向心式汽輪機在大型銅冶煉廠余熱利用系統(tǒng)中的應用

1、向心式汽輪機在大型銅冶煉廠余熱利用系統(tǒng)中的應用-1前言回收利用工業(yè)余熱是節(jié)約能源、保護資源、保護環(huán)境的重要措施。有色金屬企業(yè)中的大型銅 冶煉廠是從銅精礦熔煉至電解銅生產(chǎn)的企業(yè)，在生產(chǎn)工藝過程中，有大量的余熱可以利用。 各種冶金爐窯產(chǎn)生的高溫煙氣熱值占總入爐熱值的3050%，甚至更多。有效選用這部分 熱量已成為生產(chǎn)工藝先進性的標志之一。在銅冶煉廠高溫煙氣蒸汽回收系統(tǒng)中，通常采用軸流式多級背壓或凝汽機組來實現(xiàn)能量回 收。而自八十年代以來，向心式汽輪機異軍突起，與軸流式汽輪機相比，它具有高效、緊湊、 簡單、可靠等優(yōu)點。在國外石油、化工、制藥、制糖、紡織、印染等領域已有了廣闊的用武 之地。在國內(nèi)石油、

2、化工、電力部門業(yè)已有應用。本文將討論向心式汽輪機在銅冶煉廠余熱 系統(tǒng)中應用的經(jīng)濟性、技術性，旨在尚無用戶的有色冶金行業(yè)余熱利用系統(tǒng)中推廣使用。2銅冶煉廠余熱資源本文著重討論大型銅冶煉廠余熱利用系統(tǒng)。世界上，45%以上的銅冶煉廠是采用閃速熔煉工 藝，而我國的二座大型銅冶煉廠也都是采用閃速熔煉工藝。在整個生產(chǎn)工藝過程中，產(chǎn)生 高溫煙氣的主要設備有：閃速熔煉爐，轉爐吹煉爐和陽極爐等等，這些冶金爐所產(chǎn)生的高溫 煙氣性質(zhì)見表1。表1冶金爐高溫煙氣性質(zhì)設備名稱煙氣溫度(C)煙氣性質(zhì)閃速熔煉爐12001350含塵量大煙氣連續(xù)有腐蝕性轉爐吹煉爐800900含塵量大煙氣間斷有腐蝕性陽極爐11001300含塵量較

3、小煙氣間斷這些高溫煙氣中往往含有大量的煙塵和二氧化硫，煙塵的粘結性很強，煙氣對金屬又具有腐 蝕性，故回收這部分煙氣熱量難度大，技術含量高。除陽極爐外(陽極爐因煙氣含塵量小， 可采用空氣換熱器回收余熱)，通?；厥者@部分煙氣熱量只能用余熱鍋爐?？紤]到余熱鍋爐 運行壓力過低，受熱面的壁溫低于硫酸露點溫度時，煙氣中的三氧化硫與水蒸汽結合產(chǎn)生硫 酸凝結在管壁上，使受熱面受到腐蝕。所以在設計余熱鍋爐時，必須提高鍋爐運行壓力，使 管壁溫度高于硫酸露點溫度，表2就是國內(nèi)二家大型銅冶煉廠余熱鍋爐性能參數(shù)表。由于爐窯的熱效率在工藝和爐型確定后，挖潛不大，如何利用余熱鍋爐所產(chǎn)生的這部分蒸汽， 是提高整個余熱利用系統(tǒng)

4、的關鍵。上述二座銅冶煉廠余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽是經(jīng)過重油過 熱爐加熱至過熱態(tài)后，用來發(fā)電，發(fā)電所采用的汽輪機為軸流式多級背壓或凝汽機組。要進 一步提高余熱利用系統(tǒng)的余熱利用率，將熱力系統(tǒng)予以優(yōu)化，就需采用一種新型的汽輪機- 向心式汽輪機。表2余熱鍋爐性能參數(shù)表項目 單位A廠B廠閃速爐余熱鍋爐 轉爐余熱鍋爐 閃速爐余熱鍋爐 轉爐余熱鍋 爐處理煙氣量NM 3/h 77000（max） 44900（波動） 3200043200（波動）入口煙氣溫度 C1340800 1340800入口含塵量 g/NM 3 70 10015 70139.218.16 0.6蒸汽產(chǎn)量t/h5613（波動）2810（波動）

