蒸汽余热发电技术在棒材加热炉上的应用

雷慧杰，张艳伟

（1.安阳工学院；2.安阳钢铁集团公司，河南安阳455000）

目前，轧钢厂在轧制钢坯前进行加热的热工装置是加热炉，同时加热炉也是钢铁工业中的能耗大户[1]。为了实现节能减排、循环经济、低碳经济的可持续发展，目前国内钢厂加热炉大多进行了节能改造，其中加热炉的余热蒸汽发电再利用是最有效的措施之一。安阳钢铁集团公司第一轧钢厂260棒材生产线的步进梁式加热炉采用500kW螺杆膨胀发电机组系统进行余热蒸汽发电后，节能效果显著，为企业降本增效做出了贡献，使节能减排步伐迈上一个新台阶。

1 加热炉余热发电热力循环系统

1.1 工作原理

余热发电是指利用生产过程中多余的热能转换为电能的技术[2]。根据棒材生产线步进梁式加热炉的余热蒸汽工况，利用螺杆膨胀发电机回收生产过程中的蒸汽能量，做功驱动发电机发电并将发电并入企业电网，螺杆膨胀发电机的排汽进入冷凝系统，冷凝回收后再循环利用。

1.2 运行方式

在加热炉的蒸汽管网上取汽，蒸汽进入螺杆膨胀发电机发电。当螺杆膨胀发电机正常工作时，蒸汽全部供螺杆膨胀发电机发电；当螺杆膨胀发电机不能工作时，蒸汽直接排空；螺杆膨胀发电机的排汽进入冷凝系统（冷凝系统如图1所示），冷凝成90℃左右热水，通过凝结水泵打到原系统给水箱，再循环利用。加热炉余热发电热力循环系统如图2所示。

冷却系统占地面积、冷却水消耗量和冷却系统耗电量的多少，必然影响到机组经济效益和循环冷却系统的设备投入规模。为克服上述客观条件的制约，采用高效蒸发式的一体化冷凝装置设备（如图3所示），利用水蒸发时吸收热量而使管内的水蒸气冷凝。冷却水贮于冷凝器底部水盘中，用水位调节器保持一定的水位，水位调节器采用浮球调节自动补水，采用一用一备浮球以确保补水系统可靠。水盘中的冷却水用水泵送至喷淋管，经喷嘴喷淋在冷凝器的外表面上形成一层水膜，水膜中部分水吸热后蒸发为水蒸气被空气带走，管内的水蒸气放热逐渐冷凝成液体，未蒸发的水向下流经热交换层，在风的作用下温度降低，流回底部水盘中继续循环。空气从新风入口吸入以冷却升温水，热湿冷空气则经过风机排放到大气中。

高效蒸发式冷凝器采用自动循环水冷却系统，内置循环水泵及风机，每套装置热负荷4800kW，循环水流量400t/h，补充水流量5t/h。冷凝器及机封所需循环冷却水取自高效蒸发式冷凝器循环水泵出口。

高效蒸发式一体化冷凝装置将水冷式冷凝器、冷却塔、水池、水管路等融为一体，大大减少了设备体积（尺寸L×B×H=6.0m×2.4m×5.0m），使安装维护更加方便。另外，该装置还有耗电量少、可靠性高及噪声低的特点。采用变频风机，根据环境温度自动调节风机转速，节电率达30%。

2 螺杆膨胀发电机组电气控制系统

2.1 设备选型

选用SEPG400-500-3000-1.35-C型螺杆膨胀发电机组1套。采用三相同步发电机，自动准同期并网技术，通过自动调节发电机转速，控制发电机升压、降压，实现发电机自动跟踪电网电压。并网送电后，电能直接输入企业的电网，驱动各种用电设备和负载，并网不会降低电网的供电品质。发电机如遇紧急突发事件，发电机系统的安全保护装置能与低压网自动分闸，确保低压网和发电机的安全。

螺杆膨胀发电机组的供汽参数：蒸汽压力为1.00～1.20MPa，温度181～189℃，供汽时长≥7500小时/年，蒸汽富余5～8t/h。机组的进排汽参数选择如表1所示。

表1 机组的进排汽参数一览表

2.2 电气控制系统

电气控制系统采用电动调速控制器[3]，核心部分采用西门子PLC S7-200。PLC控制柜安装在现场控制室，提供工业以太网接口，在中控室增设上位机，提供机组所需的数据监控和操作。

转速控制：并网前，为保证发电机并网时安全运行，实行转速控制程序。转速信号取自螺杆出轴处的测速编码器，其输出信号作为速度反馈参数，采用并联PID调节模式，通过控制电动调节阀的开度，从而保证螺杆膨胀发电机组按设定的转速稳定运行。

功率控制：并网后，随着电网频率的波动，电机转速随之变化，发电机输出功率的大小取决于蒸汽对发电机组做功的多少，此时应实行功率控制程序。发电机的输出功率反馈作为调节参数，通过RS-485通讯采集，采用并联PID调节模式，通过控制电动调节阀的开度，从而保证机组功率的输出。蒸汽不足时打开阀门尽量多发电，蒸汽富余时控制在额定功率。

螺杆膨胀发电机组电气控制系统有自动和手动两种控制方式，能实现无扰动相互切换。

该系统设有超功率保护、超速保护、冷却水保护和润滑油保护等多种保护功能，一旦任一保护装置发生故障时，系统都能启动声、光报警，必要时还能自动停机以确保机组设备的安全。

3 项目实施效果

在安钢一轧厂260棒材生产线加热炉余热蒸汽发电螺杆膨胀发电机组的供汽参数条件下，总装机容量为4000kW，余热发电系统的平均发电功率可达330kW，扣除自耗功率33kW，平均净发电功率为297kW，按照年运行时长7500小时计算，年发电量为222.7万度；工业水耗5t/h，年耗水量3.75万吨；软水回收6.5t/h，年回收软水4.875万吨。

4 结束语

节能减排是一个长期又系统的工程，加热炉蒸汽余热发电技术利用生产的蒸汽用于发电，实现了节能、节电，提高了热能利用效率，又利于环境保护，为企业创造了一定的经济效益和环境效益，值得大力推广和应用。

[1]王继光.宣钢棒材加热炉节能技术的应用[J].冶金能源，2006(7):30-34.

[2]尹刚.低温余热发电技术的特点和发展趋势探讨[J].东方电气评论，2011(1):1-5.

[3]王伟.低品质能源余热发电工艺及设备[J].重型机械，2010(s2):35-38.