直接空冷系統(tǒng)在燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)汽電雙拖上的應(yīng)用實(shí)踐

李國盛，祝百東

(中鋼集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100080)

1 技術(shù)背景

我國西北地區(qū)礦產(chǎn)資源、風(fēng)力資源十分豐富，然而水資源相對(duì)匱乏。節(jié)約用水、提高水資源利用率，走能持續(xù)發(fā)展的道路已演變成該地域制造業(yè)發(fā)展的重大研究課題。

近幾年，國家審批的電廠建設(shè)項(xiàng)目反復(fù)強(qiáng)調(diào)優(yōu)先批復(fù)汽輪機(jī)排汽采用空冷。空冷系統(tǒng)是指在汽輪機(jī)做完功的低壓蒸汽（泛汽）進(jìn)入空冷凝汽器，被空氣冷凝成水的系統(tǒng)。它與通常的水冷卻凝汽器方式(簡稱濕冷系統(tǒng))相比，減少了開式循環(huán)中冷卻水在冷卻塔中直接與空氣接觸所帶來的蒸發(fā)、風(fēng)吹、排污等損失，同時(shí)克服了冷卻塔對(duì)環(huán)境造成的污染。經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，汽輪機(jī)采用空冷系統(tǒng)，可使發(fā)電廠消耗水總量降低約80%。

冶金行業(yè)作為水資源消耗大戶，節(jié)約用水責(zé)無旁貸。冶金企業(yè)發(fā)電機(jī)組與電廠相比，可利用汽輪機(jī)空冷技術(shù)的工藝主要在自備電站及各類風(fēng)機(jī)配套的拖動(dòng)汽輪機(jī)上。尤其是后者，利用冶金余熱資源回收蒸汽，帶動(dòng)汽輪機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)，在汽輪機(jī)上應(yīng)用空冷技術(shù)不但符合國家宏觀政策，更能夠提高鋼鐵企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 燒結(jié)廠主抽汽電雙拖

這些年來，鋼鐵企業(yè)燒結(jié)廠主抽風(fēng)機(jī)汽電雙拖(SHRT)技術(shù)日益成熟。如圖1所示，該技術(shù)利用燒結(jié)環(huán)冷機(jī)余熱鍋爐和大煙道余熱鍋爐回收的蒸汽，驅(qū)動(dòng)與燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)同軸串聯(lián)布置的汽輪機(jī)，使得主抽風(fēng)機(jī)電耗下降90%以上，降低了燒結(jié)生產(chǎn)成本，燒結(jié)余熱回收的蒸汽得到了就近利用。與另建燒結(jié)余熱發(fā)電站相比，不僅投資更少，同時(shí)余熱能源利用效率也更高。

國內(nèi)現(xiàn)有已投產(chǎn)的主抽風(fēng)機(jī)汽電雙拖三機(jī)組的汽輪機(jī)通常采用前述的濕冷系統(tǒng)，水資源消耗較大。因此改用空冷技術(shù)對(duì)于各鋼鐵企業(yè)客戶，特別是位于水資源匱乏區(qū)域的鋼鐵企業(yè)尤其迫切。

圖1 主抽風(fēng)機(jī)汽電雙拖三機(jī)組布置圖

汽輪機(jī)排汽空冷設(shè)備往下細(xì)分，也有兩種技術(shù)。一為采用空氣直接冷卻在汽輪機(jī)內(nèi)做完功的乏汽。主體設(shè)施為空冷凝汽器，因凝汽的換熱管束下部需設(shè)冷卻風(fēng)機(jī)和吸風(fēng)空間，因此主體換熱管束采用A型或V型布置在車間外，高架在15 m平臺(tái)上，稱為“空冷島”。二是通過空氣冷卻循環(huán)水、通過循環(huán)冷卻水再冷卻汽輪機(jī)乏汽的間冷系統(tǒng)。前者稱為“直接空冷系統(tǒng)”，其屬于一次冷卻。與后者相比，優(yōu)點(diǎn)有:不需中間換熱媒介，換熱溫差大，冷凝效果好；冬季防凍措施靈活可靠；占地少；投資少。缺點(diǎn)是:汽輪機(jī)背壓需增加約10 kPa；冷卻風(fēng)機(jī)噪音大，系統(tǒng)電耗稍高。

