1、第 卷第 期材 料 与 冶 金 学 报 收稿日期：基金项目：辽宁省重点研发计划项目（，）作者简介：闫天一（），男，硕士研究生，：通讯作者：杜涛（），女，教授，：年 月 ：基于分析的钢铁企业蒸汽系统优化闫天一，杜 涛，孙竞超，邱梓洋（东北大学 国家环境保护生态工业重点实验室；冶金学院，沈阳）摘 要：基于分析方法构建钢铁企业蒸汽系统产耗配优化模型，以效率最高为目标对钢铁企业蒸汽系统进行优化，分别采用双级有机朗肯循环（）系统和饱和蒸汽发电系统对优化后的余热余能进行回收，以减少能源浪费 结果表明：蒸汽系统效率由优化前的 提升至 ，优化后烧结、热轧和转炉工序存在大量余热余能资源；采用 系统回收烧结和热轧
2、处富余烟气分别增加发电量 和 ，采用饱和蒸汽发电系统回收转炉处富余蒸汽增加发电量 。关键词：蒸汽系统优化；分析；余热回收；有机朗肯循环；饱和蒸汽发电中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（；，）：，（），：；蒸汽系统是钢铁企业中重要的能源系统，具有能源密集、结构复杂等特点目前我国钢铁企业仍存在蒸汽回收利用不充分和分配不合理等问题，造成了大量的能源浪费合理利用蒸汽资源并加强蒸汽系统余热余能回收利用是提高蒸汽系统能源利用率的重要手段，对企业节能增效具有重要意义与热分析法相比，分析方法不仅能体现能源的“量”，还能体现能源的“质”，是目前广泛应用于钢铁企业能源系统分析的一种较为成熟的理论方法 等基于
3、分析方法对我国钢铁企业进行效率评价，提出钢铁企业效率提升的关键措施 等以能源消耗最少和效益最优为目标，对煤气蒸汽电力系统进行优化尽管如此，目前针对蒸汽系统的研究仍然存在一定不足：一方面体现在针对蒸汽系统的生产、消耗和分配优化研究不充分；另一方面，有关优化后产生的余热余能处理的研究仍较为缺乏双级有机朗肯循环（）和饱和蒸汽发电技术是当前回收效率高且应用广泛的能量回收技术本研究中将优化后产生的余热余能采用这两种技术进行回收与传统的单级 相比，拥有更出色的回收效率和效率，应用前景广阔而与传统的过热蒸汽发电技术相比，饱和蒸汽发电技术更为高效，是回收富余蒸汽较为理想的技术本研究中构建钢铁企业蒸汽系统产耗配
4、优化模型，在保证企业正常生产的前提下，对蒸汽生产参数及能量分配进行优化，挖掘余热余能回收潜力，采用 系统和饱和蒸汽发电系统对优化后产生的余热余能进行回收，提升蒸汽系统能源利用率 理论方法 研究对象及边界图 为某钢铁企业蒸汽系统结构示意图根据蒸汽温度和压力的不同，蒸汽系统被分为 个子系统，即，和 其中，蒸汽系统的压力范围为 ，温度范围为 ；蒸汽系统的压力范围为 ，温度范围为 ；蒸汽系统的压力范围为 ，温度范围为 和 蒸汽系统的汽源较少，主要来源于锅炉和发热电联产；蒸汽用户为 精炼炉，蒸汽用户有换热站和海水淡化 蒸汽系统结构复杂，汽源和用户较多，其中汽源包括干熄焦（）抽汽、烧结余热回收、转炉汽化冷
5、却、热轧余热回收、锅炉和热电联产等；蒸汽用户有焦化、炼铁、球团、烧结、轧钢、转炉、制氢、制氧、煤气柜、换热站、生活用汽等CDQS1S2S32.54 MPa250450 0.70.85 MPa170290 0.40.43 MPa170250 球团制氧办公室1#换热器2#换热器3#换热器4#换热器放散装置放散装置25 MW其他启动锅炉130 t锅炉300 MW减温减压装置减温减压装置制氢2250热轧1580热轧2230热轧1700热轧煤气柜蓄热器焦化高炉烧结炼钢RH海水淡化图 某钢铁企业蒸汽系统结构示意图 优化模型构建为方便比较研究，模型构建过程中计算出的所有能量和数量均为钢铁企业生产 钢铁的产出
