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高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 摘要 本钢目前高炉炉顶煤气压力能和热能大量浪费，为解决能源浪费问题， 拟在6 。、7 4 高炉投产时，建高炉煤气余压回收透平装置( t r t ) ，利用高炉煤气 的压力能和热能进行发电。周边企业中鞍山钢铁公司与2 0 0 4 年刚刚建成高炉 煤气余压回收透平装置( t r t ) ，工况条件与本钢有一定的差距。本钢将在2 0 0 5 年5 月在6 # 高炉投运t r t ，在2 0 0 5 年8 月在7 # 高炉投运t r t ，因此，在对鞍 钢进行考察后，结合国内夕 资料及本钢的实际情况，进彳亍研究适合本钢的高炉 煤气余压回收透平装置( t r t ) 。 研究内容主要有；t r t 的现状与发展趋势；不同系统结构的优缺点；t r t 的气动设计it r t 装置的应用；t r t 的控制系统运行中常出现的问题等。研究 目的： 1 解决本钢高炉炉顶煤气压力能和热能大量浪费，节约能源，减少环境 污染。 2 为本钢第一台t r t 的调试、投产、运行提供理论依据。 3 为相关企业技术改造及工艺选择提供理论与实践依据。 关键词：高炉煤气，透平机，发电，节能 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 a b s t r a c t b e n x ii r o n & s t e e lc ol t db fl o pg a sp r e s s u r ee n e r g ya n dh e a te n e r g yw a s t e v a s t l ya tp r e s e n tt os o l v et h ep r o b l e mo fe n e r g y w a s t i n g ，i t sp l a n n e dt ob u i l dt o p g a sp r e s s u r er e c o v e r yt u r b i n ef t r t ) t ou t i l i z eb fg a sp r e s s u r ee n e r g ya n dh e a t e n e r g yt og e n e r a t ee l e c t r i c i t yp o w e rb e f o r eb f6 & b f7a r ep u ti n t oo p e r a t i o n n e a r t ye n t e r p r i s ea n s k a ni r o n s t e e lc ol t db e n x iw i l lp u tt r t i n t oo p e r a t i o n w i t hn o 6b fi nm a y , 2 0 0 5 ，a n dw i t hn o 7b fi na u g u s t ，2 0 0 5 t e r e f o r e a f t e r i n v e s t i g a t i o no fa n s h a np r o j e c t ，c o n n e c t e dw i t hd o m e s t i ca n da b r o a di n f c r m a t i o n a n dp r a c t i c a ls i t u a t i o no fb e n x i s t u d i e st r tw h i c hf i t sf o rb e n x ii r o n & s t e e l c o ，l t d r e s e a r c hc o n t e n t sa r e m a i n l yc o m p o s e do f ：t r tp r e s e n t s i t u a t i o na n d d e v e l o p m e n tt r e n d ；a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n ts y s t e m s ；a i r p o w e r d e s i g no ft r t ；a p p l i c a t i o n so ft r ta p p r a t u s ；c o m m o np r o b l e m so ft r tc o n t r o l s y s t e mo p e r a t i o na n ds oo n ，r e s e a r c ha i m sa sf o l l o w s ： 1s o l v ev a s tw a s t e so fp r e s s u r ee n e r g ya n dh e a te n e r g yo ft o p g a so fb e n x i i r o n s t e e lc o l t d s a v ee n e r g y , r e d u c ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n 2 p r o v