于開維 王震 洪學(xué)魁 季雙鳳 劉璐(安陽鋼鐵股份有限公司)

安鋼TRT裝置的運(yùn)行實(shí)踐*

于開維 王震 洪學(xué)魁 季雙鳳 劉璐(安陽鋼鐵股份有限公司)

結(jié)合安鋼TRT生產(chǎn)實(shí)際，介紹了TRT運(yùn)行過程中所存在的問題，通過分析查找原因，采取清除葉片積灰和消除應(yīng)力、增加氮?dú)饷芊?、完善頂壓及前壓PID控制、提高靜葉響應(yīng)速度等措施有效解決了這些問題，從而使TRT系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)發(fā)電效率提高了18%以上。

高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置 發(fā)電效率 靜葉 前壓

0 前言

TRT是利用高爐煤氣具有的壓力能和熱能來發(fā)電的一種二次能源回收裝置。該裝置既可以回收高爐汽輪鼓風(fēng)機(jī)所需能量的30%左右，又可以凈化煤氣、降低噪音、穩(wěn)定爐頂壓力，改善高爐生產(chǎn)的條件，不產(chǎn)生任何污染，是國際公認(rèn)的節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目［1］。

安鋼目前擁有一座2200 m3高爐和一座2800 m3高爐，高爐煤氣凈化方式采用重力除塵和畢肖夫濕法除塵。兩座高爐各配備了一套濕式TRT發(fā)電機(jī)組，分別為1#TRT機(jī)組和2#TRT機(jī)組。1#TRT機(jī)組裝機(jī)容量為10000 kW，2#TRT機(jī)組裝機(jī)容量為15000 kW。TRT投運(yùn)初期出現(xiàn)了靜葉及液壓閥門失靈、軸封漏氣并網(wǎng)困難、高爐頂壓及TRT壓力波動等問題，嚴(yán)重影響機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時(shí)間和發(fā)電效率。通過采取清除葉片積灰和消除應(yīng)力，增加氮?dú)饷芊?，完善頂壓及前壓PID控制，提高靜葉響應(yīng)速度等措施有效解決了這些問題，使發(fā)電效率提高了18%以上。

1 TRT工藝及設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 工藝流程

高爐產(chǎn)生的煤氣經(jīng)重力除塵器、畢肖夫除塵及降溫、脫水器脫水后，進(jìn)入透平機(jī)膨脹做功拖動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，自透平機(jī)低壓側(cè)出來的煤氣進(jìn)入高爐煤氣主管網(wǎng)。當(dāng)TRT不運(yùn)行時(shí)，煤氣經(jīng)QOV閥進(jìn)入低壓煤氣主管網(wǎng);當(dāng)TRT事故停機(jī)時(shí) ，QSV閥在0.8 s內(nèi)快速關(guān)閉起到保護(hù)機(jī)組的作用，同時(shí)QOV閥在1 s內(nèi)快速打開，確保高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定。其工藝流程如圖1所示。

圖1 安鋼TRT發(fā)電工藝系統(tǒng)流程

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

安鋼TRT機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式為濕式二級軸流反動式，機(jī)殼布置形式為臥式水平剖分式，進(jìn)排氣方式為機(jī)組下方進(jìn)氣下方排氣。煤氣沿透平機(jī)主軸方向經(jīng)過定子上兩級可調(diào)靜葉與轉(zhuǎn)子上動葉的間隙流動。流動過程中氣體壓力與溫度降低，焓值下降，流速增高，動葉片受到了氣體高速流動的沖擊力和膨脹的反動力的推動而帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種形式具有結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、檢修和維護(hù)方便、流量范圍寬、變工況性能好、靈活迅速穩(wěn)定控制機(jī)組轉(zhuǎn)速和前壓及效率 高的特點(diǎn)。TRT具體設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 1#、2#TRT透平機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 存在問題及分析

