上海理工大学研究生课程(论文类)试卷

研究生课程（论文类）试卷2013/2014学年第二学期课程名称：设备热管理工程课程代码：11000141论文题目：结合生产工艺利用余热发电方案分析学生姓名：吕海涛专业﹑学号：工程热物理132370020学院：能源与动力工程学院课程（论文）成绩：课程（论文）评分依据（必填）：原创性：0.3可行性：0.3内容可读性：0.1数据真实性：0.3任课教师签字：日期：年月日课程（论文）题目：结合生产工艺利用余热发电方案分析内容：结合生产工艺利用余热发电方案分析摘要：本文在不改变原生产工艺的前提下，结合生产工艺条件设计余热发电方案以提高发电效益的思想，提出了三种余热利用发电方案进行比较。三种方案理论上是可行的，并且有补燃的方案三发电效率最高。最终通过比较分析表明，结合生产工艺过程设计余热发电方案提高发电效率以节约能源是可行的。关键词：余热发电；加热炉；节能ComprehensiveEvaluationofWasteHeatRecoveryforSteelRollingFurnaceAbstract:Basedonthesolidinitialprocess,thispaperpresentsthreeschemesofthewasteheatgeneratingelectricityforacomparethatcombinedwiththeideaofimprovingthegeneratingelectricityprofit,bythewayofdesigningschemesofwasteheatgeneratingelectricity.Therearethreefeasibilitiesintheory,thehighestefficiencyofwhichistosupplyfueltothefurnace.Andfinallywefindthat,weareabletosaveenergybydesignawasteheatgeneratingelectricityschemetoimprovetheefficiency,withthecombinationofmanufacturingtechnique.Keywords:wasteheatgeneratingelectricity;steelrollingfurnace;energysaving1余热利用的基本前提是要有合适的热用户。我国工业生产中有大量余热，例如钢铁行业，其余热没有很好被利用的一个重要原因是没有合适的热用户[2]。如果能够采用余热发电，由于电网的存在，可以随时随地向电网送电，一般可以不受时间和地点的限制。因此，从这个角度说，采用余热发电当然是余热利用的一个很好的选择。但是，余热通常是品位较低的能源，从发电的角度看其中没有多少可用能，直接利用余热发电通常效率很低，往往得不偿失。我们曾测试了一台轧钢加热炉，排烟温度大约可达350℃左右。但即便是这么高的排烟温度，可用能仍然不多，直接用350℃的烟气余热建立热力发电系统，其发电效率仍很低。因此，提高余热发电效率，是利用余热发电所要解决的问题之一，其可能会影响到能否采用余热发电。为提高余热发电效率，徐文栋等[1]提出了在不改变原生产工艺的前提下，尽量利用生产工艺过程中存在的高温热源构造蒸汽动力循环，以提高余热发电效率的解决问题的思路，并根据这种思路，针对实际检测的某轧钢加热炉排烟的热力参数，设计了几个不同的烟气余热发电方案。徐文栋等[1]的分析计算表明，从理论上说，按照上述解决问题的思路对余热发电方案进行合理的设计，是有可能提高余热发电效率的。本文是在上述文献[1]基础上的进一步工作。本文进一步提出，对文献[1]所考虑的同一台加热炉，在不改变炉膛中的烟气温度以保证原来生产工艺条件不变的前提下，在加热炉炉膛中布置高温受热面，同时补燃，提高发电蒸汽参数从而提高发电效率的烟气余热利用方案。通过分析计算，本文验证了所提出的这种新方案，能够进一步提高余热发电效率，并且在理论上说，这种新方案是可能实现的。1轧钢加热炉余热发电方案设计1.1原轧钢加热炉系统某轧钢厂有三台轧钢加热炉,全年满负荷运行在7500h左右,轧钢加热炉结构简图如图1所示,每台加热炉每小时产生82385m3的烟气,炉膛出口处排烟温度为758.6℃，空气预热器后的排烟温度为359.8℃，预热空气温度为477℃[3]。477℃助燃空气轧钢加热炉炉膛空气预热器送风机烟囱烟气758.6℃359.8℃20℃空气烟气图1轧钢加热炉原系统结构简图Fig.1Initialstructurediagramofsteelrollingfurnace本文针对这台加热炉，列出三种余热利用方案加以比较。1.2轧钢加热炉余热发电方案方案一如图2所示,直接利用从空气预热器排出的359.8℃烟气的余热,产生23.lt/h的过热蒸汽(1.2MPa,280℃),因为受到烟气温度的限制,所以蒸汽动力循环蒸汽的温度不高,排烟温度降低为140℃,其发电功率可达5.9MW。余热发电效率为17.48%方案二如图3所示。该方案将蒸汽动力循环的高温过热器布置在炉膛出口，低温换热器与两级空气预热器相间布置，这样从轧钢加热炉炉膛内排出的759℃烟气首先经过高温过热器，保证了蒸汽具有较高的温度压力。