高爐煤氣差壓發電研究

             萊鋼高爐高爐煤氣差壓發電項目可行性分析

                   上海申弘閥門有限公司

摘　要：利用高爐煤氣差壓發電,是鋼鐵企業一項有效的能源回收措施。它不僅能回收高爐鼓風機所耗30%的能量,同時又凈化了煤氣,改善了高爐煤氣的品質。既有明顯的經濟效益,又有明顯的社會效益。

關鍵詞：高爐煤氣;差壓發電;可行性;分析 煤氣減壓閥

Feasibility Analysis on Utilizing Differential Pressure of BF Gas for Producing Electric Power

Abstract：Utilizing differential pressure of BF gas for producing electric power is an effective measure that reclaims energy in steel enterprise.It not only reclaims 30 percent of energy which is consumed by the blast fan,but also purifies gas and improves qulaity of gas.It can bring obvious profits and social effects.

Keywords：BF gas;utilizing differential pressure of BF gas;for producing electric power;feasibility;analysis

　　利用高爐煤氣差壓發電,是鋼鐵企業一項有效的能源回收措施,TRT裝置是能量回收透平裝置,它是利用高爐煤氣所具有的壓力能、熱能,通過一臺透平機膨脹作功,來進行能量回收的一種裝置。它具有結構簡單、污染沙、容量大、壽命長和節能顯著的優點,因此在能源綜合利用上獲得越來越廣泛地應用。TRT技術是的、成熟的,具有良好發展前景。減壓閥組作為煤氣凈化系統中重要設備,其作用是調控制高爐爐頂壓力,在自動化控制下,使高爐在合理的爐頂壓力下正常運行[1]。由于現在高爐大型化,爐頂壓力逐漸提高,減壓閥組使用時產生的壓力差也逐漸增大,煤氣流速增強,引起減壓閥組振動加大。在實際生產過程中,就曾出現過因振動過大引起的管道破裂而煤氣泄露事故。因此,研究減壓閥組振動特性就顯得很有實際意義。本文通過分析,改進結構,提高了減壓閥組固有頻率,改善了抗振性,避免共振。2模型建立2.1三維實體模型以某廠的高爐凈煤氣減壓閥組為研究對象,建立三維模型。該減壓閥組長度為8m,兩端為封頭結構形式,中間由3個支管連接起來,每個支管中間安裝一個蝶閥,其中兩個蝶閥通徑為DN800,一個為DN400。建立其三維實體模型的時候考慮到其計算精度的影響和有限元模型的計算規模,對其進行相應簡化。蝶閥的主軸(含閥板)與閥體是軸承連接,其本身振動特性對于整個減壓閥組的振動特性影響很小,因此,在建立三維模型

　　萊蕪鋼鐵集團有限公司(簡稱萊鋼)的兩臺750m³高爐均為高壓爐頂設計,高爐煤氣的出口壓力為0.149MPa,高爐煤氣的遠用戶——焦化廠所需高爐煤氣壓力為6kPa,這部分差壓都消耗在除塵器、調壓閥組、管道上,其中絕大多數壓力能消耗在調壓閥組上,造成了嚴重的能量浪費。TRT裝置就是利用這部分浪費在調壓閥組上壓力能的裝置,以達到節能降耗的目的。

1 基本計算

1.1 高爐煤氣調壓閥前參數

　　按照高爐運行爐頂計算壓力0.149MPa計,煤氣經引出管→重力除塵器→一級文式管→二級文式管處理后,壓損為30kPa,剩余壓力為0.119MPa。

　　爐頂煤氣溫度按150℃計,一級文式管降溫55℃、二級文式管降溫40℃、閥前管系溫降5℃ 、總降溫100℃,閥前煤氣溫度50℃。現在實際運行測得閥前溫度為48℃,與原設計值基本相符,閥前溫度確定以實測值為準,則T₁為321K。

1.2 TRT機組背壓的確定

　　高爐煤氣進入TRT機組作功后,進入低壓煤氣管網系統。一部分供煤氣混合站混合加壓,用于鋼、軋區生產;另一部分供低壓高爐煤氣的直接用戶。根據用戶使用的保證壓力確定TRT機組的煤氣背壓。低壓高爐煤氣管網的遠用戶為焦化廠焦爐用氣,而且保證壓力高,需要6kPa左右加上輸送壓損1kPa,確定TRT機組的背壓P₂為7kPa(表壓)。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。應用在糧油加工系統中。

