安鋼2#高爐配套軸流壓縮機兩種驅(qū)動方式的能源消耗對比分析

馬理軍 郭宏棟 王偉明 王慶豐 陳永峰

（安陽鋼鐵股份有限公司)

0 引言

隨著鋼鐵行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，冶金行業(yè)利潤空間進一步縮小，對煉鐵高爐生產(chǎn)提出了更嚴格的節(jié)能標準，不僅要求規(guī)模化、智能化，而且對成本控制能力的要求也越來越高。高爐壓縮機是煉鐵生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)，使用汽動壓縮機還是電動壓縮機一直是困擾大家的難題。為此，筆者對高爐壓縮機系統(tǒng)煤氣能源消耗進行了計算，并對其經(jīng)濟效益進行了比對，為同行業(yè)在壓縮機驅(qū)動方式的選擇中提供了直接的數(shù)值參考。

1 系統(tǒng)概述

1.1 汽動壓縮機系統(tǒng)的具體配置和運行方式

安鋼2#高爐配套的汽輪壓縮機組，壓縮機采用陜鼓AV90-16型。E點工況為廠家設計說明書中給出的年平均參數(shù)值,壓縮機年平均流量5 880 Nm3/min，E點排氣壓力0.57 MPa，軸功率28 544 kW。

汽輪機采用西門子NK63/90/32凝汽式中溫、中壓工業(yè)汽輪機，為軸流式通過膜片式聯(lián)軸器拖動壓縮機，驅(qū)動方式如圖1中所示。

鍋爐采用江西鍋爐廠制造的JG－180/3.82－Q和JG－130/3.82－Q，額定蒸發(fā)量為180 t/h和130 t/h, 額定過熱蒸汽壓力為3.82 MPa。

鍋爐燃燒高爐煤氣產(chǎn)生蒸汽，蒸汽驅(qū)動工業(yè)汽輪機帶動壓縮機運轉(zhuǎn)，空氣通過過濾器進入軸流壓縮機，經(jīng)過多級壓縮后，達到高爐所要求的冷風壓力。為平衡煤氣管網(wǎng)壓力，防止能源浪費，同時建有一臺30 MW發(fā)電機組進行調(diào)峰發(fā)電作用。

1.2 電動壓縮機系統(tǒng)的具體配置和運行方式

電動壓縮機同樣采用全靜葉可調(diào)軸流式AV90-16壓縮機，機殼由外缸、內(nèi)缸（靜葉承座）和中缸組成，沿水平中分面分成兩半。

考慮到季節(jié)（夏季）和撥風情況，電機采用了額定功率為38 MW的進口同步電機，電壓10 kV，頻率50 Hz,采用變頻軟啟動；變速箱采用進口同功率設備，盤車具有手動投入、自動脫扣功能。電動壓縮機系統(tǒng)簡單，建設速度快，占地面積小，運行方便靈活，同等情況下，不需要鍋爐系統(tǒng)和汽輪機系統(tǒng)，因此運行人員較少，檢修維護也比較方便。驅(qū)動方式如圖2所示。

隨著冶金行業(yè)成本倒逼、能源高效利用及對環(huán)保標準的不斷提高，近兩年來低熱值高參數(shù)煤氣發(fā)電機組小型化技術開始研發(fā)，并逐步在冶金行業(yè)中應用，效果明顯，各參數(shù)下機組的熱效率等參數(shù)詳見表1。

表1 各參數(shù)下機組熱效率

目前，與軸流壓縮機組配套的高參數(shù)小型熱力機組的技術還不成熟，但隨著小容量高參數(shù)發(fā)電技術的研發(fā)投運，實現(xiàn)有限煤氣量的更高效綜合利用，逐步將中低參數(shù)的汽動鼓風機組改電動鼓風，置換出煤氣用于發(fā)電創(chuàng)效，是冶金行業(yè)能源利用的發(fā)展趨勢。

