一、 高爐爐頂煤氣余壓發(fā)電的基本原理

高爐爐頂煤氣余壓回收透平發(fā)電裝置(TopGasPressureRecoveryTurbine簡稱TRT)是目前有價(jià)值的二次能源回收裝置之一。TRT是利用爐爐頂煤氣中的壓力能及熱能經(jīng)透平膨脹做功來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，再通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能變成電能輸送給電網(wǎng)，可以回收爐鼓風(fēng)的30%左右。TRT裝置所發(fā)出的電量與爐煤氣的壓力和流量有關(guān)，一般噸鐵發(fā)電量為30千瓦時(shí)～40千瓦時(shí)。爐煤氣采用干法除塵可以使發(fā)電量提高36%，且溫度每升10℃，會(huì)使透平機(jī)出力提高10%，進(jìn)而使TRT裝置發(fā)電量可達(dá)54千瓦時(shí)/噸這種發(fā)電方式既不消耗任何燃料，也不產(chǎn)生環(huán)境污染，是爐冶煉工序的節(jié)能項(xiàng)目，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

煉鐵生產(chǎn)中，爐爐頂煤氣壓力大于0.03兆帕?xí)r，稱為爐壓運(yùn)作。爐煤氣在壓運(yùn)作下有一定的壓力能。采用煤氣余壓發(fā)電裝備(TRT)可將這部分壓力能回收，其設(shè)備的工作原理是煤氣的余壓使煤氣在透平機(jī)內(nèi)進(jìn)行膨脹做功，推動(dòng)透平機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)出一定的電量。TRT裝置所發(fā)出的電量與爐煤氣的壓力和流量有關(guān)，一般噸鐵發(fā)電量為30千瓦時(shí)～40千瓦時(shí)。爐煤氣采用干法除塵可以使發(fā)電量提36%，且溫度每升10℃，會(huì)使透平機(jī)出力提高10%，進(jìn)而使TRT裝置發(fā)電量可達(dá)54千瓦時(shí)/噸鐵。

二、高爐爐頂余壓發(fā)電的工藝流程

圖1、高爐爐頂余壓發(fā)電的工藝流程圖

高爐荒煤氣經(jīng)重力除塵器的半凈煤氣管道進(jìn)入布袋除塵器的進(jìn)氣總管。在布袋除塵器進(jìn)氣總管和布袋除塵器之間設(shè)有一個(gè)旁路，在旁路上設(shè)有冷熱交換器，用于煤氣的升溫和降溫。布袋除塵器的布袋是氟美斯化纖制品，其工作溫度為80℃～250℃，瞬間不允許過500℃。煤氣溫度低于80℃易產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，布袋內(nèi)有露水會(huì)與灰塵結(jié)球，造成布袋除塵的除塵下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致煤氣流流動(dòng)不暢;煤氣溫度高于250℃會(huì)使布袋變脆，甚至燒損。所以，設(shè)置旁路冷熱交換器來應(yīng)對(duì)煤氣溫度的變化，是干式布袋除塵器能夠正常工作的條件。

下一步，從干式布袋除塵器出來的凈煤氣將進(jìn)入透平機(jī)。這時(shí)的凈煤氣溫度在120℃～180℃之間，含塵量為1.2～4.6毫克/立方米。從透平機(jī)出來的凈煤氣進(jìn)入企業(yè)的凈煤氣管網(wǎng)。一些煉鐵企業(yè)高爐煤氣采用濕式除塵方法，即在重力除塵器之采用文式管除塵設(shè)備，出來的凈煤氣仍可進(jìn)入透平機(jī)去發(fā)電。

從工作原理上看，TRT裝置代替了原來煤氣系統(tǒng)的壓閥組，不同的是，原煤氣系統(tǒng)的壓閥組將煤氣的壓力能白白泄漏掉了，而TRT裝置可以回收爐鼓風(fēng)的30%左右。

三、TRT系統(tǒng)組成

實(shí)際應(yīng)用中的TRT一般由八系統(tǒng)組成。

1、透平主機(jī)：透平主機(jī)是TRT的主要部分，由它來完成壓力能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，同時(shí)通過靜葉的調(diào)節(jié)功能來保證高爐爐頂壓力的穩(wěn)定。