2.1 靜葉動作失靈

靜葉失靈會迫使機(jī)組停機(jī)或無法開機(jī)。分析原因?yàn)楦郀t煤氣含塵量較大，重力除塵和畢肖夫除塵效果不好，煤氣中的灰塵在靜葉葉片處嚴(yán)重積垢，葉片與曲柄滑塊連接石墨軸承卡澀，無法動作。靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在多次異常沖擊下出現(xiàn)本體變形，導(dǎo)向滑座與支撐底座間存在0.4 mm間隙，內(nèi)應(yīng)力增大，造成部分靜葉曲柄滑塊松動、脫落，導(dǎo)向滑座與支撐底座之間的緊固螺栓松動，定位銷被扭斷，靜葉不能正常沿導(dǎo)向桿水平滑動。

2.2 QOV閥、QSV閥等液壓閥門失靈

QOV閥、QSV閥等液壓閥門失靈會影響TRT發(fā)電、設(shè)備安全和高爐生產(chǎn)，分析原因大多是由于液壓油品變質(zhì)、顆粒增多堵塞電磁閥芯和液壓油缸密封圈老化、液壓閥內(nèi)漏等原因造成，同時(shí)液壓系統(tǒng)自配的過濾精度10 μm的濾芯不能滿足要求。

2.3 透平機(jī)軸封漏煤氣

TRT透平機(jī)軸端采用的密封形式是疏齒迷宮式密封加充氮碳環(huán)密封。在裝配過程中疏齒與機(jī)殼的間隙調(diào)整若不合適，主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)就會與機(jī)殼微量摩擦造成疏齒磨倒或磨平，煤氣中的雜質(zhì)卡澀在碳環(huán)密封套與碳環(huán)之間，使碳環(huán)失去隨主軸振動調(diào)節(jié)伸縮量的能力。主軸將伸出密封套部分的碳環(huán)磨平后與密封套摩擦，造成主軸磨損，密封失效，煤氣大量泄漏，嚴(yán)重危害人身與設(shè)備的安全，迫使TRT停機(jī)檢修。

2.4 TRT機(jī)組開機(jī)困難

開機(jī)的主要困難在于機(jī)組通過臨界轉(zhuǎn)速共振區(qū)而聯(lián)鎖而停車(振動聯(lián)鎖停車值160 μm)。開機(jī)時(shí)前壓設(shè)定越高，進(jìn)入TRT的煤氣量越多，動能越大，有利于升轉(zhuǎn)速，但對機(jī)組沖擊力越大;前壓設(shè)置偏低，流量過小，轉(zhuǎn)速升不上去，兩種情況均不容易通過臨界。

2.5 高爐爐頂壓力和TRT前壓波動較大

高爐生產(chǎn)過程中，高爐的煤氣量會發(fā)生變化，爐頂壓力也隨之變化。特別在高爐上料或換風(fēng)口時(shí)頂壓波動較大(±10 kPa～15 kPa)，高爐爐頂壓力和TRT前壓波動較大直接影響高爐生產(chǎn)和TRT發(fā)電。解決這個(gè)問題的關(guān)鍵是如何完善頂壓調(diào)節(jié)器對畢肖夫環(huán)縫開度的控制，以及前壓調(diào)節(jié)器對靜葉、QOV閥、BCV閥的控制。

2.6 TRT發(fā)電效率低

TRT剛投運(yùn)時(shí)畢肖夫環(huán)縫壓差設(shè)置到60 kPa，QOV閥和BCV閥開度保持在20%左右，高爐頂壓200 kPa且穩(wěn)定后再開機(jī)，一旦休風(fēng)立即停機(jī)，TRT發(fā)電效率較低，設(shè)備故障頻繁。通過分析，TRT利用高爐煤氣膨脹做功發(fā)電的過程類似于等熵過程。濕式TRT發(fā)電量計(jì)算如下式［2］。

式中:W——發(fā)電量;

Q——高爐煤氣質(zhì)量流量;

Cp——發(fā)高爐煤氣定壓比熱;

T入——發(fā)透平機(jī)入口絕對溫度;

P入(P出)——透平機(jī)入口(出口)煤氣絕對壓力;

m——高爐煤氣多變指數(shù);

N透(N電)——透平機(jī)(發(fā)電機(jī))效率;

t——機(jī)組運(yùn)行時(shí)間。

由公式分析得出效率低的原因?yàn)镼、P入、t這三個(gè)參數(shù)值沒有實(shí)現(xiàn)最大化，部分煤氣通過QOV閥和BCV閥流走沒有全部進(jìn)入TRT，過于保證煤氣的除塵效果，環(huán)縫壓差設(shè)置過高，P入(前壓)值減小;設(shè)備連續(xù)運(yùn)行率低。

