第３１卷，总第１８０期 ２０１３年７月，第４期 《节能技术》 ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴ１０Ｎ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏ１．３１，Ｓｕｍ．Ｎｏ．１８０ Ｊｕｌｙ．２０１３，Ｎｏ．４ 饱和蒸汽发电技术应用现状分析 王政伟，张争光，韩三飞 （常州大学石油工程学院，江苏 常州 ２１３０１６） 摘要：饱和蒸汽发电技术是低温余热发电的重要趋势。本文通过对现代各企业饱和蒸汽发 电的情况进行总结和归纳，提出饱和蒸汽发电的关键技术和趋势，并且结合饱和水蒸气的特点和发 电效率提出最佳饱和蒸汽发电参数，对各企业开展低温饱和蒸汽发电具有重要的参考价值。 关键词：节能；余热发电；饱和蒸汽发电；饱和蒸汽汽轮机 中图分类号：ＴＫ１１ ５：ＴＫ６１７文献标识码：Ａ文章编号：１００２—６３３９（２０１３）０４—０３２６—０５ Ｓａｔｕｒａｔｅｄ Ｓｔｅａｍ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎｇ—ｗｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎｇ—ｇｕａｎｇ，ＨＡＮ Ｓａｎ—ｆｅｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１０３１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｔｅａｍ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｔｅａｍ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅｍ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ ｉｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｔｅａｍ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｔｅａｍ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ｅａｃｈ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ ｏｎ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｓａｔｕ— ｒａｔｅｄ ｓｔｅａｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ；ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｓｔｅａｍ ｔｌｌｒｂ Ｂｅ ０ 引言 随着现代化工业的发展和人民生活水平的提 越多的应用于各种行业，其中在钢铁、铜业、水泥、玻 璃等行业已经广泛应用。由于在工业生产中产生大 量的饱和蒸汽，而这些蒸汽可以通过处理后直接用 来发电，饱和蒸汽发电技术不仅工艺简单、安全性 高，电能的消耗也在急剧增加。据统计，２０１０年底， 我国装机容量为９．５亿ｋＷ，“十二五”计划２０１５年 底计划装机容量１４．９６亿ｋＷ，年增长约为９％。但 是为了应对全球气候变化，我国确立了“十二五”节 能减排目标，如图１是我国发电分类分布图，今后仍 高、投资少，越来越多的应用于企业生产中，不仅节 约成本，而且可以减少大气的污染 Ｊ。 １ 饱和蒸汽发电技术概述 现有的火电厂的火力发电技术是将水通过锅炉 增加煤炭发电装机容量，主要是发展大容量、高参数 机组，但是会逐渐降低在发电中的比例¨Ｊ。 