提高TRT發(fā)電量技術(shù)探索

馬志

（河鋼邯鋼集團(tuán)邯寶公司能源中心，河北邯鄲 056015）

前言

高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置（Blast Furnace Top Gas Recovery Turbine Unit），簡(jiǎn)稱TRT。它是利用高爐冶煉的副產(chǎn)品——高爐煤氣具有的壓力能及熱能，使煤氣通過(guò)透平膨脹機(jī)做功，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在這些能量轉(zhuǎn)換和回收利用設(shè)備中，包括透平機(jī)、調(diào)節(jié)控閥門、爐頂壓力調(diào)節(jié)裝置、管路閥門、發(fā)電機(jī)、除塵器等，這些設(shè)備一部分為能量轉(zhuǎn)換專用設(shè)備，另一部分為工藝安全或生產(chǎn)配套設(shè)備。如何將影響能量轉(zhuǎn)換效率的設(shè)備合理高效利用一直是能源利用的重點(diǎn)和難點(diǎn)。邯鋼對(duì)濕式TRT 的高爐煤氣發(fā)電進(jìn)行了深入探討，就影響TRT 發(fā)電的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了分析，提出了一些提高發(fā)電量的解決辦法，并加以運(yùn)用，取得了較好的成效。

1 TRT的構(gòu)成

TRT 裝置由透平主機(jī)和大型閥門系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)、發(fā)配電系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)八大系統(tǒng)組成。這八大系統(tǒng)相互配合，構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)體，實(shí)現(xiàn)壓力能轉(zhuǎn)換為電能。

2 TRT的功能

2.1 能量回收

高爐煤氣通過(guò)洗滌和除塵，再經(jīng)過(guò)三環(huán)縫及QOV 閥系統(tǒng)組，煤氣壓力由220 kPa 降到12 kPa 左右送至管網(wǎng)。通過(guò)TRT 機(jī)組，可以將煤氣余壓和部分熱能轉(zhuǎn)換成電能。另外，高爐出口100～180 ℃的煤氣，經(jīng)濕式除塵后，降至50～60 ℃后直接送管網(wǎng)，而通過(guò)TRT 可以降至40 ℃左右送管網(wǎng)，還可利用20℃左右的熱能。

2.2 穩(wěn)定的頂壓控制

若沒(méi)有TRT，高爐的頂壓只是通過(guò)除塵的三環(huán)縫來(lái)控制，增加TRT 后，三環(huán)縫調(diào)高爐頂壓，通過(guò)TRT 機(jī)組的靜葉來(lái)調(diào)整除塵器后壓力和管網(wǎng)壓力，因靜葉調(diào)整穩(wěn)度、精度高，高爐的頂壓更加易于控制，對(duì)高爐生產(chǎn)更加有利。另外，按調(diào)節(jié)穩(wěn)定性分析，一次性大范圍調(diào)節(jié)也不及兩次分級(jí)調(diào)節(jié)精度高。

2.3 降低噪音

由于煤氣的壓力損失通過(guò)透平吸收，原除塵或調(diào)壓閥產(chǎn)生噪音以做功的形式轉(zhuǎn)化為電能，可以有效降低噪音。

3 邯鋼TRT的現(xiàn)狀

邯鋼3 200 m3高爐，配套采用德國(guó)PW 三環(huán)縫濕式除塵技術(shù)，配套陜鼓MPS18-290/58 透平機(jī)組，其工藝配置見(jiàn)圖1。該除塵設(shè)備及TRT于2005年確定方案，2008 年8 月建成投產(chǎn)，到目前為止，運(yùn)行也近13 年，其設(shè)備面臨老化，技術(shù)也相對(duì)落后。在現(xiàn)有條件下，不對(duì)設(shè)備進(jìn)行大的投資改造，實(shí)現(xiàn)最高的TRT效率是目前運(yùn)行調(diào)節(jié)的主要工作。

圖1 3 200 m3高爐煤氣除塵及TRT工藝示意圖

4 影響發(fā)電因素

通過(guò)TRT 發(fā)電量的計(jì)算公式可以看出，影響發(fā)電量的因素為：透平出入口溫度、透平入口煤氣壓力、煤氣流量、透平效率和發(fā)動(dòng)機(jī)效率，因此，要提高發(fā)電量，就是要增流量、提壓力、保溫度、高效率。

TRT發(fā)電量計(jì)算公式：

式中：N——發(fā)動(dòng)機(jī)功率，kW；

T1——透平入口煤氣溫度，K；

P1——透平入口煤氣壓力，kPa；

P2——透平出口煤氣壓力，kPa；

Fd——煤氣中水汽冷凝所放出的汽化潛熱的熱量修正系數(shù)；

Nt——透平效率；

Ng——發(fā)動(dòng)機(jī)效率；

Cp——定壓比熱；

K——絕熱指數(shù)；

Q——煤氣流量，m3/h。

4.1 增流量

流量的增加有二條途徑。

（1）高爐煤氣產(chǎn)量的提高，需要高爐操作和穩(wěn)定的爐況及產(chǎn)量來(lái)做保證，TRT本身無(wú)法左右，不做分析。

（2）TRT少泄漏或不泄漏，主要是TRT的旁通閥和QOV閥關(guān)閉到位。

4.2 提壓力

高爐爐頂壓力的提高、除塵系統(tǒng)壓損的減少，都可以提高TRT 的前壓，然而要提高TRT 的前壓，還受TRT旁通閥和QOV 閥的影響，只要其在TRT事故突然停機(jī)時(shí)能快速打開(kāi)，不造成高爐頂壓的突然大幅上升即可。