2、大型閥門系統(tǒng)：TRT系統(tǒng)的大型閥門主要有入口蝶閥、入口插板閥、調(diào)速閥、快切閥、旁通快開閥、出口蝶閥和出口插板閥。其中插板閥用于對(duì)煤氣的完全切斷，給機(jī)組造檢修和安全條件;入口蝶閥可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)進(jìn)入TRT的煤氣量，同時(shí)可以作為敞開式插板閥開關(guān)時(shí)的輔助閥門;出口蝶閥一般在出口插板閥為敞開式時(shí)才配置;調(diào)速閥用于機(jī)組啟動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和機(jī)組并網(wǎng)的功率調(diào)節(jié);快切閥能夠在機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，在0.5-1秒時(shí)間快速關(guān)閉，切斷TRT的煤氣來源，保證機(jī)組安全停機(jī);旁通快開閥的作用是當(dāng)TRT機(jī)組重故障停機(jī)快切閥快速關(guān)閉時(shí)，能夠快速打開到一定角度，使?fàn)t煤氣有出路，保證爐爐頂壓力不產(chǎn)生的波動(dòng)，并且可以作為TRT與減壓閥組頂壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)的過渡手段，有一定的頂壓調(diào)節(jié)功能。

3、潤滑油系統(tǒng)：大型透平機(jī)械都是靠軸承支撐來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)工作的，要保證機(jī)組安全可靠的運(yùn)行，其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，就是要給各軸承潤滑點(diǎn)及時(shí)提供一定的稀油循環(huán)潤滑，以滿足機(jī)組在正常工況下及事故狀態(tài)下的潤滑油供給，這個(gè)系統(tǒng)就是潤滑油系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括潤滑油站、濾油器、冷油器、位油箱、油泵、閥門和檢測(cè)儀表等，油泵和油站能夠提供一定壓力、一定流量、溫度正常、清潔的潤滑油，位油箱是在停電等緊急事故狀態(tài)下，靠自然位差維持機(jī)組停機(jī)惰走時(shí)的潤滑油供給。

4、電液伺服控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要由液控單元、伺服油缸、動(dòng)力油站三部分組成。液控單元包括調(diào)速閥控制單元、靜葉控制單元、快開閥控制單元;伺服油缸為雙活塞桿結(jié)構(gòu);動(dòng)力油站由油箱、恒壓變量油泵、濾油器、冷油器、閥門和檢測(cè)儀表等組成。這一系統(tǒng)控制著調(diào)速閥、靜葉和旁通快開閥的開關(guān)和調(diào)節(jié)性能，直接影響機(jī)組的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、機(jī)組正常運(yùn)行和停機(jī)時(shí)的頂壓穩(wěn)定，因此也非常重要。

5、給排水系統(tǒng)：其給水部分主要有兩個(gè)：一是靜葉噴霧水管線，采用工業(yè)水，在TRT運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)機(jī)組的葉片進(jìn)行沖洗，防止積灰，是保證TRT長期運(yùn)行的重要手段;二是快切閥、調(diào)速閥沖洗水管線，在TRT停機(jī)及啟動(dòng)前對(duì)閥門進(jìn)行沖洗，防止閥門由于積灰造成卡塞。機(jī)組和管道中的機(jī)械水和冷凝水通過排水管線排出，由于TRT入口前是高壓煤氣，因此采用排水密封罐取代普通水槽進(jìn)行排水。

6、氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)：TRT的工是高爐煤氣，屬于可燃有毒氣體，故決不能讓其外泄，因此采用惰性的氮?dú)庾鳛槊芊饨橘|(zhì)，配合機(jī)械的拉別令密封來保證煤氣不從旋轉(zhuǎn)的軸端外泄，并且該系統(tǒng)有差壓調(diào)節(jié)功能，保證氮?dú)鈮毫τ诒环饷簹鈮毫?.02-0.03MPa。

