对钢铁联合企业电力模型的分析研究.pdf-_矿业文库_煤矿文库_有色文库_金属矿山文库_矿山安全_煤矿安全_采矿技术措施

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书书书收稿日期２０１４－０１－２０基金项目辽宁省教育厅科学技术研究项目（Ｌ２０１２０８２）作者简介刘精宇（１９８１－），男，辽宁沈阳人，东北大学博士研究生．第３５卷第１２期２０１４年１２月东北大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．１２Ｄｅｃ．２０１４ｄｏｉ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－３０２６．２０１４．１２．０１１对钢铁联合企业电力模型的分析研究刘精宇１，常勇２（１ 东北大学国家环境保护生态工业重点实验室，辽宁沈阳１１０８１９；２ 山西太钢不锈钢股份有限公司，山西太原０３０００３）摘要电力是钢铁企业生产中的重要能源，对整个流程的作业举足轻重．建立了４种钢铁企业的电力和蒸汽发电技术的模型，应用投入产出法对这些动力设备转换模式的模型进行了能源输入、电输出量，蒸汽轮机、燃气轮机、燃煤锅炉余热回收率分析，结合实际的数据对３家典型钢铁企业的电转换率、余热余能回收率和整体转换效率进行了比较，并对这些模型进行了探讨．这些模型的建立对钢铁企业的电力生产具有重要意义．关键词投入产出法；电力转化效率；蒸汽发电；余热回收效率；整体转化效率中图分类号ＴＫ０１８文献标志码Ａ文章编号１００５－３０２６（２０１４）１２－１７１９－０４ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭｏｄｅｌｓｏｆＰｏｗｅｒＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｎＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＦａｃｔｏｒｙＬＩＵＪｉｎｇ  ｙｕ１，ＣＨＡＮＧＹｏｎｇ２（１．ＳＥＰＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｎＥｃｏ  ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８１９，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａｎｘｉＴａｉｇａｎｇＩｒｏｎ＆ＳｔｅｅｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ０３０００３，Ｃｈｉｎａ．ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒＬＩＵＪｉｎｇ  ｙｕ，Ｅ  ｍａｉｌｈｓｔ＿ｌｊｙ＠１６３．ｃｏｍ）ＡｂｓｔｒａｃｔＥｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｎｅｒｇｙｉｎｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｉｒｏｎ＆ｓｔｅｅｌｆａｃｔｏｒｙ，ｗｈｉｃｈｐｌａｙｓａｄｅｃｉｓｉｖｅｒｏｌｅｉｎｔｈｅｗｈｏｌｅｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｆｏｕｒｋｉｎｄｓｏｆｍｏｄｅｌｓｏｆｓｔｅａｍｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ．Ｅｎｅｒｇｙｉｎｐｕｔｓ，ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｏｕｔｐｕｔｓ，ｒｅｃｏｖｅｒｅｄｗａｓｔｅｈｅａｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆｂｏｉｌｅｒｓ，ｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅｓ，ｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｓａｎｄｃｏａｌ  ｆｉｒｅｄｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｉｎｐｕｔ  ｏｕｔｐｕｔｍｅｔｈｏｄ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｗａｓｔｅｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙａｎｄｏｖｅｒａｌｌｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｄａｔａｏｆｔｈｒｅｅｔｙｐｉｃａｌｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｎｄｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｓｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｍｏｄｅｌｓｈａｖｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｐｏｗｅｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｎｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｉｎｐｕｔ  ｏｕｔｐｕｔｍｅｔｈｏｄ；ｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｓｔｅａｍｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｗａｓｔｅｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｏｖｅｒａｌｌｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ钢铁企业生产流程中，会产生很多余热资源（高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气），这些资源的回收是非常重要的，可以节省企业成本，减少能源消耗，因此，提高工业流程中这些能源的转化效率对节能减排具有重要意义［１］．钢铁联合企业里有很多发电设备，包括燃气轮机发电、蒸汽锅炉发电、联合循环、热电联产（ＣＨＰ）［２－３］等．钢铁工业是全国最大的能源消耗生产工业，占全国总能耗的１７％左右［４］．电力是钢铁企业中重要的资源之一，在能源消耗中大约占２６％．国内外很多专家和学者都对钢铁联合企业的工业流程进行了研究［５－８］，但是对电力生产进行研究的非常少．本文应用投入产出法，建立了４种蒸汽和电力生产的模型，其中３种是热电联产生产的模型，一种是只生产蒸汽的模型．结合３家典型的钢铁企业数据作为每种模型的输入和输出，比较每种模式的能源转换率和余热回收效率，并对这些模型进行讨论．１电力和蒸汽生产模型当今钢铁工业中电力和蒸汽生产的４种模式主要为燃气轮机热回收、蒸汽轮机回收、联合循环、燃煤锅炉蒸汽生产．１  １燃气轮机余热回收第一种模型如图１所示，由一个余热回收的燃气轮机发电机组组成．依据能源转化效率和热力学第一定律，该模型有如下关系式．图１余热回收燃气轮机模型Ｆｉｇ．１Ｍｏｄｅｌｏｆｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｗｉｔｈｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｘ１＝ η１ｘ２，（１）ｘ２＝ｘ１＋ｘ３，（２）ｘ４＝ η２ｘ３，（３）ｘ３＝ｘ４＋ｘ５．（４）１  ２余热回收蒸汽轮机模型由一个余热回收的蒸汽轮机发电机组组成，如图２所示．它包含如下６个方程和１０个变量．ｘ６＝ η３ｘ７，（５）ｘ７＝ｘ６＋ｘ８，（６）ｘ７＝ η４ｘ１１，（７）ｘ１１＝ｘ７＋ｘ１２，（８）ｘ９＝ η５（ｘ８＋ｘ１２），（９）ｘ８＋ｘ１２＝ｘ９＋ｘ１０．（１０）图２余热回收蒸汽轮机模型Ｆｉｇ．２Ｍｏｄｅｌｏｆｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅｗｉｔｈｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙ１  ３联合循环联合循环模型如图３所示，在联合循环中，燃气轮机尾端产生的废气被送到一个热回收蒸汽发生器，然后产生蒸汽被送入到蒸汽轮机．ｘ１３＝ η６ｘ１４，（１１）ｘ１４＝ｘ１３＋ｘ１５，（１２）ｘ１６＝ η７ｘ１７，（１３）ｘ１７＝ｘ１６＋ｘ１８，（１４）ｘ１７＝ η８（ｘ１５＋ｘ２２），（１５）ｘ１５＋ｘ２２＝ｘ１７＋ｘ１９，（１６）ｘ２０＝ η９（ｘ１８＋ｘ１９），（１７）ｘ１８＋ｘ１９＝ｘ２０＋ｘ２１．（１８）１  ４燃煤蒸汽锅炉发生器这种模型是由燃煤锅炉发生器组成，不产生电，锅炉只用于产生蒸汽，如图４所示．ｘ２４＝ η１０ｘ２３，（１９）ｘ２３＝ｘ２４＋ｘ２５．（２０）２效率分析假设燃煤锅炉的效率相同，都等于０  ８［９］，即 η ４＝ η８＝ η１０＝０  ８．燃气轮机的效率设置为 η １＝η６，蒸汽轮机的效率设置为 η ３＝ η７．则电转换效率为 η ｅｌｅ＝总发电量输入能总量．（２１）根据某钢铁工业协会的数据，从众多的钢铁企业中选取了３家典型企业，其动力设备电转换效率的数据如表１所示．表１典型的三家钢铁企业动力设备的电转换效率Ｔａｂｌｅ１Ｐｒｉｍｅｍｏｖｅｒｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｉｎｔｈｒｅｅｔｙｐｉｃａｌｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ动力设备效率企业１企业２企业３燃气轮机ηｅｌｅｇａｓ０  ２８０  ２４０  ２９蒸汽轮机ηｅｌｅｓｔｅ０  １３０  ０９０  １２通过式（２１）可以确定每种动力设备的电转换效率，通过式（２２）能计算出余热回收效率．