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摘 要：石化、冶金等流程工业存在大量不同品质、不同等级的余热余能，利用朗肯循环系统发电是企业提高能源效率、增加经济效益的主要方式之一。由于中小功率、中高参数等级汽轮机基本型式多样、通流部分热力设计多为非标准设计，所以循环热力系统需要进行详细的优化设计和技术经济比较才能获得最优效果。文章对相关方法和影响因素进行了论述和分析，并以某钢铁公司高炉煤气发电系统改造方案为例进行了比较说明，通过技术经济分析认为该公司旧的热力循环系统效率还有很大的提高空间，采用高温高压锅炉及同轴再热发电机组的方案能显著提高发电效率，最高可减少煤气耗量40%左右。

关键词：余热余能；朗肯循环；循环热力系统；发电效率

中图分类号：TK11+4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）28-0142-05

Abstract： Petrochemical， metallurgical and other process industries have a large number of different quality， different levels of residual energy， the use of Rankine Cycle system to generate electricity is one of the main ways to improve energy efficiency and increase economic efficiency. Because the basic types of middle and small power and middle and high parameter steam turbines are various， and the thermodynamic design of flow passage is mostly non-standard design， detailed optimization design and technical and economic comparison are needed to obtain the optimal effect of the cycle thermodynamic system. In this paper， the relative methods and influencing factors are discussed and analyzed， and the retrofit scheme of blast furnace gas power generation system in a certain iron and steel company is taken as an example to compare and explain. Through the technical and economic analysis， it is concluded that there is still much room for improvement of the efficiency of the old thermal cycle system of the company. The scheme of high temperature and high pressure boiler and coaxial reheat generator set can remarkably improve the power generation efficiency， and the maximum gas consumption can be reduced by about 40%.

Keywords： residual heat and residual energy； Rankine Cycle； cyclic thermodynamic system； power generation efficiency

1 概述

在能源日趋紧张，环保标准逐渐提高的形势下，资源最优的节约与循环利用已经成为各国面对的重要课题。从广义上讲，工业系统中凡是具有高出环境的温度、压力、浓度等排气、排液、固体废弃物和能通过化学反应（包括燃烧）产生热量的物料，统称为余热余能[1]。综合利用余热余能资源，减少排放，是缓解资源短缺和环境污染、建设资源节约型社会的有效手段。如据有关资料统计，在我国钢铁行业余热资源的回收利用率仅为 30%左右，而国际先进钢铁企业在50%以上[1]。究其原因，一方面是各工序产生的各种余热资源回收效率低，且回收数量不足；另一方面是对已回收的各种能量不能合理地加以使用，造成煤气、蒸汽、氧气等二次能源大量排放。

各行业余热余能资源综合发电利用主要有三種方式，即TRT发电、热力发电和余热发电[2]。TRT发电装置是利用废气的压力能和热能，使废气经透平膨胀机膨胀做功，将其转化为机械能，进而带动发电机旋转产生电能的装置。热力发电是以燃料燃烧方式利用废气，产生蒸汽进入汽轮机膨胀做功，从而带动发电机发电。余热发电[3]是采用余热锅炉吸收废热，产生蒸汽用于发电或者供给用户使用。大量中低参数的余热余能由于参数较低，也有采用有机工质循环发电，但是由于成本、效率等问题，还有待进一步发展。

朗肯循环汽轮机发电方式目前从经济性和技术性方面是比较成熟的，是余热余能发电的主要方式之一[4]。中小功率、中高参数等级蒸汽轮机基本型式较多，如常见的包括单背压式汽轮机、双背压式汽轮机、凝汽式汽轮机、抽汽背压式汽轮机和抽汽凝汽式汽轮机等，而且随着技术的进步，高转速同轴再热式汽轮机、分缸再热式汽轮机应运而生。另外，由于汽轮机采用高转速对于提高效率有益，因此同轴再热机组结构也常常是备选技术方案。由于余热余能利用对于投资和效率的要求较高，因此在具体方案设计时应根据实际情况进行详细的技术经济性分析比较，才可达到较好的效果[5]。

2 朗肯循环热力设计基本理论

朗肯循环水蒸汽发电热力设计的主要任务是按照给定的设计条件，确定热力循环基本流程和通流部分参数，力求获得较高的相对内效率[6]。

汽轮机热力设计的基本参数，主要包括汽轮机容量、转速、进汽参数、排汽压力或冷却水温度、回热级数或给水温度等。汽轮机通流部分主要包括进汽机构、各级通流部分叶栅及排汽缸三部分等。若为供热汽轮机，则需设定各供热抽汽压力、流量，若设计工况下有补汽则应设定补汽压力、流量。不同的参数设计选取存在相互影响，并最终影响整个循环系统的热力性能指标。参见图1。

