能量回收透平装置的研究与应用.doc

能量回收透平装置的研究与应用
郑秀萍，柳黎光，朱罡，彭宏宾
(陕西鼓风机（集团）有限公司，陕西西安710611)
  摘要：流程工业中存在着一些具有一定压力和温度的废气，例如高炉炼铁炉顶煤气、硝酸装置流程尾气和石油炼化装置中的烟气等等，这部分废气有的作为燃料被低效利用（如高炉煤气），有的被直接排向大气（如尾气），造成了大量的能源浪费和环境污染。而我国仍属能源紧缺国家，如何更加有效的利用这部分能源是目前需要不断研究和解决的问题。
    能量回收透平装置就是利用流程工业中存在着一些具有一定压力和温度的废气所具有的能量经膨胀做功转化为机械能进行发电或驱动其它设备的一种节能环保装置，主要有高炉煤气能量回收透平装置、化工厂硝酸尾气能量回收透平装置和炼油厂高温烟气能量回收透平装置等。
    下面通过对三种主要的能量回收透平装置的研究、发展和应用的介绍，说明国内的能量回收装置技术已经发展到一个相当高度，水平已达到甚至超过国外水平，推广和应用这些技术，在节能降耗、降低生产成本、减少污染等方面产生显著的经济效益和社会效益。
    1 前言
    流程工业中存在着一些具有一定压力和温度的废气，例如高炉炼铁炉顶煤气、硝酸装置流程尾气和石油炼化装置中的烟气等等，这部分废气有的作为燃料被低效利用（如高炉煤气），有的被直接排向大气（如尾气），造成了大量的能源浪费和环境污染。
    能量回收透平装置就是利用这些废气所具有的能量经膨胀做功转化为机械能进行发电或驱动其它设备的一种节能环保装置，符合国家能源开发利用的产业政策，是实现可持续发展的需要，对于提高资源综合利用水平，保护环境，发展循环经济具有十分重要的意义。目前，采用能量回收透平装置对废气进行回收是一种很好的方法和途径。
    这些装置的应用不仅回收了大量的能源，减少了环境污染，取得了可观的经济效益，在节能、环保方面起到了较好的作用，同时也促进了与之相关技术的研究、应用和发展。
   2 高炉煤气能量回收透平装置的研究与应用
    高炉煤气能量回收透平装置简称为TRT，主要用于对高炉冶炼过程中产生的副产品（高炉煤气）所具有的压力能和热能的回收，是钢铁企业一种很好的节能环保装置。
    TRT 技术兴于欧洲，发展成熟于日本，应用普及于日本。自1974 年第一套TRT发电至今已有三十多年的历史。我国高炉煤气能量回收透平装置的研究起始于上世纪70 年代末，随着国内企业在该技术领域的深入研究和应用，产品的技术、质量均达到国际先进水平。目前，国内各大高炉已配套100 多套国产（陕鼓）高炉煤气能量回收透平装置。随着高炉冶炼技术的不断发展，国内TRT技术得到了迅速的发展和进步，尤其是近几年，制造厂着力于对产品的改进、完善和新技术发展应用，着眼于对 TRT装置高端技术的研究和应用方面。
   2.1高炉顶压控制技术
    高炉煤气能量回收透平装置是高炉主流程系统中的组成部分，其生产运行应完全服从于高炉，在运行中不得影响高炉主流程的正常生产。衡量高炉煤气余平装置主要有两个指标：一是尽可能多的回收能量；二是尽可能改善顶压的控制品质，减小顶压的波动。传统的减压阀控制顶压波动在±10～ 20kPa，而用静叶控制顶压波动在±3～5kPa。为了进一步减小顶压波动，必须将高炉系统与TRT 系统纳入一个大的系统来统筹考虑，系统的分析、研究并解决这一难题。为此，陕鼓于2001年将该项目列入国家攻关计划，组建模拟试验装置，进行顶压稳定性试验研究，开发出"高炉顶压稳定性控制计算程序"软件，实现了TRT装置中炉顶压力的在线监控。经过柳钢实际应用，顶压值稳定在±1.5kPa 之间（国际先进水平为±3kPa），控制技术处于国际领先水平。该试验装置及多项试验在国内属陕鼓首创，具有自主知识产权并获国家发明专利。
    2.2一级静叶可调和全静叶可调技术
    高炉煤气透平装置采用静叶可调，不仅能够扩大工况范围、减少噪音，提高效率和回收功率，而且可以更好地控制炉顶压力，减少压力波动。国外一般采用第一级静叶可调的调节方式。陕鼓不仅拥有一级静叶可调技术，而且研究开发出全静叶可调的技术并获国家专利，进一步提高了透平的变工况效率，拓宽了装置的工作范围，同时，透平的第一级静叶可实现全关闭，冲动转速较小。在入口蝶阀、紧急切断阀全开时，利用静叶可使透平平稳启动和停机，并完成自动升速、自动并网、自动升功率和自动控制炉顶压力。
