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1、目 录学号:200806030123HEBEI UNITED UNIVERSITY毕业论文GRADUATE THESIS论文题目:烧结余热发电系统双压循环热力参数优化 学生姓名:王喜超 专业班级:08热1班 学 院: 指导教师:王子兵 副教授 2012年5月30日I河北联合大学毕业论文摘要摘 要 目前,烧结余热发电技术已有应用,但现有的技术还存在余热烟气参数选取,热力系统受热面配置方案及主蒸汽参数选取不尽合理等问题, 造成发电机组的运行负荷与额定负荷相差较大。鉴于上述现状, 开展烧结余热电站热力系统分析及优化研究,具有非常重要的意义。论文简要介绍了烧结余热发电技术及系统流程,并在烧结余热发电系
2、统热力参数优化过程中提出了以余热有效利用率来评价烧结余热发电系统的性能。通过对不同工况下烧结余热发电系统的发电量进行理论计算和比较, 同时考虑生产设备及运行限制因素, 对烧结余热烟气参数进行了优化选取。通过建立烧结余热发电双压系统的热力模型, 计算分析了主蒸汽温度、 主蒸汽压力、低压蒸汽温度和压力及其选取对系统余热有效利用率的影响和变化规律, 为烧结余热发电系统的优化设计与运行提供了较科学的依据。关键词: 烧结;余热发电;余热有效利用率;热力系统;优化30河北联合大学毕业论文摘要ABSTRACTAt present, the sintering cogeneration technology
3、has been applied, but the existing technology to the waste heat of flue gas parameters selected, the thermal heating surface configuration program and the main steam parameters to select the quite reasonable question, causing the difference between running load and rated load of the generator setlar
4、ger. In view of the above-mentioned current situation, to carry out sintering heat power plant thermal system analysis and optimization study has very important significance.Sintering heat cogeneration system configuration level of the parameters of the economy of power systems, stability and securi
5、ty. The sintering waste heat power generation technology and its system process flow were introduced in the paper and the effective waste heat utilization rate was proposed to evaluate the performance of the system Throught heoretical calculation and comparison of power capacity of sintering waste h
6、eat generation system under different working conditions, and in consideration of production equipment and running limitation factors, the sintering waste gas parameters were selected optimally A thermodynamic model of dual pressure system of sintering waste heat generation was built, and the main s