1.3 發電量的計算

　　高爐煤氣體積流量Q為26萬Nm³/h;TRT發電煤氣質量流量G為96.06kg/s。

　　發電量根據公式計算。       

　　式中 Q——發電量,kW;

　　 G——煤氣質量流量,96.06kg/s;

　　 R——煤氣氣體常數,277.6J/kg·K;

　　 P₀——當地大氣壓力,98720Pa;

　　 η_e——透平機組效率,0.86;

　　 η_g——發電機組效率,0.97;

　　 T₁——進入透平機煤氣溫度,321K;

　　 P₁——透平機煤氣進氣壓力(絕壓),Pa;

　　 P₂——透平機煤氣進氣壓力(絕壓),Pa。

　　代入(1)式計算TRT機組的發電功率為3329kW。累計年發電量為2.8×10⁷kW·h。

2 主要工藝設備選型及輔機設備

2.1 主機設備

　　煤氣透平機選用雙進口、單出口兩爐并用機型,干濕兩用機,其性能見表1。

表1 煤氣透平機性能

2.2 輔機設備

　　(1)潤滑油系統一套;

　　(2)電液伺服系統一套;

　　(3)給排水系統一套;

　　(4)氮氣密封系統一套;

　　(5)高低壓發配電系統一套;

　　(6)自動控制系統一套;

　　(7)20/5雙鉤慢速橋式吊車一臺。

3 工藝流程與系統設計

3.1 工作原理

　　TRT的主要媒質為高爐煤氣,現萊鋼高爐煤氣是經調壓閥組減壓后并入高爐煤氣低壓管網供用戶使用。TRT裝置就是利用高壓高爐煤氣到低壓煤氣用戶的差壓的能量進行節能發電的一套裝置,其工作原理如下。在高爐煤氣減壓閥組前將高壓高爐煤氣引出,經過TRT裝置的入口蝶閥、截目閥等閥門后進入透平機入口,通過預流器使高爐煤氣轉成軸向進入葉柵,高爐煤氣在靜葉柵和動葉柵組成的流道中不斷地膨脹作功,壓力和溫度逐級降低,并轉化成動能作用于工作輪上使之轉動,工作輪通過聯軸器帶動發電機一起轉動而發電。葉柵出口的氣體經過擴壓器進行擴壓,以提高其背壓達到一定值,然后經排氣蝸殼排出透平機進入低壓管網系統(見工藝流程圖)。

圖1 工藝流程圖

3.2 工藝布置

　　TRT廠房為18×12m,20/5t檢修吊車軌面標高12m,廠房端頭設副跨18×4.5m,主機軸線與副跨長度方向垂直布置,采用島式基礎,設標為5m的運行平臺,平臺下副跨布置潤滑油站、動力油站、低壓配電室、平臺上副跨設控制操作室、值班室、維修間等。

3.3 系統設置

3.3.1 煤氣系統  煤氣系統為工藝主系統。兩座高爐的煤氣經各自的凈化設施凈化后,分別接入煤氣透平機的兩個入口推動透平機作功后由透平機背壓排氣口排出進入低壓煤氣管網。原煤氣系統主調壓閥組作為透平機的旁路,以備TRT系統檢修時不影響全廠煤氣系統的運行。

　　透平入口煤氣管理上各設一電動蝶閥、一快速切斷閥、一液動緩閉止回閥。在機組排氣管道上設截止閥和止回閥各一道,保證原煤氣系統的工作。為保證機組檢修時的安全,機組煤氣進出口管道上、聯絡管閥前后均設置盲板。

　　為配合TRT機組的正常運行,原煤氣管道系統的減壓閥組還必須進行改造,具體改造如下:

　　(1)設置一臺自動閥,接受來自高爐爐頂壓力調節器的控制信號,自動調節爐頂壓力。

　　(2)設置一臺量程閥,根據自動閥閥位進行自動調整,保證自動閥在線性區工作。

　　(3)設置兩臺快開閥,采用一用一備方式。當TRT機組發生重大事故需要緊急停機時,該閥能夠自動開啟,保證爐頂壓力的波動在允許范圍之內。

3.3.2 潤滑油系統   潤滑油系統由潤滑油站、高位油箱、油泵、閥門及檢測儀表等組成。大型透平機、壓縮機都是靠軸承支撐來進行旋轉工作的,要保證機組安全可靠地運行,其重要的一個環節就是要給各軸承潤滑點及時提供一定量的稀油循環潤滑,以滿足機組在正常工況下及事故狀態下潤滑油供給,這就是潤滑系統的作用。當設備停電或油泵發生故障不能供油時,機組的停機,靠高位油箱自然位差維持機組的供油,即高位油箱提供機組旋轉慣性所需的潤滑油。

