饱和蒸汽工业汽轮机的成功运用

饱和蒸汽工业汽轮机的成功运用

沈 强

(金隆铜业有限公司 安徽铜陵 244021 [email protected])

【摘 要】 原余热利用系统采用燃油在过热炉中将饱和蒸汽过热后，再由多级汽轮机发电，或者采用减压阀减压。2001年6月成功地将德国KK&K公司制造的单级饱和蒸汽工业汽轮机用于余热发电，从而大大改善了运行经济性。

【关键词】 工业汽轮机 余热利用 饱和蒸汽 背压 管网

Successfully Application of Industrial

Turbine of Saturated Steam

Shen Qiang

(Jinlong copper Co., Ltd, Tongling, Anhui, China, 244021, [email protected])

【Abstract 】　　　　　The former waste heat utilizing system generates electricity by burning oil to superheat saturate steam and drive the steam turbine or depressurizing through a decompressor. In June 2001, we successfully installed a single stage industry saturated steam turbine from KK&K in Germany to generate electricity and improved the operation economy on a large scale.　

【Keywords 】 industrial steam turbine; using waste heat; saturated steam; back-pressure; gridiron

1. 余热利用系统改造的必要性

PS 转炉吹炼—迴转式阳 金隆铜业有限公司采用世界上先进的“闪速炉熔炼—

极炉精炼—电解”流程生产电解铜及副产硫酸。原设计配套的蒸汽热力系统主要包括：一台闪速炉余热锅炉(FFB)、三台转炉余热锅炉(CFB)、一台蒸汽过热炉(SH)及一套背压式过热蒸汽汽轮机组（型号为NG/32/25，由杭州汽轮机厂制造）等余热利用装置。FFB 及CFB 分别产生4.71MPa 饱和中压蒸汽27t/h及10 t/h，合计为37 t/h。其中CFB 产生的蒸汽量随着转炉的炉期交换、开停风作业，呈现0∼10 t/h的快速变化；FFB 产生的蒸汽量也会随着闪速炉投料量的变化而出现波动。近年来，金隆铜业有限公司通过挖潜改造，主产品产量增长了50%，FFB 及CFB 的饱和蒸汽产量也相应增加到28.9 t/h及12.8 t/h，合计为41.7 t/h，最大值为45 t/h。

由于原配套的汽轮发电机组为过热蒸汽背压机组，从FFB 及CFB 产出的

4.71MPa 饱和蒸汽（温度273℃），需在过热炉中降压加热至蒸汽参数为3.43 MPa 、435℃，然后再进入过热蒸汽背压机组发电，其背压蒸汽参数为0.8MPa 、300℃，还需经减温器喷水减温及减压阀减压到0.6MPa 、200℃后，并入厂区0.6MPa 等级蒸汽管网。在上述过程中，过热炉需消耗大量燃油，以提高蒸汽过热度，而汽轮发电机组仅能将过热炉中加入能量的约54%转化为电能，过热炉中加入的其余部分热量，则转移到了汽轮机后的背压蒸汽中，造成0.6MPa 管网热量富裕，正常生产情况下平均每小时需排放10t 以上低压蒸汽。而实际发电量仅有1100--1600kW 。

在经过慎重的技术经济比较后，证明了此种余热发电方式是很不经济的，发电收益与燃油消耗支出相比较，年度亏损额达到了345万元。为此，原有的过热蒸汽发电机组于1998年停止了发电运行。中压余热蒸汽直接经由减压阀组减压至0.6MPa 及1.6MPa 两个压力等级的蒸汽管网，分别输送至用户。此种运行方式基本上停止了低压锅炉的运行，工厂全部用汽均由余热锅炉供给，低压锅炉仅处于压火热备状态，全厂蒸汽热力系统运行经济性与原设计状态相比已有较大改善。但由

于绝大部分余热蒸汽经过减压阀减压至0.6MPa 管网（约22∼35t/h），从热力学角度分析，尽管减压前后蒸汽的焓值不变，但却损失了技术功，这是可以利用的能源。为此，我们深入了解了德国KKK 公司的AFA 系列汽轮机组，发现其非常适合于金隆铜业的余热利用系统。该机组不仅适用于过热蒸汽，同时还适用于饱和蒸汽，因而无须运行蒸汽过热炉，无燃油消耗，可以直接将FFB 及CFB 产生的饱和蒸汽引入汽轮机发电，出口0.6MPa 背压蒸汽仍然进入管网供用户使用，充分利用原来减压过程损失的技术功，必将产生可观的经济效益，显示出了改造的必要性和紧迫性。

