高炉煤气余压发电TRT初步设计.docx

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高炉煤气余压发电TRT初步设计

1总论

1.1企业概况

山西安泰集团股份有限公司经过十几年的发展，已成为集科工贸、产供销于一体，跨洗煤、焦化、冶炼、建材、发电等产业的国家级乡镇企业集团，公司被认定为山西省高新技术企业，获得ISO14001环境管理体系认证，主导产品获得ISO9002国际质量体系认证。

炼铁厂现有3座450m3高炉、1座1080m3高炉，高炉煤气均采用干法布袋除尘工艺，目前生产正常。

1.2工程概况及建设进度

为了节能降耗和提升经济效益，山西安泰集团股份有限公司委托思安新能源有限公司出资为3座450m3高炉配套建设高炉煤气余压发电装置，本项目在建设、运行和转让（EMC）的基础上实施。

思安新能源有限公司提供项目设计、设备采购、建设、运行管理所需资金。

山西安泰集团股份有限公司为余压发电项目提供项目建设所需的场地、余压资源、电站的生产生活用水、氮气等；计划自2011年12月开始，1年内建设完成。

1.3设计依据

（1）山西安泰集团股份有限公司3×450m3高炉的相关设计、运行资料；

（2）山西安泰集团股份有限公司提供的建设地址区域的地形图；

（3）国家现行的规程、规范及有关标准。

1.4工程建设的意义

冶金企业是全国最大的能源用户。

单以用电来说，约占全国总用量的13～15%，而高炉又是冶金企业中的能耗大户，约占冶金企业用电的40%左右。

因此充分利用冶金企业的副产煤气（如高炉煤气），对节约能源具有重大意义。

高炉煤气的化学能一般工厂均能较好的利用（如作燃料使用），而对高炉煤气的余压和余热却未充分利用。

常规的工艺流程是：

高炉炉顶出来的高温（150～250℃）、高压（0.1～0.15MPa）煤气，经除尘处理后就送往减压阀组，在减压阀组里将煤气压力降至10kPa（0.01MPa）左右。

这样，不仅浪费了煤气大量的压力能，还在减压阀组附近产生非常大的噪音（可达120分贝以上），污染了周围环境。

为了充分回收高炉煤气的压力能和潜热能，冶金企业采用高炉煤气余压透平发电机组（简称TRT），TRT的工作原理是：

用透平膨胀机将原来损耗在减压阀组上的高炉煤气的压力能和潜热能转换成机械能，再通过发电机将机械能变成电能输送给厂内电网。

这样既回收了高炉煤气的压力能和潜热能，又减少了噪声对环境的污染。

另外采用TRT同时也改善了炉顶压力的调节品质，有利于稳定高炉生产。

目前全国电力供应紧张，TRT发电符合国家能源政策。

国家发展改革委发布的《产业结构调整指导目录》中，“高炉炉顶压差发电（TRT）”列为钢铁行业鼓励建设项目。

由此可见，山西安泰集团股份有限公司新建高炉煤气余压透平发电（TRT）机组，是节能降耗和提升经济效益的好项目，既有企业的经济效益又有良好的社会效益，也合乎国家的建设方针。

1.5工程建设的有利条件

1.5.1承办单位经验丰富

思安新能源有限公司总部位于国家级西安高新技术产业开发区，主要从事新能源技术和产品研发、生产与工程项目实施，是集开发、设计、工程建设、运营服务与投资于一体的技术服务型企业。

基于长期的发展积累，针对性地开发了多套余热余压资源回收利用系统，形成了余热余压利用工程总承包、设备成套、技术服务等多种业务运营模式。

思安新能源有限公司秉承凝聚智慧，追求卓越的理念，以携手并进，回报社会为自己的使命，把资源高效开发与综合利用技术为作为重点，致力于成为大型工业企业节能减排专家。

1.5.2山西安泰集团股份有限公司建设TRT工程的有利条件

（1）安泰3座450m3高炉的煤气净化均采用干法布袋除尘工艺。

干法除尘后的煤气温度高，因此TRT的发电量要较以往的湿法除尘提高25～40%。

3座高炉建设3套全干式TRT后，不但将煤气压力能转换成电能，还可充分利用煤气显热，提高发电效率，在高炉生产正常的情况下，约可回收高炉煤气鼓风机所耗能量的35～40%左右，其经济效益很好。