    2.3 在线水清洗系统研究
    由于高炉煤气含尘量较大，在湿式TRT 中易形成积灰，造成堵塞，影响叶片寿命和TRT效率，需在第一级静叶前设置水清洗装置，可连续或间断在线喷水，冲洗流道，防止积灰和堵塞。陕鼓对水清洗系统进行了专门的实验研究，具有独特的设计特点，并根据叶型、叶片数量、叶片安装角度和开关的范围等合理设计喷头数量、位置和角度，达到最佳清洗效果。已应用于多套TRT装置中，形成自己的专利技术。
   2.4叶片表面喷涂材料的研究
    高炉煤气含尘量很大，虽然经过除尘器除尘，但进入TRT的煤气含尘量依然远远大于常规机组，主要部件叶片受到严重的冲刷和腐蚀。因此，TRT 要解决的一个主要问题是腐蚀和磨损问题，主要集中在对叶型的研究和叶片表面处理方法的研究方面。近几年来陕鼓试验研究在TRT叶片的表面喷涂防腐、耐磨材料，对于湿式TRT 主要是腐蚀和干式 TRT 主要是磨损的问题采用不同的表面处理方法，通过应用取得了较好的效果。
  2.5 密封系统研究
    随着TRT机组的推广应用，TRT的密封技术也得到了较大的发展和进步。由最初的冲氮气式拉别令密封，到拉别令+ 螺旋槽组合密封，应用效果欠佳。近年来，陕鼓经过大量试验调研，采用新型碳环密封，密封效果好，煤气泄露量小，整台机组的耗氮量可控制在30m3/h 左右，现场空气质量达环保要求。碳环密封结构简单，便于安装维修。在近几年的 TRT装置上得到了广泛的应用并获国家专利。
   2.6 干法TRT、干湿两用型TRT技术
    从高炉炉顶出来的煤气含有一定数量的灰尘，一般在10～60g/m3 左右，必须进行净化，除尘处理得到净煤气才能使用。传统的煤气除尘均采用湿法除尘工艺，湿法除尘后的煤气不但含尘量随炉顶压力波动，而且大量的喷水损失了许多有用的热能，同时大大增加了煤气中的含水量。随着高炉向高压炉顶方向的发展及干式除尘装置的推广应用，TRT 装置由湿式向干式、干湿两用型发展是一种趋势。干法TRT 是为了适应高炉干式除尘系统而研制的新一代产品，由于采用干式除尘，煤气阻力损失小，温降小，有效提高了进入TRT的煤气压力和温度，与湿法相比，透平回收功率可提高20%以上，并可节约大量除尘用水，使装置的节能效果更为显著。陕鼓已为杭钢420m3高炉提供全干法TRT装置，该装置是结合中国冶金行业中型高炉大量存在的实际，自行开发研制的全干式TRT 装置，被原国家经贸委列入国家重大装备项目，为世界上同等炉型首次配套。
    针对有的高炉工艺包括干法和湿法两套煤气除尘装置，陕鼓研制出干湿两用型TRT，可以实现湿法、干法的转换。已成功应用于首钢1#高炉（2536m3）、3#高炉（2536m3）、唐钢2#高炉（2000m3）等。
   2.7高炉能量回收机组（简称BPRT）技术
    通常，TRT装置和高炉鼓风机组被设置为两个独立的系统，高炉鼓风机组向高炉鼓风，TRT 装置回收煤气能量发电。陕鼓结合多年三机组、四机组成功运行经验，创造性地开发研制出TRT和高炉鼓风机同轴系的高炉能量回收机组，简称BPRT（Blast Furnace Power Recovery Turbine），对简化配置、降低投资、提出了新的思路。BPRT机组将TRT和鼓风机作为同一系统来设计，使TRT原有的庞大系统简化合并，取消发电机及发配电系统，合并自控系统，润滑油系统，动力油系统等，并将回收的能量直接作为旋转机械能补充在轴系上，避免能量转换的损失。
    陕鼓已将此技术应用于为安阳永兴450m3 高炉配套的BPRT机组中，开创了轴流压缩机与高炉煤气透平同轴的先例，为世界首创，填补了国内外空白，该技术获国家发明专利。
   2.8共用型TRT技术