i d et h e o r i t i c a lb a s ef o rc o m m i s s i o n i n ga n do p e r a t i o no fn o 1 t r to f b e n x ii r o n & s t e e lc o l t d 3p r o v i d et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lb a s e sf o rr e l a t i v ee n t e r p r i s e s t e c h n o l o g y r e n o v a t i o na n dp r e c e s sc h o i c e k e yw o r d s ：b fg a s ，t u r b i n e ，p o w e r - g e n e r a t i o ne n e r g ys a v i n g 2 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 前言 钢铁企业炼铁能耗约占全厂总能耗的7 0 ，其中约5 5 9 6 用于高炉，而且随着 高炉越来越趋向于大型化和高压炉顶，这样高炉鼓风所需的能耗也越来越大，另 外又由于炉顶压力是由环缝( 减压阀组) 控制的，故顶压越高，在环缝( 减压阀 组) 上浪费的能量就越多，产生的噪声也越大，对环境造成的污染也越严重。 据统计，t r t 回收的能量相当于高炉鼓风能耗的三分之一左右。可见，高炉 安装t r t ，既回收了原来浪费在减压阀组上的能量而变成电能，又改善了顶压调 节品质，更有利于高炉生产，另外又防止了环境污染，总之，t r t 机组既具有显 著的经济效益，又具有明显的社会效益。因此，被冶金部列为钢铁企业重大节能 技术推广应用。 本钢计划在2 0 0 4 年陆续投入t r t ，其高炉煤气发生量4 8 0 0 0 0 - - 5 2 0 0 0 0 m 3 h ，炉顶 压力0 1 5 0 2 2 p a 。建设t r t 年正常发电量7 3 2 2 1 0 4 k w h a 。此项工程投资3 1 6 2 万元，投产后，年平均销售收入可达2 8 2 7 万元，全部投资回收期为1 2 1 年。因 此，通过此课题的研究，希望对本钢即将投入的t r t 有一个理论上的指导，提高 t r t 在本钢的应用及推广。 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：髫垄 指导导师签名：夜南( 1 2 年明上日 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 1 文献综述 1 1 能量回收透平装置 能量回收透平装最是利用各种工艺气体所具有的压力能、热能，通过一台 透平膨胀机膨胀作功，来进行能量回收的一种节能装置。该装置主要由透平膨 胀机和发电机( 或其他负载) 所构成。 能量回收透平装置由于具有结构简单，操作维护方便、工质少污染、容量 大、寿命长和节能显著的优点，较活塞式等容积型膨胀机回收装置有明显的优 越性，因而，在能源的综合利用方面获得了越来越广泛的应用。 1 2 高炉煤气余压回收透平装置( t r t ) 简介 1 2 1 t r t 机组在高炉生产中的作用和地位 高炉煤气余压回收透平装置是利用高炉煤气具有的压力能和热能，使煤气 通过透平膨胀机膨胀作功，驱动发电机发电，进行能量回收的一种装置。该装 置简称t r t 。 那么，在高炉煤气系统巾设置t r t 装置有什么用途呢? 它所设置的位置在 什么地方呢? 如图卜l ，让我们来进行说明一下。 a )在没有设置t r t 的高炉煤气系统，高炉鼓风机将除尘、除湿后的压缩 空气吹入热风炉进行加热，加热后的热空气由高炉下部吹入，高炉内焦碳 燃烧产生高温还原反映，使铁矿石还原成铁水。高炉炉顶聚集的气体中含 有2 0 以上的一氧化碳，成为可燃性高炉煤气，经过干式除尘器和湿式除 尘装置进行除尘，然后经过减压阀组减压，最后进入煤气管网供用户使用。 由于高炉炉顶排出的煤气具有一定的压力和温度( 压力为1 0 0 - - 3 0 0 k p a ， 温度为2 5 0 ) ，也就是具有一定能量，经过二次除尘后，压力稍有降低， 温度降为5 0 。c ，但仍含有较大的压力能，这部分压力则通过减压阀组降到 约l o k p a ，大量的能量被白自地损失在减压阀组上。 b )在减压阀组的并排位置上装上一台湿式t r t 装置，其意义就是用来替 代减压阀组，将这部分能量进行回收，达到节能的目的。 c )在于式除尘煤气系统中设置了一台干式t r t 。煤气经湿式除尘后温度 下降很多，大量的热值被除尘用的水带走而造成浪费，随着干式除尘技术 鲍发展( 主要有布袋除尘、静电除尘、多管旋风除尘和充填式沙滤除尘四 种) ，其除尘效率高，压力损失小，温度下降小，能使进入t r t 入口的煤 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 气温度由湿式除尘后的5 0 左右提高到干式除尘后的1 5 0 2 0 0 ，从 而大大增加了t r t 的输出功率和发电量。 