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炼钢蒸汽流量计平衡及蓄热器节能潜力分析

时间:2018/04/04来源:未知

【摘 要】调研了某炼钢厂蒸汽回收及蓄热器工艺流程和仪表配置情况,通过实测和推算分析深入分析了目前计量统计方式存在的问题,并对蓄热器组工作的能量损失进行了估算,***后提出了节能改造建议。

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

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

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:
计算公式
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;i′1、i′2———蓄热器中的水在充热压力 P1、放热压力 P2下的焓;i1″、i2″———蓄热器中的蒸汽在充热压力 P1、放热压力 P2下的焓。
表 2 蒸汽流量数据实测表

表 2 蒸汽流量数据实测表
注:⑨OG 除氧器蒸汽计量表为新装,炼钢厂认为不准,按蒸汽发生量的 14%估算。②低压蒸汽送出量常达满量程,故 EMS 统计值偏小,这里适当放大。⑥1#RH 低压蒸汽使用量表坏,参照 2#和 4#RH 平均单耗推算约为 17.1 t/h,而炼钢厂目前每月上报能环部的 1#RH 量约为 7.6 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。表 2 蒸汽流量数据实测表 t/h。
表 3 RH 蒸汽来源推算
表 3 RH 蒸汽来源推算
(1)1#RH 方向有除氧器,故用汽量***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***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***高,中压补汽量***大,占炼钢中压用汽的 57%。这与炼钢厂反映的“2#RH 用汽压力***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***少。4#RH 距离 1# 转炉***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较低,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 3360k J/kg)发电汽耗约 40 t/ 万 k W·h,低压蒸汽(焓值3060 k J/kg)发电汽耗约 67 t/ 万 k W·h,本例中可多发电(10000/40- 10000/67)×10=1000 k W,全年多发电 8000 余万 k W·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 k W,全年多发电250 万 k W·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 k W。

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 1600m3);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。

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