为此，金隆铜业有限公司于2000年3月，与德国KKK 公司签订了一套AFA4 G6A 型饱和蒸汽发电机组的供货合同，2001年4月中旬机组供货到现场。经一个多月的安装调试，于2001年6月23日一次并网发电成功。

2. KKK 汽轮机组的特点

2.1 KKK汽轮机组有BF 、AF 、AFA 、CFA 、CFR 等五种系列。根据不同的用途

及蒸汽参数，可从百余个机型中选择出适合用户需要的机组。单机从45kW 至5000 kW，均为单级背压式或抽凝式机组。从结构上作并列串联式或电机两端一前一后串接式等变形设计后，单机最大功率可达到10000 kW。不仅适用于背压蒸汽需进一步利用的余热利用系统，也适用于抽凝复水式余热回收系统。变型设计的机组可以同时与三种压力等级的蒸汽管网相联，并调节压力稳定。其用途并非局限于拖动发电机，其它如风机类、泵类机械均可用KKK 汽轮机作为原动机，而且能量的利用更为合理；

2.2 KKK 汽轮机具有非常独特的设计构想，全部采用单级悬臂式结构，膨胀叶轮

直接安装在齿轮箱一端的输入轴上。因而比汽轮机——齿轮箱分离式结构减少了轴承及密封数量。维修时仅需从一侧打开，较为方便。价格上也具有竞争力；

2.3 又由于其单级悬臂式结构，允许叶轮一端自由膨胀，因而从冷态启动到全负

荷运行，最多只需要10分钟的暖机预热过程，而短期停机后的重新启动过

程，可在10秒钟内立即投运，启、停非常方便。而通常的多级过热蒸汽汽轮机组，从冷态启动往往需要暖机二小时以上，才可投入正常运行。KKK 机组的这一优点，对用户而言的实际效果是有汽即可发电，无疑提高了发电时率，增加了发电量；

2.4允许负荷变化范围很宽，多喷嘴组液压调节系统，可适应25%～100%负荷的

快速变化，并且前压调节精度高，有多少汽就发多少电，保证余热锅炉压力稳定。部分负荷运行工况下，仍可保持高效率，特别适合于类似金隆铜业蒸汽量大范围变化的余热发电系统；

2.5由于系单级叶轮，允许蒸汽膨胀后有部分冷凝水析出，并且利用了此部分冷凝

水析出过程中所释放出来的冷凝潜热，既不致对机器造成击碎叶轮等破坏性损害，又使得可利用的蒸汽能量随着部分蒸汽的冷凝而增加发电量。所析出的少量冷凝水还可通过回收装置，再返回余热锅炉循环利用；

2.6 同多级汽轮机相比，单级汽轮机结构简单，占地面积小，可单层布置，维护

及使用费大大降低。而且其运行效率完全可以与多级汽轮机相媲美；

2.7 KKK单级汽轮发电机组操作非常简单，从辅助油泵启动至发电并网成功，只

需按三次按钮，而且与厂区内电网的并网过程为全自动过程，也可实现手动并网；

2.8 KKK 的此类机组具有很强的适应性。不仅适用于过热蒸汽、饱和蒸汽，甚至

适用于任何气体种类、任何有余压（压力≥2bar 即可）可利用的场合。如天然气、煤气减压站、高炉炉顶煤气能量回收（TRT ）等。还可以当作制冷膨胀机使用；

2.9 KKK 的透平系列中，还有一种用于管道式安装的余压利用装置，可用于回收

功率为220kW 以下的能量。

3. AFA4 G6A型饱和蒸汽汽轮发电机组技术参数

AFA4 G6A型饱和蒸汽汽轮发电机组主要技术参数如下：

l 汽轮机入口压力（均指表压力，下同）:

正常: 3.7 MPa

最高: 4.4 MPa

l 汽轮机入口温度:

正常: 247 ℃

最高: 257 ℃

l 蒸汽流量:

正常: 22∼35 t/h(每天快速波动约20次)

最大: 45 t/h

l 出口压力:

正常: 0.5 MPa

最低: 0.4 Mpa

l 出口温度:

正常: 160 ℃

最高: 170 ℃

l 最大发电功率: 2567 kW

l 电压等级： 6000 V

l 发电机转速： 1500 r/min

l 汽轮机级数： 单级

l 冷却水耗量： 25 t/h（包括油冷及发电机冷却）

l 噪音值： 86 dB（A ）

l 机组重量：

汽轮机： 5.9 t

发电机： 9.8 t

控制盘： 1.5 t（包括高压配电柜及现场控制盘） l 机组占地面积：

长×宽×高：4400×2400×2800 mm （包括发电机组）

4. AFA4 G6A型饱和蒸汽发电机组运行情况及效益

4.1 机组运行情况

经现场考核实测，该汽轮机在蒸汽流量较低的情况下（

图例：设计值

▲实测值

表1 入口压力 3.7MPa、出口压力0.5 MPa时汽轮机运行参数 蒸 汽 量

t/h

设计发电功率

kW

实测发电功率

kW 13 15.2 17.4 18.9 20.4 21.4 22.9 25.6 28 30.5 32 110 400 610 795 900 420 611 770 889

目前金隆铜业有限公司的主产品产量基本上已经达到改造目标。在此生产条件下，余热蒸汽尚有5～8 t/h直接减压进入1.6MPa 管网，以保证低压锅炉仍处于压火热备用状态，因而可用于发电的蒸汽量正常情况下在22～35 t/h波动，在转炉炉期间隙停吹及闪速炉小投料量时，可用于发电的蒸汽量甚至仅有10 t/h，但汽轮发电机组仍无须解列或停机。

AFA4 G6A型饱和蒸汽汽轮机组机后冷凝水实际析出率在8%左右，即发电后蒸汽量约有20～30 t/h可供0.6MPa 管网使用，仍能满足0.6MPa 管网用户用汽，基本上无需额外补充低压蒸汽，因而其经济性已充分显现出来。

AFA4 G6A型机组的前压调节装置具有很高的调节精度，完全能够满足余热锅炉压力控制要求。

另外，我们还保留了原汽轮机配套的减温减压旁路系统。一旦汽轮机停机或突然跳机，减温减压器前压自动调节系统可立即投入工作，仍然可以保证余热锅炉的运行压力稳定及余热蒸汽用户用汽的连续性，确保系统的安全。

4.2 效益分析

l 在目前的生产规模下，可用于发电的平均蒸汽量按25t/h计，发电收益见表2

示。

表2 年度发电收益 蒸汽量

t/h 发电功率 kW 年度发电量 万kWh 电单价 元/kWh 发电收入 万元/年 25

l 生产成本 1315 937 0.47 440.4

包括循环水、润滑油、其它材料及检修费用等，计6万元年。增设该汽轮机后未增加操作人员，故人员工资可不计。

l 基本折旧费

按固定资产原值及本企业规定年限折算，计33.2万元/年。

l 年度总收益

年收益 = 发电收益 — 总成本 =440.4 — 39.2 =401.2万元/年

此套余热发电装置的投资回收期仅为1年左右。

5. 进一步改进措施

饱和蒸汽发电机组自2001年6月下旬正式投入生产运行以来，利用FFB 、CFB 产出的饱和蒸汽直接用于发电，达到了预期的目的。但目前热力系统仍存在着不合理的运行方式：

l 1.6MPa 蒸汽管网冬季耗汽量增加，导致用于发电的蒸汽量减少；

l 0.6 MPa管网蒸汽难以与用户用量完全平衡，仍然存在间隙放空现象；

l 不少1.6及0.6 MPa用汽点实际用汽压力较低，基本上都在用汽现场再经过

进一步减压后才使用。

此套汽轮机的最高发电功率可以达到2567kW ，富裕能力较大。因而，经蒸汽热力系统的优化，尽可能降低蒸汽减压损失，还可以进一步发挥余热发电效益。

具体改进措施是：在不降低系统运行可靠性的前题下，对两个压力等级管网的各用汽点作系统、全面的整理，对不合理的部分进行改造，尽可能减少1.6 MPa管网用汽量，或者用0.6 MPa蒸汽替代。同时尽量降低0.6 MPa管网压力，扩大汽轮机前后焓差。预计平均发电功率可增加200--300kW ，全年可增加发电收益61万元以上。

另外再将现有少量富裕放空蒸汽用于余热锅炉给水加热，提高给水焓值，从而进一步增加发电量，充分利用汽轮机组的富裕能力。

6. 结论

可见，用KKK 公司非常成熟的饱和蒸汽工业汽轮机发电技术，代替大量消耗燃油的多级过热蒸汽汽轮机组或减压阀，实施方案先进、可靠，投资回收期短，经济效益可观。从而解决了自投产以来一直困扰着金隆铜业有限公司的蒸汽热力系统配置不合理的状况，大大提高了系统运行的经济性。

2002年5月8日