a b 2 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 众所周知，钢铁企业炼铁能耗约占全厂总能耗的7 0 ，其中约5 5 用r 高 炉，而且随着高炉越来越趋向于大型化和高压炉顶，这样高炉鼓风所需的能耗 也越来越大，另外又由于炉顶压力是由减压阀组控制的，故项压越高，在减压 阀组上浪费的能量就越多，产生的噪音也越大，对环境造成的污染也越严重。 t r t 的工作原理是透平膨胀机将原来损耗在减压阕组上的高炉煤气的压力 能转换成机械能，在通过发电机将机械能变为电能输送给电网。据统计显示， t r t 回收的能量相当于高炉鼓风能量的三分之一左右。以唐钢高炉为例，高炉 鼓风机型号：a v 5 6 1 3 ，额定功率1 2 6 0 0 k w ；t r t 型号：t p l 6 7 0 2 2 5 8 一1 1 3 6 ， 额定功率3 0 5 0 k w ，最大功率4 3 0 4 k w 。 可见，高炉安装了t r t 机组，既回收了原来浪费在减压阀组上的能量而变 成电能，同时又改善了项压调节品质，更有利于高炉生产，另外又防止了环境 污染，总之，t r t 机组既具有显著的经济效益，又具有明显的社会效益。因此， 被冶金部列为钢铁企业重大节齄技术推广应用。 1 2 2t r t 机组在必须遵循的原则 虽然t r t 的作用如此之大，但是t r t 仍然是高炉的辅助设备，这就决定了 t r t 机组在设计、运行中必须遵循以下原则： l 、在正常启动、运行、停机过程中，不得影响高炉正常生产。 2 、当t r t 机组在运行中发生重大事故而紧急停机时，也不能对高炉顶压造成 大的波动。 3 、不能单独向用户供电，只能与工厂电力系统并列运行。 4 、在保证高炉炉况稳定的前提下，争取多回收发电。 1 3t r t 的分类 1 、按高炉煤气在工作轮中的流动方向分为径流式t r t 和轴流式t r t ，一般 混流式很少见。 2 、按反动度分为反动式t r t 和冲动式t r t 。 3 、按进入透平煤气的干湿情况分为湿式t r t 、干式t r t 和干湿两用t r t ， 半干式t r t 。 4 、按煤气的流程分为单流程式( 一座高炉带一台单流道的t r t ) 、双流程 式t r t ( 一座高炉带一台具有进气流道和两个排气流道的共轴式t r t ) 及 双负载式( 两座高炉带一台具有两个进气流道和一个排气流道的共轴式 t r t ) 。 5 、按级数分为单级、两级、多级t r t 。 6 、按工作转速分为高速型( 3 0 0 0 r m i n 或3 6 0 0 r m i n ) 、低速型( 1 5 0 0 r m i n 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 或1 8 0 0 r r a i n ) 本钢6 # 高炉的t r t 全名为二级湿式轴流反动式高炉煤气膨胀透平机。 1 4t r t 的各类流程 1 4 1 轴流冲击式透平 主要在前苏联，日本也有一部分，系统一般有以下两种： ( 1 ) 前苏联 洗涤塔诎式管电除尘器 ( 2 ) 日本 3 0 3 5 l o m g n m 3 厂蠓舒热器n 2 啪户 l 减压阀组_ j 广喊压阀组嘲二文式洗涤器 第一文式洗涤器| l 磔气予热器( 1 2 04 c ) 艨气 户 这两种系统大同小异，主要都采用轴流冲击式透平，都将净或半净煤气通 过燃烧掉5 左右的高炉煤气，在混合式预热器中，将煤气加热到1 2 0 c 左右， 然后进入透平( 透平效率约8 0 9 6 ) ，所不同的是清洗系统，在前苏联用塔一文一 电除尘系统，在日本为双文系统。这种透平工艺叫古普特法。 1 4 2 径流反动式( 向心式) 透平 这种系统在日、法、德、美均有，而以日本较为普遍。主要系统有两种： ( 1 ) 半净煤气进透平，系统如下：、 文式洗涤 1 0 m g n m 3 除尘器期户 5 0 6 0 厂，旁通阀 环缝洗涤器( 比肖夫型) oil 瑚户 l o m g n m 3l - 煤气透平一 这两种系统均采用不加热的湿煤气系统，将煤气冷却至5 0 6 0 送往透平， 4 ) 芦 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 丽磊萌霸蟊瓦丽式i _ 向心式) 透平( 效率为7 5 ) ，只是采用的清洗系统不同， ( 2 ) 比( 1 ) 回收的电能小些。这种方法称索弗来尔法，或川崎一一索弗来尔 法。 1 4 3 轴流反动式透平 这是川崎公司从法国索弗来尔公司引进的技术( 径向式) ，在其基础上又 开发7 轴流反动式透平，丽三井造船又从川崎公司引进了技术，主要有以下三 种： ( 1 ) 净煤气进透平系统 5 0 - 6 0 广喊压阀组1 0 3 5 第一文式洗涤第二文式洗涤器i l o m g n m 3 气透平 环缝洗涤器( 比肖夫型) _ 5 0l 一6 0 广旁通阀 t o m g n 0l 煤气透平 户 户 这种系统和其他双文系统的透平发电装置类似，但其透平采用轴流反动式 ( 效率8 9 5 ) ，且增加了静叶可调技术，可以保持低负荷时的高效率。三井 造船公司制造的称m e s 型，川崎公司制造的称k s a 型。 ( 2 ) 半净煤气进透平系统 第一文式洗涤器 漱器k 户 这种系统与( 1 ) 类似，不同点一个是可以用半净煤气，另一个采用轴流 反动式透平，但为连续水冲洗( 效率8 5 ) ，而二文设在减压阀组后，称为m e s 型和s h r 型。 