5、蒸汽壓力MPa4.74.564.714.71蒸汽溫度C262259.52612613向心式汽輪機如圖1所示，向心式汽輪機的工質(zhì)從葉輪外徑處沿徑向進入葉輪，做功后在葉輪內(nèi)徑處從軸 向離開。向心式汽輪機又分純徑向式和軸向徑向式二種。與軸向式汽輪機相比，二者的通 流部分之間的差別如下：軸流式汽輪機的級數(shù)可以很多，向心式通常只有12級。軸流式汽輪機的葉片展弦比為18之間，向心式僅為0.10.5,其葉片通常又窄又長。a)純徑向式b)軸向徑向式圖1向心式汽輪機通流部分圖根據(jù)葉輪的歐拉方程式(式(1)，單位工質(zhì)所做的功為： TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark56 o Cur

6、rent Document SX( dNdGSX)=SX(12SX) (c21-c 22) (w 22-w 21) (u21- u 22)式(1)由上式可知，向心式汽輪機比軸流式汽輪機所輸出的功多出了SX(1 2 (u21-u22)一項，這是由于葉輪中工質(zhì)進出口半徑不同而引起的工質(zhì)動能變化的結果。此式還具 有如下含義，即：在做功量相同的情況下，向心式汽輪機中工質(zhì)的相對速度W1、W2比較低，使得其中的流動損失小了很多，故汽輪機效率高。換言之，向心式汽輪機可以利 用較大的HT5，7火KG-*4含降。網(wǎng)址: HYPERLINK /khgu_article/65/4407.html /khgu_art

7、icle/65/4407.html另外，向心式汽輪機采用了高轉速（最高可達46000rpm）,使速比達到了最佳，而且可以全周 進汽。這樣，葉輪的鼓風損失，漏汽損失和端部二次損失也相應減小了。在相同的進汽量和 初、終參數(shù)下，向心式汽輪機與軸流式汽輪機相比，輸出功率要大1550%，在同等功率 下，向心式汽輪效率要高1530%，最高可達80%。目前，國外商業(yè)應用的向心式汽輪機功率在3005000KW，蒸汽的初參數(shù)最高為6.4MPa 和450 C，背壓范圍為0.121.6MPa。向心式汽輪機問世已有30多年，直至70年代末，也沒有得到廣泛應用，究其原因，當時材 料及工藝條件滿足不了高轉速向心葉輪和高傳

8、動比齒輪的要求。但到了八十年代，由于能源 危機及環(huán)境保護的日益嚴格要求，向心式汽輪機越加顯現(xiàn)出其優(yōu)越性。4銅冶煉廠余熱利用系統(tǒng)以國內(nèi)某大型銅冶煉廠為例，本文闡述分析其余熱利用系統(tǒng)?；敬笮豌~冶煉廠原設計規(guī)模為年產(chǎn)電解銅10萬噸，經(jīng)技改擴產(chǎn)至15萬噸。在生產(chǎn)工藝過 程中，如熔煉、凈液及電解工藝中需要大量的飽和蒸汽壓力為1.57MPa蒸汽需6t/h，壓力 為0. 6MPa蒸汽需22t/h）。同時又有許多余熱可以利用來產(chǎn)生蒸汽。經(jīng)設計，全廠熱力系統(tǒng) 的原則性系統(tǒng)圖（圖2）和熱力系統(tǒng)的主要設備組成（表3）如下：表3全廠熱力系統(tǒng)主要設備一覽表序號設備名稱臺數(shù)設備規(guī)格及性能1閃速爐余熱鍋爐1Q=28.9t

9、/hP=4.71MPa（飽和）F=1878m 22轉爐余熱鍋爐1Q=12.8t/h（波動）P=4.71MPa（飽和）F=952m2重油過熱爐1Q=40t/hP=4.71MPa t 1/t2=261/470C4變壓式蒸氣蓄熱器2F=100m33.其它技經(jīng)指標：重油價格：1200元/噸電價：0.55 元/KW.h由上表比較可以看出，技改后雖然總的發(fā)電量減少了，但由于不額外消耗重油，整個系統(tǒng)的 經(jīng)濟性大大地提高了。從HT5, 7火KG-*4用 效率分析，技改前HT5, 7火KG-*4 用效率為13.37%，技改后HT5, 7火KG-*4用效率為18.07%，這主要是由于技改 前重油過熱爐中燃燒、傳熱

