调节器控制在0.90MPa，即低压透平进汽压力与高压透平背压相同。

透平发电机停机时，高压蒸汽通过蒸汽旁路调节阀节流后进入分汽缸，分汽缸压力由放空调节阀控制。具体工艺流程见图2。

图2 2#透平发电机工艺流程简图

3 热力过程计算与经济性分析

3.1 1#透平发电机运行参数分析

1#透平生产厂家提供的运行状态点热力参数［4］见表1。

表1 1#透平发电机运行状态点热力参数表

3.1.1 发电机组量能转换效率计算

由于无法计量蒸汽进入透平发电机后的轴封蒸汽消耗及疏水排汽损失，且改损失相对进汽流量占比较小，计算时假定进、排汽流量相同，则透平发电机组将蒸汽热能转换为电能的效率为：

式中，η为汽轮机发电效率，%；E为发电量，kJ；Q为热量，kJ；hg1为进汽蒸汽焓值，kJ/kg；为排汽蒸汽焓值，kJ/kg；q为进、排汽蒸汽流量，t/h。

根据式3-1和表1数据，计算得到透平各不同运行状态点时的热、功转换效率，见表2。

从表2可知，蒸汽经过透平发电机组做功，进行热功转换之后，透平进、出口蒸汽焓值变化减少的热量并没有全部转换为电能，这部分损失的能量主要通过设备运转过程中的油冷却器和发电机空气冷却器中的冷却水被带走。

表2 1#透平发电机组发电效率计算表

分析上表，可以看出。

（1）运行状态A点与B点，进、排汽压力相同，A点进汽流量高于B点，透平发电效率A点略高于B点。

（2）运行状态B点与C点，进汽压力相同，蒸汽流量相同，B点排汽压力（11bara）低于C（17bara）点，透平发电效率B点较C点高3.63%。

（3）运行状态D点与E点，蒸汽流量相同，D点进汽压力（43bara）高于E（41bara）点，D点排汽压力（11bara）低于E（17bara）点，透平发电效率D点较E点高10.35%。

通过上述分析，要提高透平发电机组的能量转换效率，一是应尽可能提高透平进汽压力或降低排汽压力，即增大透平进、出口的蒸汽压力差；二是应尽可能使蒸汽流量维持在高位。

3.1.2 排汽蒸汽干度计算

从表1可知，A、B、D工作点的排汽压力为11bara，查“饱和蒸汽特性数据表”可得：

hg2= 2781.28 kJ/kg （干饱和蒸汽比焓）

hfg2= 1999.86 kJ/kg （蒸发比焓）

C、E、F工作点的排汽压力为17bara，查“饱和蒸汽特性数据表”可得：

hg2= 2795.00 kJ/kg （干饱和蒸汽比焓）

hfg2= 1922.97 kJ/kg （蒸发比焓）

（1）透平进、排汽压力下对应干饱和蒸汽焓值差

由式3-2计算可得，43bara的干饱和蒸汽与11bara、17bara的干饱和蒸汽的热焓值差仅分别为17.72 kJ/kg和 4.00 kJ/kg。但通过将查表得到的干饱和蒸汽比焓hg2与厂家提供的实际排汽焓值hg21比较可知，经过透平做功输出电能后，排汽焓值均比相同压力下的对应干饱和蒸汽比焓大幅降低，表明此时透平背压排汽为湿蒸汽，即排汽中会产生一定含量的冷凝［5］水通过疏水器排出。这说明透平进、排汽蒸汽压力下降造成的焓值差仅占透平发电机获得电量的很小部分，绝大部分的电量来源于蒸汽做功过程中一定比例的蒸汽变成饱和水而放出的汽化潜热。

（2）排汽蒸汽干度［6］和冷凝水量

式中：X为蒸汽干度，%；Δhg为干饱和蒸汽焓值与实际排汽焓值差，kJ/kg；hfg为蒸发比焓（汽化潜热），kJ/kg；q1为冷凝水流量，t/h；q为进汽蒸汽流量，t/h。

根据式3-2 、3-3计算得到透平各不同运行状态点时的排汽干度和冷凝水量，见表3。

表3 1#透平发电机组排汽干度及冷凝水量计算表

3.1.3 1#透平发电机经济性分析

透平发电机经济性分析是通过计算蒸汽进入透平发电与蒸汽走旁路直接供热两种运行方式的经济收益，对比发现哪种运行方式更具经济性。

通过前面的计算分析可知，蒸汽进入透平机组发电，得到发电量可以减少电费成本支出，但损失的热量使得部分蒸汽变成冷凝水排出，即补充到低压蒸汽管网的蒸汽量相应的减少，在低压蒸汽管网压力不足情况下，这部分减少的蒸汽量需要通过燃煤锅炉产生。而蒸汽走旁路直接供热情况下，则不存在蒸汽流量损失，不需产生这部分的蒸汽成本。

两种运行方式的经济收益计算见表4。

表4 1#透平发电机组经济收益计算表

表4中过程损失：前面分析过程中没有考虑透平轴封蒸汽消耗及汽门喷嘴疏水排汽损失，经济性计算时该部分蒸汽量损失按1.00 t/h。

电量价格与蒸汽成本：电量价格0.678元/kW·h，蒸汽成本160元/t。

从表4“整体效率”一栏可以明显看出，当发电机负荷越大时整体经济收益越明显，当发电机负荷低于500kW左右时，此时蒸汽发电的经济性还不如直接走旁路供热。

3.2 2#透平发电机经济性分析

2#透平生产厂家仅提供了额定工况的状态点参数：

AFA4 G6a背压式透平：进汽压力44.5bara，排汽压力10.5bara，蒸汽流量50t/h

AFA6 G6b凝汽式透平：进汽压力10.5bara，排汽压力0.3bara，蒸汽流量35t/h

发电机功率：5500kW

从前面的工艺流程介绍可知，44.5bara首先进入AFA4 G6a背压式透平做功降压至10.5bara排出，然后35t/h的蒸汽进入AFA6 G6b凝汽式透平做功后排至冷凝器内冷却回收冷凝水，多余的压力为10.5bara蒸汽则自动输送至全厂低压蒸汽管网。与1#透平不同，2#透平运行过程中由于需要将低压透平排出的乏汽冷凝为水，增加了循环冷却水系统，循环水泵、冷凝水泵、冷却塔风机等设备运行需消耗功率约为380kW。

由于厂家没有给出压力为10.5bara蒸汽焓值，中间状态过程无法准确计算，参考1#透平，假定进入AFA4 G6a背压式透平做功后排出压力为10.5bara的蒸汽干度为94%，从而对2#透平发电机满负荷状态与不发电直接供热两种运行方式进行经济分析：

满负荷状态时的产出：实际电量：5500-380=5120 kW·h

低压蒸汽：50×0.94-35 = 12 t/h

产出价值：5120×0.678+12×160 = 5391.36 元

直接供热式的产出：低压蒸汽：50 t/h

产出价值：50×160 = 8000元

效益对比：5391.36-8000 = -2608.64元

从上面的计算可知，当低压蒸汽不足，燃煤锅炉房处于高负荷状态时，此时将余热锅炉产生的中压蒸汽进入2#透平发电的经济性远不如直接将蒸汽送入低压管网供热。但通过对1#透平的分析可知，2#透平中的背压部分发电是处于正收益状态，导致负收益的主要为冷凝式透平部分。因此，冬季时低压蒸汽不足时，应尽量将压力10.5bara的蒸汽送入低压蒸汽管网供热，减少冷凝式透平的发电量。