7、team temperature and its pressure, the low steam temper ature and its pressure, the effect of selection of these parameters on the waste heat utilization rate and variation rules were all calculated and analyzed, which can provide scientific basis for optimal design and operation of sintering waste
8、heat power generation system.Keywords: sintering, waste heat power generation, waste heat utilizationate,thermal system,optimization河北联合大学毕业论文目录目录 摘 要IABSTRACTII引 言11 文献综述21.1 烧结余热发电的研究背景及意义21.1.1 烧结余热发电的研究背景21.1.2 烧结余热发电的研究意义21.2 烧结余热发电的国内外研究现状41.2.1 国外研究现状41.2.2 国内研究现状51.2.3 存在问题81.2.4 发展趋势91.3 课题
9、研究方法及研究内容91.3.1 研究内容91.3.2研究方法101.4 课题预期目标102 烧结余热双压发电系统热力参数优化模型112.1 热力参数优化的目标函数112.2 烧结余热发电热力参数优化模型边界条件的特殊性122.2.1 余热锅炉入口热废气温度122.2.2 烧结冷却机热废气工艺性波动条件122.2.3 主蒸汽温度的波动幅度及副汽压力的波动幅度132.2.4 乏汽干度132.2.5 烧结矿冷却终温132.3 热力参数优化过程的结果132.3.1热力参数动态优化模型建立132.3.2蒸汽参数优化过程152.4计算结果及优化分析152.4.1主蒸汽温度的优化152.4.2主蒸汽压力的优
10、化162.4.3窄点温差的优化162.4.4排汽干度的优化172.4.5补汽压力的优化183 烧结余热双压系统几种结构的优化193.1双压热力循环系统有无低压过热器的比较193. 2双压热力循环系统有无低压省煤器的比较203. 3双压热力循环系统有无给水预热器的比较23结 论27参考文献28致 谢30ABSTRACT河北联合大学毕业论文引言引 言最近几年,烧结余热发电技术作为钢铁企业二次能源利用的核心技术受到国家的高度重视。在烧结余热发电技术中,发电系统的经济性、稳定性、安全性是由发电系统热力参数配置的总体水平决定的,所以发电系统热力参数的优化是烧结余热发电技术的核心。由于发电系统结构形式及热
11、力参数匹配方案变化众多,热力参数优化过程中各变量之间的交联关系复杂,到目前为止,设计人员对烧结余热发电系统热力参数的优化方法还有不同认识,文章首先对热力循环方案进行设定、设定余热锅炉结构,然后以烧结余热发电双压循环热力参数优化过程为例,对发电系统热力参数优化模型、主蒸汽及副蒸汽实际做功过程修正模型、余热锅炉排烟温度的优化模型、排烟温度的确定等关键问题进行讨论,为烧结余热发电系统热力参数的优化提供了参考。河北联合大学毕业论文1 文献综述1.1 烧结余热发电的研究背景及意义1.1.1 烧结余热发电的研究背景中国是目前世界上经济发展最快的国家之一,能源是我国民经济的重要物资基础之一。节约能源,降低能