    TRT 发展至今几乎都为单炉单机模式的TRT，这种配置较为合理，系统简单，操作方便。但如果企业有两座以上的高炉，仍采用单炉单机的模式，回收功率较小，系统繁琐，配置复杂，辅助设备较多，同时受到资金、场地、投资回收期等条件的限制。为此，陕鼓进行了大量研究论证，于2004 年开发研制出两座高炉共用一套的共用型TRT 装置并获国家专利，。共用型TRT 与单炉单机模式相比，投资减少，占地面积小，配套和控制集中，机械损失小，设备成本低，投资回收期较短，经济性更好。已应用于津西2×450m3 高炉中，该机组2005 年8 月投运，单座高炉运行和两座高炉同时运行以及高炉之间切换时机组运行平稳、可靠，各项指标完全满足用户要求。
   2.9 自动准同期并网技术
    随着电力系统技术的发展，自动化水平的不断提高，TRT发电机的并网也由过去的手动并网发展到既可手动并网又可自动并网。TRT发电机并网有三个条件：即发电机电压与系统电压的电压差在允许的范围内；发电机频率与系统频率的频率差在允许的范围内；发电机电压相位角与系统电压相位角的相位角差在允许的范围内。手动准同期并网是由操作人员根据经验判断，并通过手动操作将透平发电装置的电力并入电网，容易对电网系统造成强烈冲击和发生非同期并网。
    2000 年陕鼓成功研究出先进的自动准同期并   网技术并获国家发明专利。自动准同期并网通过比较判断后发出发电机升压、降压信号，实现发电机自动跟踪电网电压，发出升速、降速信号给自控系统，通过TRT静叶自动调节发电机转速达到同步转速，实现自动并网。该技术已成功用于昆钢等多套 TRT装置中。
   2.10 粉尘在线检测技术
    高炉煤气粉尘含量的大小对高炉煤气能量回收装置的安全运行有着至关重要的作用，高炉煤气在进入透平机之前要经过除尘设备进行除尘，但由于除尘设备在经过长时间的运行后会存在除尘效果不好或布袋脱落等现象，进入高炉煤气透平机组的高炉煤气的含尘量将会严重超标，将会对透平机的叶片造成严重的磨损,威胁机组的安全运行。
   为了及时了解高炉煤气能量回收透平装置的运行环境及条件，同时也将机组的上游设备（除尘器）的检测信号送到TRT 机组控制系统，对机组的长期安全运行起到很好的预警作用，陕鼓研发出高炉煤气粉尘含量进行在线检测技术，通过对布袋除尘效果的控制及在线检测除尘效果，检测机组的运行条件和运行状况，预测、预防、预报高炉煤气含尘量浓度大小并对机组的运行提出合理化建议，确保机组长周期安全运行。
   2.11 远程在线故障诊断检测技术
    为了及时全面的了解机组在现场的使用情况，发现运行设备的早期故障，进行分析和诊断，有效指导用户对机组的预知维修，陕鼓与高校合作研究远程在线故障诊断检测技术，并建立了" 陕鼓旋转机械远程在线监测及故障诊断中心"，该中心是国内首家制造厂为建成完整的售后服务系统而构造的客户远程服务平台。
    中心通过互联网（Internet）和专用的在线监测及故障诊断设备，对用户机组机械、热力性能等运行情况可远程、实时在线的监测及系统自动故障诊断，实现监测及诊断结果在用户现场及中心可实时共阅、共用，对机组故障预警、预知维修提供实时可靠的技术支持及各种服务，达到对设备的智能维护。
   2.12 工程成套技术
    设计—建造与交钥匙工程方式，是国际工程中普遍采用的一种项目管理模式。通过一个承包商对整个项目负责，避免了设计和施工的矛盾，可显著降低项目的成本和缩短工期。陕鼓依托主导产品轴流压缩机和高炉煤气能量回收装置为核心，以成套技术为纽带，运用现代项目管理方法，将主导产品与配套设备有机结合，形成以用户单项工程为核心，整体成套设计、供货、安装调试的优势，向用户提供完善的整体服务-交钥匙工程。
    目前，陕鼓已完成宝钢集团上钢一厂2500 m3 高炉TRT 项目、济南钢铁公司2号高炉TRT项目、韶钢2500 m3高炉TRT 项目和酒钢轴流、TRT 项目等多套机组的工程成套。
   3 硝酸尾气能量回收透平装置研究与应用
    硝酸生产过程中反应后的化工尾气仍有较高的压力和温度，它通过尾气透平膨胀机回收能量。随着硝酸装置规模的扩大，操作压力的提高，满足最佳的工艺条件以及对能量回收的更高要求，国产能量回收装置在硝酸生产装置中得到了广泛应用。硝酸生产的方法根据氨氧化和吸收两部分的压力不同可分为：常压法、综合法、全中压法、全高压法和双加压法，常压法和综合法1999年国家规定不准再建新装置。目前，全高压法和双加压法硝酸装置已成为国内硝酸发展的主力和今后发展的方向。而硝酸生产中尾气能量的合理回收利用和尾气排放达标决定和影响着装置的整体水平，对整个工艺系统起着关键性的作用。
