李文举，薛亮，张红卫

一种新型转炉蒸汽吸收式换热系统的应用

李文举1，薛亮2，张红卫1

(1.西安天可华能源科技有限公司，陕西西安，710000;2.西安新唐电力设计有限公司,陕西西安，710000)

钢铁企业在采暖季由于大量富裕蒸汽用于采暖，导致蒸汽量不足，汽轮机无法运行。提出了一种新型转炉蒸汽吸收式换热系统，能够节省采暖用的蒸汽，解决了提高余热电站的运转率。

吸收式热泵;转炉蒸汽;电站运转率

1 引言

当前大部分钢铁企业转炉余热锅炉生产出大量的低压饱和蒸汽，其中一部分钢铁工艺自用，另一部分多利用饱和蒸汽汽轮机进行饱和蒸汽发电。但是由于冬季钢铁厂车间、生活区和办公场所采暖需求，使得冬季富裕饱和蒸汽量急剧减少，饱和蒸汽汽轮机出力下降，甚至无法运行，造成整个采暖季汽轮发电机组设备闲置，建设项目的投资回收期加长。

针对此问题，本文提出采用一种新型转炉蒸汽吸收式换热系统，最大程度利用转炉饱和蒸汽的价值，大幅降低采暖的蒸汽消耗，进而提高饱和蒸汽汽轮机发电量。

2 原理介绍

吸收式换热机组也称为吸收式热泵机组，吸收式热泵可以分为两类：第一类吸收式热泵、第二类吸收式热泵。第一类吸收式热泵也称增热型热泵,是利用少量的高温热源为驱动热源，从低温热源中回收热量，制取大量的中温位有用热能。第二类吸收式热泵也称升温型热泵,是利用大量的中温热源产生少量的高温位有用热能。此处用到的是第一类吸收式热泵机组。

第一类吸收式热泵原理见图1（以溴化锂-水型为例）。第一类溴化锂吸收式热泵机组是一种以高温热源（蒸汽、高温热水、燃油、燃气）为驱动热源，溴化锂溶液为吸收剂，水为制冷剂，回收利用低温热源（如废热水）的热能，制取所需要的工艺或采暖用高温热媒（热水），实现从低温向高温输送热能的设备。热泵由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和热交换器等主要部件及抽气装置，屏蔽泵（溶液泵和冷剂泵）等辅助部分组成。抽气装置抽除了热泵内的不凝性气体，并保持热泵内一直处于高真空状态。

本文提出的新型转炉蒸汽吸收式换热系统利用第一类吸收式热泵技术，以转炉饱和蒸汽为高温热源，以钢铁厂内大量的工业循环水（30～40℃）为低温热源，提供采暖用的热水。整个吸收式换热系统的COP（COP=制取的中温热源热量/消耗的高温热源热量）可以达到1.50，从而节省出蒸汽去推动汽轮机发电。

新型转炉蒸汽吸收式换热系统的优点：

（1）减少钢铁企业的采暖蒸汽消耗量达33%；

（2）利用了循环水的低位热量，同时减少了循环水降温过程的蒸发损耗。

（3）提升了转炉饱和蒸汽余热电站的运转率。

图1 第一类吸收式热泵原理图

3 方案分析

3.1 项目参数

针对某钢铁企业有90 t转炉2台，参数如下：

冶炼周期：32～34 min

吹氧时间：12～14 min

汽包设计压力：2.45 MPa

汽包运行压力:1.2 MPa

蒸汽流量:15 t/炉

蓄热器:

容积:150 m3；数量:1台

设计压力3.0 MPa;出口压力1.0 MPa

2台转炉的饱和蒸汽产量约为30.0 t/h，配有额定发电功率4500 kW的饱和蒸汽汽轮机，春夏秋季时，饱和蒸汽全部用来发电，冬季时30.0 t/h蒸汽中25.0 t/h用来给厂区20万m2的生活、办公区采暖。剩余的5.0 t/h蒸汽，不能满足汽轮机最低负荷要求，故在采暖季4500 kW的饱和蒸汽汽轮机处于停运状态。

3.2 计算选型

如图2，转炉蓄热器后设置两级吸收式换热机组，高温热源为转炉饱和蒸汽，低温热源为钢厂循环冷却水，经第一级吸收式换热机组后产出75℃热水，再经第二级吸收式换热机组后产出90℃左右热水，再设置汽水换热器，用蒸汽加热90℃热水，产120℃高温热水供二级采暖换热站。由于吸收了低温热源循环水中的大量热能，所以采暖所消耗的蒸汽要比较传统方式节省33%，节省的饱和蒸汽可以用来发电。

