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天津鋼管集團高爐煤氣余壓發電(TRT)技術的研

經進入微利時代。節能挖潛、降低生產成本,已經成為影響企業生存的重要因素。
 
早在20世紀80年代,首鋼與日本日立造船合作,在國內率先引進TRT工藝技術和裝備,首鋼國際工程公司通過對該項技術的消化和吸收,進行了集成設計,成功應用于首鋼2號高爐,取得良好的經濟效益和社會效益。在隨后的三十年里,首鋼國際工程公司與陜鼓集團、成發集團合作,先后完成了首鋼、遷鋼、首秦、宣鋼、漣鋼等共16座大型高爐的TRT工藝設計,并與日本三井造船合作,于2007年為首鋼京唐公司兩座5500m3高爐配套設計了裝機容量為36.5MW的TRT機組。
 
目前,首鋼國際工程公司擁有全干式、干/濕兩用和串/并聯高爐煤氣爐頂余壓發電技術,能夠為客戶提供TRT裝置的設計及工程總承包服務,幫助客戶實現回收高爐余壓、降低高爐區域環境噪聲、減輕企業周邊區域用電負荷壓力、實現節能降耗、環境友好型企業的目標。
 
2 TRT工藝流程
 
高爐冶煉中產生大量的含塵爐氣,這部分氣體中富含CO和少量的H2,是鋼鐵企業的二次能源,它經過凈化達到工業爐窯使用標準后,進入TRT裝置,氣體在機械內膨脹做功,推動與透平機同軸的發電機旋轉發電。膨脹后的高爐煤氣進入廠區低壓煤氣管網。整個工藝過程中高爐煤氣始終在密閉的管道和密封程度高的煤氣透平機內運行,無任何泄露和污染。隨著科學技術水平的不斷提高,TRT年運行時間已經達到8000h以上,有些已與高爐作業時間基本同步。當TRT機組檢修時,高爐煤氣經過減壓閥組進入低壓管網。
 
按照減壓閥組與TRT裝置相對位置的不同,分為并聯流程、串聯流程兩種。
 
3 TRT工藝設計基本原則
 
安全、穩定、連續運行的設計理念,是TRT系統建設的基本原則,明確TRT系統是為高爐服務的性質,在不影響高爐操作的前提下,盡可能多發電。
 
1)安全性
 
其一,是確保高爐的安全生產,由于TRT機組是保證高爐頂壓穩定的關鍵設備,因此設備的選型及設施配置必須首先著眼于保證頂壓穩定、確保高爐安全生產,制定出一套完整、準確、可操作性強的設計方案。其二,由于高爐煤氣的自身特點,極易造成爆炸和人員中毒,導致人身傷亡的重大事故發生,因此需大大加強透平機自身運行的安全性。
 
2)可靠性
 
選用適合的TRT機組,使之適應高爐頂壓在變工況時的生產狀況,這些措施大大提高了TRT機組的運行時間,使之與高爐運行時間相同或接近,在給高爐穩定生產提供了安全保證的同時盡可能多發電。
 
3)連續性
 
為確保高爐生產的穩定并且盡可能多發電,TRT機組運行應是連續的,而不應是時停時開。在TRT機組設計中充分考慮到各種工況條件下,保證機組正常運行的措施和控制、調節手段,從而確保在高爐允許的情況下機組的連續運行。
 
4 TRT技術特點
 
1)配置干濕兩用TRT裝置
 
在高爐煤氣濕式除塵與干式除塵互為備用的條件下,配置干濕兩用TRT裝置,擴大了TRT機組應用范圍,同時摸索出了干濕兩用TRT裝置的關鍵技術。
 
高爐煤氣凈化工藝分為干式凈化和濕式凈化兩種,一些高爐采用干式為主、濕式為輔的互為備用方式。由于干熱煤氣、濕式飽和煤氣在交替或相混合狀態下經過TRT設備,對機組的氣動設計、流場分布及葉片表面防腐處理、密封間隙等要求都是不同于單一種類的煤氣,同時干濕切換時的工藝設備配置及控制過程也不同于單一凈化方式。首鋼國際工程公司通過對首鋼北京廠區3號高爐干濕兩用型TRT機組的開發與實踐,掌握了該項技術的核心點,取得了良好的效果。
 
2)高爐煤氣爐頂余壓發電裝置與高爐減壓閥組串并聯工藝布置
 
采用高爐煤氣爐頂余壓發電裝置與高爐減壓閥組串并聯工藝布置的工藝流程優化技術以及工藝控制技術。
 
國內外在高爐上建設大型TRT裝置有兩種布置實例:TRT裝置與高爐減壓閥組并聯布置或TRT裝置與高爐減壓閥組串聯布置。并聯布置可以實現全流量回收高爐煤氣能量,使TRT控制系統簡捷,便于維護,TRT旁通系統可隨TRT裝置同期檢修。串聯布置系統的主要優點是可以實現TRT的低壓啟動控制和低壓運行,提高TRT啟動的可靠性,使TRT裝置無論是在低壓狀態(不控制高爐頂壓)還是在高壓狀態均能運行發電,實現了階梯式發電運行方式。首鋼國際工程公司根據不同生產實際需要,分別在多座高爐上成功運用了上述兩種布置形式,其中應用串聯布置的TRT裝置為5套,采用并聯布置的TRT裝置達到10余套,均取得了顯著效果。
 