    陕鼓自1976 年以来，始终致力于对硝酸装置用能量回收技术的研究，并不断将能量回收透平技术的研究成果和运行经验应用于硝酸装置中，开发出适合于不同硝酸生产工艺的能量回收透平装置。
   3.1 "全高压法"硝酸尾气的能量回收
    全高压法硝酸工艺是氨氧化和吸收压力均为 0.7～1.2MPa（A），特点是氨氧化率较全中压法高，氨耗、铂耗较高，成品酸浓度高，尾气不需专门处理回收后可直接达标排放。尾气压力和温度较高（600℃左右）。
    以前，国内全高压法硝酸生产能量回收装置均为引进和二手设备。陕鼓于2003 年着力于对该技术的研究和开发。采用耐高温合金材料，特殊的防变形结构、级间密封、轴端密封和底座的冷却等技术，解决了高温尾气引起的变形、漏气等难题，开发研制出国产第一套全高压法硝酸尾气能量回收装置，用于河南辉县5 万t/y硝酸装置中。机组于2004 年3 月一次试车成功，投运以来，各项性能指标达到设计要求，成品酸浓度达到60%，尾气排放浓度≤300ppm ，为装置的国产化迈出了成功的一步。
   3.2 双加压法硝酸生产中的能量回收
    双加压法硝酸工艺是氨氧化在中压0.45～ 0.6MPa 下进行，而在高压1.1～1.3MPa 下吸收，迎合了氨氧化制硝酸的条件需要。双加压法工艺集中了全中压法和全高压法的优点，是目前最先进的工艺方法。特点是氨的氧化率和吸收率高，氨耗、铂耗低，成品酸浓度高，放空尾气NOx浓度低。
    双加压法硝酸生产中通过对硝酸尾气的能量回收，硝酸生产的主要动力消耗可以完全实现系统自给，是一种典型的能量自给自足型机组。因此，机组的性能和对尾气的能量回收直接影响着硝酸生产成本、成品酸的浓度及尾气排放是否达标，对环境是否污染，体现了整个硝酸装置的整体水平。
    陕鼓通过对双加压法硝酸工艺系统进行分析、研究系统管网阻力对装置性能和硝酸工艺的影响，结合多年设计制造能量回收透平装置的经验，开发出适合于双加压法硝酸工艺的尾气能量回收透平装置。该装置采用尾气透平膨胀机静叶可调与轴流压缩机静叶可调相结合的调节手段，满足了变工况的要求，实现了机组运行过程中对系统管网阻力的调节，使装置运行在最佳设计工况。同时，对影响系统功率平衡的因素进行分析研究，最大限度地提高能量回收效率，实现了系统功率平衡。于1998 年成功应用于云峰10 万t/y硝酸装置中，回收的能量占硝酸透平机组耗功的60%以上，尾气排放浓度≤ 200ppm，远低于国家标准。该机组的研究开发填补了国内空白，完全可替代进口。该技术先后应用于石家庄化肥集团公司、辽阳石油化纤公司、南化公司氮肥厂等多套装置中尾气的能量回收。
   4 烟气能量回收透平装置研究与应用
    烟气能量回收透平装置是利用催化裂化再生烟气中所具有的热能和压力能膨胀做功，转变为机械能满足主风机所需功率的一种节能装置。
    早在1977 年，陕鼓就开始了对催化裂化高温烟气能量回收透平装置的研究工作。由于催化裂化再生烟气温度高、含有一定数量的催化剂固体颗粒，因此，在烟气能量回收透平的设计中除考虑了热膨胀和高温强度外，还考虑了轮盘的冷却、催化剂固体颗粒对通流部分的冲蚀磨损和催化剂堆积造成转子不平衡等问题，并将该技术应用于洛阳炼油厂催化裂化装置中烟气的能量回收。
   5 结束语
    能量回收透平装置的研究、发展和应用，充分说明国内的能量回收装置技术已经发展到一个相当高度，水平已达到甚至超过国外水平，例如陕鼓的高炉顶压控制技术、自动准同期并网技术和共用型TRT技术等已达到世界领先水平，并拥有自己的属于自己独立知识产权专有技术和专利技术，其主导产品" 工业流程能量回收发电设备" 于2005 年 9 月获中国名牌称号。推广和应用这些产品和技术，不仅能够提升企业的技术水平，增强市场竞争力，而且在节能降耗、降低生产成本、减少污染等方面产生显著的经济效益和社会效益。