加热成高温、高压的过热蒸汽，然后输送到汽轮机， 通过汽轮机膨胀做功，带动发电机进行发电。饱和 随着发电技术的进步，低温余热发电技术越来 蒸汽发电技术主要是用余热烟气将水加热成低压饱 收稿日期２０１３—０１—２２ 能技术研究。 ・修订稿日期２０１３—０４－０１ 和蒸汽，然后输送到特种汽轮机（和火力发电厂汽 轮机有所不同）中进行膨胀做功，带动发电机发电。 作者简介：王政伟（１９６１～），男，教授，主要从事热能利用和节 饱和蒸汽发电系统如图１，系统是由余热锅炉、 ３２６・ 特种汽轮机、发电机、冷凝器等组成；余热锅炉主要 由省煤器、蒸发器以及过热器构成。烟气自余热锅 炉上方进人，依次冲刷过热器，、蒸发器、省煤器后排 出；产生的蒸汽通过汽轮机后膨胀做功带动发电机 ３国内外发展状况 目前，我国在钢铁行业已经实现饱和蒸汽发电 机组的运行，且已经产生巨大的经济效益。国内从 发电。 图１ 饱和蒸汽发电系统图 饱和蒸汽汽轮机与常规电站的汽轮机相比，具 有如下特点：一、蒸汽在汽轮机膨胀过程中产生的水 分多，必须考虑汽轮机低压叶片的除湿措施，如在高 低压缸之间设置加热的汽水分离再热器，机内采用 硬质合金和去除水滴的装置；二、为了避免汽轮机在 失去负荷时因为汽轮机中存在的冷凝水出现闪蒸而 出现汽轮机危险加速，通常在低压缸进口处装设快 速切断的阀门，减少进入低压缸的蒸汽量；三、具有 大直径的低压缸叶片以满足排气通道大的要求。 饱和蒸汽发电技术是随着余热发电技术发展而 发展，饱和蒸汽发电技术是利用工业生产过程中产 生的多余的热能通过汽轮机等装置转换为电能的技 术。由于在钢铁、石油化工，建材、水泥和制糖等高 耗能行业‘中存在大量的低品位余热（一般低于 ５００ｏＣ），这部分余热如果利用传统发电技术，则需 要增加辅助过热系统，不仅系统过于复杂，而且初期 投资高，经济效益较低，增加工业的能源消耗。 ２饱和蒸汽发电的利用意义 目前，余热发电技术主要集中在一些高耗能的 企业，其中以钢铁和水泥行业发展较迅速，且一些发 电技术已经基本成熟。但是，仍未实现能量的梯级 利用。大多钢铁企业和水泥行业主要是利用高温烟 气（＞５００℃），一些低温尾部烟气（＜４００℃）目前国 内尚属于难于利用的余热，几乎全部排向大气。可 以说，如果能够利用这部分低品位余热进行发电，则 对我国的经济可持续发展和实现和谐社会具有重要 的社会经济意义。 １９９６年开始研究用于低温余热发电的汽轮机发电 电机组。以杭州中能汽轮机动力有限公司和青岛汽 轮机厂等国内汽轮机制造企业为例，已经攻克了饱 和汽轮机在运行过程中的一些重大技术难题，使低 压饱和蒸汽汽轮机已经成为较为成熟的技术。如杭 州中能汽轮机动力有限公司为江阴兴澄特钢制造的 ＢＮ１２—０．８５／０．３蒸汽汽轮机，额定功率１２ ＭＷ，一 级进汽为０．８５ ＭＰａ的饱和蒸汽，额定补汽压力为 ０．３ ＭＰａ。自２００７年８月，机组运行正常，机组平均 汽耗量为７．５ ｔ／ＭＷ，正常日发电量为２０万ｋｗｈ，年 累计发电量６ ５００万ｋｗｈ，节约标煤２３ ８００ ｔ／ａ，一 年可收回成本。青岛捷能汽轮机集团股份有限公司 采用机内再热饱和蒸汽发电技术已经成功运用于济 钢和东岭铅锌冶炼 ，并且取得良好的经济效益。 ４饱和蒸汽发电系统 由于余热发电只是整个工业生产系统的一个小 环节，从而有别于常规的热力发电，所以必须满足整 个生产工艺和设备的要求。常规发电系统常采用抽 汽回热系统，然而在余热发电系统中，抽汽回热系统 会增加余热锅炉的排烟温度。而且对于饱和蒸汽发 电系统，由于烟气温度往往较低，需要很大的受热 面，增加钢材耗率，加大初期投入，经济效益较低，因 此在余热发电的过程中往往不设回热加热系统。 ４．