6、和消耗 蒸汽系统分析方法以环境条件为基准，将理论上可以最大限度转换为有用功的那部分能量称为一般地，某一系统的计算方法如下：（）式中：，分别表示系统物质总、物理、化学、动力和潜在，钢铁企业蒸汽系统的化学远远小于物理且潜在较小，故化学和潜在可忽略不计因此，蒸汽总计算方法如下：，（）式中：，和，分别为蒸汽系统的热力和压力，其计算方法分别为，（）材 料 与 冶 金 学 报 第 卷，（）式中：和 分别表示环境基准态的温度和系统的温度，；为蒸汽系统放出的热量，；为工质的物质的量，；为摩尔气体常数，取值为 （）；和 分别为环境基准态的压力和系统工质的压力，蒸汽系统效率计算如下：，（）式中：，和，分别为蒸汽系
7、统放出蒸汽所携带的和输入蒸汽所携带的，蒸汽系统模型（）蒸汽系统 蒸汽系统的蒸汽输入项有启动锅炉和 锅炉的蒸汽，输出项有 精炼设备用汽、高压蒸汽系统管网损失和放散损失其中，输入系统的蒸汽量可以表示为，（）式中：，和，分别代表启动锅炉和 锅炉输入 蒸汽系统的蒸汽量，蒸汽系统的输入蒸汽携带的值为，（）式中：，和，分别为启动锅炉和 锅炉输入 蒸汽系统的，其表达式分别为，（），（）蒸汽系统平衡方程可以表示为，（）式中：，为 蒸汽系统用户 精炼设备的蒸汽消耗量；，为 蒸汽系统损失，包括蒸汽放散、管网损失和能级不匹配等带来的损失，（）蒸汽系统 蒸汽系统的物料平衡可以表示如下：，（）式中：，和，分别为 汽源输
8、入蒸汽量、用户蒸汽消耗量和 蒸汽系统的蒸汽损失量，蒸汽系统的平衡可以表示为 ，（）式中：，和，分别为 汽源输入、用户消耗和 蒸汽系统损失，（）蒸汽系统 蒸汽系统物料平衡和平衡构建方法同 蒸汽系统和 蒸汽系统类似，表达式分别为，（），（）式中：，和，分别表示 蒸汽系统的蒸汽输入量、换热站蒸汽消耗量、海水淡化蒸汽消耗量和 蒸汽系统的蒸汽损失量，；，和，分别为 蒸汽系统的蒸汽输入、换热站蒸汽消耗、海水淡化蒸汽消耗和 蒸汽系统的损失，（）蒸汽系统整体平衡根据能守恒定律，整个蒸汽系统平衡为 ，（）式中：，和，分别为 蒸汽系统中 汽源输入和 用户消耗，；为钢铁企业蒸汽系统的损失，主要包括蒸汽放散、减温减压
9、系统损失、管网损失和供需不匹配造成的损失，优化目标根据效率计算方法，钢铁企业蒸汽系统最高效率 可表示为 ，（）研究中选取蒸汽系统最高效率作为优化目第 期 闫天一等：基于分析的钢铁企业蒸汽系统优化标，以物质平衡、能量平衡、企业蒸汽产耗利用规律和分配原则为约束条件，优化蒸汽系统蒸汽产量、品位和分配，减少蒸汽系统损失，进而提高能源利用效率 适配回收技术（）系统 系统由 个蒸发器、个膨胀机、个冷凝器，以及工质泵和预热装置组成，具体结构如图 所示热源依次经过蒸发器（）、蒸发器（）及预热器（）有机工质在预热器中进行预热后（），分别进入蒸发器 和泵 进入蒸发器 的有机工质进行等压加热（），产生低压有机蒸汽进
10、入膨胀机进入泵 的有机工质进行等熵压缩（），随后进入蒸发器 进行等压加热（），产生高压有机蒸汽进入膨胀机有机高压蒸汽（）和有机低压蒸汽（）分别进行等熵膨胀，推动膨胀机旋转做功，进而带动发电机发电，在膨胀机做完功的有机乏汽进入冷凝器进行等压冷却（），由气态重新变为液态有机液体通过工质泵 进行等熵压缩（），进入预热器进行下一次循环冷却水冷凝器泵3泵1泵2蒸发器2蒸发器1余热烟气发电机膨胀机161514131211101010123459876预热器图 系统结构示意图 系统中蒸发器、冷凝器及预热器的换热可以表示为 ，（）式中：为蒸发器、冷凝器或预热器交换的热量，；为有机工质流量，；为经过蒸发器、冷凝
11、器或预热器的富余烟气或冷却水的流量，；，和，分别为有机工质进、出蒸发器、冷凝器或预热器的焓值，；和 分别为富余烟气或冷却水进、出蒸发器、冷凝器或预热器的比热容，（）；和 分别为烟气进、出蒸发器、冷凝器或预热器的温度，系统发电功率，可以表示为，（）式中：和 分别为系统中膨胀机和工质泵的功率，其计算方法分别为，（，）（）（，）（）系统发电效率，为，（）式中：，和，分别为烟气带入热量和 标准状态下烟气带出热量，系统效率，为，（）式中：，和，分别为富余烟气带入、标准状态下烟气带出以及系统总损失，（）饱和蒸汽发电系统饱和蒸汽发电系统由汽轮机、发电机、余热回收装置、冷凝器、调压阀等设备组成，具体结构如图
