CN103291390A - 加热炉烟气、蒸汽余热回收发电系统及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种加热炉烟气、蒸汽余热回收发电系统及发电方法，该系统提供烟气余热锅炉系统、加热炉汽化冷却系统、汽轮发电机组系统、凝结水回水供应系统和组合控制系统。烟气余热锅炉系统包括省煤器、蒸发器、过热器；汽化冷却系统的给水来自加热炉省煤器，产生的饱和蒸汽进入加热炉的过热器进行过热。本发明针对加热炉的运行特点，将加热炉烟气和汽化冷却蒸汽统一开发利用，实现烟气、蒸汽联合蒸发余热发电。既利用了烟气余热，又利用了汽化冷却饱和蒸汽的余热，同时很好的保证了系统的稳定，达到最大限度的利用余热。

Description

加热炉烟气、蒸汽余热回收发电系统及发电方法

技术领域

本发明涉及冶金技术，尤其是涉及钢铁厂轧钢加热炉的余热回收利用技术。

背景技术

加热炉是钢铁企业中的用能大户，能耗高，能源利用水平低。目前很多企业都在对加热炉进行技术改造升级，实现节能减排。主要是采取在加热炉尾部烟道布置余热锅炉，利用锅炉产生的蒸汽进行发电。如专利号ZL201010114344.7，名称为“一种加热炉余热发电系统及其方法”是另加补燃余热锅炉，以补燃余热锅炉为系统主体，保证一定的蒸汽量，吸收烟气波动达到系统的稳定。这种余热回收方式确实利用了部分热能，但也存在一些问题。如：只回收了部分烟气热量，余热回收利用能力有限；在加热炉产量不稳定的情况下，无法保证烟气量的稳定，故无法保证余热发电系统的连续稳定运行。在烟气余热锅炉退出运行时，系统相当于一个小型火电厂，而这正是国家明令禁止的。余热锅炉运行产生的节能效果，也因系统参数较低(相对于大型火电厂)而部分抵消了其节能效果。

发明内容

本发明的目的是提出一种加热炉烟气、蒸汽余热回收发电系统及余热回收发电方法，既能做到热量最大限度的回收利用，又能解决余热发电系统连续稳定运行的问题。

为了实现本发明的目的，提出的技术方案如下：

一种加热炉烟气、蒸汽余热回收发电系统，所述余热回收发电系统包括烟气余热锅炉系统、加热炉汽化冷却系统、汽轮发电机组系统、凝结水回水供应系统和组合控制系统；

所述烟气余热锅炉系统包括有过热器2、蒸发器3、省煤器4构成的烟气余热锅炉1、烟气余热锅炉汽包5和烟气余热锅炉汽包给水调节阀17；

所述加热炉汽化冷却系统包括汽化冷却汽包6、加热炉水梁汽化冷却回路7、汽化冷却强制循环泵8和汽化冷却汽包给水调节阀16；

所述汽轮发电机组包括汽轮机9和发电机10；其中，

加热炉主排烟道的烟气依次经过所述过热器2、蒸发器3、省煤器4进行热交换后排入大气；

所述凝结水回水供应系统分别与汽轮发电机组的汽轮机9和省煤器4的入口连接，将汽轮机9产生的凝结水送入省煤器4；

所述省煤器4的出口分别连接烟气余热锅炉汽包5和汽化冷却汽包6，将加热后的凝结水分别送入烟气余热锅炉汽包5和汽化冷却汽包6；

所述烟气余热锅炉汽包5通过下降管连接所述蒸发器3的入口，蒸发器3的出口连回烟气余热锅炉汽包5内；烟气余热锅炉汽包5的蒸汽管道连接过热器2的入口；不饱和水吸收蒸发器3的烟气热量变为汽水混合物，在烟气余热锅炉汽包5进行汽水分离后，饱和水进入下一个循环，饱和蒸汽进入过热器2；