１ 基于涡轮的饱和蒸汽发电技术 此系统是由云南化工研究院为广西某企业设计 的热法磷酸饱和蒸汽发电系统。整个机组配置是由 涡轮、交流发电机、冷凝器、油换热器、凉水塔及控制 系统组成。机组具有可以使用饱和蒸汽，工况条件 比其它蒸汽锅炉发电要求低、操作弹性大的特 点Ｅ 。 在生产过程中若能满负荷、稳定的向发电机组 供汽，那么在生产过程中整套磷酸装置不依靠外来 供电即可以正常运行，单位产品耗电为零。本装置 单位耗电约为７１ ｋＷ・ｈ，按当地工业用电０．６ ｋＷ・ｈ，吨产品成本可降低４２．６元，年节约电３．６× １０。ｋＷ－ｈ，年节约成本２１６万元。 ４．２基于汽轮机的饱和蒸汽发电技术 此系统多应用于冶金行业，已经在天铁、兴澄特 钢、侯马冶炼厂、马钢等钢铁厂成功运用，并且取得 良好的经济效益。以天铁炼钢厂转炉气化冷却系统 回收的饱和蒸汽进行发电为例，有效的解决了蒸汽 ・３２７． ６ 本发电机组已在东岭锌品厂成功运用。该型号为 ＲＢＮ１３—２．６／０．３５／０．３５（补凝式）。 ４．３螺杆膨胀动力机的饱和蒸汽发电技术 图２涡轮发电机组 １一发电机；２一油换热器；３一联轴器；４一蒸汽出口；５一叶轮； ６一蒸汽进口；７一涡轮；８一机座；９一减震支座 对空排放而引起的能源浪费和空气污染，且取得了 良好的经济效益和社会效益，实现企业的可持续发 展，提高了企业竞争力。 ４．２．１ 基于单级汽轮机的饱和蒸汽发电技术 此汽轮机与电厂汽轮机相比较最大的特点是由 单级组成，具有结构简单，占地面积小，维护和使用 费用低，并且蒸汽使用性广，不仅适用于过热蒸汽、 饱和蒸汽，甚至适用于任何气体种类、任何余压（压 力Ｉ＞０．２ ＭＰａ）可利用的场合。 单级汽轮机已经在金隆铜业成功运用，并取得 很好的经济效益。饱和蒸汽发电机组是由德国 ＫＫＫ公司提供，汽轮机采用单级悬臂式结构，膨胀 叶轮直接安装在齿轮箱一端的输人轴上，暖机预热 时间短（最多１０ ｍｉｎ），短期停机启动仅需１０ Ｓ，启停 非常方便。采用多喷嘴组液压调节系统，可适应 ２５％～１００％负荷变化。运行时允许蒸汽膨胀后有 部分冷凝水析出，并且由于这部分冷凝水析出的过 程中能够释放冷凝潜热，既不对机器造成腐蚀叶轮 等破坏性伤害，而且能够利用这部分冷凝热量对蒸 汽进行加热而增加发电量。该机组自投产以来年收 益约为４４０万元，一年即可收回成本。 ４．２．２ 多级汽轮机的饱和蒸汽发电技术 表１ 东岭锌品厂饱和蒸汽发电机组设备主要技术参数 本发电技术采用机内除湿再热的多级冲动式汽 轮机，在汽轮机气缸内的其中一相邻级或者若干相 邻的级间设置有级间蒸汽再热器，由该汽轮机的主 汽门后的主蒸汽管道上引出一股新蒸汽通入蒸汽再 热器中，用于加热汽轮机中膨胀到一定程度的是饱 和蒸汽，降低其湿度，以保护汽轮机不受水蚀损坏。 汽轮机的汽缸、隔板和转子采用合金钢，增大了通流 面积，末两级叶片采用防水刷措施，减轻叶片腐蚀。 ・３２８・ 螺杆膨胀动力发电技术是以螺杆膨胀动力机为 基础研发而来的。螺杆膨胀动力机在上世纪７０年 代被美国率先研制，并成功地用于地热汽水两相流 的热能回收利用，机组功率６０ ｋＷ，我国八五计划将 螺杆膨胀动力机技术列为重点攻关项目，１９９０年研 制出实用样机，同年通过国家建材工业局组织的验 收。目前，我国制造的螺杆膨胀机单机功率范围约 ５０～８００ ｋＷ。 螺杆膨胀动力发电技术已经在济（南）钢球团 厂成功运用，如图３。球团厂将四座竖炉产生的余 热蒸汽引入螺杆膨胀动力机发电机组进行发电做功 后的蒸汽要求排压０．１ ＭＰａ，然后利用球团工艺线 中３号竖炉闲置的换热器，加热１号竖炉进风温度。 经过蒸汽梯级利用后，换热器出口的软水再通过新 敷设的软水管道，全部送回软水泵站。从而形成 “排空蒸汽一集中回收一螺杆发电一加热助燃风二 次换热一软水回收”的全闭路梯级利用工艺。【５ｊ 图３螺杆发电机组 ４．