鋼鐵企業(yè)利用同軸BEST機組節(jié)能效益分析

文_ 申全軍 侯 勇 大唐時代（潞城）節(jié)能科技有限公司

由大唐時代節(jié)能科技有限公司（大唐新能源股份有限公司子公司）投資，以合同能源管理模式與山西興寶鋼廠合作建設(shè)的全國首臺高爐煤氣余壓回收高速同軸透平裝置(BEST同軸機組)于2013年3月底嚙合成功。

1 BEST同軸機組的工作原理及系統(tǒng)組成

BEST（Blower Equal Speed Turbine），即高爐煤氣余壓回收高速同軸透平裝置，是在原有的高爐鼓風機（離心壓縮機或軸流壓縮機）基礎(chǔ)上增加一臺同軸系的高速透平機，利用高爐爐頂煤氣的余壓和熱能，轉(zhuǎn)換為機械能，經(jīng)過同軸系離合器高速嚙合直接驅(qū)動高爐鼓風機，降低原有風機電機電流來實現(xiàn)節(jié)能的一種能量回收裝置。它主要是由BEST/CYL4000 透平機、大型閥門及煤氣管道系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)、氮氣密封系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等組成。

2 BEST同軸機組的工藝流程

該設(shè)備建立在一座550M3高爐離心壓縮機機上，額定轉(zhuǎn)速4810r/min。正常運行時，先由高壓電動機將鼓風機帶到額定工況向高爐送風，待高爐側(cè)爐頂壓力穩(wěn)定后。BEST透平機通過大型煤氣管道，把經(jīng)過除塵的高爐煤氣（壓力為135KPa,溫度為145℃）通過進口蝶閥、進口插板閥，最后經(jīng)過快速切斷閥后引入膨脹透平機進行膨脹做功，高爐側(cè)的減壓閥組全關(guān)，轉(zhuǎn)換成的機械能直接通過高速離合器和高壓電動機共同拖動鼓風機運行，經(jīng)過自動化控制系統(tǒng)PID自動調(diào)節(jié)控制靜葉的開度，調(diào)節(jié)爐頂壓力，可使爐頂壓力穩(wěn)定在±3KPa以內(nèi)。經(jīng)透平機做完功的煤氣壓力最低降為7KPa，溫度最低降為70℃（透平機的出口壓力是根據(jù)低壓煤氣管網(wǎng)的壓力而變化的），這樣在正常運行時，透平機將取代煤氣管網(wǎng)原有的減壓裝置，將損失在減壓裝置上的能量回收利用，最后通過出口插板閥和出口蝶閥送至低壓煤氣管網(wǎng)。

在進、出口管道之間和透平機并列的安裝兩個旁通閥，在遇到異常需緊急停機時，快速切斷閥迅速關(guān)閉，將透平機快速和系統(tǒng)分離，旁通閥則快速打開確保高爐壓力正常停運，將高爐壓力穩(wěn)定地切換至減壓裝置。同時，離合器的在線投入和切除，都不會影響高爐鼓風機的正常運行。當透平機需要檢修時，將進、出口插板閥關(guān)閉即可。工藝流程見圖1。

3 BEST同軸機組運行工況及經(jīng)濟效益

BEST透平機自首次嚙合以來，工況運行穩(wěn)定，推力瓦溫不超過43℃，軸振不超過30μm，軸承溫度小于70℃；高爐煤氣參數(shù)從壓力135KPa、溫度145℃降至壓力20KPa、溫度90℃；高爐爐頂壓力可穩(wěn)定控制在設(shè)定值的±3KPa以內(nèi)，為高爐的穩(wěn)定生產(chǎn)及提高產(chǎn)量創(chuàng)造了有利的條件。