所述汽化冷却汽包6通过下降管道和汽化冷却强制循环泵8与加热炉水梁汽化冷却回路7连接，构成循环回路，使饱和水进入加热炉水梁汽化冷却回路7，变为汽水混合物后送回汽化冷却汽包6进行汽水分离后，饱和水进入下一个循环，饱和蒸汽进入过热器2；

所述过热器2的出口连接汽轮发电机组的汽轮机9，所述过热器2向汽轮机9提供过热蒸汽。

所述凝结水回水供应系统包括凝汽器11、凝结水泵12、热力除氧器13和锅炉给水泵14；所述凝汽器11连接所述汽轮机9，将做功后的乏汽凝结为凝结水，经由所述凝结水泵12送至所述热力除氧器13，经所述汽轮机9抽气加热实现热力除氧后进入所述给水泵14加压后，送入所述省煤器4，完成热力循环。

所述组合控制系统包括烟气余热锅炉给水调节阀17，安装在省煤器4出口至烟气余热锅炉汽包5的给水管路上；汽化冷却汽包给水调节阀16，安装在省煤器4出口至汽化冷却汽包6的给水管路上；组合控制系统根据两个汽包的水位、主蒸汽流量、汽包给水流量，调节控制两个调节阀开度，保证汽包水位稳定和两个汽包并列运行。

本发明还提出一种余热回收发电方法，所述余热回收发电方法包括步骤：

(1)在汽包设水位监测装置，提供检测到的水位信号；

(2)根据汽包当前压力，利用补偿公式对汽包水位信号做压力补偿，以消除压力变化对水位信号准确性的影响；所述压力补偿公式如下：

h＝[L(ρ₁-ρ₃)g-ΔP]/(ρ₂-ρ₃)g-h₀

其中：h：压力补偿后汽包水位，m；

L：平衡容器两个取样管高度差，m；

ρ₁：凝结水密度，kg/m³；

ρ₂：饱和水密度，kg/m³；

ρ₃：饱和蒸汽密度，kg/m³；

g：重力加速度，m/s²；

ΔP：压差，Pa；

h₀：汽包水位零点至下取样管高度，m；

(3)对汽包出口蒸汽流量信号做压力补偿和温度补偿，消除压力变化对流量信号准确性的影响，所述压力补偿和温度补偿后的蒸汽压力计算公式如下：

$M=K\×\sqrt{\frac{\mathrm{\ΔP}}{\frac{0.00471T+1.268}{10.149P+1}-(0.0097-0.0000132T)}}$

其中：M：压力补偿和温度补偿后的蒸汽压力，Pa；

K：常数；

ΔP：压差，Pa；

T：汽包出口蒸汽温度，℃；

P：汽包出口蒸汽压力，Pa。

(4)根据汽包水位信号、汽包出口蒸汽流量、汽包给水流量三冲量信号控制两个给水阀开度，保证两个汽包正常水位。

所述步骤(1)中，水位监测装置设置两个，分别设置在汽包左右两侧对称位置，将获得的两个监测值的平均值作为汽包水位的计算输入值，保证数值的准确性。

在所述步骤4中，控制两个给水阀开度的方法具体为：先在系统中设定汽包水位定值，并根据汽包水位读数计算出补水流量，水位高于定值时为负，低于定值时为正。根据汽包出口蒸汽流量与汽包给水流量的差值与补水流量进行比较，若差值大于补水流量，则增大调节阀开度；若差值小于补水流量，则减小调节阀开度；从而汽包水位得到平稳平衡。

本发明将加热炉烟气和汽化冷却蒸汽统一开发利用，实现烟气、蒸汽联合蒸发余热发电。既利用了烟气余热，又利用了汽化冷却饱和蒸汽的余热，达到最大限度的利用余热。

本发明不影响加热炉原有生产工艺，将加烟气余热锅炉产出的全部蒸汽用于发电，最大限度的利用余热，适应加热炉工况变化要求，提高了发电量，既回收了这些余热及其软水资源，还能降低厂区用电量，降低产品成本，具有良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明加热炉烟气、蒸汽余热回收发电系统示意图。