3 對策與措施

3.1 清除葉片積灰，消除內(nèi)應(yīng)力

通過對靜葉進(jìn)行清灰，在導(dǎo)向滑座與支撐底座間增加0.4 mm的金屬墊片，消除此處內(nèi)應(yīng)力，對松動或斷裂的部件進(jìn)行緊固或更換;同時(shí)通過增加重力除塵放灰次數(shù)，每次高爐定修時(shí)對畢肖夫塔內(nèi)和洗滌水管路進(jìn)行清灰、疏通，保證煤氣洗滌效果，從源頭上減少葉片積灰。

3.2 提高液壓油品精度

在油站配備過濾精度5 μm的濾油機(jī)進(jìn)行在線過濾，每星期使用顆粒檢測儀在線化驗(yàn)液壓油精度，控制油品顆粒度在NAS7級以內(nèi);并且每年對各液壓系統(tǒng)進(jìn)行清洗，更換濾芯、老化密封圈和損壞的電磁閥。但在清洗閥臺時(shí)發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)中容易進(jìn)入空氣，被壓縮后頂住油壓使閥門無法動作，采取在供油管路測壓點(diǎn)處接入軟管放出空氣的方法來解決此問題。

3.3 增加疏齒處氮?dú)饷芊?/p>

通過重新調(diào)整疏齒與機(jī)殼的間隙在合適范圍內(nèi)，并在疏齒迷宮式密封處增加一處氮?dú)饷芊?，阻止大量煤氣從疏齒處漏入碳環(huán)，并對煤氣起清潔作用，同時(shí)根據(jù)泄漏情況適當(dāng)增加氮?dú)鈮毫Γ瑖?yán)重時(shí)更換碳環(huán)。

3.4 提高靜葉響應(yīng)速率

為解決開機(jī)通不過臨界轉(zhuǎn)速問題，經(jīng)過不斷嘗試摸索，先將TRT前壓設(shè)定在45 kPa，將轉(zhuǎn)速升至1000 rpm后保持5 min使機(jī)組趨于平穩(wěn)，此轉(zhuǎn)速設(shè)置過高則會因過于接近臨界轉(zhuǎn)速升速慣性不夠而通不過臨界。觀察靜葉開度，若開度大于20%則為機(jī)組動能不足，適當(dāng)提高前壓使其開度小于10%，以便沖臨界過程中靜葉具有跟蹤調(diào)節(jié)余量，并且通過PLC控制中的PID參數(shù)設(shè)定將轉(zhuǎn)速在1000 rpm～2000 rpm間的靜葉調(diào)節(jié)響應(yīng)速度增快，轉(zhuǎn)速上升速率相應(yīng)增快，在此區(qū)間不間斷提升轉(zhuǎn)速，機(jī)組基本可順利通過共振區(qū)。

3.5 完善頂壓及前壓PID控制

綜合考慮了TRT運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定因素，并結(jié)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，采取了以下控制方式。

1)TRT開機(jī)時(shí)，前壓的測量值和設(shè)定值其偏差經(jīng)過PID運(yùn)算作為調(diào)節(jié)輸出信號控制QOV閥開度，使前壓達(dá)到設(shè)定值。隨前壓的升高，高爐頂壓有升高的趨勢，環(huán)縫將隨之開大，環(huán)縫差壓將逐漸減少以保持高爐頂壓穩(wěn)定［3］。

2)TRT并網(wǎng)升功率時(shí)，前壓調(diào)節(jié)由QOV閥、BCV通閥和TRT靜葉共同完成。此時(shí)送入QOV前壓調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，需經(jīng)過前壓設(shè)定值偏差(加上一個(gè)固定差值5 kPa)運(yùn)算后，使其略高于TRT靜葉控制回路的設(shè)定值，這樣該控制系統(tǒng)將控制QOV閥逐漸關(guān)閉，同時(shí)迫使靜葉逐漸開大，通過TRT的煤氣流量增加，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率隨之升高。BCV閥初始狀態(tài)為全關(guān)，而送入BCV閥前壓調(diào)節(jié)器的前壓設(shè)定值，同樣需經(jīng)過前壓設(shè)定值偏差(加上一個(gè)固定差值8 kPa)運(yùn)算，這樣BCV閥可起后備調(diào)節(jié)作用。TRT降功率與升功率時(shí)相反。

