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(jìn)一步縮小，對煉鐵高爐生產(chǎn)提出了更嚴(yán)格的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，不僅要求規(guī)?；?、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(jī)是煉鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，使用汽動壓縮機(jī)還是電動壓縮機(jī)一直是困擾大家的難題。為此，筆者對高爐壓縮機(jī)系統(tǒng)煤氣能源消耗進(jìn)行了計(jì)算，并對其經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了比對，為同行業(yè)在壓縮機(jī)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(jī)系統(tǒng)的具體配置和運(yùn)行方式

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

汽輪機(jī)采用西門子NK63/90/32凝汽式中溫、中壓工業(yè)汽輪機(jī)，為軸流式通過膜片式聯(lián)軸器拖動壓縮機(jī)，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(jī)帶動壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，空氣通過過濾器進(jìn)入軸流壓縮機(jī)，經(jīng)過多級壓縮后，達(dá)到高爐所要求的冷風(fēng)壓力。為平衡煤氣管網(wǎng)壓力，防止能源浪費(fèi)，同時(shí)建有一臺30 MW發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰發(fā)電作用。

1.2 電動壓縮機(jī)系統(tǒng)的具體配置和運(yùn)行方式

電動壓縮機(jī)同樣采用全靜葉可調(diào)軸流式AV90-16壓縮機(jī)，機(jī)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(fēng)情況，電機(jī)采用了額定功率為38 MW的進(jìn)口同步電機(jī)，電壓10 kV，頻率50 Hz,采用變頻軟啟動；變速箱采用進(jìn)口同功率設(shè)備，盤車具有手動投入、自動脫扣功能。電動壓縮機(jī)系統(tǒng)簡單，建設(shè)速度快，占地面積小，運(yùn)行方便靈活，同等情況下，不需要鍋爐系統(tǒng)和汽輪機(jī)系統(tǒng)，因此運(yùn)行人員較少，檢修維護(hù)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(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，近兩年來低熱值高參數(shù)煤氣發(fā)電機(jī)組小型化技術(shù)開始研發(fā)，并逐步在冶金行業(yè)中應(yīng)用，效果明顯，各參數(shù)下機(jī)組的熱效率等參數(shù)詳見表1。

表1 各參數(shù)下機(jī)組熱效率

目前，與軸流壓縮機(jī)組配套的高參數(shù)小型熱力機(jī)組的技術(shù)還不成熟，但隨著小容量高參數(shù)發(fā)電技術(shù)的研發(fā)投運(yùn)，實(shí)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(fēng)機(jī)組改電動鼓風(fēng)，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(dá)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(jī)，而富裕蒸汽供應(yīng)中溫中壓汽輪發(fā)電機(jī)組。采用電機(jī)拖動的軸流壓縮機(jī)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(jī)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(jī)的電動機(jī)上。汽拖軸流壓縮機(jī)啟動需要鍋爐點(diǎn)火升壓并爐，之后汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)暖機(jī)，定速后壓縮機(jī)開始帶負(fù)荷供風(fēng)，時(shí)間相對較長，而電拖軸流壓縮機(jī)只需要啟動電動機(jī)的時(shí)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(jìn)行比對。

