钢铁企业利用同轴BEST机组节能效益分析

文_ 申全军 侯 勇 大唐时代（潞城）节能科技有限公司

由大唐时代节能科技有限公司（大唐新能源股份有限公司子公司）投资，以合同能源管理模式与山西兴宝钢厂合作建设的全国首台高炉煤气余压回收高速同轴透平装置(BEST同轴机组)于2013年3月底啮合成功。

1 BEST同轴机组的工作原理及系统组成

BEST（Blower Equal Speed Turbine），即高炉煤气余压回收高速同轴透平装置，是在原有的高炉鼓风机（离心压缩机或轴流压缩机）基础上增加一台同轴系的高速透平机，利用高炉炉顶煤气的余压和热能，转换为机械能，经过同轴系离合器高速啮合直接驱动高炉鼓风机，降低原有风机电机电流来实现节能的一种能量回收装置。它主要是由BEST/CYL4000 透平机、大型阀门及煤气管道系统、液压伺服控制系统、润滑油系统、自动化控制系统、氮气密封系统、冷却水系统等组成。

2 BEST同轴机组的工艺流程

该设备建立在一座550M3高炉离心压缩机机上，额定转速4810r/min。正常运行时，先由高压电动机将鼓风机带到额定工况向高炉送风，待高炉侧炉顶压力稳定后。BEST透平机通过大型煤气管道，把经过除尘的高炉煤气（压力为135KPa,温度为145℃）通过进口蝶阀、进口插板阀，最后经过快速切断阀后引入膨胀透平机进行膨胀做功，高炉侧的减压阀组全关，转换成的机械能直接通过高速离合器和高压电动机共同拖动鼓风机运行，经过自动化控制系统PID自动调节控制静叶的开度，调节炉顶压力，可使炉顶压力稳定在±3KPa以内。经透平机做完功的煤气压力最低降为7KPa，温度最低降为70℃（透平机的出口压力是根据低压煤气管网的压力而变化的），这样在正常运行时，透平机将取代煤气管网原有的减压装置，将损失在减压装置上的能量回收利用，最后通过出口插板阀和出口蝶阀送至低压煤气管网。

在进、出口管道之间和透平机并列的安装两个旁通阀，在遇到异常需紧急停机时，快速切断阀迅速关闭，将透平机快速和系统分离，旁通阀则快速打开确保高炉压力正常停运，将高炉压力稳定地切换至减压装置。同时，离合器的在线投入和切除，都不会影响高炉鼓风机的正常运行。当透平机需要检修时，将进、出口插板阀关闭即可。工艺流程见图1。

3 BEST同轴机组运行工况及经济效益

BEST透平机自首次啮合以来，工况运行稳定，推力瓦温不超过43℃，轴振不超过30µm，轴承温度小于70℃；高炉煤气参数从压力135KPa、温度145℃降至压力20KPa、温度90℃；高炉炉顶压力可稳定控制在设定值的±3KPa以内，为高炉的稳定生产及提高产量创造了有利的条件。

目前，从首次啮合运行至今，通过各表单记录统计表明，高压电机日耗电量可节约28%以上。

图1 工艺流程图

图2 BPRT现场布置图

图3 BEST现场布置图

4 BEST与BPRT同轴机组技术特点比较

BEST与BPRT同轴机组技术均是将鼓风机和煤气透平机合并为同一系统，是高炉鼓风机电机与煤气透平双能源驱动的能量回收机组。同轴机组装置不消耗任何燃料，是消除钢厂噪音污染无公害的最经济的设备，可以代替减压阀组调节、稳定炉顶压力，是炼铁工序重要的节能措施之一。它使能量回收机组原有系统简化，取消发电机及发配电系统，合并自动控制系统、润滑油系统、动力油系统等。同轴机组的离合器当输入端相对输出端升速时，离合器自动啮合，煤气透平回收的功率与电动机共同驱动高炉鼓风机，当透平机故障或炉况不顺、休风及煤气量不足时，输入端相对输出端降速时，离合器自动将煤气透平在线脱开，保证高炉的正常生产。煤气透平机与高炉鼓风机同轴运行，使煤气透平机机组回收的能量直接驱动鼓风机，避免能量转换的损失，使电动机降低电流达到节能的功效。但BEST同轴机组相对BPRT同轴机组技术优越性在于它们的主机工艺及布置上的差别，BPRT同轴机组主机工艺布置为：电动机+齿轮变速箱+高炉轴流压缩机+变速离合器（齿轮增速箱与离合器的组合）+透平机，而BEST同轴机组主机工艺布置为：电动机+齿轮变速箱+高炉轴流(或离心)压缩机+离合器+透平机。两者现场布置见图2、图3。

从现场布置图可分析出BEST同轴机组技术优越性：

（1）省去变速离合器中的齿轮增速箱，即BEST同轴机组当透平机的转速高于高炉鼓风机转速后直接啮合，而BPRT同轴机组当透平机的转速经过齿轮增速箱增速后转速高于高炉鼓风机转速后才直接啮合，减少了能量在中间环节的损失。

同时，省去变速离合器中的齿轮增速箱，减少了占地面积；提高了其设备的适用性。因新增置的设备减少，施工时的经济费用也会大大的降低。即可节约投资成本，达到了节能效果，更缩短了资金回收周期。

（2）BPRT采用径向下方进气和排气的传统轴流压缩机和余压透平，缺点是布置方式为上、下两层布局，土建结构复杂，费用大，日常维护量大。而BEST采用“轴向进气，单层布局”技术和结构，构成同轴串联单层布局，节约土建费用，日常维护方便，整机结构紧凑合理。

(5)由于BEST技术采用轴向进气的方式，故高压端无需轴封，只在低压端设置轴封，而且是通过自动调节装置来调节轴封压力，大大降低氮气用量，可最大限度的降低其生产成本。

总之，BEST与BPRT机组相对比，效率更高，而且机组设计更紧凑，适应场地比较紧张的场所，较BPRT机组有更强的竞争力。

5 结论

BEST透平机是我国首台同轴系的高速透平机，自啮合运行以来各工况运行稳定，即回收了原本浪费在减压阀组上的能量，又大大降低了运行的成本，达到了节能降耗、保护环境的目的。目前现阶段，我国钢铁行业普遍处于低速发展时期，BEST透平机安装时的通用性，更可以最大化地降低钢铁企业节能设备的投资和生产成本，是一项非常值得借鉴和推广的技术。