3)TRT事故停機(jī)時(shí)，QOV閥能在1 s內(nèi)打開至緊停計(jì)算角，轉(zhuǎn)移通過TRT的全部煤氣量，將高爐爐頂壓力波動控制在±5 kPa內(nèi)。

3.6 優(yōu)化工藝，提高TRT發(fā)電效率

在TRT運(yùn)行時(shí)，全部關(guān)閉QOV閥和BCV閥，以確保煤氣量全部通過TRT;經(jīng)過對比分析，將畢肖夫環(huán)縫壓差設(shè)置在40 kPa，保證煤氣清洗效果，使含塵量控制在10 mg/m3以下，最大限度的提高了TRT前壓;當(dāng)高爐煤氣頂壓穩(wěn)定到160 kPa且煤氣流量達(dá)到25萬m3/h以上立即開機(jī)，在高爐休風(fēng)前待頂壓無法滿足TRT運(yùn)行時(shí)才停機(jī)。同時(shí)通過增設(shè)智能點(diǎn)檢系統(tǒng)、制定制度、編制作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等方式加強(qiáng)設(shè)備點(diǎn)檢維護(hù)保養(yǎng)，對系統(tǒng)全面進(jìn)行檢查，消除設(shè)備隱患。

4 運(yùn)行效果

通過采取以上措施，有效解決了靜葉動作失靈的問題，消除了因葉片積灰造成煤氣流通面積減少而對機(jī)組出力的影響，減少了液壓閥門的故障，控制住了軸封煤氣泄漏，避免了TRT各種狀態(tài)下對高爐頂壓的影響以及高爐布料對TRT前壓的影響，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

1)TRT機(jī)組并網(wǎng)成功率由20%提高到80%以上，故障停車次數(shù)大大減少(見表2)，機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間顯著增加，機(jī)組檢修周期也由3個(gè)月延長為9個(gè)月以上。

表2 1#、2#TRT機(jī)組近年來的運(yùn)行情況

2)TRT發(fā)電效率明顯提高，目前機(jī)組日平均發(fā)電量與2008年比可增加6萬kW·h，一年內(nèi)同等運(yùn)行時(shí)間(按310天計(jì)算)來年發(fā)電量增加1860萬kW·h。

5 結(jié)束語

安鋼1#、2#TRT在運(yùn)行實(shí)踐過程中，通過解決運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，對工藝、PLC控制及操作進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化與改進(jìn)，探索提高TRT發(fā)電的途徑，為穩(wěn)定高爐爐頂壓力，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提供了可靠的條件，同時(shí)發(fā)電效率大大提高，為安鋼創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也為在建的3#高爐干式TRT投運(yùn)提供了指導(dǎo)與借鑒意義。

［1］唐志宏，楊劍，廖玉通，趙秀華.柳鋼高爐TRT發(fā)電技術(shù)介紹.煉鐵技術(shù)通訊，2008(1):8－9.

［2］劉振軍，李海波.寶鋼高爐提高TRT發(fā)電實(shí)績［J］.鋼鐵.2005，40(8):11－14.

［3］周斌，劉立新，郝吉廷.前壓控制方案在高爐TRT上的應(yīng)用.冶金動力，2010(2):41－43.

THE OPERATION PRACTICE OF TRT DEVICE

Yu Kaiwei Wang Zhen Hong XuekuiJi Shuangfeng Liu Lu
(Anyang Iron and Steel Stock Co.，Ltd)

It introduces the remaining problems during TRT operation according to TRT production practice in Anyang Steel.It is found that cleaning dust in blade，eliminating stress，increasing nitrogen sealing，perfecting top pressure and pressure PID control and improving static blade response speed can effectively solve these problems through analysis，thus TRT system runs safely and stably，generation efficiency is improved by more than 18% .

TRT generating efficiency stationary blade front pressure

2012—1—5