變頻運行高轉速汽電雙拖機組的工程應用

李文瑞，劉凱，岳黨教，霍磊磊，翟飛龍

（西安陜鼓動力股份有限公司，陜西西安 710075）

引言

常規的不銹鋼冶煉連鑄工藝，即采用熔化爐+AOD 的二步法冶煉不銹鋼。AOD 爐爐口煙氣溫度最高約1 500 ℃，最低約120 ℃，AOD 爐在冶煉過程中產生大量煙氣。我國作為冶金生產大國，無論是AOD 爐市場占有率，還是冶金過程產生的高溫煙氣余熱資源都占有相當大的份額。從AOD 爐冶煉不銹鋼的最新發展趨勢來看，越來越多的企業、生產廠區通過布置汽化煙道、余熱鍋爐，結合汽電雙拖工藝對這部分余熱資源進行回收，充分利用生產工藝余熱，避免發電過程造成的效率損失［1-4］。通常而言，AOD 爐余熱回收過程中機組容量都較小，常規的3 000 r/min 小汽輪機存在效率偏低（特別是低負荷工況）。

為此，有必要在保證拖動機組安全運行的前提下，研究分析AOD 爐余熱回收過程中高轉速汽輪機在汽電雙拖機組的應用，同時，對常規除塵風機工頻運行的調節方式進行改進，以降低除塵風機電耗和廠用電率，提高拖動機組運行經濟性，實現節能減排。

1 高轉速汽輪機在AOD 爐余熱回收汽電雙拖中的具體應用

1.1 高溫煙氣余熱回收工藝流程

AOD 爐爐口煙氣溫度約1 500 ℃，因此從AOD爐爐口部位出來后設置了一定長度的汽化冷卻煙道，將煙氣溫度降至約850 ℃；出來的煙氣進入余熱鍋爐，依次通過低壓蒸發器、省煤器；從鍋爐出來的煙氣溫度降至約200 ℃，經過混風筒降至150 ℃以下，進入布袋除塵凈化后排入排氣筒，達標排放，高溫煙氣余熱回收產生的蒸汽用于拖動。

系統產生的2.45 MPa，225 ℃飽和蒸汽蒸汽進入蓄熱器進行穩壓，從蓄熱器輸出的1.1 MPa 的連續飽和蒸汽送至汽輪機入口，蒸汽經汽輪機做功后進入凝汽器冷凝成水，凝結水經凝結水泵加壓后返回余熱鍋爐的除氧器進行除氧，除氧水一部分經余熱鍋爐產生低壓飽和蒸汽，另一部分經汽化煙道產生低壓飽和蒸汽，匯合后的蒸汽再進入蓄熱器，完成一個完整的熱力循環過程。

西安陜鼓動力股份有限公司總承包的江蘇某鋼鐵企業AOD 爐高溫煙氣余熱回收項目采用了高轉速汽電雙拖機組，從而提高AOD 爐煙氣余熱回收系統的效率。該項目中，AOD 爐煙氣余熱回收產生飽和蒸汽進入蓄熱器穩壓，經分汽缸進入汽輪機拖動，汽輪機參數見表1。結構形式：凝汽式；機組布置形式：汽輪機+變速離合器+除塵風機+變頻電機。

表1 不同轉速汽輪機設計參數

提高汽輪機效率最簡單直接的方式就是提高汽輪機的進汽參數，受AOD 爐煙氣余熱回收技術的影響，提高鍋爐出口蒸汽參數的方案難度相對較大，在技術上成熟度不高。另一種提高機組效率的方式就是提高汽輪機的轉速，目前國內已投產的AOD 爐煙氣余熱回收項目中采用3 000 r/min 汽輪機是主流。高轉速汽輪機與普通轉速汽輪機（3 000 r/min）相比具有如下優勢：效率高，體積小，模塊化供貨，現場安裝快，運行靈活［5-7］。提高轉速后汽輪機的尺寸、體積、重量均可減小，這不僅使制造成本大大降低，同時使汽輪機的內效率大大提高，從而使工廠建設成本和運行成本降低。尤其在建設單位施工用地面積較小，廠房大小是按照電拖機組來規劃時，提高汽機轉速是AOD 爐煙氣余熱回收領域一種完全可以借鑒和使用的方式。