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

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

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

2.1 采用汽輪機(jī)帶動壓縮機(jī)模式的能源使用量計(jì)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(jìn)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(jī)技術(shù)參數(shù)來確定軸流壓縮機(jī)E點(diǎn)的功率，用W表示，單位換算值為3 600。由于還要考慮整個(gè)工藝流程中輔機(jī)的用電，所以需要乘以輔機(jī)用電率ηd1來計(jì)算出汽動壓縮機(jī)的總耗能。然后再確定當(dāng)前使用高爐煤氣的熱值q，同時(shí)考量各項(xiàng)損失，這里各項(xiàng)損失以百分比的形式計(jì)算，即高爐煤氣熱值乘以各項(xiàng)目的損失率，其中壓縮機(jī)的機(jī)械效率為ηax，中溫中壓汽輪機(jī)的效率為ηpl1，由于汽輪機(jī)和軸流壓縮機(jī)中間使用機(jī)械傳動方式，所以還需要確定機(jī)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(jì)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(jī)的E點(diǎn)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(bào)表中的輔機(jī)用電量，確定輔機(jī)用電率ηd1為8%；高爐煤氣熱值取3 300 kJ/Nm3；查詢機(jī)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(jī)的機(jī)械效率為軸端功率與汽輪機(jī)的內(nèi)功率的比值，現(xiàn)代汽輪機(jī)機(jī)械效率均大于99%；ηgl1為90%，按照技術(shù)協(xié)議鍋爐保證熱效率≥90%（燃料為設(shè)計(jì)值，按低位發(fā)熱量為基準(zhǔn)，滿負(fù)荷時(shí)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(jì)算，得出推動汽拖軸流壓縮機(jī)高爐煤氣消耗量為131 264 Nm3/h。

2.2 采用電動機(jī)帶動壓縮機(jī)模式能源使用量計(jì)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(jìn)行核算，高爐煤氣使用量用Q2來表示。由于軸流壓縮機(jī)沒有改變，所以E點(diǎn)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(gè)工藝流程中輔機(jī)的用電，所以需要乘以輔機(jī)用電率ηd2來計(jì)算出電拖壓縮機(jī)的總耗能。再確定當(dāng)前使用高爐煤氣的熱值q，但需要考慮各項(xiàng)損失，這里損失以百分比的形式計(jì)算，即高煤熱值乘以各項(xiàng)目損失率，其中壓縮機(jī)的機(jī)械效率為ηax，電動機(jī)的效率為ηg2，由于電動機(jī)和軸流壓縮機(jī)中間使用機(jī)械傳動，所以還需要考慮機(jī)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(jī)效率ηpl2以及發(fā)電機(jī)效率ηgd2。最后，通過能源計(jì)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(jī)輔機(jī)的用電率，壓縮機(jī)E點(diǎn)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(jī)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(jī)械效率為97%～99.5%，這里機(jī)型傳動效率ηax取值為99%；上電提供的技術(shù)協(xié)議中電動機(jī)效率ηg2為98.12%；ηax2為99%，是汽輪機(jī)的機(jī)械效率為軸端功率與汽輪機(jī)的內(nèi)功率的比值，現(xiàn)代汽輪機(jī)機(jī)械效率均大于99%；MAAG公司提供的技術(shù)協(xié)議中標(biāo)明變速箱效率ηc2為99.2%；按照技術(shù)協(xié)議鍋爐保證熱效率≥90%（燃料為設(shè)計(jì)值，按低位發(fā)熱量為基準(zhǔn)，滿負(fù)荷時(shí)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(jī)提供的技術(shù)協(xié)議中發(fā)電機(jī)效率ηgd2為98%。將這些數(shù)值代入式（2）計(jì)算，得出汽拖軸流壓縮機(jī)高爐煤汽消耗量為101 378 Nm3/h。

3 兩種驅(qū)動方式的經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)采用汽輪機(jī)帶動壓縮機(jī)模式和電動機(jī)帶動壓縮機(jī)模式的經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算結(jié)果，可以得出采用電動機(jī)帶動壓縮機(jī)模式比汽輪機(jī)帶動壓縮機(jī)模式減少高煤使用量29 866 Nm3/h，即每小時(shí)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(jì)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(shí)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(jī)組汽耗率一般為3.2 kg/kW·h·；D——主蒸汽流量消耗， t/h；N——機(jī)組發(fā)出的電功率，kW·h。

將相關(guān)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(shí)可以發(fā)電9.312×103kW·h，以每月720小時(shí)計(jì)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(jì)效益387萬元。

4 結(jié)語

以安鋼2#高爐用壓縮機(jī)組E點(diǎn)的軸功率為衡量標(biāo)準(zhǔn)分析計(jì)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(jì)效益進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)最終的計(jì)算分析結(jié)果可以得出，電動機(jī)驅(qū)動的軸流壓縮機(jī)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(jì)效益，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。