轴流反动式透平比径流反动式( 向心式) 透平以及干法轴流冲击式透平先 进，他的效率最高，回收电能最多，且不消耗煤气加热的能量，故不改变煤气 的热值。 总之，径流式透平的效率大约比轴流式透平低1 0 ，原因是：l 、气流方 向的不断变化。2 、较长气流通道引起较大的压力损失。由于在它们的转子叶 片的压损不同，轴流反动式透平比轴流冲击式透平的效率约高5 。 卜 芦 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 1 5t r t 的特点和优点 优点：l 、不消耗任何燃料； 2 、无污染公害的最经济的发电设备； 3 、可以替代减压阀组调节稳定炉顶压力。 t r t 和蒸汽透平或燃气透平相比较有以下特点： 1 、系统的构成和作用不一样，t r t 主要用来节能。 2 、温度低、压力低、膨胀比小，而流量则相当大，一般为2 0 一5 0 1 04 n m 3 h 3 、介质复杂，存在气一固、气一液、气一固一液两相或三相形式，而且 还会产生相变( 凝结水析出) 。 4 、受高炉影响，煤气流量波动大，变化频率大。 5 、由于有灰尘，叶片易磨损，容易积灰和堵塞。 6 、气体中含有腐蚀性的氯和二氧化硫，溶于水后形成酸而造成叶片等腐 蚀。 7 、t r t 作为高炉的附属设备，对高炉正常生产有着重要作用，因此必须以 保证高炉正常运行为前提，不允许对炉况产生不良影响。 8 、高炉煤气是有毒气体，所以，t r t 及系统的安全性十分重要，要求所有 设备必须安全可靠。 1 6 国内外研究概况及发展趋势 目前高炉煤气余压回收透平装置( t r t ) 可分为四类： 1 、原苏联的半干式轴流冲击式t r t 装置，型号为g u b t 。 2 、法国的湿式径流反动式t r t 装置，型号为k s r 。 3 、日本的湿式轴流反动式t r t 装置，型号有川崎重工的k s a 和三井造 船的m a t 。陕鼓型号t p 。 4 、日本的干式轴流反动式t r t 装置，型号有j l i 崎重工的k d a 和三井造 船的m a t 。 其中，湿式径流反动式t r t 因效率低，透平体积大，已很少应用。半 干式轴流冲击式t r t 也存在效率低的不足，而且需要燃烧约5 的高炉煤 气，使煤气的热值降低，近期也较少使用。湿式轴流反动式t r t 采用水喷 雾方式来防止积灰，效率较高，而且大多数高炉采用的是湿式除尘装置， 不需要变动，故应用的最为普遍。干式轴流反动式t r t 因需要设置干式 除尘设备，因而投资较大，末获得广泛应用。 目前，国外发展最快、水平最高、数量最多的是日本。据资料统计， 日本2 0 0 0 m 3 以上的高炉共4 1 座，全部安装了t r t 装置。而全世界2 0 0 0 m 3 6 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 以上的高炉约有1 8 8 座，共安装了8 5 台t r t 仅占总数的4 5 。 我国对t r t 装置的研制工作起步较晚，现1 0 0 0m 3 以上的高炉5 0 余 座，仅有1 7 座安装了t r t 装置，占总数的4 2 5 ，1 0 0 0m 3 以下的高炉没 有一座安装t r t 。本钢5 座高炉，没有一座安装t r t 。可见，在高炉节能 方面还大有潜力可挖。 随着高炉向大型化和高压炉顶方向的发展以及干式除尘装置的推广， t r t 也朝着干式轴流反动式及静叶可调型的方向发展。这是因为，干式 t r t 可有效解决透平叶片问积灰堵塞，叶片磨损和腐蚀等问题，又可大幅 度( 约2 0 - - 4 0 ) 提高透平的出力。而采用静叶可调，不仅能扩大工况范 围、提高效率和功率、减少噪音，而且还可较好地控制高炉炉顶压力，减 少压力波动，提高膨胀透平的可靠性。 结合我国的具体情况，即要发展大型高炉t r t 装置，也要着眼于中、 小型高炉t r t 装置。另夕 ，开发干式和干湿两用t r t 及两座中小高炉配 套一台透平的双负载t r t 也是发展的方向。 表l lt r t 装置现有类别表 t a b l e1 - 1s o r t st a b l e so fp r e s e n tt r td e v i c e s 7 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 1 7 几种t r t 结构简介 l _ 7 1 陕鼓集团t r t 1 7 1 _ 1 主要的结构 图卜2 为一级静叶可调t r t 透平剖面图。透平机主要由机壳、转子、叶 片承缸、静叶及其调节机构、轴封、轴承、轴承箱、导流器、扩压器、盘车装 置、主油泵、联轴器、底座等部件组成。整机采用水平剖分结构，转子为等内 径，进气和排气方向向下。 1 2 一级静叶可调t r t 透平剖面图 d i a g r a m1 2t r tt u r b i n ec r o s ss e c t i o n w i t hg r a d e ls t a t i ci m p e l l e ra d j u s t a b l e 1 7 1 2 结构特点 l 、采用一级或两级静叶可调，具有自动、灵活、迅速的特点，流量范围 宽，变工况性能好，效率高。 