3.3.3 電液伺服控制系統   電液伺服控制系統包括液控單元、伺服油缸、動力油站等。在TRT裝置中,根據主控室指令,來實現TRT的開、停、轉速控制、功率控制、爐頂壓力以及過程檢測等系統控制,要實現以上系統的功能控制,終要反應在控制透平機的轉速上,要控制透平機的轉速,就要控制調速閥或透平靜葉的開度,而控制靜葉或調速閥開度的手段就是電液位置伺服控制系統。控制系統的精度、誤差將直接影響著TRT系統各階段過程的控制。

3.3.4 給排水系統   給排水系統由排水密封罐、排水器、閥門及各油站水冷卻器組成。為了防止透平積灰、堵塞,設置軟水噴霧設施。噴水點在調速閥體前及透平主機一級靜葉前。根據透平入口煤氣含塵量的高低及透平積灰情況,可選擇連續噴水或間斷噴水。在緊急快切閥前及調速閥體設有定期沖洗噴嘴。為了將透平主機前、后管道及主機內的機械水、冷凝水安全排放,設有一個排水密封罐和三級排水器。各不同壓力點的排水通過排水管和節流孔板流入排水密封罐,然后污水經三級排水器外排。排水密封罐底部設定期沖洗噴嘴,起攪拌、防止積灰作用,也可以通過這些噴嘴補充水量。

3.3.5 氮氣密封系統  由于TRT透平機組的工質為高爐煤氣,屬于可燃有毒氣體,因此決不能讓其外泄,為此透平機組必須進行密封。根據現場情況,利用氮氣密封比較合適。

3.3.6 高低壓發配電系統高爐煤氣余壓透平發電裝置,是利用高爐煤氣的壓力能,通過透平膨脹作功驅動發電機發電的回收裝置,是高爐系統的一項附屬設備。由余壓發電的特點決定了發電機的出力不能根據負荷的需要調節,而只能根據高爐工況變化進行調節,發電機出力隨著高爐爐頂壓力波動而變化。為此,發電機選用無刷勵磁同步發電機 。

4 經濟效益分析

　　就目前萊鋼兩座高爐的運行情況分析,安裝TRT裝置后,每小時可發電3329kW,全年可發電2.8×10⁷ kWh,按每kWh上網電價0.42元計,每年可獲得1176萬元的經濟效益,這效益是相當可觀的。該項目投資估算約3110萬元,年運行費用300萬元,投資回收期3.5年,每年將給萊鋼帶來876萬元的純收益。

5 結 語

　　根據TRT的輸出功率和流量、溫度、壓力、效率等關系式可知,提高TRT的輸出功率的主要有如下途徑:

　　(1)提高透平差壓,即提高P₁。

    (2)提高煤氣進氣溫度T₁。

　　(3)增大煤氣進氣量。

　　(4)提高透平和發電機效率。

　　在(3)、(4)前提條不變的情況下,要提高TRT的功率主要靠提高P₁和進氣溫度。由于目前萊鋼兩座高爐均采用了兩級文氏管濕式除塵器,使得煤氣的壓力、溫度下降幅度較大,浪費了大量的能量。若將兩級文氏管除塵器改為干式40m²電除塵器后,透平機煤氣進口壓力P₁可由0.119MPa提高到0.13 MPa,透平機煤氣進口溫度T₁可由48℃提高到135℃,那么可增加透平機的發電量1161kW,年銷售收入增加410萬元。兩臺兩電場電除塵器的投資費用不會超過250萬元,因此,將濕式文氏除塵器改為干式電除塵器后,不僅每年可多產生410萬元的經濟效益,投資回收期縮短到2.6年;而且由于電除塵器的除塵效率高,對透平機造成的不利影響較小,可以延長透平機的使用壽命。因此,建議將現有的濕式文氏管除塵器改為干式電除塵器。

　　由于TRT在運轉中不需要燃料,不改變高爐煤氣的品質,也不影響原有煤氣用戶的正常使用卻回收了約占高爐鼓風機所需能量的30%左右,同時又凈化了煤氣,改善了爐頂的壓力控制,是典型的節能裝置。既有明顯的經濟效益,又有明顯的社會效益。

與本論文相關的論文有：YK43F先導活塞式減壓閥在煤氣管道應用