12、耗,是我国一项长期的基本国策。面对日益严峻的能源危机,各国在开发新的能源替代方式的同时,都在积极地研究节能技术。余热锅炉作为一种有效的节能设备在很多行业得到了广泛的应用。人们在不断追求更有效的节能技术的同时,也在不断的改进余热锅炉以扩大其应用范围,投入到新的领域中去。我国是世界钢铁生产大国,钢的全年产量已超过4亿吨接近5亿吨,居世界第一。我国2006年全年出口钢材4300.7万吨,比上年增长109.58% ,也是全球钢铁产品的出口大国。同时,钢铁产业作为一个高耗能、高污染的产业,也是节能减排的重点对象之一。据统计,全国炼铁系统能耗占钢铁工业总能耗高达69.41%,其中烧结工序能耗差不多占整个企
13、业能耗的10%,是仅次于炼铁的第二大耗能工序,烧结工序中有50%左右的热能被烧结烟气和冷却机的废气带走。除去热风烧结、热风点火、热风保温所用热风之外,热风还有大量剩余。据有关数据统计,我国烧结工序余热利用率还不足30%,与发达国家差距非常大,整个烧结工序能耗与先进国家差距也是非常大的。烧结烟气和冷却机热废气属于中、低温热源,对其进行回收利用,提高热回收率和经济性是十分重要的。余热利用有两种方式:一是动力利用,即将热能转化为电或机械能;二是热利用,即利用余热来预热、干燥、供热、供暖等。就现阶段烧结机设计建造而言,若还是停留在不回收余热或只是低效率生产蒸汽的水平上,仍大量排放高温废气或低压蒸汽,这
14、不仅是对大量可用能源的浪费,而且还会对环境造成热污染。因此烧结企业必须开展烧结系统节能工作,建设烧结余热电站,这样既能有效提高企业自供电率,实现企业节能减排,降耗增效,又能取得良好的社会效益、经济效益和环境效益。1.1.2 烧结余热发电的研究意义对于烧结余热利用这种品位相对较低的余热资源,系统可采用一种叫F-85(Fluorino185)的有机介质循环发电系统(ORCS) 或油-氟利昂循环发电系统。由于F-85工质的沸点比水低,蒸发潜热小和比容比水小(水的1/5),所以发电效率高,在相同工况下,发电效率比蒸汽轮机高出1015,ORCS机组的大型化使其在烧结余热发电领域的应用成为可能。我国重点钢
15、铁企业的烧结工序能耗平均水平为64.83kgce,国内最好水平为 54.68 kgce,最差为89.87 kgce,国内企业之间差距较大。而且国内先进水平与国外先进水平相比,能耗高7.2,差距也较大。由于各厂配料不同,采用的工艺不同,烧结机建设水平不同,烟气和废气的具体参数的差别较大。在一般钢铁企业烧结厂、烧结机主烟道烟气余热占烧结工序能耗的l323左右,冷却机(环冷机、带冷机)废气余热占烧结工序能耗的1935,两者之和高达50。这部分余热利用潜力是很大的,理论和工程实践证明,完全可以在保证烧结正常生产的前提下,利用梯级取热的方法将热量重新分配,提高废气余热品位和利用价值,回收烧结厂废气余热用
16、于发电,而且是经济可行的。以前国内只有部分较大型的烧结厂设置了余热回收系统,且都没有将回收的蒸汽用于发电。后来太钢、兴澄特钢、马钢等建了饱和蒸汽发电机组,但由于饱和蒸汽发电汽耗很高,装机容量均不大。烧结余热回收是节约能源,加强二次能源的回收利用的重要手段并且也是最有效措施。采用多种回收利用方式,提高热循环利用率。烧结余热回收系统对节约资源,改善生产条件,加强环境保护起到积极作用,同时可降低烧结生产成本,给企业带来良好的经济效益。为发展清洁型、节能型、效益型企业提供保证条件。烧结余热回收发电是钢铁企业开展节能减排、降耗增效的有效措施,同时也是钢铁企业实现循环经济的必由之路。钢铁产业作为一个高耗能
17、、高污染的产业,是节能减排项目中潜力最大的行业之一,在我国目前这种日益紧张的能源电力供应状态下,应该主动承担起节能降耗的责任,尽早实施烧结余热回收(发电) 工程,与企业实现互利共赢。热力学第一定律讲的是能量守恒,即在能量的转移和转换过程中,总量保持不变。对于烧结余热发电来讲,就是只有通过获得更多的热量才可能获得更多的余热发电量。热力学第二定律讲的是能量在转换过程中质的差别,具体表现为能量转换的方向性以及一种能量转换成另外一种能量的能力。对于烧结余热发电来讲,指的是只有用较高温度的废气才可能生产较高参数的主蒸汽,来获得较高的余热发电能力。为了获得最大的余热发电量,烧结余热发电应该采取的措施是:用