除上述热力参数选择以外，汽轮机的转速、动静叶栅反动度分布、配汽方式（包括喷嘴配汽方式、调节阀门配汽方式、调节旋转隔板配汽方式）、轴封系统、单双轴结构型式均对整体循环效率有显著影响。除此之外，还需考虑可用余热余能稳定性（工况）对效率的要求，以及技术难度和全寿命期投资等因素。

2.1 回热系统的计算原理

回热系统热平衡计算包括回热系统热平衡估算和回热系统热平衡精确计算，其中回热系统热平衡估算一般采用等温升原理[7]。回热系统热平衡精确计算从第1号高加开始，若没有高加，则从除氧器开始计算，并考虑轴封漏汽和疏水去向使得加热器抽汽量变化的因素。

汽轮机前后轴封加上与之相连的管道及附属设备，称为汽轮机的轴封系统。合理的轴封系统应在确定汽封结构的情况下，恰当地安排齿数，合理地選择轴封各段腔室的压力，简化系统，减少漏汽量，并设法回收漏汽以提高机组效率。

2.2 发电循环热力设计优化的基本流程

热力设计的基本流程为，首先根据余热余能资源情况确定机组经济功率，然后选择汽轮机的转速、配汽方式，确定设计工况和近似热力过程线的初步计算。之后进行回热系统热平衡初步估算，接着进行调节级详细计算，然后压力级焓降分配和级数确定、非调节级详细计算。当整机各级热力计算进行完后，应对整机的相对内效率、内功率及蒸汽流量进行校核。详细计算所得内功率和内效率与原要求的内功率和估计的内效率的相对误差应分别<1%。经校核后的流量相对误差差也应在一定范围内，当相对误差<1%时，为合格；在<1%与3%之间时，可根据计算所得流量与原先估计值按比例地修正静叶和动叶的高度；若是相对误差大于3%，则应根据计算所得流量进行第二次计算，并根据需要重复上述步骤。

完成热力计算后，需要对汽轮机各级强度核算，并初步计算轴向推力。

在汽轮机的进汽参数及供热抽汽流量等发生变化时，要对汽轮机在新工况下的经济性和可靠性进行变工况热力核算。上述过程参见图2。

2.3 发电循环热力方案设计的影响因素

2.3.1 转速的影响

通流部分的级内损失包括余速损失，汽轮机组工作转速大小会影响到余速损失系数。相比较而言，高转速机型的余速损失几乎为零，而常规转速机组>1.5%；高转速机型的叶高损失<3.5%，常规转速机组>3.5%；高转速机型的扇形损失相差不大；高转速机型的摩擦损失<1%，常规转速机组>3%；高转速机型的鼓风及斥汽损失几乎为零，常规转速机组>1%；高转速机型的隔板漏汽损失<1%，常规转速机组>1.5%；高转速机型的叶顶漏汽损失<1%，常规转速机组>1%。综合来看，高转速机型的轮周效率比常规转速机组高了5%左右。

一般而言，高转速机组在内效率方面相对同级数常规就高出8%，常规转速机组通过增加级数，可以增加效率4%左右，因此，高转速机组较常规转速机组在效率方面有约4%的优势。

2.3.2 轴向排汽

汽轮机轴向排汽可减少蒸汽阻力，提高蒸汽通流效率，零米布置因不设中间运行平台，还可大大减少土建成本。

2.3.3 分缸与同轴技术

汽轮机采用同轴技术，较分缸技术（即一台背压机，一台凝汽机），可减少二个轴承座和二个轴承，减少了二个轴承的机械功损失，减少了控制用油和润滑用油量，降低了运行成本和检修成本。

采用高转速汽轮机后，高速机本身效率有所提高，但是发电系统需要增加一套变速箱，又将增加机械传动损失，因此最终效率需要详细核算。

2.3.4 中间补汽

对于既有余能介质燃烧锅炉产生蒸汽，同时又有流程蒸汽为发电汽轮机进行补汽的热力系统，尤其需要综合平衡可用余能介质流量、流程蒸汽温度流量以及系统一次性投资，才能获得最优方案。

2.3.5 通流部分

汽轮机通流部分是将蒸汽热能转换为功的核心部件，其完善程度对机组能耗水平有重要影响。汽轮机通流部件主要包括节流调节装置、汽轮机静叶栅和动叶片、汽封和轴封及其它辅助装置。随着汽轮机部件三维流体设计技术的提高及先进加工手段的普及，高效通流部件特别是全三维叶栅弯扭技术已经开始应用于中小功率汽轮机，如有可能，应采用更好的叶型和其它通流部件。