2 能源成本核算

為了達到安全穩(wěn)定生產(chǎn)的目的，防止單臺鍋爐檢修或發(fā)生事故造成生產(chǎn)停滯，配置多臺中溫中壓燃料型鍋爐，生產(chǎn)的蒸汽主要用于驅(qū)動汽拖軸流壓縮機，而富裕蒸汽供應中溫中壓汽輪發(fā)電機組。采用電機拖動的軸流壓縮機后，可以將原有煤氣型燃料用于效率更高的超高壓鍋爐，生產(chǎn)出的高品質(zhì)蒸汽用于超高壓中間再熱發(fā)電機組發(fā)電。所發(fā)電能并入電網(wǎng)，最后利用到驅(qū)動軸流壓縮機的電動機上。汽拖軸流壓縮機啟動需要鍋爐點火升壓并爐，之后汽輪機沖轉(zhuǎn)暖機，定速后壓縮機開始帶負荷供風，時間相對較長，而電拖軸流壓縮機只需要啟動電動機的時間即可。筆者主要以高爐煤氣為載體分別對兩種驅(qū)動方式的能源消耗進行比對。

按照能量守恒原則，首先計算了兩種驅(qū)動方式下軸流壓縮機所需能量的總和，將能源總和折算為高爐煤氣所需量進行了對比分析。

汽拖軸流壓縮機所需能量總和為軸流壓縮機理論平均功率，同時要考慮各種損失，包括不限于軸流壓縮機傳動效率（即聯(lián)軸器拖動軸流壓縮機的能量損失）、中溫中壓汽輪機熱效率、汽輪機機械效率（即動能轉(zhuǎn)換為機械能之間的能量損失）、鍋爐熱效率以及所有輔助用電設備的電耗率。

電拖軸流壓縮機所需能量總和為軸流壓縮機理論平均功率，同時要考慮各種損失，包括不限于軸流壓縮機傳動效率（即聯(lián)軸器拖動軸流壓縮機的能量損失）、變速箱機械損失、電動機的損失、超高壓汽輪機的熱效率、汽輪機機械效率（即動能轉(zhuǎn)換為機械能之間的能量損失）、發(fā)電機效率、鍋爐效率以及所有輔助用電設備的電耗率。

2.1 采用汽輪機帶動壓縮機模式的能源使用量計算分析

能源使用量這里統(tǒng)一折算為高爐煤氣消耗量來進行核算，高爐煤氣使用量用Q1來表示。首先根據(jù)廠家給出的壓縮機技術參數(shù)來確定軸流壓縮機E點的功率，用W表示，單位換算值為3 600。由于還要考慮整個工藝流程中輔機的用電，所以需要乘以輔機用電率ηd1來計算出汽動壓縮機的總耗能。然后再確定當前使用高爐煤氣的熱值q，同時考量各項損失，這里各項損失以百分比的形式計算，即高爐煤氣熱值乘以各項目的損失率，其中壓縮機的機械效率為ηax，中溫中壓汽輪機的效率為ηpl1，由于汽輪機和軸流壓縮機中間使用機械傳動方式，所以還需要確定機械的傳動效率ηax1，以及中溫中壓鍋爐的效率ηgl1。最后，通過能源計算方法（所需能源除以高煤熱值和所有損失的乘積），得出高爐煤氣使用量。即：

根據(jù)廠家給出的說明書可知壓縮機的E點軸功率（即全年平均功率）W為28 500 kW；根據(jù)2019年度成本分析報表中的輔機用電量，確定輔機用電率ηd1為8%；高爐煤氣熱值取3 300 kJ/Nm3；查詢機械傳動效率表可知ηax為99%，其中皮帶傳動效率95%，直連傳動效率為100%，各類型聯(lián)軸器連接傳動效率為97%～99.5%，這里取值為99%；ηpl1為29%，取值范圍見表2，ηax1= 99%，汽輪機的機械效率為軸端功率與汽輪機的內(nèi)功率的比值，現(xiàn)代汽輪機機械效率均大于99%；ηgl1為90%，按照技術協(xié)議鍋爐保證熱效率≥90%（燃料為設計值，按低位發(fā)熱量為基準，滿負荷時燃燒器上游煤氣壓力不低于3 000 Pa），這里取最低值。將這些數(shù)值代入式（1）計算，得出推動汽拖軸流壓縮機高爐煤氣消耗量為131 264 Nm3/h。