10、等不可逆過程所造成HT5, 7火KG-*4用損失。另外，采用向心式汽輪機組，系統(tǒng)從“冷態(tài)”啟動到滿負荷運轉，啟動時間在10秒左右， 進口的汽輪機使用壽命可達25年，機組完全可以做到全自動運行。銅冶煉廠余熱利用系統(tǒng)中飽和蒸汽發(fā)電機組與核電站飽和蒸汽發(fā)電機組相比又不同。核電站 汽輪發(fā)電機組與相同功率的火電汽輪發(fā)電機組相比，不僅僅是工質(zhì)為飽和蒸汽，而且蒸汽參 數(shù)低，以300MW機組為例，其高壓缸初參數(shù)壓力為5.34MPa，而火電機組為16.9MPa,溫度 為53 7C。相比之下，核電站汽輪機組進口容積流量大得多，設備及附件也相應大得多。而 銅冶煉廠則不一樣，區(qū)別僅在于蒸汽沒有過熱，其它參數(shù)相同，故其

11、機組體積不會增大。在火電站中間再熱機組中設置中間再熱可以明顯減小汽輪機低壓部分的蒸汽濕度，改善末幾 級葉片的工作條件，提高機組的熱經(jīng)濟性。但是設中間再熱使汽輪機運行方式復條，金屬消 耗及投資增加，通常對100MW以上的大功率高參數(shù)汽輪機才采用中間再熱。而本系統(tǒng)向心 式汽輪機為單級，據(jù)設備廠家介紹，用于飽和蒸汽發(fā)電機組其出口蒸汽千度為90%，不會 影響生產(chǎn)工藝的使用。在采用飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的工程設計中，應注意的事項有：1）在汽輪機入口處應設置汽水分離器。汽輪機入口蒸汽濕度過大，對汽輪機的總特性有影響， 使得級效率降低，葉片受水滴侵蝕。其影響大小取決于蒸汽濕度大小，水滴的大不，葉輪進 口處水滴分布

12、情況及葉柵的幾何特性。在汽輪機結構設計和運行時，還應保證正常的疏水， 積水會造成嚴重的水沖擊損壞事故。2）由于銅冶煉廠在生產(chǎn)過程中，工藝負荷的波動，導致余熱鍋爐產(chǎn)汽量有所波動。為了保證汽輪機在部分荷載下的高效率工作，汽輪機的負荷 調(diào)節(jié)應采用噴嘴調(diào)節(jié)閥組調(diào)節(jié)方式。大型銅冶煉廠余熱利用系統(tǒng)的設計是一復雜的系統(tǒng)工程設計，在目前這個日益注重環(huán)保、節(jié) 能的時代，要盡可能采用高技術附加值的新設備、新工藝，才能將系統(tǒng)更加優(yōu)化，才能創(chuàng) 造出更佳的社會和經(jīng)濟效益。網(wǎng)址: HYPERLINK /khgu_article/65/4407$3.html /khgu_article/65/4407$3.html/ 臺

13、p1/p2=1.57 / 0.7MPa5軸流式多級背壓發(fā)電機組1Q=15 40t/hP1=3.43MPa t1=435C P 2=0 .7MPa N=2500Kw（max）6燃煤低壓鍋爐3Q=20t/h.臺 P=1.57MPa （飽和）圖2技改前全廠熱力系統(tǒng)的原則系統(tǒng)圖銅冶煉廠技改擴產(chǎn)前，由于設計蒸汽負荷不當，以及蒸汽發(fā)電需將蒸汽經(jīng)過重油過熱爐由飽 和狀態(tài)加熱至過熱狀態(tài)，消耗大量重油，且部分蒸汽還需放空，造成運行不經(jīng)濟。投產(chǎn)以來， 重油過熱爐背壓汽輪機組處于閑置不用狀態(tài)。而低壓鍋爐房也僅在閃速爐點火或故障維修時 才使用，平時處于應急備用狀態(tài)。整個廠區(qū)的供熱由閃速爐和轉爐的余熱鍋爐供應，即靠大

14、壓差減壓閥和減溫減壓器供應全廠用汽，高能低用，造成極大浪費。技改后（見圖3），將國產(chǎn)軸流式多級背壓汽輪機組改造為進口飽和蒸汽向心式汽輪機組，取 消減溫器。余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽不經(jīng)過重油過熱爐，分成二路，一路直接進入向心式汽 輪機做功發(fā)電后再進入壓力等級為0.7MPa的熱力管網(wǎng)供用戶使用，另一路經(jīng)大壓差減壓閥 后進入壓力等級為1.57MPa的熱力管網(wǎng)。此方案A與技改前方案B（擴產(chǎn)負荷變化后）的技術 經(jīng)濟比較見表4。圖3技改后全廠熱力系統(tǒng)的原則系統(tǒng)圖表4余熱利用系統(tǒng)方案比較表序號項目單位萬案A萬案B國產(chǎn)軸流式多級汽輪機進口向心式單級汽輪機一次性投資部分/1汽輪發(fā)電機組萬元254386（國產(chǎn)發(fā)電機