1.2 投資效益分析

從汽輪機參數表中不難看出，在最小進汽量為7 t/h 時，3 000 r/min 汽輪機汽耗率在9.972 kg/kWh，5 600 r/min 汽輪機汽耗率在9.396 kg/kWh，高轉速汽輪機的效率比普通轉速的汽輪機高出約5.8%；在額定進汽量為15.7 t/h 時，3 000 r/min 汽輪機汽耗率在7.711 kg/kWh，5 600 r/min 汽輪機汽耗率在7.476 kg/kWh，高轉速汽輪機的效率比普通轉速的汽輪機高出約3%。

高轉速汽輪拖動機組的技術成熟，其高效率的特點能為企業帶來可觀的經濟效益。以該工程為例，采用高轉速汽輪機每年比普通轉速汽輪機多發電3.6×105kWh，為企業創造1.8×105元的經濟效益（年運行小時數以8 000 h，電價按0.5元/kWh計）。

2 AOD爐除塵風機變頻運行調節方式

2.1 變頻運行的必要性分析

異步電動機可同時兼作發電機在石油化工行業已有運行先例，控制較為簡單，后期維護工作量較小，在上述AOD 爐煙氣余熱回收工程中，高轉速汽電雙拖機組采用異步電機。同時，由于AOD 爐煙氣溫度波動幅度大及具有一定周期性［1］，AOD 爐除塵風機必須具備一定的可調節范圍。采用傳統工頻調節模式時，即通過除塵風機進口調節門調節時，存在不同開度靈敏度不同、節流損失較大、廠用電率高、易發生喘振等問題［8-9］。莫荔萍［10］，祝建飛等［11］研究表明，保持風機進口調節門開度不變，通過變頻運行后節能效果優于通過改變調節門開度工頻運行的方式。常規除塵風機的轉速為740 r/min，5 600 r/min 的高速汽輪機除了體積小，而且臨界轉速較低，能夠較好地適應除塵風機的變頻運行范圍而不發生喘振現象。因此采用變頻調節的方式來改善除塵風機的調節性能。

2.2 實際運行方案

AOD 爐煙氣余熱回收汽電雙拖機組布置如圖1所示，實際運行過程中，汽輪機和變速離合器通過聯軸器固定連接，除塵風機和異步電機通過聯軸器固定連接，異步電機和變速離合器之間的聯軸器可根據汽機負荷自動嚙合或脫開。

圖1 AOD爐煙氣余熱回收汽電雙拖機組布置圖

拖動機組啟機時，異步電機由廠用電供電，以電動機的形式拖動除塵風機至設計轉速穩定運行。同時，汽輪機隨著熱負荷提升緩慢升速至設計轉速，變速離合器和異步電機之間的聯軸器自動嚙合，汽輪機拖動電動機轉速穩步提升。

當汽輪機滿負荷工況對應轉速超過異步電機轉速時，異步電機以發電機形式運行；若汽輪機機組負荷降低或余熱鍋爐蒸汽量下降，則汽輪機輸出功率隨之降低至與異步電機的轉速相同，此時異步電機處于空載狀態，即異步電機發電量為零，除塵風機完全由汽輪機拖動；當汽輪機組的負荷繼續降低或余熱鍋爐出力減小，汽輪機輸出功率降低至轉速低于同步轉速，此時異步電機運行處于電動機狀態，廠用電的電能與汽輪機一起驅動引風機。

3 結論

結合西安陜鼓動力股份有限公司總承包的江蘇某鋼鐵企業AOD 爐高溫煙氣余熱回收項目中的工程應用，對汽電雙拖機組采用高轉速汽輪機和除塵風機通過變頻調節的首臺套工程應用進行理論分析，效率計算、經濟性分析和必要性分析表明，變頻運行高轉速汽電雙拖機組可以規避常規機組的不足，運行經濟性好，靈活性較高，汽輪機汽耗率較低，可顯著增加AOD 爐余熱回收項目的工程效益，對同類項目具有一定的借鑒和指導意義。