3 某钢铁公司发电循环改造方案分析

某钢铁公司现有建设于上世纪90年代的余热锅炉与饱和蒸汽发电系统，为了进一步提高能源使用效率，计划对现有的发电系统进行改造。

3.1 原方案效率分析

现有的发电装置主要能量来源包括两个，一个是轧钢工艺流程中富余的23t/h，1.175MPa的饱和蒸汽；第二个是炼钢炉产生的高炉煤气（热值约 750kcal/m3）。发电装置通过引风机将高炉煤气送入锅炉燃烧，产生60t/h，1.175MPa的饱和蒸汽，与工艺流程的饱和蒸汽混合，一起进入12MW的汽轮发电机组发电，可产生12390kW电能。装置运行示意图及运行数据如图3所示。

3.2 改造方案

为了提高煤气的利用效率并且保证装置的正常运行，设计了两套优化方案，通过对比单位发电量运行成本、技术优劣、装置经济成本三方面因素，选取最适合的方案以达到在控制成本的前提下获得最高运行效率的目的。

3.2.1 改造方案1

改造方案1热力系统简图如图4所示，改造方案的具体内容如下：

拆除现有60t/h饱和蒸汽锅炉，新增一台60t/h高温高压锅炉。

因蒸汽参数变化，原12MW凝汽式汽轮机效率較低，拟改造12MW凝汽式汽轮机通流部分来提高内效率。

在12MW凝汽式汽轮发电机组前面新增一套7.5MW高温高压背压式汽轮发电机组，汽轮机型号为B7.5-10/3.0。此背压式汽轮发电机组采用高速快装式，零米布置。

轧钢工艺流程中富余的23t/h，1.175MPa的饱和蒸汽通过母管与背压机排汽管道混合，进入12MW凝汽式汽轮发电机组发电。

为提高循环热效率，实现能源梯级利用，为整套汽轮发电机组增设一套回热系统：1GJ+1CY+1DJ，其他辅机系统照旧。新增回热系统布置在锅炉房和汽机房之间的空余场地。

需说明的是原方案采用的是大气式除氧器，锅炉给水温度为104℃，现为了提高循环热效率，采用了高压除氧器，锅炉给水温度为215℃，电厂循环热效率有所提高。

3.2.2 改造方案2

随着国内外中小型汽轮机技术的发展，100MW以内采用分缸再热及30MW以内采用同轴再热高速高效型汽轮机，可以明显提高电厂的循环热效率和能源利用率。

因此改造方案2采用高温高压同轴再热、轴向排汽式汽轮发电机组，汽轮机型号为N20-10/545/545型，轧钢产生的1.175MPa饱和蒸汽通过补汽方式进入汽轮机做功，为提高循环热效率，实现能源梯级利用，为整套汽轮发电机组增设一套回热系统：1GJ+1CY+1DJ，其他辅机系统照旧。新增回热系统布置在锅炉房和汽机房之间的空余场地。改造方案2热力系统简图见图5。

即在其他条件相同的情况下，同轴再热的煤气耗量要减少15%左右。该数据仅为汽轮发电机组煤气耗量，电厂其他设备煤气耗量未计。

3.2.3 改造方案比较

（1）发电量分析

表4中列出改造方案与原始方案的热力特性数据对比。

从表4中可得，在相同的工况下，方案2中同轴再热机组的发电功率最大，相较改造之前机组发电功率提升了约75%，按每年运行7000小时计算，可多发电6517.77万度电；方案1中的分缸不再热机组发电功率相较改造之前提升了约51.8%，按每年运行7000小时计算，可多发电4489.52万度电。明显可得，同等条件下，改造方案2的发电量更大。

（2）经济性分析

上面的理论计算结果标明：无论补汽与否，方案2较方案1节能效果更显著，方案2在建设初期多投资的钱不到一年即可回收。

综合以上因素考虑，方案2相较方案1在经济技术层面占据明显的优势。

4 结束语

本文研究结论如下：（1）工业余热余能利用朗肯循环系统可有效利用资源提高经济效益，但是需综合技术经济两方面合理考虑优化。（2）对于余热余能利用而言，选用高速、高温高压、再热式汽轮机可有效提高热力系统的效率。（3）本文研究及案例可供类似行业余热余能利用及旧系统改造提供参考。

参考文献：

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[2]尹航，卢琛钰，崔鹤松.余热余能利用发电设备标准化现状[J].电器工业，2014（6）：54-56.

[3]T.Q.Nguyen，J.D.Slawnwhite，K.Goni Boulama. Power generation from residual industrial heat[J]. Energy Conversion and Management[J]，2010，51（11） ：2220-2229.

[4]Nesreddine，H，Le Lostec，B，Bendaoud，A. Power generation from low grade industrial waste heat. International Journal of Electrical Energy[J]， 2016（3）：42-47.

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[6]Carcasci.C，Winchler.L. Thermodynamic analysis of an Organic Rankine Cycle for waste heat recovery from an aeroderivative intercooled gas turbine. Energy Procedia[J]，2016（11）：862-869.

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[8]张在昭.工业汽轮机能耗分析与优化方法研究[D].浙江大学，2017.