其中

1烟气余热锅炉                  10发电机

2过热器                        11凝汽器

3蒸发器                        12凝结水泵

4省煤器                        13热力除氧器

5烟气余热锅炉汽包              14锅炉给水泵

6汽化冷却汽包                  15组合控制系统

7加热炉水梁汽化冷却回路        16汽化冷却汽包给水调节阀

8汽化冷却强制循环泵            17烟气余热锅炉汽包给水调节阀

9汽轮机

T、P和F分别是温度传感器、压力传感器和流量传感器

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明的系统主要包括烟气余热锅炉1、过热器2、蒸发器3、省煤器4、烟气余热锅炉汽包5、汽化冷却汽包6、加热炉水梁汽化冷却回路7、汽化冷却强制循环泵8、汽轮机9、发电机10、凝汽器11、凝结水泵12、热力除氧器13、锅炉给水泵14、组合控制系统15、汽化冷却汽包给水调节阀16、烟气余热锅炉汽包给水调节阀17等。

本系统将加热炉主排烟道尾部的400-500℃烟气的引入烟气余热锅炉1，余热锅炉1的烟气系统由加热炉主排烟道接出，烟气依次经过过热器2、蒸发器3、省煤器4进行热交换后，温度降至150℃左右。经引风机进入烟囱排入大气。

本系统的加热炉烟气、蒸汽余热回收发电系统热力循环系统流程如下：热力除氧器13产生除氧水经锅炉给水泵14加压后，送入烟气余热锅炉1的省煤器4中，吸收低温区烟气余热，加热到一定温度后分别送至烟气余热锅炉汽包5和汽化冷却汽包6中，烟气余热锅炉汽包5内的不饱和水经下降管进入蒸发器3，在蒸发器3中吸收烟气热量，变为汽水混合物送入汽包5，在汽包5内进行汽水分离后，饱和水进入下一个循环，饱和蒸汽进入过热器2。汽化冷却汽包6内的饱和水经汽化冷却强制循环泵8进入加热炉水梁汽化冷却回路7，吸收热量变为汽水混合物后送回汽化冷却汽包6，在汽包6中进行汽水分离后，饱和水进入下一个循环，饱和蒸汽和烟气余热锅炉汽包5产生的饱和蒸汽一起进入过热器2。经烟气余热锅炉1的过热器2统一加热为过热蒸汽。过热蒸汽进入汽轮机9做功，带动发电机10发出电量。做功后的乏汽进入凝汽器11凝结为凝结水，经由凝结水泵12送至热力除氧器13，经汽轮机抽气加热实现热力除氧。合格的除氧水进入锅炉给水泵14，完成热力循环。

余热发电系统所需软化水由系统凝结水回水供应。系统补水由化学水处理系统供应。

组合控制系统15包括烟气锅余热炉汽包给水调节阀17，安装在省煤器4出口至烟气余热锅炉汽包5的给水管路上；汽化冷却汽包给水调节阀16，安装在省煤器4至汽化冷却汽包6的给水管路上；组合控制系统15根据汽包水位、汽包出口蒸汽流量、汽包给水流量调节控制给水调节阀16和17的开度，保证汽包水位稳定，解决两个汽包并列运行的难题。

本发明将加热炉烟气和汽化冷却蒸汽统一开发利用，实现烟气、蒸汽联合蒸发余热发电。既利用的烟气余热，又利用了汽化冷却饱和蒸汽的余热，达到最大限度的利用余热。

加热炉满负荷运行时，加热炉烟气量及汽化冷却蒸发量增加幅度较少，因此烟气余热锅炉和汽轮发电机组在设计时留有余量，可满足加热炉工况变化的要求。

引入汽化冷却蒸汽，利用汽化冷却蒸汽相对稳定的特点，有效缓解烟气余热波动较大对余热发电系统稳定运行的影响，保证余热发电系统能够长期安全稳定运行。

本加热炉烟气、蒸汽余热回收发电系统对于烟气和汽化冷却装置的运行参数进行长期的跟踪和研究并进行了小型实验，开发出一套有效调整余热发电系统和控制方法并应用于余热发电自动控制系统，使系统的运行稳定性有了可靠的保障。