2018年，為達(dá)到節(jié)能、降耗、優(yōu)產(chǎn)的目的，山西省某鋼鐵廠產(chǎn)能置換升級(jí)改造項(xiàng)目燒結(jié)系統(tǒng)工程,經(jīng)過多次調(diào)研及方案討論比較，最終確定了一套“燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)汽電雙拖＋A型直接空冷系統(tǒng)”的余熱利用方案，并于2019年成功應(yīng)用到了新建2×220 m2燒結(jié)機(jī)項(xiàng)目上。

3 工程應(yīng)用

3.1 220 m2燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)汽電雙拖的主要參數(shù)

(1)主抽風(fēng)機(jī)

進(jìn)氣流量：22 000 m3/min

進(jìn)口壓力：-17 000 Pa（G）

出口壓力：500 Pa（G）

風(fēng)機(jī)軸功率：7 140 kW（溫度130 ℃計(jì)算）

(2)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)

電機(jī)型式：勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)

額定功率：7 800 kW

(3)凝汽式工業(yè)汽輪機(jī)

主汽門前蒸汽壓力：1.9 MPa(G)

主汽門前蒸汽溫度：330 ℃

額定蒸汽流量（夏季/冬季）：32.5 t/h，24.4 t/h

額定排汽壓力（夏季/冬季）：20 kPa/15 kPa

設(shè)計(jì)功率：6 200 kW

3.2 空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）夏季運(yùn)行工況

汽輪機(jī)額定排汽流量：32.5 t/h

汽輪機(jī)做功上浮10%增加排汽量：4 t/h

排汽壓力：20 kPa

設(shè)計(jì)溫度（入口空氣溫度）：35 ℃

夏季平均風(fēng)速：1.8 m/s

年方向：CSE

大氣壓力：95.16 kPa

（2）冬季運(yùn)行工況

汽輪機(jī)排汽流量：24.4 t/h

排汽壓力：15 kPa

冬季室外通風(fēng)計(jì)算溫度：-3 ℃

冬季平均風(fēng)速：1.7 m/s

年方向：CSE

大氣壓力：96.94 kPa

3.3 主抽風(fēng)機(jī)房內(nèi)汽電雙拖三機(jī)組及輔機(jī)

燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)房內(nèi)通常布置有主抽風(fēng)機(jī)及其配套電動(dòng)機(jī)。增加汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)后，應(yīng)維持原有主抽風(fēng)系統(tǒng)前后煙風(fēng)道的布置，主抽風(fēng)機(jī)原有的中心標(biāo)高不應(yīng)變更。因此聯(lián)軸布置有風(fēng)機(jī)、電機(jī)、汽輪機(jī)三機(jī)組的小島標(biāo)高一般在4m左右，比常規(guī)發(fā)電小島要矮。根據(jù)設(shè)備的布置，可分為車間內(nèi)的汽電雙拖三機(jī)組主機(jī)及配套的抽真空、潤滑油輔機(jī)等，車間外的空冷島兩大部分。

車間內(nèi)，從風(fēng)機(jī)側(cè)依次為主抽風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、離合器、汽輪機(jī)。

汽輪機(jī)采用上進(jìn)汽，主汽電動(dòng)閥則設(shè)置在地面上便于操作。同時(shí)汽輪機(jī)也采用上排汽結(jié)構(gòu)，在汽輪機(jī)內(nèi)做完功的乏汽通過排汽管道進(jìn)入布置在小島側(cè)地面上的排汽裝置。排汽裝置側(cè)面設(shè)有導(dǎo)向支架，底部配有彈簧、固定支架，能承受一定的排汽管道推力。排汽管道與排汽裝置水平連接，將乏汽送入風(fēng)機(jī)房外的空冷島。具體布置參見圖2。