4.3 保溫度

溫度的提高是二個(gè)方面。

（1）高爐頂溫的提高，這需要高爐操作調(diào)整，需風(fēng)溫提高、熱量的增加等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）除塵系統(tǒng)的調(diào)整，具體為減少水量，增加水壓。

4.4 高效率

高效率是指透平機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率，發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率出廠就已確定，不做分析。透平機(jī)組本身的效率提高，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）機(jī)組靜葉角長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)作的范圍，盡可能在60%～80%為宜。

（2）運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，主要表現(xiàn)為縮短高爐休風(fēng)檢修前停機(jī)時(shí)間，增快高爐休風(fēng)檢修后的恢復(fù)時(shí)間。

（3）機(jī)組本身安全運(yùn)行狀況，如振動(dòng)、瓦溫、軸位移等，保證TRT的運(yùn)行。

5 調(diào)節(jié)改進(jìn)措施

5.1 流量提高后壓力不降問(wèn)題

煤氣量的增加是通過(guò)高爐增風(fēng)量提高的，是高爐提高產(chǎn)量后的附加效益，原則上高爐頂壓一般不會(huì)降低，需要控制好環(huán)縫壓差，保證煤氣經(jīng)過(guò)環(huán)縫的流速，就能保證除塵效果。

5.2 流量提高后溫度不降問(wèn)題

煤氣量的增加，高爐頂溫一般也不會(huì)降低，原則上只要保證原環(huán)縫的差壓，除塵效率就能保證。只要保證除塵所需要的水汽比，特別是三環(huán)縫的水汽比，煤氣質(zhì)量就能保證。實(shí)際中只需適量增加三縫的水量，減少中間初洗的水量，既能保證環(huán)縫的除塵效率，煤氣溫度還不會(huì)降低，反而會(huì)增加1～5 ℃。只要除塵器出口煤氣溫度不≤60 ℃，濕式除塵的安全運(yùn)行就能得以保證，發(fā)電量還會(huì)適當(dāng)增加。

5.3 增壓后不出安全問(wèn)題

高爐提高頂壓，是為了高爐提高產(chǎn)量而進(jìn)行的，實(shí)際中因TRT 在設(shè)計(jì)時(shí)，受高爐最初設(shè)計(jì)條件限制，閥門的動(dòng)作也受限制。如邯鋼3 200 m3高爐，原設(shè)計(jì)正常頂壓為0.23 MPa，除塵器三環(huán)縫除塵質(zhì)量要求壓差30～60 kPa，加上設(shè)備及管道阻力損失，到TRT入口的最高壓力不會(huì)超過(guò)0.19 MPa。設(shè)計(jì)時(shí)TRT 突然事故停機(jī)時(shí)，TRT 旁通閥打開(kāi)壓力不超過(guò)0.25 MPa，三環(huán)縫配套的QOV 閥打開(kāi)壓力不超過(guò)0.205 MPa。若前壓提高，很容易出現(xiàn)TRT突然停機(jī)后，旁通閥通徑較小，QOV 閥打不開(kāi)造成高爐頂壓突然大幅升高問(wèn)題。因此，提高頂壓后，若不提高QOV 閥和旁通閥的打開(kāi)壓力，只得將提高頂壓后的壓力能浪費(fèi)在三環(huán)縫中。為解決這一問(wèn)題，可以通過(guò)更換QOV 閥的液壓缸動(dòng)力，將閥的打開(kāi)壓力提高至0.25 MPa 以上，同時(shí)解決TRT 旁通閥直徑小和打開(kāi)壓力低問(wèn)題。有條件可以再增加一個(gè)旁通閥，同時(shí)將閥的打開(kāi)壓力提升至0.3 MPa。這樣，雙閥在TRT 突然停機(jī)后打開(kāi)泄壓，也不會(huì)出現(xiàn)TRT 旁通閥打不開(kāi)和QOV閥前壓突然超標(biāo)打不開(kāi)情況。

5.4 高效率問(wèn)題

5.4.1 頂壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)技術(shù)

TRT 正常運(yùn)行時(shí)，采用PID 調(diào)節(jié)控制TRT 靜葉開(kāi)度，達(dá)到控制高爐爐頂壓力穩(wěn)定的目的。TRT 運(yùn)行時(shí)，靜葉在自動(dòng)狀態(tài)，QOV 閥全閉，三環(huán)縫保持自動(dòng)調(diào)壓狀態(tài)。正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)組旁通快開(kāi)閥關(guān)閉，且在自動(dòng)位置，一旦靜葉調(diào)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，頂壓波動(dòng)超出正常范圍，在自動(dòng)位置的旁通快開(kāi)閥會(huì)自動(dòng)參與頂壓調(diào)節(jié)。