４基于补燃系统的饱和蒸汽发电技术 在生产过程中，由于饱和蒸汽汽轮机的一些技 术限制和初期较大的投资，利用饱和蒸汽发电技术 可能对工业生产结构有较大的影响，或者是经济性 较低，这就对企业的余热发电造成技术性的难题。 采用补燃系统的饱和蒸汽发电是利用生产过程中产 生的饱和蒸汽送入到过热炉中进行过热，然后再送 到汽轮机中进行发电。不仅解决了汽轮机的腐蚀问 题，而且能够对余热梯度利用。 ５饱和蒸汽发电关键技术 ５．１ 叶片的水蚀问题 与常规电站的汽轮机不同，饱和蒸汽汽轮机的 进口蒸汽处于饱和状态，在多数场合下还存在有一 点量的游离水，由于不进行中间再热，机组的排气湿 度可能达到１５％，这样机组低压部分叶片的水蚀非 常严重，并且降低机组效率。为了控制叶片的水蚀 问题，同时提高机组发电效率，要求将机组的排气湿 度降低到一定范围内（＜１０％）。 常用的减少水蚀方式主要有：（１）中间再热式， 利用中间再热器去湿，此种方法需要高品位能量，机 组复杂，不常采用；（２）强制疏水式，将湿蒸汽在流 动过程中形成的水滴有效的排出汽轮机。（３）节流 调节式，是将新蒸汽经过节流把饱和蒸汽变成过热 蒸汽后送人汽轮机，但是在节流过程中会有部分能 量损失；（４）抗蚀增强式，增强静叶和动叶材料的抗 蚀性能，在水滴冲刷严重处镶嵌硬质合金或者进行 表面硬化处理 Ｊ。 ５．１．１ 末级叶片的表面处理 末级叶片的表面处理措施可以分为两大类：一 是在进汽边的局部覆盖一层合金，例如镶嵌司太立 合金、电火花强化、激光熔覆和喷涂等；二是表面淬 硬，主要技术手段有激光表面淬火、高频感应淬火、 火焰淬火强化等。 ５．２饱和蒸汽发电理论基础 在饱和蒸汽汽轮机发电过程中，除了循环过程 中的冷源损失以外，还存在蒸汽流动和膨胀过程中 的热力损失，以及机械损失和电机损失等 ，蒸汽 的焓降日 不能全部转化为电能，因此要采用相应的 参数来进行系统评价。在饱和蒸汽发电系统中，确 定了最佳工况点，也就是确定了发电系统的额定进 汽参数Ｐ。。然后可根据汽轮机的排气压力Ｐ 和排 气干度 来确定系统的装机容量。 ５．２．１主蒸汽参数 汽轮机发电机组相对电效率叼 主要由机械效 率叼 、发电机效率 。 和汽轮机相对内效率叼 ｉ的乘 积组成，发电机组的相对电效率的大小主要由这三 种因素决定。然而对于发电机组，机械效率和发电 效率相差很小，可近似看作常数。所以发电机组的 相对电效率主要是由汽轮机的相对电效率决定。汽 轮机的相对内效率是蒸汽在汽轮机做功的有效焓降 与理想等熵焓降的比值。 由于饱和蒸汽发电是主要是利用低温余热资 源，所以产生的饱和蒸汽主要是温度低于３００℃的 蒸汽，而由饱和蒸汽比焓和温度之间的关系曲线可 知，当温度不超过２４０ｃＣｌ时，比焓随温度的升高而增 加，超过此温度时比焓随温度的增加而减小，所以在 饱和蒸汽发电过程中，饱和蒸汽的温度不宜超过 ２４０℃ 图４饱和蒸汽热力过程（１ｒｓ） 姗嬲撇勰册珊瑚温度，℃ 图５饱和蒸汽比焓和温度的关系 篓 ０．４ ０．８ １．２ １五２－０ ２．４ ２．８ ３．２ ３．６ ４．０ ４．４ ４．８ 压力，ｍ 图６饱和蒸汽比焓与压力的关系 如图６为饱和蒸汽比焓与温度之间的关系，由 图可知在压力小于３．０ ＭＰａ时，饱和蒸汽的比焓随 压力的增大而增大；而当压力大于３．０ ＭＰａ时，饱和 蒸汽的比焓随着压力的增大而减小；因此，饱和蒸汽 发电中饱和蒸汽的压力不宜大于３．０ ＭＰａ。 ５．２．２排汽参数 排汽压力的选择主要和当地的平均温度和钢材 ・３２９・ 删的价格有关，一般要根据实际发电情况进行对排汽 压力选择。由图７可知，排汽温度是随着排汽压力 的增大而增大。但是排汽压力选择不宜过大，这样 就会造成蒸汽的焓降较低，影响发电效率和发电量。 一般排汽压力在０．００４～０．０１ ＭＰａ之间。 