12、所示余热回收装置对余热资源进行回收并产生过热蒸汽过热蒸汽经过汽包进入调压阀进行等熵减压调节后（），进入汽水分离装置进行汽水分离，蒸汽在这个过程中由过热蒸汽转换为饱和蒸汽随后，饱和蒸汽被送入汽轮机进行等熵膨胀做功发电（）做完功后的乏汽进入冷凝器进行等压冷却（）冷凝后的冷凝水通过冷凝水泵进行等熵压缩（），并进入除氧器进行除氧（）；除氧后由给水泵送入余热回收装置（），进行下次循环膨胀机发电机冷凝器汽包111415131012987泵泵泵43625冷却水损失余热放散除氧器汽水分离1汽化冷却压力调节图 饱和蒸汽发电系统结构示意图 材 料 与 冶 金 学 报 第 卷 汽轮机相对内效率 的计算为（）式中：和
13、 分别为汽轮机内做功的有效焓降及理想等熵焓降，；为输入饱和蒸汽焓值，；为实际排汽焓值，；为理想等熵排汽焓值，汽轮发电机组相对电效率 的计算为（）式中：，和 分别表示汽轮机发电机组的相对内效率、机械效率及发电机效率汽耗率 的计算为 （）（）实际发电量 计算为（）（）式中：表示饱和蒸汽流量，系统发电效率 可以表示为（）结果与分析 优化模型验证表 展示了蒸汽系统优化模型与实际钢铁企业生产数据的对比情况结果显示：模型蒸汽系统输出蒸汽量与企业实际生产数据一致，但各汽源输入蒸汽系统的蒸汽量存在一定的误差其中误差最大的部分是 蒸汽系统中的烧结工序，相对误差为 ，其他汽源蒸汽输入量与实际生产数据的相对误差均在
14、 以下，因此，可以认为本研究中建立的钢铁企业蒸汽系统优化模型与企业实际生产相近，模型的可行性和准确性均符合工程要求表 蒸汽系统优化模型验证 蒸汽系统方向对比变量生产数据模型数据相对误差输入输出输入输出输入输出启动锅炉蒸汽输入 锅炉蒸汽输入 精炼耗汽 抽汽 烧结回收蒸汽 转炉回收蒸汽 热轧回收蒸汽 启动锅炉蒸汽输入 锅炉蒸汽输入 抽汽 焦化耗汽 烧结耗汽 球团耗汽 炼铁耗汽 转炉耗汽 轧钢耗汽 耗汽 其他耗汽 抽汽 换热站耗汽 海水淡化耗汽 第 期 闫天一等：基于分析的钢铁企业蒸汽系统优化 蒸汽系统模型优化结果为实现最高系统效率的优化目标，本研究中优化了钢铁企业蒸汽生产和分配在对企业实际调查中发
15、现，钢铁企业在蒸汽使用过程中存在供汽能级高于用户需求能级的现象，造成蒸汽供需过程中的能量浪费，优化蒸汽生产过程中的蒸汽参数和蒸汽生产量能有效减少这部分能量浪费表 展示了优化前后蒸汽生产参数表 展示了蒸汽系统优化前后蒸汽生产量和携带值的变化经过优化，蒸汽系统对锅炉、烧结、转炉和热轧处的蒸汽需求量变小为保证钢铁生产工况不变，蒸汽系统优化前后输出蒸汽所携带的值为 不变，系统需求蒸汽所携带的值由 下降至 ，吨钢损失由 降至 ，系统效率由 提升至 图 为优化前后蒸汽系统的流图优化后，蒸汽系统对烧结、热轧和转炉处的蒸汽需求量明显减小，该部分蒸汽所携带的值由优化前的 ，分别降为 ，由于烧结、热轧和转炉处的蒸
16、汽生产主要来源于钢铁生产过程中的余热回收，因此，在钢铁正常生产的工况下，余热回收蒸汽量视为不变，优化后的烧结、热轧和转炉处产生了余热余能资源，所携带的值分别为，蒸汽系统这部分原本因供需不匹配、过多放散而损失的余热余能资源具有较大的回收空间，是企业节能降耗的潜力点因此，本研究中结合这 个工序对余热资源分布情况及适配的回收利用技术进行探讨和分析 余热余能分析表 显示了烧结、热轧及转炉工序余热余能的分布情况其中，热轧工序主要富余烟气温度为，富余蒸汽温度和压力分别为 和 烧结工序富余烟气温度分为中温和低温两段，分别为 和 ，富余蒸汽温度和压力分别为 和 转炉工序富余烟气温度为 ，通过汽化冷却回收的饱和蒸汽温度为 烧结和热轧工序富余烟气温度均低于 ，且蒸汽是由回收烟气产生，因此本研究中采用适合中低温烟气余热回收的 系统对烧结和热轧工序的富余烟气进行回收发电转炉工序的富余烟气温度过高，不适合采用 系统对其进行回收，且转炉烟气汽化冷却技术较为复杂，因此本研究中采用 饱和蒸汽发电的方法对转炉处的富余蒸汽资源进行回收发电表 蒸汽生产参数优化前后对比 工序 设备参数名优化前优化后启动锅炉 锅炉烧结转炉热轧