图３联合循环模型Ｆｉｇ  ３Ｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｂｉｎｅｄｃｙｃｌｅ三家典型的钢铁企业余热回收率如表２所示．表２三家典型的钢铁企业余热回收率Ｔａｂｌｅ２Ｗａｓｔｅｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｉｎｔｈｒｅｅｔｙｐｉｃａｌｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ动力设备效率企业１企业２企业３燃气轮机ηｒｅｃｇａｓ０  ３７０  ３３０  １４蒸汽轮机ηｒｅｃｓｔｅ０  ５６０  ５７０  ６５联合循环ηｒｅｃｃｏｍ０  ３１０  ６４０  ５１ η ｈｅａｔｒｅｃ＝有用的热能总量余热总量．（２２）每种动力设备的整体转换效率可以由下式计算出 η ｏｖｅ＝有用的热能总量＋总发电量输入能总量．（２３）０２７１东北大学学报（自然科学版）第３５卷图４燃煤锅炉蒸汽发生器模型Ｆｉｇ  ４Ｍｏｄｅｌｏｆｓｔｅａｍｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｉｎｃｏａｌ  ｆｉｒｅｄｂｏｉｌｅｒ三家典型钢铁企业动力设备的整体转换效率数据如表３所示．表３三家典型钢铁企业的整体转换效率Ｔａｂｌｅ３Ｏｖｅｒａｌｌｐｒｉｍｅｍｏｖｅｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｉｎｔｈｒｅｅｔｙｐｉｃａｌｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ动力设备效率企业１企业２企业３燃气轮机ηｏｖｅｇａｓ０  ５５０  ４９０  ３８蒸汽轮机ηｏｖｅｓｔｅ０  ７６０  ７６０  ８５联合循环ηｏｖｅｃｏｍ０  ４６０  ７２０  ５０按照文献［１０］中的技术描述将其他副产品燃料转换成能源来进行估算，假设所有副产品都用来作为锅炉燃料进行消耗．能源输入和输出的数值结果如表４所示．表４能源输入和输出的数值结果Ｔａｂｌｅ４ＮｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｆｏｒｉｎｐｕｔｓａｎｄｏｕｔｐｕｔｓｅｎｅｒｇｙＧＪ变量企业１企业２企业３ｘ１（燃气轮机电输出量）４０．４７２７．０１１６．７８ｘ２（燃气轮机输入能源量）１４４．５４１１２．８９５８．１３ｘ３（燃气轮机余热输出量）１０５．５１８５．９９４１．４６ｘ４（燃气轮机余热回收输出量）３９．１４２７．９６５．６０ｘ５（燃气轮机放散余热输出量）６６．７９５７．０８３５．７７ｘ６（蒸汽轮机电输出量）３７．４５９．９０１７７．２５ｘ７（蒸汽轮机输入能源量）２７９．５９１０６．５６１５２９．８３ｘ８（蒸汽轮机余热输出量）２４１．６１９６．７５１３５０．４７ｘ９（蒸汽轮机余热回收输出量）１７５．１４７０．７９１１１８．３６ｘ１０（蒸汽轮机放散余热输出量）１３０．８３５１．７０６１１．９３ｘ１１（蒸汽轮机锅炉输入能源量）３５０．２８１３２．９４１９０９．６５ｘ１２（蒸汽轮机锅炉余热输出量）７０．１６２６．６９３７９．８２ｘ１３（联合循环燃气轮机电输出量）５５．８１１９．５２１．４１ｘ１４（联合循环燃气轮机输入能源量）２０６．７９８１．３４４．８７ｘ１５（联合循环燃气轮机余热输出量）１５０．８７６１．８３１５０．８７ｘ１６（联合循环蒸汽轮机电输出量）３７．３５７．０３３．０３ｘ１７（联合循环蒸汽轮机能源输入量）２８６．９８７８．０７２５．２２ｘ１８（联合循环蒸汽轮机余热输出量）２５０．０５７１．０１２２．１９ｘ１９（联合循环锅炉余热输出量）７１．７４１９．５２６．３１ｘ２０（联合循环锅炉余热回收输出量）９８．６５５７．６１１４．４５ｘ２１（联合循环锅炉放散余热输出量）２２３．６７３２．９２１４．０３ｘ２２（联合循环锅炉能源输入量）２０７．８５３５．７７３２．９２ｘ２３（燃煤锅炉能源输入量）９２２．１２２２２６．１７２７３．２６ｘ２４（燃煤锅炉蒸汽输出量）７３７．４８１７８３．０４２１８．４０ｘ２５（燃煤锅炉余热回收或放散输出量）１８４．６３４４３．１２５４．８６３结语通过对当今钢铁企业电力及其蒸汽发电技术模型的构建，应用投入产出法分别描述了每种动力设备的能源输入、电力和能源输出，这有利于进行能源管控中心的管理．从这些电力和蒸汽发电模型中，可以知道设备能源效率的高低，钢铁企业应根据自己企业的二次能源回收率及其发电设备（下转第１７３７页）１２７１第１２期刘精宇等对钢铁联合企业电力模型的分析研究

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