2 、整机采用水平剖分结构，设有单独的调节机构，检修和维护方便，安 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 装和拆卸容易。机组刚性好，吸噪减振。 3 、靠近中分面的四点支撑，提高机组稳定性。 4 、采用整体锻造等内径转子，刚性好，易加工，可减少叶顶间隙和内泄 露损失，提高效率。 5 、采用大弦长，小扭转角、厚叶根叶片，防止积灰，强度高。 6 、装设喷雾水装置，清洗流道，减少积灰和堵塞。 7 、宽善的滑销系统疏导热膨胀，防止燕变形。 l i7 2 川奇重工一陕鼓集团干湿两用t r t 图l 一3 川奇重工一陕鼓集团干湿两用t 科 d i a g r a ml 一3t r tf o rb o t hd r ya n dw e to p e r a t i o no fk a w a s a a k ih e a v y i n d u s t r yl t d 一s h a n x ib l o w e rg r o u p 1 7 2 1 主要的结构 t r l 、的主机主要由机壳、排气室、转子、第一级静叶及其调节机构、第 二级静叶、密封、油封、轴承、轴承箱、盘车装置、主油泵、联轴器等部件组 成，高炉煤气由径向进入进气法兰，经两级动静叶片不断膨胀做功，压力和温 度不断降低带动透平转动，使压力能转换为机械能，透平转子通过联轴器带动 发电机转子一起转动并发电。 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 1 7 2 2 结构特点 表1 2 干湿两用t r t 的特征 t a b l e1 - 2t r to r o d e r t i e sf o rb o t hd r va n dw e t 1 0 高妒煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 2t r t 的理论分析 2 1t r t 的气动设计 2 1 1t r t 气动设计的基础理论 2 1 1 1 基本方程式 l 、状态方程：p v = r t 2 、连续方程：p 。c 。a l = p ! c 2a 2 = 常数 3 、动量矩方程：h t l = u c i u - u 2g 。= 1 1 ( c i c o so 广c 2 c o sa2 ) 式中h u 为比功，指每公斤气体产生的轮周功假设l l l = u 。 4 、能量方程： 针对静叶栅i 。，= i 。+ c 0 2 2 = i 】+ c ，2 2 针对动叶栅j 。+ c 。2 2 = i ，+ c 22 2 + h u 2 1 2 透平机的工作原理 如图表示透平的某一级。在静叶流道内，气体自压力p o 膨胀到p l ，温度自 t o 下降到t i ，速度由c 。升至c - ，完成了由热能向动能的转换。在动叶流道内， 速度由c l 降至c 2 ，将动能转换为机械能。另一方面，压力由p ，继续膨胀到 p 2 ，也对动叶施加一个反作用力，动叶在速度能和压力能的双重作用下产生转 动，输出机械功。 图2 1 透平机的工作原理 1 1 l 、静叶片 2 、动叶片 3 、叶轮 4 、轴 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 d i a g r a m2 - lw o r k i n gm e c h a n i s i l lo ft r f g r a o e s 将动叶的进口和出f 速度三角形绘在一起，气流角度的表示是从圆角速度 u 的正方向逆时针算起的。 c ， b 图2 2 级速度三角形 i ) i a g r a m2 - 2t r i a n g l e v e l o c i t yo fg r a d e s 其中：a c 1 为。；a w l 为bl ；a c 1 为a2 ；a _ 一w 2 为b2 b w 2 为p 。：b c 2 为n ： 上面分析了气体在级内的流动过程，现在来分析热力过程。0 点表示气流 在静叶片前的状态，o + 表示0 点对应的滞止状态，且a h o = c 0 2 2 。如等熵绝热 膨胀，其过程为0 1 ，焓将为h k 但实际过程是有损失的，为多变过程，沿0 l 线膨胀到1 点，损失h 1 = h 1 。h l 。1 点即为静叶出口，又是动叶入口，在动 叶中的膨胀过程和静时一样，则动叶中的损失为h ：= h 2 。一h 2 。气流离开动叶 时具有一定的速度c 2 ，这个速度已不能转化为机械能，对该级而言失掉了， 这部分损失为余速损失，a h c 2 = c 2 2 2 ，以上是气体在透平一级中的热力膨胀 过程。 这样，在动叶片上转换为机械能的有用焓降为 h u + = h o + h h o + h 2 s 一h 2 一h c 2 而整个级的等熵焓降为 h s + = h o + h i s + h 2 s h o - kh i s + h 2 8 级内的有效焓降为 h u + = h s + 一h i 一h 2 一h 。2 多级透平重复以上过程，只是前级动叶出口的c 2 变为下一级静叶进口的 c 。 2 l 3 透平机的反动度 气体在动叶内是否膨胀，以及膨胀程度的大小，对动叶中的能量损失是有 影响的。因为具有正压力( 即p 。 