压力 Ｐａ 图７排汽压力与温度的关系 随着排汽湿度的增加，蒸汽的焓降就越大，但是 对末级叶片的腐蚀就越严重。现代汽轮机的排汽湿 度大约是在１０％左右，最大不超过１２％Ｌ ８ｊ。 ５．３机组效率问题 由于饱和蒸汽固有的特点，在利用饱和蒸汽发 电过程中往往机组效率较低，所以要采用必要的措 施提高机组效率。（１）减少漏气损失，据统计，在汽 轮机各项损失中，漏气损失占总损失的２９％，而动 叶损失则占总漏气量的８０％ｌ９ ；（２）降低流动损失， 优化设计零部件结构、汽封结构、阀门和管道与排气 蜗壳结构；（３）改进排气汽缸结构，例如通过去除支 撑梁和提供较大面积的特征流道改善流动特征，从 而减少凝汽式汽轮机的紊流；（４）改善叶型设计；例 如可以对末级叶片采用马刀型静叶，提高根部的反 动度，对末级叶片采用蜂窝汽封，加强去湿效果，减 少对叶片的水蚀。此外开发和研究高性能叶片材料 也是提高机组效率的关键之一。 ６饱和蒸汽发电发展因素 目前，饱和蒸汽发电主要集中在钢铁行业，但是 仍然有很多行业和领域的余热资源没有被开发利 用，其中一个重要的原因就是技术不成熟。众多的 企业对大量的、白白浪费的资源束手无策。而我国 的饱和蒸汽发电（甚至余热发电）绝大多数为我国 的高耗能行业，对发电技术的理解存在着一定的先 天性的局限，普遍存在着跨行业能力不足的缺点，这 与迫切的市场需求存在着巨大的反差 …。 由于饱和蒸汽发电来源于各高耗能行业生产的 废气，这就决定着这些废气的种类、特性和参数各不 ．３３０・ 相同。因此，针对不同的行业和种类的废气热源将 有着不同参数的发电技术，这就需要各种不同种类 的发电机组与之配套，不能形成一种行业标准，这就 延长了工程时间，而且有些饱和蒸汽发电机组可能 需要进口，初期的投资也将加大。但是作为一种新 兴的产业，饱和蒸汽发电技术可以从以下几方面提 升。（１）对余热资源进行科学、明确的分类，制定科 学的、统一的技术标准；（２）提升饱和蒸汽发电技术 的深度，使其实际运行指标在设计指标范围内运行； （３）加大对工业汽轮机技术的研究，开发与饱和蒸 汽发电相适应的非标准汽轮机，并逐步实现标准化， 以提高热机效率；（４）增加对饱和蒸汽发电技术的 研发投人；（５）提高电站运行管理水平；（６）采用余 热发电专业投资者与企业合作的合同能源管理模式 （ＥＭＣ模式），ＥＭＣ模式可以很好的解决技术和资 金的问题，特别适应成熟度不高的行业和规模不够 大的高耗能企业。 ７ 结语 饱和蒸汽发电技术作为一种低品位能源的利用 技术，有着巨大的发展潜力。希望政府主管部门、耗 能企业、节能服务公司和科研单位等社会力量多关 注和参加到饱和蒸汽发电行业中来，不断规范行业 标准，提高行业技术水平，推动企业健康、持续发展。 我们相信，饱和蒸汽发电行业的繁荣和发展必将为 我国的节能减排战略目标的实现做出应有的贡献。 参考文献 ［１］连红奎，李艳，等．我国工业余热回收利用技术［Ｊ］． 节能技术，２０１１，２９（２）：１２３—１２８，１３３． ［２］黄生琪，周菊华．我国节能减排的意义、现状和措施 ［Ｊ］．节能技术，２００８，２６（２）：１７２—１７５． ［３］韩建峰，宫栋杰．饱和蒸汽发电在东岭锌品厂的应 用［Ｊ］．实用科技，２００９，１７（８）：２８８． ［４］姜亮，朱亚军，等．低温余热发电系统中涡轮膨胀机 的优化研究［Ｊ］．节能技术，２０１２，３０（５）：４００—４０４． ［５］韩魏，李志．螺杆膨胀动力机余热利用系统介绍及 前景分析［Ｊ］．船电技术，２００９，２９（９）：５５—５８． ［６］张秀坤，蒋明东，等．国产６００ ＭＷ汽轮机配汽方式 优化改造［Ｊ］．节能技术，２００５，２３（１）：８７—９０． ［７］郭玉双，夏永军，赵宝珠，等．对汽轮机末级叶片实 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