15、）2蒸汽重油過熱爐萬元148/3總投資（設備及其安裝、水電、土建等） 萬元872719收益部分/1小時最大發(fā)電量kW240018102供汽量t/h 35.7(P=0.7MPa) 6(P=1.57MPa) 35.7(x=0.9P=0.7MPa) 6(P=1. 57MPa) 3年發(fā)電量kW.h1708.4x1041288.4x1044年發(fā)電收益萬元939.6708.65重油過熱爐煙氣供精礦干燥節(jié)省重油萬元66.5/三支出部分/1重油過熱爐重油年消耗萬元648.9/2重油過熱爐電年消耗萬元15.7/系統(tǒng)其它運行費用（系統(tǒng)維護、水電消耗、人工、低壓鍋爐運行劄 萬元1 10110四余熱系統(tǒng)年凈收益萬元2

16、31.5598.6五余熱系統(tǒng)目的用效率/13.37%16 .07%注：1.本表僅比較兩方案中二者不同的部分。2.由于方案B是在方案A的基礎上技術改造，汽輪發(fā)電機組設置在原有的廠房內(nèi)。本文就 不列出兩方案之間的土建部分比較。實際上，向心式汽輪機組結構緊湊，只需單層廠房。而 軸流式多級汽輪機組體積龐大，需雙層廠房，重油過熱爐還要占用一定的土地面積。網(wǎng)址: HYPERLINK /khgu_article/65/4407S2.html /khgu_article/65/4407S2.html3.其它技經(jīng)指標：重油價格：1200元/噸電價：0.55 元/KW.h由上表比較可以看出，技改后雖然總的發(fā)電量減

17、少了，但由于不額外消耗重油，整個系統(tǒng)的 經(jīng)濟性大大地提高了。從HT5, 7火KG-*4用 效率分析，技改前HT5, 7火KG-*4 用效率為13.37%，技改后HT5, 7火KG-*4用效率為18.07%，這主要是由于技改 前重油過熱爐中燃燒、傳熱等不可逆過程所造成HT5, 7火KG-*4用損失。另外，采用向心式汽輪機組，系統(tǒng)從“冷態(tài)”啟動到滿負荷運轉，啟動時間在10秒左右， 進口的汽輪機使用壽命可達25年，機組完全可以做到全自動運行。銅冶煉廠余熱利用系統(tǒng)中飽和蒸汽發(fā)電機組與核電站飽和蒸汽發(fā)電機組相比又不同。核電站 汽輪發(fā)電機組與相同功率的火電汽輪發(fā)電機組相比，不僅僅是工質(zhì)為飽和蒸汽，而且蒸汽

18、參 數(shù)低，以300MW機組為例，其高壓缸初參數(shù)壓力為5.34MPa，而火電機組為16.9MPa,溫度 為53 7C。相比之下，核電站汽輪機組進口容積流量大得多，設備及附件也相應大得多。而 銅冶煉廠則不一樣，區(qū)別僅在于蒸汽沒有過熱，其它參數(shù)相同，故其機組體積不會增大。在火電站中間再熱機組中設置中間再熱可以明顯減小汽輪機低壓部分的蒸汽濕度，改善末幾 級葉片的工作條件，提高機組的熱經(jīng)濟性。但是設中間再熱使汽輪機運行方式復條，金屬消 耗及投資增加，通常對100MW以上的大功率高參數(shù)汽輪機才采用中間再熱。而本系統(tǒng)向心 式汽輪機為單級，據(jù)設備廠家介紹，用于飽和蒸汽發(fā)電機組其出口蒸汽千度為90%，不會 影響生產(chǎn)工藝的使用。在采用飽和蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的工程設計中，應注意的事項有：1）在汽輪機入口處應設置汽水分離器。汽輪機入口蒸汽濕度過大，對汽輪機的總特性有影響， 使得級效率降低，葉片受水滴侵蝕。其影響大小取決于蒸汽濕度大小，水滴的大不，葉輪進 口處水滴分布情況及葉柵的幾何特