p 。) 梯度时，附面层增 厚的速度较慢，且不脱离。所以，在动叶流道内，气体有膨胀时能量损失较无 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 膨胀时耍小。衡量气体在动叶内膨胀程度的参数叫反动度。用q 表示： 蚰= h 2 s ( h ls 4 + h 2 。) h 2 dh s 4 当q = o 时，气体在动叶栅内不膨胀，p ，= p 。，h 2 。= 0 ，称为冲动级，实际冲 动级均带有少量的反动度( f 2 ；o0 2 一o ，1 5 ) ，而将q = o 的级称为纯冲动级。 当q = o 5 时，气体在动叶和静叶内各有半的膨胀，其等熵焓降相等，即 h l 。= h 2 。，这时的级一般称为反动级。 毒ii乡p 0 。 k jl _ ， 卜 l ， 鲁 占 n n 盍 j _ 宣 警 点 壕 一4 ，i l | jl l i ： 商 ，一2 鼻 p 2 夕 ir 1 。 1 i 一一一一二 图2 3 透平机焓熵图 d i a g r a m2 - 2t u r b i n eg r a d e sc u r v e so fe n t r o p ya n de n t h a l p y 2 1 4 透平的主要损失及效率 1 ) 透平的主要损失有： 1 、e 。一叶型损失：摩擦损失，分离损失，尾迹损失。 2 、。二次流损失：端面二次回流损失。 3 、；。一漏气损失：叶顶间隙漏气损失。 4 、e 。一余速损失：动叶出口未能利用的速度损失。 5 、，一轮盘摩擦鼓风损失：当圆周上为部分进气时，为驱动“死区”消耗的 功和为克服摩擦和涡流而消耗的功。 6 、i 。一湿气损失：由凝结而引起的损失。 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研夏 7 、i ，一机械损失：由轴承等传动引起的损失。 ! j由于定义不同，则有不同的效率，主要以下几种： l 、轮周效率：r l 。= h u * h s * = l t 。一l 。 轮周效率只包含了静叶、动叶的叶型损失和余速损失、 2 、内效率：r l ；= l l ，一。一ea 一；一；。一。z 内效率包含了除机械损失以外的其它损失。 3 、有效效率：r t 。= r l 。一l 。 可见，有效效率包含了前面所说的所有损失，也就是说它是透平轴上输出 的有效功与可用能之比。可见r t 。 q 。 r l 。 2 1 5t k t 的性能曲线 t r t 的性能曲线往往以进入透平的煤气流量和压力为参考坐标，比较直观 地表现了透平第一级静叶角度、效率和功率与流量、压力的关系。 图2 4 t r t 通用特性曲线 d i a g r a m2 - 3t r tc o m m o np r o p e r t i e sc l l r v e s 通过对性能曲线的分析，可以帮助我们确定合理的设计点。因为t r t 在 大多数时期是在非最大流量下运行，而且经常变化工况，为了提高长期运行的 经济性，t r t 的设计点就不能按最大流量来确定，丽应该安排在持续时间最氏 或相对稳定的某个流量范围内。当需要改变工况时，可以通过改变静叶角度的 调节方式来实现。 1 4 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 透平主机的运行长期达不到设计点，机组不能在理想的高效区工作，使 f r t 装置的经济性受到较大影响。为此，无论用户，还是设计院，应确定合理 的工况范崮和最佳设计参数。而确定工况范崮和设计点的关键之处在于确定合 理的高炉煤气发生量和炉顶压力。煤气发生量般在确定了高炉焦比或冶炼强 度后，比较准确地确定，并据此在练合考虑损失和泄露后，给出进入t r t 的 煤气量。至于t r t 进口煤气压力，则应选用代炉龄的平均值，并扣除净化 系统及管道的阻损，而不能只取炉顶压力的最高值。通过计算可以得到理论特 征曲线，并长用来指导生产。经过试验验证或完善的性能曲线更为准确和实用。 2 2t r t 气动设计的特点 由于t r t 的工质是由煤气、水蒸气、固体颗粒和悬浮承滴组成的多相流气 体。若采用常规多级透平三元流动计算法进行气体动力设计，则透平效率低下， 叶片磨损快，叶栅通流部分很快会堆积上炉灰粒子，2 3 月内被完全堵塞而 无法工作。所以，在设计中必须进行特殊处理，主要有以下几方面的特点： 2 2 1 采用t r t 专用叶型和叶栅 解决t r t 通道的积灰是设计成败的关键，所以气流的通道尽可能要平滑， 不要使气流与边界层分离或尽可能延缓和减少分离，从分析来看，在产生分离 和有旋涡的地方，也是最容易形成积灰的地方。就叶型而言，积灰往往发生在 内弧弯曲点稍后和背弧喉部之后容易产生附面层分离及旋涡的部位，所以，t r t 的专用叶型采用较为平坦的小转折角叶型。相应弦长教大，即可以增加气流膨 胀的通道长度，又提高了叶片的强度。 另外，叶栅采用反动度为5 0 的大节距，大流道通流设计，即可改善负荷 的平均分配，提高透平效率，也可以有效地减少灰尘堆积。 此外，为改善。 况特性，一般采用叶型前缘点为大头部的叶片，以减少对 冲角的敏感性。当然，更大的工况变化还需要调节静叶的安装角来减少冲角损 失。 可见，专用叶型和叶栅的特点是：大弦长、小扭转角、大头部和大节距。 