（2）安泰在中、小高炉上具有丰富的管理和操作经验，利用系数高、炉况稳定，这也为TRT长期高效运行提供了保证。

1.6设计原则

（1）严格遵守国家现行的规程、规范及有关标准；

（2）设计采用先进、适用、安全、可靠的技术，有利于集中管理、减少定员和提高经济效益；

（3）充分利用现有设施和场地以节省投资，并使工程实施过程尽量做到不影响或少影响现有生产；

（4）重视安全、消防和能源计量，提高节能效益，注意环境保护。

1.7工程设计指导思想

虽然全干式TRT装置不仅回收了高炉煤气的压力能和潜热能，又改善了高炉顶压调节品质，另外又减少了原减压阀组的噪声污染，尽管如此，TRT仍然是高炉的辅助设施，TRT机组在设计、运行中必须遵循以下原则：

（1）在正常启动、运行、停机过程中，不得影响高炉正常生产。

（2）当TRT机组在运行中发生重大事故而紧急停车时，也不能对高炉顶压造成大的波动。

其控制标准：

透平正常运行时，炉顶压力波动≤±5kPa；

透平紧急停车时，炉顶压力波动≤±8kPa；

透平甩负荷时，炉顶压力波动≤±8kPa；

（3）不能单独向用户供电，只能与工厂电力系统并网运行。

（4）在保证高炉炉况稳定的前提下，争取多发电。

（5）本工程的装备标准应达到国内先进水平；本工程投产后应达到投资省、质量好、见效快、效益高的优质工程。

1.8设计内容和设计范围

1.8.1设计内容

（1）3套3000kW高炉煤气余压透平发电（TRT）成套机组的站区布置和配管。

内容包括如下八大系统：

1）TRT透平主机和发电机系统；

2）高低压发配电系统；

3）大型阀门系统；

4）液压伺服控制系统；

5）润滑油系统；

6）氮气密封系统；

7）冷却水系统；

8）自动化控制系统。

（2）与高炉煤气余压透平发电（TRT）成套机组配套的公辅设施：

1）建筑、结构设计：

TRT主控楼、TRT厂房、设备基础、管道支架和操作平台；

2）高低压发配电系统工厂设计；

3）自动化仪表系统工厂设计；

4）站区内、外煤气管道设计；

5）站区内消防和循环冷却水站设计；

6）站区内火灾报警设计；

7）主控楼、主厂房的暖通设计。

1.8.2设计范围

本次建设我公司承担的设计范围以技术协议为准。

1.9工程设计简介

1.9.1TRT工艺概述

1.9.1.1TRT工艺流程

（1）TRT工艺流程的选定

●安泰高炉煤气净化采用干法布袋除尘工艺，净煤气温度高，含水量少、含尘量低，TRT工艺设计宜采用全量回收法。

可选用全干式TRT主机，使高炉所产生的煤气能够全量经过透平膨胀机，TRT装置不仅能全部回收高炉煤气的压力能，还能回收煤气的显热，尽可能多发电。

●3座450m3高炉对应采用3台TRT机组。

（2）TRT工艺流程

TRT机组与高炉减压阀组并联布置，即TRT的进口管与每座高炉干法除尘系统的高压管道（减压阀组前）连通，TRT的出口管与高炉减压阀组后的低压净煤气管道或厂区净煤气管道连通。