18、较高温度的废气生产较高参数的主蒸汽,然后再用较低参数的废气生产较低参数的低压蒸汽或热水。因此,在考虑到投资成本与实际需要,我们应当优化烧结双压余热锅炉的蒸汽参数,实现余热资源的最大化利用。图1 烧结余热双压发电系统工艺流程1 烧结矿冷却机2 废气收集装置3 双压余热锅炉4 蒸汽轮机5 发电机6 凝汽器7 循环水泵 8 冷却塔9 凝结水泵10除氧器11 低压给水泵12 高压给水泵13 引风机 14 补水泵1.2 烧结余热发电的国内外研究现状1.2.1 国外研究现状国外对烧结余热回收利用的研究起步较早,特别是能源十分匾乏的日本,对烧结余热利用技术的研究与开发取得了很好的成绩。世界上最早利用冷却机废
19、气产生蒸汽用于发电的是日本钢管公司的扇岛厂和福山厂,其余热回收方式是在环冷机高温段鼓入100的循环空气,该部分空气经环冷机后温度可达350,再经过余热锅炉产生1.4MPa的蒸汽用于发电。表1是日本部分烧结厂余热回收系统情况(八十年代中期),日本烧结厂的余热回收技术就已经应用得比较广泛,其中冷却机排气利用的普及率达到57%,而烧结机废气利用的普及率为26%。目前,日本烧结厂的余热回收技术从用途来看,可分为用于预热混和料,用于点火保温,用于产生蒸汽以及用于压差发电等几种。在用余热产生蒸汽的工厂中,冷却机废气余热回收量最高的是日本住友公司的小仓厂,其平均回收率为104.3kg蒸汽/t烧结矿,压力为0
20、.8831.275MPa,温度为273,烧结机废气余热回收是新日铁公司的大分2号机为最好,平均回收蒸汽为32.8kg/t烧结矿,压力为0.98MPa,温度为213。 表1 日本部分烧结厂余热回收系统公司(厂)烧结机规格/m2产汽量(t/h)蒸汽压力/MPa发电额定功率/kw和歌山4号和歌山5号鹿岛2号鹿岛3号小仓3号君津3号18912250060022350018.9153360260.90.91.01.21.050014800前苏联马凯耶夫钢铁厂烧结车间利用点火后料层表面的辐射热加热空气,进行烧结料层表面热处理,即利用点火表面余热进行热风烧结。该方法既可改善表层烧结矿的质量,又可利用换热器的
21、热空气(300400)进行热风烧结,节省固体燃料2.56%。德国蒂森钢铁公司施韦尔根厂利用冷却机废气余热预热烧结点火助燃空气。具体做法是在3号烧结机的卸矿处和冷却机排气罩上装有三级循环冷却器,出口与电除尘相连,除尘器的气流量为285000/m3,平均温度为200,粉尘含量低于30mg/m3。该冷却机排出的废气通过风管进入2、3和4号烧结机点火器作助燃空气用,每台烧结机可节约热量平均为30MJ/t烧结矿,整个系统回收的总热量为40GJ/t烧结矿。1.2.2 国内研究现状目前,国内烧结厂的余热回收利用途径大不相同,有用于点火保温炉作助燃空气和精矿解冻的,有用于热风烧结和小球团烧结干燥的,也有用于生
22、产热水供浴室、采暖、生石灰消化和加入混合机的,但更多的是通过余热锅炉生产蒸汽,送入管网或发电,以获取更大的经济效益。国内包钢、莱钢等在烧结厂应用了热风烧结技术,即将预先加热的空气抽入料层进行烧结。热风烧结有以下好处:1. 于热风带入部分物理热,可大幅度节约固体燃料;2. 烧结料层的温度分布均匀,克服了上层热量不足的缺点;3. 由于固体燃料用量减少,烧结气氛得到改善;4. 由于抽入热风,料层受高温作用的时间较长和冷却速度缓慢,有利于液相的生成和液相数量的增加,有利于晶体的析出和长大,各种矿物结晶较完全,减少急冷而引起的内应力;5. 热风烧结改善了上层烧结矿质量,有利于提高烧结矿的成品率。热风烧结
23、所用固体燃料减少,由燃料带入的灰份降低了,烧结矿氧气含量也相应降低,烧结矿的TFe品位升高。热管技术是近年来发展起来的一项余热回收利用新技术。它的主要特点是利用气化相变传热,传热效率高,性能可靠,投资回收期短。为了有效的利用带冷余热,南京化工学院热管技术开发中心与武钢一烧合作,在武钢一烧4号带冷机上设计安装了一套热管蒸汽发生系统,生产低压蒸汽,其蒸汽替代热力厂来的蒸汽用于预热烧结混合料,以提高烧结矿产量。该系统投运后,运行安全可靠,达到了设计能力,产汽量达45吨,每吨烧结矿产汽5060kg,蒸汽压力为0.40.5MPa。采用热管技术回收烧结工序的余热产生蒸汽系统经马钢二烧、梅山冶金公司烧结厂、