3)高爐頂壓串級調節技術
 
TRT裝置的控制主要包括透平機啟機控制、升速控制、透平機前壓力控制,高爐爐頂壓力控制、升功率和降功率控制、以及正常停機和重故障停機控制、氮氣密封控制及輔助設備自動控制等,其中確保高爐爐頂壓力的穩定是TRT控制的首要任務。
 
首鋼國際工程公司所設計的TRT裝置全部采用高爐爐頂壓力串級調節技術,針對高爐爐頂壓力在正常工況和異常工況下的不同參數,設計了前饋補償控制,即選擇爐頂壓力調節系統為調節主要參數,透平機前壓為副參數,并采用“偏差先行”策略,實現了高爐頂壓控制平穩和安全運行的目的。
 
通過采用高爐頂壓串級調節技術,主副調節回路同時作用,使爐頂壓力控制偏差精度從單回路控制偏差2-3kPa減小到1-2kPa,受到好評。
 
4)TRT裝置在干法除塵運行中獨特的安全技術
 
近些年來,由于干法除塵逐漸被廣泛采用,進口礦石的用量也逐漸增加,爐料中氯化物含量增加,一些干式機組在運行很短時間內相繼出現末級動葉結晶現象,結晶體厚度超過3-4mm后會出現局部脫落,使機組轉子動平衡被破壞,造成振動值超標。結晶體分析結果為氯化銨。針對上述問題,首鋼國際工程公司不斷摸索、實踐,根據結晶體特性,制定出一套完整的解決方案,首先根據氯化銨遇水即被溶解的特性,在透平機合適的位置設置噴水裝置,定期對葉片進行清洗。另外,對于有些無法安裝噴水裝置的透平機,采取在透平機入口增加噴藥裝置的措施解決,將少量專用藥劑噴入煤氣管道內,以阻止灰垢及結晶體在葉片表面的附著,延長機組運行時間。
 
實踐證明,采取上述措施后,機組的平均檢修時間可降低3倍以上。
 
5首鋼國際工程公司TRT技術優勢
 
首鋼國際工程公司在TRT工程設計中積累了多項專有技術,例如:(1)全干式、或干濕兩用高爐煤氣爐頂余壓發電裝置與高爐減壓閥組串并聯工藝布置的工藝流程優化技術;(2)全干式高爐煤氣爐頂余壓發電裝置露天化。(3)大型設備特征及附屬設施緊湊型工藝布置優化技術等。公司的設計團隊具有以下的技術優勢:
 
u      掌握濕式、干式、干濕兩用機組的技術特征及控制原理,可以滿足在不同工況下對TRT裝置的配置要求。
 
u      掌握串并聯布置的工藝流程和工藝配置技術,并具有成功的工程實例。
 
u      擁有特大型高爐TRT裝置自主集成的設計經驗,實現了設備大型化、裝置露天化、集約型設計的目標。
 
u      掌握高爐爐頂壓力控制系統串級壓力調節原理,保證爐頂壓力偏差控制在1-2kPa范圍。
 
u      實現TRT機組低壓啟動、低壓運行的操作方式,提高了機組啟動、運行時的安全性,保證機組在啟動時不干擾爐頂壓力控制的穩定性。
 
u      實現TRT機組能夠在保證爐頂壓力穩定的條件下自動調節負荷大小變化,盡可能多發電。
 
6 應用業績和典型工程
 
上述技術已成功應用在首秦1號1200m3高爐、首秦2號1780m3高爐、首鋼1號2536m3高爐、首鋼3號2536m3高爐、遷鋼1號2650m3高爐、遷鋼2號2650m3高爐、遷鋼3號4000m3高爐、京唐1號5500m3高爐、京唐2號5500m3高爐等多項工程中,并獲多項獎勵(見表1)。其中,比較具有代表性的有以下幾項:
 
1)首鋼3號高爐TRT裝置
 
高爐容積2536m3,裝機容量15MW。該套裝置于2002年設計,2003年投產,集串聯、干濕兩用技術于一體,是國內同等容積高爐中第一座采用串聯式、干濕兩用TRT機組的項目。該裝置為軸流反動式機組,結構形式為下進、下出式,其結構特征為兩級靜葉,二級靜葉自動可調、一級靜葉可實現全關閉。透平機軸頸與機殼間采用拉別令+氮氣密封結構,從而保證密封的嚴密可靠。裝置運行后,高爐爐頂壓力控制品質優良,實現無擾動干/濕切換。
 
2)遷鋼3號高爐TRT裝置(見圖1)
 
高爐容積4000m3,裝機容量30MW,于2008年設計,2009年投產。該套裝置為純干式兩級軸流反動式機組,全靜葉可調,結構形式為下進、軸向出氣,整機水平剖分,機殼鑄造結構。軸端密封采用國外先進的特殊密封型式,降低了N2耗量,提高經濟效益。
 
3)首鋼京唐5500m3高爐TRT裝置(見圖2)
 
京唐共有兩座5500m3高爐,高爐煤氣除塵均采用全干式袋式除塵工藝,并配置全干式TRT裝置,機組全部為露天設置,裝機容量36.5MW。該套裝置為引進日本三井造船的透平機機組,為三級靜葉全自動可調,結構形式為下進、軸向出氣。
 
京唐1號高爐TRT于2009年9月投產,2號高爐TRT裝置于2010年9月投產,頂壓控制精度穩定在1-2kPa,發電量為30-32MWh,實現噸鐵回收電能45-50kWh 。


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