圖2 主抽風(fēng)機(jī)汽電雙拖設(shè)備及管線布置

3.4 主抽風(fēng)機(jī)房外空冷島

汽輪機(jī)排汽通過DN1600 mm的排汽管道送到風(fēng)機(jī)房外的直接空冷設(shè)施，即空冷島上。空冷到底部軸流冷卻風(fēng)機(jī)，利用周邊空氣強(qiáng)制冷卻翅片換熱管束，使蒸汽在換熱管內(nèi)冷凝成水，最后冷凝水返回車間，經(jīng)凝結(jié)水泵升壓送回到燒結(jié)余熱鍋爐系統(tǒng)中。車間外空冷島主要系統(tǒng)如下：

（1）空冷凝汽器系統(tǒng)

空冷凝汽器主體布置在15 m高的混凝平臺(tái)上，由冷卻風(fēng)機(jī)及布置成A型的換熱面（翅片管束組成）、支撐鋼架、擋風(fēng)墻等組成。整個(gè)空冷凝汽器的換熱面積應(yīng)根據(jù)不同季節(jié)的當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)和汽輪機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)需考慮周圍建筑物的布置及高度。本工程空冷凝汽器換熱面積約為8 000 m2，分為2列6個(gè)單元布置，每個(gè)單元底部設(shè)1臺(tái)直徑9 m，功率110 kW的軸流風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)入口配有導(dǎo)風(fēng)筒和防護(hù)網(wǎng)，可防止異物吸入空冷島內(nèi)。風(fēng)機(jī)采用變頻控制，根據(jù)環(huán)境氣溫、汽輪機(jī)排汽背壓、凝結(jié)水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

（2）排汽管道系統(tǒng)

排汽管道系統(tǒng)是指從風(fēng)機(jī)房內(nèi)汽輪機(jī)排汽裝置出口到與連接各空冷凝汽器的蒸汽分配管之間的管道。本工程排汽管道直徑為DN1600，需進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，設(shè)有滑動(dòng)、固定、彈簧、導(dǎo)向支架及補(bǔ)償器。

排汽管道正下方設(shè)有一根帶坡度的冷凝水管，可將啟機(jī)及事故工況下排汽管道內(nèi)積水送回到排汽裝置內(nèi)。

（3）抽真空系統(tǒng)

本項(xiàng)目抽空真空裝置采用2臺(tái)7.5 kg/h臥式水環(huán)式真空泵（1用1備），用于將空冷島換熱管束中的不凝結(jié)氣體抽出，維持系統(tǒng)的真空狀態(tài)。真空泵根據(jù)汽輪機(jī)、排汽裝置抽真空容積、抽干空氣量進(jìn)行選型，真空從當(dāng)?shù)卮髿鈮哼_(dá)到20 kPa的時(shí)間不應(yīng)超過30 min。

（4）自清洗系統(tǒng)

空冷凝汽器的翅片管換熱面露天布置，長期運(yùn)行后，翅片管外表面難以避免會(huì)積累一些灰塵及臟物，因此需要設(shè)自清洗系統(tǒng)。本工程采用高壓水清洗，在凝結(jié)器換熱面上部設(shè)有平行布置的軌道及可移動(dòng)的清洗小車，小車上帶有高壓往復(fù)水泵和軟管。可定期對(duì)空冷凝汽器換熱管束進(jìn)行清掃，保證凝器換熱效率。

（5）電控系統(tǒng)

空冷島配有獨(dú)立的電氣柜及PLC自控系統(tǒng)，PLC采用西門子S7-300控制系統(tǒng)，采用光纖與上級(jí)操作站通訊。空冷島操作畫面由空冷島廠家設(shè)計(jì)、組態(tài)和調(diào)試，并集成到主抽風(fēng)機(jī)房內(nèi)汽電雙拖三機(jī)組上位操作站內(nèi)。為保證安全，空冷島運(yùn)行信號(hào)、空冷島故障信號(hào)、允許空冷島啟動(dòng)信號(hào)采用硬線聯(lián)絡(luò)。

4 結(jié)語

本工程利用在發(fā)電領(lǐng)域成熟的“直接空冷技術(shù)”，首次成功應(yīng)用到了鋼鐵行業(yè)的燒結(jié)項(xiàng)目上，不僅滿足了業(yè)主節(jié)約水資源的要求，同時(shí)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。