本发明的主要创新点是：

1、加热炉待轧时，燃料用量及烟气量只有正常量的15％左右，仅用来保持炉膛温度，此时烟气余热锅炉蒸汽量大幅减少，仅用烟气余热锅炉，发电系统无法正常运行。本发明将加热炉汽化冷却与烟气余热锅炉结合起来，利用加热炉保温必需的冷却汽量(20t/h-30t/h)作为系统的稳定基础汽量，而烟气余热锅炉主要用于蒸汽过热，解决加热炉待轧时烟气量较少，蒸汽量不连续的问题。不需另加补燃余热锅炉。

例如，某钢厂加热炉正常工作时烟气量74500Nm³/h，余热锅炉烟气入口温度440℃，出口温度150℃。在不利用汽化冷却饱和蒸汽，只利用加热炉烟气发电的情况下，数据如下：

加热炉正常工作时，烟气余热锅炉蒸汽流量13.5t/h；

加热炉待轧时，烟气量为11200Nm³/h，烟气余热锅炉蒸汽流量2t/h。

在以上两种情况下，蒸汽流量最小值为2t/h，最大值为13.5t/h，最小值的蒸汽流量只有最大值的15％，如此巨大的流量差，是任何一台汽轮发电机组都无法承受的。

利用加热炉汽化冷却饱和蒸汽和烟气余热锅炉结合起来之后，数据如下：

加热炉正常工作时，烟气余热锅炉蒸汽流量13.5t/h，汽化冷却饱和蒸汽流量20t/h-30t/h，总蒸汽流量为33.5t/h-43.5t/h；

加热炉待轧时，烟气余热锅炉蒸汽流量2t/h，汽化冷却饱和蒸汽流量20t/h-30t/h，总蒸汽流量为22t/h-32t/h；

在以上两种情况下，总蒸汽流量最小值为22t/h，最大值为43.5t/h，最小值的蒸汽流量为最大值的51％，在此范围内，汽轮机可以保证正常稳定运行。

2、由于烟气余热锅炉为自然循环锅炉，而加热炉汽化冷却系统为强制循环蒸发系统，二者的并列运行存在较高的技术难度。根据多年在水泥余热发电领域系统的开发运行经验，针对加热炉热工状况的波动特点，提出解决方案，使汽化冷却汽包和烟气余热锅炉汽包水位得到很好的控制，保证发电系统连续稳定运行。

①因汽包在实际运行过程中左右两侧水位不一致，故在汽包左右靠两侧对称位置设两个水位监测装置，程序设定用两个监测值的平均值作为汽包水位的计算输入值，保证数值的准确性。

②根据汽包当前压力，对汽包水位信号根据补偿公式做压力补偿，以消除压力变化对水位信号准确性的影响。压力补偿公式如下：

h＝[L(ρ₁-ρ₃)g-ΔP]/(ρ₂-ρ₃)g-h₀

其中：h：压力补偿后汽包水位，m；

L：平衡容器两个取样管高度差，m；

ρ₁：凝结水密度，kg/m³；

ρ₂：饱和水密度，kg/m³；

ρ₃：饱和蒸汽密度，kg/m³；

g：重力加速度，m/s²；

ΔP：压差，Pa；

h₀：汽包水位零点至下取样管高度，m；

③组合控制系统根据汽包水位信号、汽包出口蒸汽流量、汽包给水流量三冲量信号计算分析后，给出控制信号，控制给水阀开度，确保指令的准确性，保证汽包水位正常。

先在系统中设定汽包水位定值，并根据汽包水位读数计算出补水流量，水位高于定值时为负，低于定值时为正。根据汽包出口蒸汽流量与汽包给水流量的差值与补水流量进行比较，若差值大于补水流量，则增大调节阀开度；若差值小于补水流量，则减小调节阀开度；从而汽包水位得到平稳平衡。