24、武钢一烧、安阳钢铁公司烧结厂及攀钢烧结厂等厂的投运,均取得了令人满意的效果。热管余热蒸汽发生系统用于烧结废气的余热回收具有独特的优点,节能效果显著,经济效益良好,具有重要的推广价值和应用前景。宝钢的能源消耗在全国重点钢铁企业中是最低的,目前余能余热回收率约在45%左右,已跨入世界能耗的一流水平行列。烧结工艺中,一期工程一号烧结机采用环冷机热风预热煤气装置,将环冷机产生的部分废气用作点火炉和保温炉的助燃风,以降低焦炉煤气的消耗量。二号烧结机投产后,自行开发了主排风烟气废热和环冷机烧结矿显热回收装置,与余热锅炉连接产生蒸汽,参与全厂蒸汽平衡。该装置每小时能生产过热蒸汽56.680.2t,即每吨烧结
25、矿能产蒸汽90.5128.3kg。鞍钢作为大型钢铁联合企业,截止到1992年,鞍钢新烧结分厂的全部冷却废气的余热都得到回收利用,其技术达到世界先进水平。环冷机一段(中温)废气用于余热锅炉生产蒸汽,每小时产蒸汽710t,环冷机二段(低温)废气分别用于循环烧结和代替天然气解冻原料,前者可降低固体燃料消耗10%15%,后者每年节省600万m3天然气。1999年鞍山热能院在鞍钢烧结厂三烧车间改造工程中为1号和4号烧结带冷机设计并安装了翅片管式余热锅炉,获得的过热蒸汽温度为160250,过热蒸汽压力为0.30.7MPa。利用烧结带冷机余热发电,是一种节能方式转变的大胆尝试。马钢烧结带冷余热发电系统是中国
26、第一套利用烧结冷却机余热发电的系统,旨在回收马钢2台300m3烧结机带冷烟气余热进行蒸汽动力发电,将烟气余热转变为电能,最大限度的发挥余热利用效果。烧结带冷机烟罩出口的360395烟气从余热锅炉顶部进入锅炉(过热器、蒸发器和省煤器)进行热交换,烟气温度降至160后可直接排放,也可再由循环风机将部分烟气(最大约60%)经烟道返回带冷机循环冷却烧结矿使用。每台余热锅炉配一台引风机。余热锅炉产生的过热蒸汽推动汽轮发电机组发电。近几年随着纯低温余热发电技术发展和在国内的推广应用,作为其主要设备的纯低温余热锅炉受到哈锅、杭锅等主要锅炉厂家的高度重视。目前各厂家开发设计的余热锅炉主要用于日产1200t/d
27、、2500t/d、5000t/d水泥窑余热发电系统,从国内已投运的几套2500t/d、5000t/d窑配套余热锅。炉的运行的实践看,尚存在一些问题需要不断改进和完善。以前国内只有部分较大型的烧结厂设置了余热回收系统,且都没有将回收的蒸汽用于发电。后来太钢、兴澄特钢建了饱和蒸汽发电机组,但由于饱和蒸汽发电汽耗很高,装机容量均不大。2004年9月1日,马钢第二炼铁总厂在两台300m2烧结机上开工建设了国内第一套余热发电系统,该系统于2005年9月6日并网发电。废气锅炉采用卧式自然循环汽包炉,汽轮发电机组采用多级-冲动-混压-凝汽式。2006年全年累计发电6100.51万千瓦时,产生经济效益2367
28、万元。节约标煤t/a,意味着每年减少排放CO2约8万吨,SO2约300吨,具有很好的社会效益和环境效益。该余热电站采用了自然循环废气锅炉,烟风系统和汽水系统综合了热风循环技术、闪蒸余热发电技术和汽轮机补汽技术,能很好地适应烧结余热电站出力波动性较大的特性,使余热电站在烧结机运行参数经常调整的情况下也能够长期稳定运行。济钢第二烧结厂320m2烧结机余热发电工程于2006年5月开工,2007年3月27日完成168小时试运行,系统运转逐渐趋于稳定。该烧结机余热发电工程在烟风系统和汽水系统中采用了热风循环技术和汽轮机双压补汽技术,用一台 Q390/400-36.4(10.4)2.06(0.39)/37
29、5(141.1)型号的双压余热锅炉和一台NZ9.02.0/(0.4)+QFW-10-2A补汽凝汽式汽轮发电机组,设计发电能力8200千瓦,日发电量可达15104 千瓦时,能负担烧结厂35%40%的用电量。另外昆钢三烧、昆钢集团玉溪新兴钢铁厂烧结余热电站也于近期投入运行,国内还有多个烧结余热电站正在建设当中。1.2.3 存在问题烧结余热发电技术至今还为完全成熟,主要由以下三个主要问题:1. 品质整体较低,低温部分所占比例大随着烧结矿冷却过程的进行,带冷机烟囱排出的废气温度逐渐降低,烟气温度从450逐渐降低到150以下,如图2所示。高温部分温度在300450之间,我们的测量结果,这部分废气占整个废
