Турбина восстановления верхнего давления для доменного печного газа – оптимизация энергоэффективности

Турбина восстановления верхнего давления (TRT) доменного печного газа

Современные доменные печи на сталелитейных заводах работают при высоком верховом давлении газа. Доменный печной газ (ДПГ), выходящий из печи сверху, сохраняет давление ~1,6–3,0 кгс/см² (изб.) и температуру ~200 °C. Этот газ очищается от пыли и используется в заводе как топливо при относительно низком давлении. В процессе большая часть энергии давления теряется на регулирующем клапане. Турбина восстановления верхнего давления (TRT) — механизм, использующий тепло и энергию давления ДПГ для вращения турбины. Работа турбины передается на генератор и преобразуется в электроэнергию. TRT генерирует мощность, используя известное свойство газов — расширение объема при снижении давления. Система включает пылеулавливающее оборудование, газовую турбину и генератор.

TRT — энергосберегающая мера на ДП, использующая отходное давление верхового газа для выработки электроэнергии. Блок TRT может производить 15–60 кВт·ч/т горячего чугуна (ГЧ). Его выходная мощность может покрыть ~30% потребности всего оборудования ДП (включая надувную машину). ДПГ после TRT все еще можно использовать как топливо на заводе.

В процессе получения чугуна в ДП образуется газ с высоким давлением и температурой. В обычной практике энергия ДПГ теряется при снижении давления на септаром клапане. Установка TRT — лучший способ восстановления энергии давления и тепла ДПГ. Блок TRT обычно устанавливается за газоочистным оборудованием ДП. Обычно экономически целесообразно оснащать TRT доменные печи вместимостью более 1000 м³.

Система TRT — энергоустановка, преобразующая физическую энергию высокого давления верхового газа ДП в электричество с помощью расширительной турбины. Хотя перепад давления невелик, большие объемы газа делают восстановление экономически целесообразным. Ключевая технология TRT — обеспечение стабильной и высокоэффективной работы расширительной турбины в пыльных условиях ДП без помех работе печи.

Ключевые параметры блока TRT, определяющие его производительность и мощность:

• Объем верхового газа ДП;
• Давление газа на верхушке ДП;
• Потеря давления на газоочистном узле (ГОУ);
• Температура газа после ГОУ;
• Давление газа на выходе TRT;
• Качество газа на верхушке ДП;
• КПД TRT;
• КПД генератора, связанного с TRT.

Верховой газ ДП обычно содержит ~5 г/нм³ пыли и должен проходить через ГОУ для снижения пыли ниже 5 мг/нм³. Снижение пыли необходимо для правильной работы TRT.

Системы верхового газа с TRT делятся на мокрые и сухие в зависимости от метода удаления пыли. Сухие системы потребляют меньше воды и электроэнергии. У них меньше потери давления и температура газа выше примерно на 50 °C по сравнению с мокрым типом. При сухой очистке TRT может производить на 30% больше мощности с возможностью до 60% прироста. Сухие системы считаются более выгодными экономически.

Существует два типа турбин: радиальные и осевые. Сейчас в TRT широко применяют осевые турбины, так как они лучше подходят для больших объемов потока. TRT обычно многоступенчатая регулируемая расширительная турбина с осевым реактивным дизайном, горизонтально-раскладным корпусом и регулятором скорости 3000 об/мин. Обычно используют бесколлекторный синхронный генератор. Генератор рассчитывается для работы во всех нагрузочных режимах, накладываемых турбиной. Генератор TRT обычно вырабатывает 6,6 кВ, затем напряжение повышают до 33 кВ через повышающий трансформатор 6,6/33 кВ.

Стабильность верхового давления — ключевое значение. Небольшие колебания верхового давления выгодны для работы ДП. Верхнее давление контролируется открыванием/закрыванием лопаток первой ступени статора турбины в соответствии с увеличением/уменьшением объема газа ДП. В обычной турбине для контроля верхового давления также использовали регуляторный клапан. Однако регуляторный клапан создает большие потери давления по сравнению со статорными лопатками, что невыгодно для восстановления мощности и предотвращения шума. Поэтому в широко используемой сейчас системе регуляторный клапан устранен, а верхнее давление контролируется только лопатками первой ступени статора.

Типичная схема потоков для мокрых и сухих систем TRT показана на рис. 1.

После сбора пыли газоочистным оборудованием чистый ДПГ поступает в турбину через входной бабочковый клапан и входной гоготный клапан. Нормально закрытые обходные клапаны и открытый аварийный аварийный клапан используются для аварийных случаев.

В TRT механическая работа турбины передается на генератор для выработки электроэнергии. ДПГ с низким давлением и температурой входит в газовую линию через выходной гоготный клапан.

Работу TRT можно разделить на две фазы: (i) пусковая фаза и (ii) нормальная рабочая фаза. В пусковой фазе проверяются все подготовки, включая гидравлическую подсистему. Затем сигнал о пуске TRT передается оператору ДП. Если оператор согласен, открываются входной бабочковый клапан и аварийный клапан. Скорость турбины контролируется входным бабочковым клапаном, верхнее давление — сепаратными клапанами. Пока турбина не достигнет требуемой скорости вращения, сепаратные клапаны медленно закрываются. Затем пусковая фаза переходит в нормальную рабочую фазу. В нормальной фазе верхнее давление полностью регулируется лопатками первой ступени статора турбины. Верхнее давление контролируется открыванием/закрыванием лопаток первой ступени статора.

При условиях, когда желаемое верховое давление и объем газа недоступны, газы могут обходить TRT. Закрытый высокодавленный гоготный клапан в цепи обеспечивает бесперебойную работу ДП при полном изолировании TRT (например, во время обслуживания).

Система TRT может синхронизироваться с системой распределения электроэнергии завода. Установка TRT обычно имеет ту же доступность, что и ДП — 350 дней годовой работы. Собственные потребности TRT очень низки.

TRT — проверенная технология с очень малым риском установки или эксплуатации. Если TRT выходит из строя, расширяющийся газ размещается в существующем скруббере. Это нормально для печей без TRT.

На работу ДП и расход ДПГ влияния нет. Поскольку ДПГ очень горюч, он обычно используется в других частях завода для выработки тепла или энергии для других процессов. С установленной системой TRT ДПГ эффективно генерирует энергию дважды — один раз в турбине и второй раз при сжигании для обычных целей.

TRT — чистая и энергоэффективная технология, позволяющая использовать энергию давления в потоке отходного газа процесса. TRT применяется для энергосбережения и снижения выбросов парниковых газов. Хотя экономические выгоды установки TRT значительны, экологические преимущества также важны. TRT очень устойчива, так как процесс выработки электроэнергии этой технологией имеет нулевые выбросы. Процесс на 100% «зеленый».

Кратко особенности TRT:

• Энергосберегающая технология для доменной печи сталелитейного завода;
• Энергоустановка с функцией контроля верхового давления ДП;
• Мощность генерируется приводом турбины доменным печным газом;
• Топливо для выработки энергии не требуется;
• Поскольку топливо не сжигается, нет выбросов CO₂ и других парниковых газов;
• Система TRT способствует снижению CO₂ в соответствии с объемом выработки;
• Система TRT создает меньше шума по сравнению с обычным сепаратным клапаном, улучшая среду вокруг ДП;
• Сложные технологии для эксплуатации и обслуживания TRT не нужны, легко выполняются персоналом ДП;
• Требуются только небольшие объемы воды, азота и т.д., легко покрываются существующим оборудованием ДП.