方案二的最终排烟温度仍然降低到140℃，烟气侧流量不变，因此回收的余热热量与方案一相同。但方案二的蒸汽动力循环初蒸汽参数提高，因此发电效率提高。这种布置方案下[3]，高温过热器进汽参数为435℃，5.3Mpa，发电功率8.2MW，余热发电效率24.13%。图2方案一系统简图Fig.2Structurediagramofscheme11-轧钢加热炉炉膛2-空气预热器3-高温过热器4-低温换热器5-烟囱6-除氧器7-汽包8-送风机9-冷凝器10-汽轮机发电机组11-给水泵图3方案二系统简图Fig.3Structurediagramofscheme21-轧钢加热炉炉膛2-高温过热器3-二级空气预热器4-低温换热器5-一级空气预热器6-烟囱7-除氧器8-汽包9-冷凝器10-汽轮机发电机组11-给水泵图4示出了方案三。该方案除了在炉膛中布置高温受热面和补燃外，其余系统布置与方案二相同。方案三排烟温度140℃,因在炉膛补燃，烟气量有所增加。蒸汽侧流量不变，但蒸汽初参数提高，因此发电效率提高。通过热平衡计算，方案三补燃天然气98.7m3,可使蒸汽动力循环初温度达到450℃，发电功率发电功率35.5MW，余热发电效率46.3%。由此可见，方案三的发电效率相对前两中方案得到了提升。图4方案三系统简图Fig.4Structurediagramofscheme31-轧钢加热炉炉膛2-高温过热器3-二级空气预热器4-低温换热器5-级空气预热器6-烟囱7-除氧器8-汽包9-冷凝器10-汽轮机发电机组11-给水泵12-炉壁受热面2几种方案的分析比较2.1工质温度变化曲线以上给出了三种余热发电方案。每种方案的工质温度变化都必须是烟气侧高温工质温度要高于相对应的低温工质的温度，这种方案理论上才是可行的。图5给出了方案一工质温度变化曲线。由图5可见，烟气侧工作温度始终高于低温工质温度，因此，从热力学第二定律高温向低温传热的角度看，方案一理论上是可行的。图5方案一工质温度变化曲线Fig.5Temperaturevariationchartofworkingfluidforscheme1图6给出了方案二工质温度变化曲线。由图6可见，方案二的烟气侧工作温度也是始终高于低温工质温度，因此，方案二在理论上也是可以实现的。只是方案二与方案一相比，传热温差较小，热冷工质温差的窄点约为30度℃。方案二的换热设备面积较大。图6方案二工质温度变化曲线Fig.6Temperaturevariationofworkingfluidchartforscheme2图7给出了方案三工质温度变化曲线。由图7可见，方案三的烟气侧工作温度也是始终高于低温工质温度，因此，方案三在理论上也是可以实现的。只是方案三与方案二相比，传热温差增大，热冷工质温差的窄点约为40℃。方案三需要的换热设备面积较小。图7方案三工质温度变化曲线Fig.7Temperaturevariationofworkingfluidchartforscheme32.2发电效率的比较在三种余热发电方案下，我们对发电机效率进行了控制，采用统一的型号。这样就控制了影响余热发电机组发电效率变量中的一个重要因素。同时，我们还注意对汽轮机的内效率的控制，这样，我们就可以认为汽轮机效率的改变是由于汽轮机循环效率的改变而引起的。而不同的方案中循环效率的不同又是由于系统布置的不同引起的。也就是说，不同系统的布置方案是影响发电变化的主要因素，即发电效率改变能较真实地反应出不同余热发电系统布置方案的优劣。为了直观地对比三种方案，我们给出一个三种余热发电方案下系统的重要参数表。表一三种方案具体参数表Sheet1Parameters方案一方案二方案三利用的烟气温度（℃）350759759烟气焓值（kJ/kg）1239.391239.391239.39利用后烟气温度（℃）140140140烟气焓值（kJ/kg）209.36209.36209.36烟气流量（Nm3/h）823858238582483.7给水温度（℃）104104104给水焓值（kJ/kg）417.52417.52417.52蒸汽压力（Mpa）1.25.36蒸汽温度（℃）280435450发电功率(MW)5.98.235.5发电效率(%)17.4824.1346.3需说明的是，对于有补燃的方案三，发电效率就其绝对值来说，确实得到了提高。但与方案二相比，是否一定要好，还有待进一步探讨。因为补燃的这部分燃料，如果放到大的发电机组中，发电的收益会更大。所以，以什么作为比较的基础更合理，这里不深入讨论，留待进一步的工作解决。3结论本文基于不改变原来生产工艺的前提下，结合生产工艺条件设计余热发电方案以提高发电效益的思想，提出了三种余热利用发电方案进行比较。三种方案理论上是可行的，并且有补燃的方案三发电效率最高。本文的分析表明，结合生产工艺过程设计余热发电方案提高发电效率是可能的。参考文献[1]徐文栋,杨茉,雍青青等.轧钢加热炉余热发电方案设计及其评价[J].工程热物理学报,2013,34(7):34-44[2]蔡九菊,王建军,陈春霞.钢铁工业余热资源的回收与利用[J].钢铁,2007,42(6):1-7[3]周庆安,刘志强.宝钢余热资源利用现状及前景分析[J].宝钢技术,2005,3:27-30页数不够，可续页