30、气量的30 %40 %,低于300的废气量占所有冷却废气量的60 %以上。整体来讲烧结余热属于中低品质热源,且低品质所占比例较大。图2 烧结矿冷却过程中废气温度分布2. 烟温波动幅度较大烧结生产中,随着烧结矿在烧结机上的烧成情况不同,其冷却过程中产生的废气温度也不同。烧结矿欠烧时,冷却过程中产生的废气温度高,过烧时,冷却过程产生的废气温度低。以济钢第二烧结厂320m2为例,余热回收段废气温度最高能达到520,最低时只有280。如此大范围的温度波动给利用烧结余热发电带来了很大的困难,继而烟气温度变化频繁,致使汽轮发电机组频繁启动,这是烧结余热发电设计过程中要重点解决的问题。3. 热热源的连续性难
31、以保证热源的连续性是对余热进行有效回收的必要条件。烧结余热主要来自热烧结矿所携带的物理显热,只有当烟气回收段连续不断的有烧结矿通过时,烧结余热才能成为一种连续的热源。若烧结矿物流中断,整个余热回收系统的热源也就中断了。在烧结生产中由于设备运行的不稳定性,短时间的停机很难避免,烧结矿物流的中断是经常出现的情况,所以烧结余热热源的连续性难以保证。同时春冬季节环境温度低引起烧结烟气温度低,余热锅炉产生的过热蒸汽温度达不到汽轮机要求的最低进汽温度而被迫停机,使烧结余热得不到充分利用。1.2.4 发展趋势钢铁企业烧结余热发电成为目前业界普遍认可的的节能减排的渠道之一。“十二五”节能减排综合性工作方案指出
32、到2015年,国内工业锅炉、窑炉平均运行效率比2010年分别提高5个和2个百分点,电机系统运行效率提高23个百分点,新增余热余压发电能力2000万千瓦。而钢铁工业是我国重点的耗能大户,总能耗约占全国总能耗量的15%左右,钢铁生产工艺流程长,工序多,且主要以高温冶炼、加工为主,生产过程中产生大量余热能源,主要来自烧结机烟气显热、红焦显热、转炉烟气及加热炉炉底的余热回收装置等,各种余热资源约占全部生产能耗的68%。钢铁行业余热发电则将是一个大蛋糕,十二五将迎来发展期。目前,很大部分钢铁公司已经建立钢铁企业的独立的能源管理中心(如武钢、 攀钢、鞍钢等)。企业能源中心的建立有利于全厂余热资源的统一调配
33、,并且已将烧结余热回收产生的过热蒸汽或饱和蒸汽供给自备电厂或附近的高炉煤气电站用于发电,将系统产生的低压饱和蒸汽供给厂区低压蒸汽管网,参与全厂蒸汽平衡将成为目前和以后烧结余热发电的指导思想之一。在全国能源资源日益紧张的严峻形势下,根据国家产业政策加强高耗能产业的节能工作,淘汰落后产能,实行企业节能技术改造项目“以奖代补”新机制,将促进更多的钢铁企业淘汰效率低下的产蒸汽设备,新上高效的换热设备,在满足工艺用热的前提下建设余热发电系统。近几年,随着双压、闪蒸发电和补汽蒸汽式汽轮机在技术上获得突破,烧结余热发电技术已逐渐进入成熟阶段,同时其在节能环保、减少污染排放、经济效益等方面的显著优势使得其发展
34、迅速。1.3 课题研究方法及研究内容1.3.1 研究内容1. 热双压发电系统烟气参数优化选取通过对以往国内外烧结余热发电技术及系统流程,对不同工况下烧结余热发电系统的发电量进行理论计算和比较,同时考虑生产设备及运行限制因素,对烧结余热烟气参数进行了优化选取并绘图分析。2. 余热双压发电系统蒸汽参数选取深入了解烧结余热发电系统系统,通过建立烧结余热发电双压系统的热力模型建立,计算分析了主蒸汽温度、主蒸汽压力、低压蒸汽温度和压力等关键参数的优化选取并绘图分析。3. 余热双压发电系统几种结构的优化通过锅炉热平衡计算,兼顾安全性,分别比较双压热力循环系统有无低压过热器、双压热力循环系统有无低压省煤器、
35、双压热力循环系统有无给水预热器的余热锅炉有效利用率的比较,确定适合烧结余热发电双压循环系统最佳结构组合和配比。1.3.2研究方法课题研究主要是开展应用基础研究,理论与实践相结合,论文是根据济钢第二烧结厂320m2烧结机余热发电系统优化研究,通过查阅相关文献及技术资料,结合自身所学烧结余热锅炉的相关理论,了解烧结余热双压发电循环系统当前发展概况,并以此为基础对系统的的主蒸汽参数、主蒸汽压力、排烟温度等关键参数进行优化,同时在此优化方案的基础上提出以余热有效利用率(即单位进口烟气热量发电功率) 来评价余热发电系统的效率。1.4 课题预期目标通过课题的研究,得出烧结余热发电系统双压循环热力参数优化方