④对其中的汽包出口蒸汽流量信号做压力补偿和温度补偿，消除压力变化对流量信号准确性的影响。

$M=K\×\sqrt{\frac{\mathrm{\ΔP}}{\frac{0.00471T+1.268}{10.149P+1}-(0.0097-0.0000132T)}}$

其中：M：压力补偿和温度补偿后的蒸汽压力，Pa；

K：常数；

ΔP：压差，Pa；

T：汽包出口蒸汽温度，℃；

P：汽包出口蒸汽压力，Pa；

3、由于利用加热炉汽化冷却作为系统的基础热源，不需另加补燃锅炉，系统参数的选定需要根据试验和运行经验优化，并且由于每台加热炉的热工状况都不一样，需要针对性地优化参数。根据理论计算和经验修正，优化余热锅炉、汽轮机等主机参数和自动控制系统的目标参数优化，以保证系统安全、稳定、高效运行。

例如某钢厂加热炉烟气量74500Nm³/h，余热锅炉烟气入口温度440℃，出口温度150℃，汽化冷却饱和蒸汽流量20t/h-30t/h。从下表中可以明显看到主蒸汽压力选择优化后的1.25MPa时，余热得到更充分的利用，发电机输出功率最大。

主蒸汽压力	MPa	1.0	1.25	1.35
					主蒸汽温度	℃	325	325	325
主蒸汽流量	t/h	34.2	33.5	32.3
					给水温度	℃	104	104	104
汽化饱和蒸汽流量	t/h	20.4	20	19.5
					烟气余热锅炉蒸汽流量	t/h	13.8	13.5	12.8
发电机输出功率	kW	8190	8300	8210

4、在保证系统安全、稳定、高效运行的前提下，由于不需另设补燃锅炉，使得系统得以简化，既降低了设备投资，又更加充分地利用了加热炉系统原有的余热资源，经济效益和社会效益都十分显著。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种加热炉烟气、蒸汽余热回收发电系统，其特征在于，所述余热回收发电系统包括烟气余热锅炉系统、加热炉汽化冷却系统、汽轮发电机组系统、凝结水回水供应系统和组合控制系统；

所述烟气余热锅炉系统包括有过热器(2)、蒸发器(3)、省煤器(4)构成的烟气余热锅炉(1)、烟气余热锅炉汽包(5)和烟气余热锅炉汽包给水调节阀(17)；

所述加热炉汽化冷却系统包括汽化冷却汽包(6)、加热炉水梁汽化冷却回路(7)、汽化冷却强制循环泵(8)和汽化冷却汽包给水调节阀(16)；

所述汽轮发电机组包括汽轮机(9)和发电机(10)；其中，

加热炉主排烟道的烟气依次经过所述过热器(2)、蒸发器(3)、省煤器(4)进行热交换后排入大气；

所述凝结水回水供应系统分别与汽轮发电机组的汽轮机(9)和省煤器(4)的入口连接，将汽轮机(9)产生的凝结水送入省煤器(4)；

所述省煤器(4)的出口分别连接烟气余热锅炉汽包(5)和汽化冷却汽包(6)，将加热后的凝结水分别送入烟气余热锅炉汽包(5)和汽化冷却汽包(6)；

所述烟气余热锅炉汽包(5)通过下降管连接所述蒸发器(3)的入口，蒸发器(3)的出口连回烟气余热锅炉汽包(5)内；烟气余热锅炉汽包(5)的蒸汽管道连接过热器(2)的入口；饱和水吸收蒸发器(3)的烟气热量变为汽水混合物，在烟气余热锅炉汽包(5)进行汽水分离后，饱和水进入下一个循环，饱和蒸汽进入过热器(2)；