2.2 采用電動機帶動壓縮機模式能源使用量計算分析

能源使用量這里仍然統(tǒng)一折算為高爐煤氣消耗量來進行核算，高爐煤氣使用量用Q2來表示。由于軸流壓縮機沒有改變，所以E點功率為原值，仍用W來表示，單位換算值為3 600。由于還要考慮整個工藝流程中輔機的用電，所以需要乘以輔機用電率ηd2來計算出電拖壓縮機的總耗能。再確定當前使用高爐煤氣的熱值q，但需要考慮各項損失，這里損失以百分比的形式計算，即高煤熱值乘以各項目損失率，其中壓縮機的機械效率為ηax，電動機的效率為ηg2，由于電動機和軸流壓縮機中間使用機械傳動，所以還需要考慮機械傳動效率ηax2和變速箱的效率ηc2，再結(jié)合鍋爐效率ηgl2和配套高溫超高壓汽輪機效率ηpl2以及發(fā)電機效率ηgd2。最后，通過能源計算方法（所需能源除以高煤熱值和所有損失的乘積），得出高爐煤氣使用量。即：

ηd2取值7%，為電拖壓縮機輔機的用電率，壓縮機E點功率仍舊為28 500 kW(即全年平均軸功率)；高爐煤氣熱值q 為3 300 kJ/Nm3；查詢機械傳動效率表可知，皮帶傳動效率為95%，直連傳動效率為100%，各類型聯(lián)軸器連接傳動的機械效率為97%～99.5%，這里機型傳動效率ηax取值為99%；上電提供的技術協(xié)議中電動機效率ηg2為98.12%；ηax2為99%，是汽輪機的機械效率為軸端功率與汽輪機的內(nèi)功率的比值，現(xiàn)代汽輪機機械效率均大于99%；MAAG公司提供的技術協(xié)議中標明變速箱效率ηc2為99.2%；按照技術協(xié)議鍋爐保證熱效率≥90%（燃料為設計值，按低位發(fā)熱量為基準，滿負荷時燃燒器上游煤氣壓力不低于3 000 Pa），這里ηgl2取最低值為90%；ηpl2為39%，取值范圍見表2；東方電機提供的技術協(xié)議中發(fā)電機效率ηgd2為98%。將這些數(shù)值代入式（2）計算，得出汽拖軸流壓縮機高爐煤汽消耗量為101 378 Nm3/h。

3 兩種驅(qū)動方式的經(jīng)濟效益分析

根據(jù)采用汽輪機帶動壓縮機模式和電動機帶動壓縮機模式的經(jīng)濟成本計算結(jié)果，可以得出采用電動機帶動壓縮機模式比汽輪機帶動壓縮機模式減少高煤使用量29 866 Nm3/h，即每小時可節(jié)約高爐煤氣29 866 Nm3/h。如果將這部分高爐煤氣用于發(fā)電，以高煤熱值3 300 kJ/m3來計算，生產(chǎn)1 kg蒸汽需要1 Nm3的高爐煤氣，生產(chǎn)1 000 kg蒸汽大約需要1 000 Nm3高煤煤氣，因此這部分高爐煤氣每小時可以生產(chǎn)29 t的高品質(zhì)蒸汽。

汽耗率公式為：

式中：d ——汽耗率，超高壓機組汽耗率一般為3.2 kg/kW·h·；D——主蒸汽流量消耗， t/h；N——機組發(fā)出的電功率，kW·h。

將相關數(shù)據(jù)代入式（3）可以得出：

N=D/d=29.8×103/3.2=9.312×103kW·h

綜上所述，節(jié)約的高爐煤氣每小時可以發(fā)電9.312×103kW·h，以每月720小時計算，節(jié)約的能源每月可以多發(fā)電670萬kW·h,產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益387萬元。

4 結(jié)語

以安鋼2#高爐用壓縮機組E點的軸功率為衡量標準分析計算了汽動和電動方式驅(qū)動的高煤消耗量，并對兩種驅(qū)動方式之間的能耗差額可帶來的經(jīng)濟效益進行了計算。根據(jù)最終的計算分析結(jié)果可以得出，電動機驅(qū)動的軸流壓縮機不僅可以滿足生產(chǎn)要求，提高生產(chǎn)量，而且可以大大節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益，具有很好的經(jīng)濟性。