36、案。同时,通过大量科技文献的阅读和对专业知识的深入思考,使学生掌握烧结余热发电系统双压循环热力参数优化的过程,夯实学生的理论基础,提高分析和解决工程实际问题的能力;通过对文章的整理和图标的制作,丰富了软件的知识;通过对英文文献的翻译,提高专业英语水平,为学生参加工作打下坚实的基础。河北联合大学毕业论文2 烧结余热双压发电系统热力参数优化模型2.1 热力参数优化的目标函数吨矿烧结余热发电量是目前衡量烧结余热发电水平技术指标常用的一个指标。该指标综合体现了烧结生产过程和余热发电系统的性能,但没有考虑烧结矿的形成热、台车上烧结矿层厚度、烧结矿冷却过程产生的烟气温度及烟气量等因素对发电量的影响。对于上
37、述不同因素的余热发电系统,吨烧结矿余热发电量作为各系统的比较标准不够准确,而且该指标不能体现不同生产线配套的余热发电系统各部分的性能差异,从而确定系统改进和优化的方向。本文以质量平衡与能量平衡方程为基础,建立了相应的烧结余热发电双压系统热力计算模型,并提出以余热有效利用率(即单位进口烟气热量发电功率) 来评价余热发电系统的效率。余热有效利用率定义为余热发电量与冷却机余热锅炉进口烟气总热量的比值,计算过程如下:单位进口烟气热量:(1) 式中: 为余热锅炉进口烟气总热量,; 为余热锅炉进口烟气总热量,; 为进口烟气密度,;为进口工况烟气量,; 为进口烟气焓值,。余热发电功率: (2) 式中:为汽轮
38、机发电功率,kW; 为主蒸汽量,t/h; 为主蒸汽进汽焓,; 为汽轮机排汽焓,; 为补汽量,t/h; 为补汽进汽焓,; 为汽轮机主蒸汽做功效率,%; 为汽轮机补汽做功功率,%; 为发电机效率,%余热有效利用率:(3)余热有效利用率消除烧结矿形成热、余热烟气温度及烟气量等因素对发电量的影响,可用于不同余热发电系统之间的性能对比。2.2 烧结余热发电热力参数优化模型边界条件的特殊性正确设置烧结余热发电热力参数动态优化模型的边界条件是确保模型科学性的基础,烧结余热发电热力参数优化模型的边界条件具有很大的特殊性,下面从四个方面进行讨论。2.2.1 余热锅炉入口热废气温度在传统的低温余热发电热力参数优化
39、过程中,余热锅炉入口热废气温度均按定值处理,由于烧结余热发电系统采用了废气循环的方案,余热锅炉入口的热废气温度与余热锅炉结构自身及热力参数配置本身产生了复杂的关联关系,其关联方式为,当余热锅炉自身结构及热力参数发生变化时,余热锅炉排烟温度随之变化,即循环废气的温度随之发生变化,最终导致冷却机出口热废气温度的变化,即余热锅炉入口热废气温度变化。余热锅炉排烟温度与余热锅炉入口热废气温度之间的关联关系是非线性的,需要通过烧结冷却机气固换热过程进行描述。因此,在烧结余热发电热力参数优化过程中,余热锅炉入口热废气温度按定值处理是对发电系统设计基础数据的错误引用,传统热力参数优化模型对这一点的忽略,是造成
40、烧结余热发电系统实际运行效果不佳的本质原因之一。2.2.2 烧结冷却机热废气工艺性波动条件烧结余热发电的特殊性之一就是烧结冷却机热废气参数的工艺性波动较严重,实测结果显示:烧结冷却机废气温度波动幅度超过20的概率达50%,波动幅度超过30的概率仍高达28%。因此,烧结冷却机热废气工艺性波动的波幅及概率应作为热力参数优化过程中约束发电系统动态适应性的边界条件。2.2.3 主蒸汽温度的波动幅度及副汽压力的波动幅度在发电系统中,蒸汽轮机要求主蒸汽温度波动幅度一般小于20,补汽压差要求的副汽压力的波动幅度不超过0.04Mpa,通过上述限制条件,可以分别反推出不同热力参数配置方案下,引起发电系统非正常停
