李國盛，祝百東

(中鋼集團工程設(shè)計研究院有限公司，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)項目反復(fù)強調(diào)優(yōu)先批復(fù)汽輪機排汽采用空冷?？绽湎到y(tǒng)是指在汽輪機做完功的低壓蒸汽（泛汽）進入空冷凝汽器，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，同時克服了冷卻塔對環(huán)境造成的污染。經(jīng)初步統(tǒng)計，汽輪機采用空冷系統(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)電機組與電廠相比，可利用汽輪機空冷技術(shù)的工藝主要在自備電站及各類風(fēng)機配套的拖動汽輪機上。尤其是后者，利用冶金余熱資源回收蒸汽，帶動汽輪機拖動風(fēng)機，在汽輪機上應(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)冷機余熱鍋爐和大煙道余熱鍋爐回收的蒸汽，驅(qū)動與燒結(jié)主抽風(fēng)機、電動機同軸串聯(lián)布置的汽輪機，使得主抽風(fēng)機電耗下降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)機汽電雙拖三機組的汽輪機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)機汽電雙拖三機組布置圖

汽輪機排汽空冷設(shè)備往下細分，也有兩種技術(shù)。一為采用空氣直接冷卻在汽輪機內(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。缺點是:汽輪機背壓需增加約10 kPa；冷卻風(fēng)機噪音大，系統(tǒng)電耗稍高。

2018年，為達到節(jié)能、降耗、優(yōu)產(chǎn)的目的，山西省某鋼鐵廠產(chǎn)能置換升級改造項目燒結(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)機項目上。

3 工程應(yīng)用

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

(1)主抽風(fēng)機

進氣流量：22 000 m3/min

進口壓力：-17 000 Pa（G）

出口壓力：500 Pa（G）

風(fēng)機軸功率：7 140 kW（溫度130 ℃計算）

(2)驅(qū)動電動機

電機型式：勵磁同步電動機

額定功率：7 800 kW

(3)凝汽式工業(yè)汽輪機

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)計功率：6 200 kW

3.2 空冷系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)

（1）夏季運行工況

汽輪機額定排汽流量：32.5 t/h

汽輪機做功上浮10%增加排汽量：4 t/h

排汽壓力：20 kPa

設(shè)計溫度（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）冬季運行工況

汽輪機排汽流量：24.4 t/h

排汽壓力：15 kPa

冬季室外通風(fēng)計算溫度：-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)機房內(nèi)汽電雙拖三機組及輔機

燒結(jié)主抽風(fēng)機房內(nèi)通常布置有主抽風(fēng)機及其配套電動機。增加汽輪機驅(qū)動后，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)機原有的中心標(biāo)高不應(yīng)變更。因此聯(lián)軸布置有風(fēng)機、電機、汽輪機三機組的小島標(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)的汽電雙拖三機組主機及配套的抽真空、潤滑油輔機等，車間外的空冷島兩大部分。

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

汽輪機采用上進汽，主汽電動閥則設(shè)置在地面上便于操作。同時汽輪機也采用上排汽結(jié)構(gòu)，在汽輪機內(nèi)做完功的乏汽通過排汽管道進入布置在小島側(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)機房外的空冷島。具體布置參見圖2。

圖2 主抽風(fēng)機汽電雙拖設(shè)備及管線布置

3.4 主抽風(fēng)機房外空冷島

汽輪機排汽通過DN1600 mm的排汽管道送到風(fēng)機房外的直接空冷設(shè)施，即空冷島上。空冷到底部軸流冷卻風(fēng)機，利用周邊空氣強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高的混凝平臺上，由冷卻風(fēng)機及布置成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)和汽輪機運行工況點進行計算，同時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個單元布置，每個單元底部設(shè)1臺直徑9 m，功率110 kW的軸流風(fēng)機。風(fēng)機入口配有導(dǎo)風(fēng)筒和防護網(wǎng)，可防止異物吸入空冷島內(nèi)。風(fēng)機采用變頻控制，根據(jù)環(huán)境氣溫、汽輪機排汽背壓、凝結(jié)水溫自動調(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)機房內(nèi)汽輪機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，需進行應(yīng)力分析計算，設(shè)有滑動、固定、彈簧、導(dǎo)向支架及補償器。

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)

本項目抽空真空裝置采用2臺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、排汽裝置抽真空容積、抽干空氣量進行選型，真空從當(dāng)?shù)卮髿鈮哼_到20 kPa的時間不應(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，長期運行后，翅片管外表面難以避免會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的清洗小車，小車上帶有高壓往復(fù)水泵和軟管。可定期對空冷凝汽器換熱管束進行清掃，保證凝器換熱效率。

（5）電控系統(tǒng)

空冷島配有獨立的電氣柜及PLC自控系統(tǒng)，PLC采用西門子S7-300控制系統(tǒng)，采用光纖與上級操作站通訊。空冷島操作畫面由空冷島廠家設(shè)計、組態(tài)和調(diào)試，并集成到主抽風(fēng)機房內(nèi)汽電雙拖三機組上位操作站內(nèi)。為保證安全，空冷島運行信號、空冷島故障信號、允許空冷島啟動信號采用硬線聯(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)項目上，不僅滿足了業(yè)主節(jié)約水資源的要求，同時取得了良好的經(jīng)濟效益。