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)
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。
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),同時建有一臺30 MW發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰發(fā)電作用。
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。
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。
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(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)計值,按低位發(fā)熱量為基準(zhǔn),滿負(fù)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(jī)高爐煤氣消耗量為131 264 Nm3/h。
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(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)計值,按低位發(fā)熱量為基準(zhǔn),滿負(fù)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(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)計算,得出汽拖軸流壓縮機(jī)高爐煤汽消耗量為101 378 Nm3/h。
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(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(jì)效益387萬元。
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)行了計算。根據(jù)最終的計算分析結(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。