41、机及引起补汽系统失效的入炉废气参数的最大允许波动限值,并用其中较大者与规定概率下的入炉热废气参数的工艺性波动的波幅进行比较,从而对不同热力参数配置方案进行实际稳定性的定量评价。2.2.4 乏汽干度乏汽干度对汽轮机的安全性、汽轮机造价、汽轮机相对内效率均有显著影响,一般纯低温余热发电系统要求乏汽干度不低于0.86,由于烧结余热发电系统波动性较大,所以为了防止系统在低负荷时乏汽干度过低,乏汽干度设计值要求不低于0.88。2.2.5 烧结矿冷却终温烧结余热发电系统入炉废气温度与废气循环方式有关,废气循环方案一般按下述原则确定:在保证基本冷却效果的前提下,废气循环流量及温度越大越好。在烧结余热发电热力
42、参数动态优化模型中,上述边界条件演化为:烧结矿冷却终温提高幅度不超过10。2.3 热力参数优化过程的结果2.3.1热力参数动态优化模型建立根据烧结机双压余热锅炉中换热量Q与温度t的关系曲线如图3所示。其中: 热端温差: 窄点温差: 接近点温差:图3 双压余热锅炉换热过程 T-Q 图 根据能量和质量守恒,可以得出: 压过热器和蒸发器段的换热方程为: (4) 式中: 为余热锅炉入口烟气量,; 为余热锅炉入口烟气比焓, ;为中压蒸发器出口烟气比焓, ;为锅炉的保热系数,%; 为主蒸汽蒸发量,;为中压过热器出口比焓,;为中压蒸发器饱和汽比焓,;为中压蒸发器饱和水比焓,;为余热锅炉排污系数,%。 低压过
43、热段的换热方程:(5) 式中:为低压过热器出口烟气比焓,;为低压蒸发器的蒸发量,;为低压过热器出口蒸汽比焓,;为低压蒸发器饱和汽比焓,。 中压省煤器的换热方程:(6) 式中:为低压过热器出口烟气比焓,;为中压省煤器出口给水比焓,;为低压蒸发器饱和水比焓,。 低压蒸发器的换热方程:(7) 式中:为低压蒸发器出口烟气比焓,;为低压蒸发器饱和蒸汽比焓,;为烧结机余热锅炉蒸发量,。 预加热器的换热方程:(8) 式中:为预加热器出口烟气比焓,;为预加热器出口水比焓,;为余热锅炉给水比焓,。2.3.2蒸汽参数优化过程以优化选取的烧结余热烟气参数作为给定条件, 根据建立的双压热力系统计算模型, 对余热发电系
44、统的蒸汽参数进行优化分析。为了简化计算分析, 对余热发电系统中相关参数假设如下:;蒸汽管道压降去0.1MPa;蒸汽管道温降取10;余热锅炉给水温度为42;汽轮机排汽压力取0.008MPa;。余热锅炉内各段过热器、蒸发器和省煤器之间的压损、温降、漏风系数忽略不计。 2.4计算结果及优化分析2.4.1主蒸汽温度的优化在相同的工况条件下,虽然余热锅炉的蒸发量随着主蒸汽温度的降低而增加,但总体来看,主蒸汽温度降低会导致汽轮机做功能力降低,并使汽轮机的排汽干度降低,增加汽轮机汽耗率,并致余热系统的发电功率不能增加。因此,在余热锅炉烟气进口温度温度波动和传热端差许可的范围内,同时考虑到余热锅炉经济性的条件
45、下,应尽量选取较高的主蒸汽温度,即热端温差尽可能选的小些。2.4.2主蒸汽压力的优化主蒸汽压力的优化:在给定的假设条件下,并非主蒸汽压力越高,整个系统余热有效利用率就高,同样存在主蒸汽优化问题。计算数据如图 5:图4 P和T对余热有效利用率的影响由图4可知,在相同的主蒸汽压力条件下,冷却机余热锅炉的进口烟气温度越高,系统的有效利用率就越高,进口烟气进口烟气温度每提高20,余热有效利用率增加约0.7%。在余热锅炉进口烟气温度为375同等工况下,主蒸汽从1.0MPa增加至3.0MPa,余热有效利用率随压力提高先较快增加,随后变化渐缓,存在最佳主蒸汽压力为1.9MPa。进口烟气温度不同,最佳主蒸汽压力也不同,图4中三个工况下,进口烟温由高到低,汽最佳主蒸汽压力分别为2.3MPa、1.9MPa和1.6MPa,最佳主蒸汽压力也降低。2.4.3窄点温差的优化窄点温差越小,在同等主蒸汽压力下条件下,系统的余热有效利用率就越高,同样存在主蒸汽优化问题。计算数据如图 5:图5 P和对的影响由图5可知,窄点温差从20降至10,在余热锅炉主蒸汽压力均为2.0MPa的工况下,余热有效利用率由7.19%增加至7.66%。在窄点温差相同的条件下,主蒸汽压力由1.0MPa提高至3.0MPa,余热有效利用率也随之先快速增加后渐缓。窄点温差分别为10、15和20时,最佳主蒸汽压力分别
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