目前，從首次嚙合運行至今，通過各表單記錄統(tǒng)計表明，高壓電機日耗電量可節(jié)約28%以上。

圖1 工藝流程圖

圖2 BPRT現(xiàn)場布置圖

圖3 BEST現(xiàn)場布置圖

4 BEST與BPRT同軸機組技術(shù)特點比較

BEST與BPRT同軸機組技術(shù)均是將鼓風機和煤氣透平機合并為同一系統(tǒng)，是高爐鼓風機電機與煤氣透平雙能源驅(qū)動的能量回收機組。同軸機組裝置不消耗任何燃料，是消除鋼廠噪音污染無公害的最經(jīng)濟的設(shè)備，可以代替減壓閥組調(diào)節(jié)、穩(wěn)定爐頂壓力，是煉鐵工序重要的節(jié)能措施之一。它使能量回收機組原有系統(tǒng)簡化，取消發(fā)電機及發(fā)配電系統(tǒng)，合并自動控制系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、動力油系統(tǒng)等。同軸機組的離合器當輸入端相對輸出端升速時，離合器自動嚙合，煤氣透平回收的功率與電動機共同驅(qū)動高爐鼓風機，當透平機故障或爐況不順、休風及煤氣量不足時，輸入端相對輸出端降速時，離合器自動將煤氣透平在線脫開，保證高爐的正常生產(chǎn)。煤氣透平機與高爐鼓風機同軸運行，使煤氣透平機機組回收的能量直接驅(qū)動鼓風機，避免能量轉(zhuǎn)換的損失，使電動機降低電流達到節(jié)能的功效。但BEST同軸機組相對BPRT同軸機組技術(shù)優(yōu)越性在于它們的主機工藝及布置上的差別，BPRT同軸機組主機工藝布置為：電動機+齒輪變速箱+高爐軸流壓縮機+變速離合器（齒輪增速箱與離合器的組合）+透平機，而BEST同軸機組主機工藝布置為：電動機+齒輪變速箱+高爐軸流(或離心)壓縮機+離合器+透平機。兩者現(xiàn)場布置見圖2、圖3。

從現(xiàn)場布置圖可分析出BEST同軸機組技術(shù)優(yōu)越性：

（1）省去變速離合器中的齒輪增速箱，即BEST同軸機組當透平機的轉(zhuǎn)速高于高爐鼓風機轉(zhuǎn)速后直接嚙合，而BPRT同軸機組當透平機的轉(zhuǎn)速經(jīng)過齒輪增速箱增速后轉(zhuǎn)速高于高爐鼓風機轉(zhuǎn)速后才直接嚙合，減少了能量在中間環(huán)節(jié)的損失。

同時，省去變速離合器中的齒輪增速箱，減少了占地面積；提高了其設(shè)備的適用性。因新增置的設(shè)備減少，施工時的經(jīng)濟費用也會大大的降低。即可節(jié)約投資成本，達到了節(jié)能效果，更縮短了資金回收周期。

（2）BPRT采用徑向下方進氣和排氣的傳統(tǒng)軸流壓縮機和余壓透平，缺點是布置方式為上、下兩層布局，土建結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費用大，日常維護量大。而BEST采用“軸向進氣，單層布局”技術(shù)和結(jié)構(gòu)，構(gòu)成同軸串聯(lián)單層布局，節(jié)約土建費用，日常維護方便，整機結(jié)構(gòu)緊湊合理。

(5)由于BEST技術(shù)采用軸向進氣的方式，故高壓端無需軸封，只在低壓端設(shè)置軸封，而且是通過自動調(diào)節(jié)裝置來調(diào)節(jié)軸封壓力，大大降低氮氣用量，可最大限度的降低其生產(chǎn)成本。

總之，BEST與BPRT機組相對比，效率更高，而且機組設(shè)計更緊湊，適應(yīng)場地比較緊張的場所，較BPRT機組有更強的競爭力。

5 結(jié)論

BEST透平機是我國首臺同軸系的高速透平機，自嚙合運行以來各工況運行穩(wěn)定，即回收了原本浪費在減壓閥組上的能量，又大大降低了運行的成本，達到了節(jié)能降耗、保護環(huán)境的目的。目前現(xiàn)階段，我國鋼鐵行業(yè)普遍處于低速發(fā)展時期，BEST透平機安裝時的通用性，更可以最大化地降低鋼鐵企業(yè)節(jié)能設(shè)備的投資和生產(chǎn)成本，是一項非常值得借鑒和推廣的技術(shù)。