图2 新型转炉蒸汽吸收式换热系统图

根据国家规范和原来采暖蒸汽实际耗量，取生活办公区的热指标q为85 W/m2，采暖热水温度Tr取85℃，回水温度Th为60℃。采暖区总耗热量为：

QZ=S×q

S为生活办公区的采暖面积

工业循环水进吸收式换热机组温度为40℃，出水温度取为30℃；转炉饱和蒸汽压力1.0 MPa；根据工业循环水、用户侧热水和蒸汽的参数可知：吸收式热泵制热系数COP约1.50，故热泵系统回收工业循环水的热量为：

Q0=QZ×（COP-1）/COP

QZ为供暖负荷，MW；

Q0为低温侧吸热量，MW；

COP为吸收式热泵制热系数，由运行工况确定。工业循环水按10℃进出水温差计算，则耗水量由下式计算：

Qm=3600×Q0/（C×Δt）

式中：Qm为工业循环水耗水量，t/h；

Δt为工业循环水温差，取10℃；

C为水的比热，取4.187 kJ/(kg·℃)；

蒸汽需要量由下式计算：

QZQ=QZ×3600/（COP×Δh）

QZQ为蒸汽需要量，t/h；

Δh为饱和蒸汽可利用焓值，取2400 kJ/kg；

经计算，吸收式热泵系统的制热量需求为17 MW，蒸汽需要量为17.0 t/h，设计工况下系统低温侧吸热量为5.67 MW，需要工业循环水487 t/h。钢铁厂有足够水量可以满足需求。选取该工况下制热量为9 MW的吸收式热泵机组2台（型号和相关参数略）。

方案系统主要包含：吸收式热泵机组、汽水换热器、机组配套水泵、循环水系统改造、调节阀组、控制系统等。

3.3 初投资计算

吸收式热泵机组:300万元/台，2台600万元

附属设备：55万元

厂房设备及安装工程：80万元

电气及自控工程：30万元

合计：765万元

4 经济性分析

采用新型转炉蒸汽吸收式换热系统，以转炉饱和蒸汽为高温热源，以工业循环水为低温热源，产生120℃的高温热水供生活、办公区采暖，将蒸汽消耗量由原先的25 t/h降至17 t/h，节省蒸汽量达8 t/ h。基于此新型转炉蒸汽吸收式换热系统，加上原先富裕的5 t/h蒸汽，在冬季钢厂有富裕转炉饱和蒸汽量为8 t/h，可以推动饱和蒸汽汽轮机发电，折合发电量1650 kW，使得饱和蒸汽余热电站在冬季也不停机，提高了电站的运转率。

本方案经济分析采用满足原先采暖需求的条件下，节省出的蒸汽和原先未有效利用的5.0 t/h蒸汽用来发电，会同减少的工业循环水的蒸发损失来进行比较计算。假设电价为为0.6元kWh，水价3.0元/ t，每年采暖时间为120天（2880 h）。

经济性分析如下：

改造部分总造价：765万元

节省蒸汽量：8 t/h

节省蒸汽发电量:1650 kW

采暖季运行小时数:2880 h

电价:0.6元/kWh

厂用电率:5.5%

采暖季供电量:449.06万kWh/年

发电收入:269.44万元/年

减少循环水损失:35064 t/年

水价:3元/t

年节水费用:10.52万元

年收益:279.96万元

投资回收期：2.73年

5 结论

由于吸收式热泵用于回收循环水余热的类似项目在国内热电厂中已有较成熟应用，比如山西国阳热电厂改造项目，项目完成后供热量增加72 MW，采暖面积增加110万m2，所以此项目技术风险很小。由经济性分析可知，基于新型转炉蒸汽吸收式换热系统的方案投资为765万元，年发电和节水收入为279.96万元，33个月收回投资，效益可观。本文提出的新型转炉蒸汽吸收式换热系统，有效解决了采暖季转炉富裕蒸汽不足，余热电站运转率低的问题，是一种值得推广的钢铁厂节能技术。

[1]董明华,吕向阳,吴华新.吸收式热泵技术在热电联产供热系统中的应用[J].节能,2010,(6):69-71.

[2]付林,李岩,张世钢等.吸收式换热的概念与应用[C].全国暖通空调制冷学术年会.2010.

The App lication of a New-type Converter Steam Absorption Heat Exchange System

Li Wenju1,Xue Liang2,Zhang Hongwei2
(1.Xian TKH Energy Technology Co.,Ltd.,Xian,Shaanxi 710000,China; 2.Xian Xintang Electric Power Design Co.,Ltd.,Xian,Shaanxi 710000,China)

Due to huge amount of surplus steam in steelmaking enterprises to be used for heating in winter,the steam turbines of the steelmakers often do not have enough steam to operate.A new-type converter steam absorption heat exchange system was provided,which can save energy and has improved the operation rate of waste heat power stations.

absorption heat pump;converter steam;operation rate of power station

TK172

B

1006-6764（2015）09-0047-03

2015-04-27

李文举（1983-），男，工程热物理专业工学硕士，工程师，现从事工业余热利用、暖通空调领域技术研究工作。