7、高壓發(fā)配電系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要包括同步發(fā)電機(jī)、壓配電系統(tǒng)、壓電控系統(tǒng)。由于TRT是在煤氣區(qū)域運(yùn)行，因此同步發(fā)電機(jī)采用無刷勵(lì)磁;壓配電系統(tǒng)設(shè)置有手動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)裝置、自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)裝置，以及差動(dòng)、復(fù)合電壓閉鎖過流、失磁等保護(hù);壓電控系統(tǒng)包括備用油泵的自啟動(dòng)、加熱器溫度連鎖、閥門連鎖控制等設(shè)施。

8、自動(dòng)控制系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)由檢測(cè)儀表、操作站等組成，主要包括反饋控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、高爐頂壓復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電液位置伺服控制系統(tǒng)、氮?dú)饷芊獠顗赫{(diào)節(jié)系統(tǒng)、順序邏輯控制系統(tǒng)等。由這些系統(tǒng)對(duì)TRT機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)、運(yùn)行、過程檢測(cè)控制，在保證爐正常生產(chǎn)、頂壓波動(dòng)不限的前提下，完成TRT的啟動(dòng)、升速、并網(wǎng)、升功率、頂壓調(diào)節(jié)、正常停機(jī)、緊急停機(jī)、電動(dòng)運(yùn)行等操作。

四、提高TRT系統(tǒng)發(fā)電量的途徑

目前，全國已有130多套TRT系統(tǒng)在運(yùn)行，但是其發(fā)電量有很大的差異，除采用干法除塵與濕法除塵所造成的差異之外，尚有多種因素存在。各企業(yè)要根據(jù)自身的體情況進(jìn)行分析，采取有效的措施，盡早讓TRT發(fā)揮出應(yīng)有的功效。提高TRT發(fā)電量的措施主要有以下幾條：

1、積極采用爐煤氣干法除塵裝備。

2、提高高爐爐頂煤氣壓力，減少煤氣從爐頂?shù)酵钙綑C(jī)的壓力損失。提高高爐爐頂煤氣壓力還可以帶來產(chǎn)量的提高、高爐運(yùn)作穩(wěn)定、可以冶煉硅鐵等方面的好處。

3、保持高爐煤氣穩(wěn)定地以發(fā)生量供給透平機(jī)，這就要求爐生產(chǎn)要穩(wěn)定地處于水平狀態(tài)。這樣就可以關(guān)閉煤氣系統(tǒng)的壓閥組，使?fàn)t煤氣全量通過TRT透平機(jī)。

4、適當(dāng)提高TRT煤氣入口溫度。高爐正常生產(chǎn)狀態(tài)下爐頂溫度應(yīng)小于250℃，在過350℃時(shí)就要采取打水降溫措施。在煤氣壓力不變的條件下，煤氣溫度高，煤氣壓透平機(jī)內(nèi)體積膨脹，就會(huì)使發(fā)電量提高。處理好高爐爐頂煤氣溫度和TRT發(fā)電能力，尋找運(yùn)作的佳點(diǎn)是提高發(fā)電量的有效方式。

5、調(diào)整好TRT入口的靜葉角度。在煤氣管網(wǎng)中設(shè)置能進(jìn)行煤氣壓力調(diào)節(jié)的設(shè)備，通過調(diào)整靜葉片的角度，來控制煤氣的壓力和輸出功率，可以使高爐爐頂壓力波動(dòng)小，同時(shí)TRT的輸出功率也可以處于穩(wěn)定狀態(tài)，這可以用小型計(jì)算機(jī)來進(jìn)行控制。

6、提高TRT設(shè)備運(yùn)行率。首先，要提高TRT設(shè)備的開工率，延長TRT穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間，并力爭在水平狀態(tài)下工作，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)TRT設(shè)備的維修、保養(yǎng)、合理運(yùn)作，及時(shí)排除各種設(shè)備故障;其次，要提高TRT運(yùn)作人員的水平，維修水平等。

7、合理化TRT工藝參數(shù)。選TRT工作性能曲線，使TRT功能與高爐正常生產(chǎn)進(jìn)行化匹配，同時(shí)又能應(yīng)對(duì)高爐運(yùn)作變化。一般TRT透平機(jī)出力與高爐有效容積比為4.0～4.3。

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