2 2 2 采用合适的圆周速度 煤气中含有一定灰尘，对叶片的磨损一般有以下关系： w o c v d 2 5 d d 3 pd f 式中：v 。一灰尘的撞击速度( r a s ) d 。一灰尘的粒度( un 1 ) p 。一灰尘的浓度( m g m 3 ) f 一冲击角度修正系数 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 可见，为减少叶片的磨损，首先是提高除尘效果，减少进入透平的含尘量。 另外，流入透平的炉灰中粒度5 一l op1 9 者运动速度一般与主气流速度相同， 1 5um 以上者要比主气流速度慢一些，因此降低主气流的相对速度就可以减少 叶片磨损。 从图的速度三角形可以看出，u 为透平圆周速度，由于二级同步发电机( 本 钢采用的3 0 0 0 r m i n ) 的价格比四级同步发电机( 1 5 0 0 r m i n ) 便宜l 4 1 5 ， 而且采用高速透平，其动叶平均直径是低速的0 7 倍，可大大减少透平的体积 和重量，所以一般采用二级同步发电机和透平直联，这样u 为定值( u = n o n 6 0 ) 。要降低w 。、w 。，势必要减少c 。和增大气流入口角a 。这样，叶片变得 较为乎坦。即可减少叶片的磨损，又可减少叶片的集会，起到一举两得的较好 效果。 但事情总是一分为二的，减少c 。和增大a ，使得c 。和c 。同时变小。由动 量矩方程可知，动叶输出的轮周功( 即比功) 为h u = u ( c l u - c ，。) ，则比功减少， 意味着作工能力和输出功率变小。另外，通过改变动叶高度d ，又可以增大u 。 减小w 。，反过来提高h u 的值。可见当转速n 一定时，c ，、a 、u 。、w 。、w 。之间 存在一定的辨证关系，只有合理地选取圆周速度和叶栅尺寸，才能起到减少磨 损和提高功率的作用。 t r t 透平的焓降h s 一般不大，如正常干净气体的话，采用单级透平既能 胜任。之所以要采用二级或三级，就是因为以上原因造成单级比功减少的缘故， 而靠多级来弥补。而且，把焓降合理到分配到各级的、上，可以提高透平的级 效率和整机效率。另外，采用多级使转子的转动惯性加大，减小对因积灰造成 转子平衡差的敏感性。 2 2 3 考虑水蒸汽凝结对透平的影响 湿煤气在透平中膨胀，压力和温度逐级降低，部分饱和水蒸汽凝结成水， 同时放出汽化潜热，该汽化潜热不断加热主气流，产生两种效应：一是由于气 体温度提高，其比容增加，密度减小。在同样压比下，流径透平的质量流量就 要减小。另是气体温度升高，其热焓增大，输出功率增加。另外，凝结放热过 程也使透平内部流场发生变化。 这样，在t r t 的气动计算中，就必须考虑水蒸汽凝结对透平性能的影响， 否则就存在一定的偏差。一般假设凝结产生的水滴十分微小，均匀弥散分布于 气流中，整个工质作为均匀连续介质处理，液滴与气流具有同一速度，又假设 流动中相交过程处在热力学平衡状态下发生，没有过冷凝结现象。 2 2 4 叶片磨损的研究 叶片磨损有两种：一是煤气中的灰尘对叶片的磨损；= ：是水滴对叶片的磨 6 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 损。 2 2 4 1 灰尘对叶片的磨损 含尘煤气流入喷嘴( 可调静叶) 和叶片( 动叶片) 时，煤气流冲击叶片表 面后流开去的状态是多种多样的煤气流向叶片表面形成的角度也各不相同。则 对叶片表面的磨损程度电各不一样，据资料，根据不同角度煤气的流向，含尘 5 0 m g n m 3 的煤气连续8 6 0 0 h 以2 6 0 m s 的流速喷射时采用金属表面磨损量的最 大值，可以看出3 0 0 左右流向平面，磨损最大，依次是6 0 0 、垂直球面、垂直 平面、0 0 。 从径流透平连续运转6 0 0 0 0 h 的实际经验来看，未发现磨损和腐蚀现象， 而轴流式的转速与径流一样，其磨损机理也一样。 磨损量e 与煤气中的含灰、水量和叶片端部圆周速度之间的关系为： c m , v 2 式中：犷煤气中的含灰、水量； v 一叶片端部圆周速度。 m * v 2 即为灰、水的动能。当磨损率达到1 。6 时，透平性能下降2 ，4 年内 性能下降小于2 ，该叶片至少可以用2 0 年，其材质为l 铬1 3 ，磨损率到了 2 仍可使用。宝钢余压透平的叶片端速( 即煤气相对速度) 为2 3 6 m s ，其磨 损率为0 3 ，运转4 年性能下降0 3 ，运转1 0 年性能下降1 ，故叶片不用 担心。 2 2 4 2 水滴对叶片的磨损 图2 4 是从索夫来尔径向透平和蒸汽透平生产经验中总结出来的产生水 腐蚀的界限线，这些界限线在水雾线为m ( g m 3 ) 和叶片为v ( m s ) 时，用公式 擀v = 常数画出来的，应用这公式，蒸汽透平的排水腐蚀的界限值以下式表示： 附有钨铬钴合金的情况：m v 2 = l1 0x 1 0 6g m 3 * m 2 s 2 没有钨铬钴合金的情况：矾矿= 6 9 x1 0 6g m 3 9 c m 2 f s 2 另外，川崎径向式炉顶压力透平的水雾允许量为：3 l v 2 ：1 1 0 1 0 。 g m 3 m 2 s 。，这个数值是在叶轮入口处没有导向板或无导向叶片的情况下适用 的数值。 在曲线的右上方是很可能发生腐蚀的区域，左下方是不发生腐蚀的安全 区。