所述汽化冷却汽包(6)通过下降管道和汽化冷却强制循环泵(8)与加热炉水梁汽化冷却回路(7)连接，构成循环回路，使饱和水进入加热炉水梁汽化冷却回路(7)，变为汽水混合物后送回汽化冷却汽包(6)进行汽水分离后，饱和水进入下一个循环，饱和蒸汽进入过热器(2)；

所述过热器(2)的出口连接汽轮发电机组的汽轮机(9)，所述过热器(2)向汽轮机(9)提供过热蒸汽。

2.根据权利要求1所述的余热回收发电系统，其特征在于，所述凝结水回水供应系统包括凝汽器(11)、凝结水泵(12)、热力除氧器(13)和锅炉给水泵(14)；所述凝汽器(11)连接所述汽轮机(9)，将做功后的乏汽凝结为凝结水，经由所述凝结水泵(12)送至所述热力除氧器(13)，经所述汽轮机(9)抽气加热实现热力除氧后进入所述给水泵(14)加压后，送入所述省煤器(4)，完成热力循环。

3.根据权利要求2所述的余热回收发电系统，其特征在于，所述组合控制系统包括烟气余热锅炉给水调节阀(17)，安装在省煤器(4)出口至烟气余热锅炉汽包(5)的给水管路上；汽化冷却汽包给水调节阀(16)，安装在省煤器(4)出口至汽化冷却汽包(6)的给水管路上；组合控制系统根据两个汽包的水位、主蒸汽流量、汽包给水流量，调节控制两个调节阀开度，保证汽包水位稳定和两个汽包并列运行。

4.一种使用如权利要求1-3所述余热回收发电系统的余热回收发电方法，其特征在于，所述余热回收发电方法包括步骤：

(1)在汽包设水位监测装置，提供检测到的水位信号；

(2)根据汽包当前压力，利用补偿公式对汽包水位信号做压力补偿，以消除压力变化对水位信号准确性的影响；所述压力补偿公式如下：

h＝[L(ρ₁-ρ₃)g-ΔP]/(ρ₂-ρ₃)g-h₀

其中：h：压力补偿后汽包水位，m；

L：平衡容器两个取样管高度差，m；

ρ₁：凝结水密度，kg/m³；

ρ₂：饱和水密度，kg/m³；

ρ₃：饱和蒸汽密度，kg/m³；

g：重力加速度，m/s²；

ΔP：压差，Pa；

h₀：汽包水位零点至下取样管高度，m；

(3)对汽包出口蒸汽流量信号做压力补偿和温度补偿，消除压力变化对流量信号准确性的影响，所述压力补偿和温度补偿后的蒸汽压力计算公式如下：

$M=K\×\sqrt{\frac{\mathrm{\ΔP}}{\frac{0.00471T+1.268}{10.149P+1}-(0.0097-0.0000132T)}}$

其中：M：压力补偿和温度补偿后的蒸汽压力，Pa；

K：常数；

ΔP：压差，Pa；

T：汽包出口蒸汽温度，℃；

P：汽包出口蒸汽压力，Pa。

(4)根据汽包水位信号、汽包出口蒸汽流量、汽包给水流量三冲量信号控制两个给水阀开度，保证两个汽包正常水位。

5.根据权利要求4所述的余热回收发电方法，其特征在于，所述步骤(1)中，水位监测装置设置两个，分别设置在汽包左右两侧对称位置，将获得的两个监测值的平均值作为汽包水位的计算输入值，保证数值的准确性。

6.根据权利要求5所述的余热回收发电方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，控制两个给水阀开度的方法具体为：先在系统中设定汽包水位定值，并根据汽包水位读数计算出补水流量，水位高于定值时为负，低于定值时为正。根据汽包出口蒸汽流量与汽包给水流量的差值与补水流量进行比较，若差值大于补水流量，则增大调节阀开度；若差值小于补水流量，则减小调节阀开度；从而汽包水位得到平稳平衡。

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