要實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行，則需要TRT 的旁通閥和QOV閥在TRT 正常運(yùn)行時(shí)，不參與調(diào)節(jié)，僅通過(guò)靜葉角調(diào)節(jié)和三環(huán)縫調(diào)節(jié)，避免煤氣通過(guò)該兩個(gè)閥逃逸而減少發(fā)電量。實(shí)際在控制中，采用三環(huán)縫調(diào)頂壓，TRT 靜葉調(diào)前壓，且保證TRT 的前壓設(shè)定值低于高爐頂壓25～35 kPa。另外，為避免兩個(gè)調(diào)節(jié)的疊加，兩個(gè)調(diào)節(jié)快慢錯(cuò)開(kāi)，根據(jù)高爐爐況優(yōu)化PID 參數(shù)，即可保證調(diào)節(jié)穩(wěn)定。

5.4.2 葉片防結(jié)灰方法

TRT 葉片積灰，直接影響TRT 的效率。目前任何高爐煤氣除塵均不能完全除去煤氣中的灰塵，濕式除塵中仍有少量的粉塵和水通過(guò)葉片，自然會(huì)形成微小的顆粒，慢慢在葉片上沉積。要防止葉片積灰的具體方法為：一是葉片安裝在線清洗裝置，定期對(duì)葉片進(jìn)行沖洗；二是要利用定修機(jī)會(huì)或定期對(duì)葉片加專用藥劑進(jìn)行清洗，避免灰在葉片上長(zhǎng)時(shí)間積聚。

5.4.3 除塵器壓力損失縮小

在TRT 運(yùn)行時(shí)，因其突然將煤氣由高壓降為低壓，在TRT 運(yùn)行中也存在除塵功能，可以將原環(huán)縫除塵的壓力差降低3～5 kPa，以減少環(huán)縫壓力損失，煤氣的含塵量可以在TRT出口取樣分析判斷。

5.4.4 靜葉角度控制問(wèn)題

為保證TRT的高效，靜葉角度是關(guān)鍵，TRT的靜葉角度應(yīng)該在60%～80%為宜，開(kāi)度太低效率低，太高調(diào)節(jié)能力小，既可能影響頂壓調(diào)節(jié)，還影響調(diào)節(jié)效率。

5.4.5 靜葉密封使用周期問(wèn)題

靜葉是一個(gè)流量控制裝置，其密封嚴(yán)密程度直接影響TRT 的效率。一般半年后靜葉密封就變差，既需要選擇較好的靜葉密封材料，又需要在檢修時(shí)保證靜葉及承缸的裝配質(zhì)量。

5.4.6 延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間問(wèn)題

運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)電量一定會(huì)越多。提升運(yùn)行時(shí)間辦法為：

（1）停機(jī)時(shí)盡可能減少提前量，可以與高爐休風(fēng)時(shí)同步減負(fù)荷。

（2）高爐短時(shí)間（≤4 h）休風(fēng)時(shí)，保持電動(dòng)運(yùn)行，縮短高爐復(fù)風(fēng)時(shí)啟機(jī)時(shí)間，因高爐休風(fēng)后復(fù)風(fēng)TRT開(kāi)啟條件一般在6 h后。

（3）達(dá)到開(kāi)機(jī)條件，立即開(kāi)機(jī)，即需提前完成設(shè)備試驗(yàn)和機(jī)組能過(guò)二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)就啟機(jī)。

5.4.7 閥的泄漏問(wèn)題

旁通閥和QOV 閥均是TRT 的旁路，其關(guān)閉嚴(yán)密程度直接關(guān)系TRT的發(fā)電量。

（1）要選取泄漏率低的閥門，最好是萬(wàn)分之一的泄漏率。

（2）定期檢查其嚴(yán)密性，并調(diào)整相應(yīng)限位。

（3）不能為了快速處理事故而保持1%～2%的開(kāi)度。

（4）定期檢查軸端閥板晃動(dòng)量，避免因閥板晃動(dòng)而泄漏。

6.5 效果分析

通過(guò)對(duì)TRT 效率分析及整改，各參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 提壓前后參數(shù)對(duì)比

從表1可以看出，對(duì)TRT 進(jìn)行發(fā)電量挖掘，技術(shù)是可行的，效果是明顯的。

總之，TRT是高爐煤氣余壓發(fā)電設(shè)備，雖然近年與干法除塵發(fā)展配套的干式TRT 較多，其運(yùn)行效率也較高，但在現(xiàn)有條件下濕式除塵的TRT 提高運(yùn)行效率就顯得尤為重要。提高TRT 的噸鐵發(fā)電量，可降低生鐵成本，提升噸鐵效益。邯鋼在現(xiàn)有濕式除塵技術(shù)條件下，有針對(duì)性地就影響TRT 發(fā)電的因素進(jìn)行攻關(guān)，解決了制約TRT 高效運(yùn)行的瓶頸問(wèn)題，取得了可喜的經(jīng)濟(jì)效益，為能源設(shè)備的高效運(yùn)行探索出一條新思路。