腐蚀大致在一年内发生，如运转一年以上不发生，则以后也几乎不会在发 生腐蚀。 从图2 4 中看出，透平水雾多时若周速度高，可贴钨铬钴合金或在叶片 表面喷镀高硬度的金属，就能防止腐蚀。 图2 4 中黑三角点为径流式透平的腐蚀点，含水量2 5 0 9 m 3 ，本钢高炉煤气的 1 7 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 4 0 0 含 水 盖3 0 0 蓉o 2 0 0 1 0 0 。、 腐蚀区 、 太、 飞 涎 。 安全区 a 0 2 0 02 5 0 3 0 0 翼周速v m 如 图2 5 水雾的腐蚀 d i a g r a m2 - 4c o r r i s i o no fr a t e rm o i s t u r e 图中：t ：蒸汽透平腐蚀线删2 = 1 1 0 1 0 6 2 ：t r t 极限值m v 2 = 7 3 x1 0 5 3 ：蒸汽透平不腐蚀线m v 2 = 6 。9 1 0 6 含水量为2 6 9 m 3 ，当翼周速度为2 4 0 m s 时，即a 点离腐蚀区远，不发生腐 蚀。只有当含水量达到一定值时，才开始腐蚀。 i 8 高炉煤气亲压回收透平装置流稷优化设计的研究 3 本钢i r i 的简介 3 1t r t 的工艺流程 图3 1 本钢t r t 工艺流程 d i a g r a m3 - 1t r tf l o wc h a r to f b e n x ii r o n s t e e lc o 3 2 生产技术操作指标 表3 1 本钢t r t 生产技术操作指标 t a b l e3 - 1t r t o p e r a t i o np a r a m e t e r so f b e n x ii r o n & s t e e lc o 项目数值 炉顶压力透平正常时4 - 3 k p a 波动范围紧急切断时8 k p a 高压操作正常4 8 0 0 0 0 n m 3 h 煤气流量最大 5 2 5 0 0 0n m 3 h 高炉常压时煤气流量2 9 0 0 0 0n m 3 h 正常 2 0 0 k p a t r t 入口 煤气压力 最高 2 2 0 k p 8 最低 8 0 k p a 1 9 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 t r t 入口 正常 5 2 煤气温度 姜票；善 t r t 出口煤气压力1 2 ”a t r t 入口煤气含尘量1 0 m g n m 3 t r t 入口机械水含量 2 0 9 n m 3 透平机转数 3 0 0 0 r t m i n 压力 11 1 2 5 m p a 动力油温度3 0 6 0 清洁度8 级 压力01 5 0 2 5 m p a 润滑油温度 4 0 4 5 清洁度l l 级 净环水压力 o 4 06 m p a 新水压力o 6 o 8 m p a 氮气主管压力o 6 m p a 3 3 设备技术参数 3 31m p s l 3 3 0 0 ，5 2 透平机 进口压力：2 0 0 k p a 流量；4 8 0 0 0 0 n m 3 h温度：5 2 出口压力：1 2k p a 型式：湿式轴流反动式 机壳型式：卧式水平剖分式 透平输出功率：1 3 6 9 0 k w 转数：3 0 0 0r i l l i n 级数：二级 临界转数：一阶：1 8 5 0r m i n 3 _ 32 润滑油站 油泵公称流量：6 4 8 1 r a i n 油泵公称压力：05 a 油泵功率：1 1 k w转数：1 4 5 0 r m i n 润滑油压力：0 2 02 5 m p a温度：4 0 一4 5 冷却水压力： 、左轴承箱、右轴承箱、低压喷水部、叶片承 缸、调节缸、扩压器、盘牟装置、密封。 左轴承箱：装有支撑轴承、测速测振支架、危急保安装置。 右轴承箱：装有支撑轴承、止推轴承、盘车装置、联轴节。 调节缸：安装在机壳和叶片承缸之闻，与伺服马达相联并隧之傲轴 向运动，通过导向环、曲柄滑块机构来调节静叶角度。 密封：采用充氮气式的拉别令密封轴头加碳环密封。氮气压力调 整在比煤气压力高2 0 k p a 左右。 ( 2 ) 转子：主轴、两级动叶栅、危急保安器、盘车齿轮。 转子左端有爪式联轴器与装在轴承箱端面的主油泵相联，右端用 膜片联轴器( 苏尔寿式刚性联轴器) 与电机相联。 ( 3 ) 结构特点 设计方法：大通滚面积、低圃周速度、平直粒壮叶型。 调节：两级全静叶可调、电液伺服调节。 ( 4 ) 静叶可调机构：包括伺服油缸、调节缸、导向环、曲柄滑块、静叶 轴承、叶片承缸。静叶可转动6 0 。，叶片端面加工成以转子为中心 的球面，转动时保持间隙不变。 ( 5 ) 支撑轴承：采用四油叶轴承，具有较高的抗油膜震荡能力和较小的 摩擦损失特征，对外部载荷变化和转速变化具有较好的适应性。 ( 6 ) 止推轴承：采用金斯贝雷型，多瓦块重叠式，可以随轴向力的变化 自动调整瓦块位置，保证各瓦块问承载的均匀性，具有较高的承载 能力。 高炉煤气余压回收透平装置流程优化设计的研究 图3 2 本钢t r t 动叶 d i a g r a m3 - 2t r tr o t a t o r so f b e n x ii r o n & s t e e lc o 图3 3 本钢t r t