TRT正常运行时，煤气不经过减压阀组，炉顶压力由TRT调节。

1.9.1.2TRT机组主要性能和组成

（1）TRT机组主要性能参数

表1-1主要性能参数

序号

项目名称

单位

设计点

最大点

备注

1

工作介质

高炉煤气

2

透平入口煤气流量

104m3/h

11.0

13.0

2

入透平煤气压力

kPa

135

150

3

入透平煤气温度

℃

150

250

4

透平入口煤气含尘量

mg/m3

10

10

5

出透平煤气压力

kPa

8

12

6

透平输出功率

kW

2640

3335

7

发电机输出功率

kW

2500

3200

8

透平转速

r/min

3000

3000

9

并网电压

kV

10.5

10.5

10

炉顶压力波动值

kPa

±4.0

±6.0

（2）高炉煤气余压透平发电装置（TRT）的组成

高炉煤气余压透平发电装置（TRT）由以下八大系统组成：

1）透平主机和发电机系统

（a）透平主机：

●透平膨胀机型号：

CYLⅡ3000

●双级轴流式，轴向进气、向上径向排气，悬臂结构，结构简单可靠。

●动静叶片采用了短叶片设计，叶片的自振频率远高于工作转速下的激振频率，在各种工况下，具有很好的强度；动叶叶根采用了棕树型叶根，具备了良好的强度。

（b）无刷励磁同步发电机：

●型号：

QF-J3-2

●额定功率：

3000kW

●额定电压：

10.5kV

●额定转速：

3000r/min

2）润滑油系统

●该系统同时向透平主机和发电机提供润滑油，设2台电动泵，一用一备。

●同时设有高位油箱系统，以确保系统的安全运行。

3）大型阀门系统

●TRT入口：

电动三偏心金属密封蝶阀，敞开式电动插板阀，紧急切断阀（快关时间≤0.5s）。

●TRT出口：

敞开式电动插板阀，电动三偏心金属密封蝶阀，液动旁通快开阀（快开时间≤2s）。

4）液压伺服控制系统

由液控单元、动力油站、伺服油缸及检测仪表等组成。

主要通过液压元件控制可调静叶、紧急切断阀、旁通阀等的动作，以实现自动调节，控制透平平稳升速和控制高炉炉顶压力波动在允许范围内。

5）氮气密封系统

透平轴端密封，采用碳环组合密封。

6）给排水系统

该系统主要供发电机空气冷却器、液压站、润滑油站的冷却，本工程中，在TRT站区设有循环水站。

7）高低压发配电装置

发配电系统包括发电机及励磁系统、高低压配电系统、电气控制系统及同期并网系统。

8）自动控制系统

系统采用PLC控制系统，完成机组的过程控制、逻辑控制和监视、故障报警显示功能，保证TRT系统的正常运行和不影响高炉的正常生产。

1.9.1.3高炉煤气余压透平发电装置（TRT）的站区布置

（1）TRT站区拟建地点

拟建在炼铁厂与烧结厂之间的空地。

（2）TRT站区布置

3台TRT机组布置在同一个主厂房内，透平膨胀机和发电机采用单层布置，基础顶面标高约为+0.100m。

TRT主厂房为封闭厂房。

为检修方便，主厂房内配置1台16t防爆电动桥式起重机，并留有检修通道。

TRT控制楼为两层砖混结构，一层为高低压配电室，二层为电气仪表控制室。

（3）站区煤气进、出口管道

根据煤气流量，每台透平膨胀机的煤气进口管道为DN1400,煤气出口管道为DN1600。

1.9.2土建

高炉煤气余压透平发电（TRT）工程主要构筑物有TRT主厂房、透平机发电机基础、TRT控制楼和煤气管道支架及平台等。

本工程建筑物、构筑物地震烈度按8度设防。

（1）设计主要数据

●基本风压：

0.5kN/m2

●灰荷载：

按工艺专业委托或按建筑结构荷载规范取值。

（2）主要建筑物的建筑设计

1）厂房为封闭式，框架结构，厂房采用保温型钢结构墙皮，厂房柱为钢筋混凝土型式。

2）控制楼为砖混结构两层楼房,卷材防水屋面上设架空隔热层，采用无组织排水。

3）控制楼建筑装修:

一层地面为30厚防滑釉面砖面层；

二层楼面采用防静电地板；

二层顶棚为轻钢龙骨吊平顶，一层顶棚为乳胶漆面；铝合金窗，木门，内外墙面为混合砂浆粉刷。

1.9.3电气部分

每台TRT发电机额定功率3000kW，端电压10.5kV，频率50Hz，功率因数0.8。

励磁方式采用结构紧凑、维护方便、无火花、声音小、并且运行安全可靠的无刷励磁方式。

TRT系统所有高、低压开关柜、控制柜均由陕鼓配套供货。

（1）电气布置

TRT电气室设在TRT控制楼的一层，高、低压开关柜及变压器均布置在TRT电气室内。

TRT控制室设在TRT控制楼的二层，布置有TRT系统的PLC柜、微机综保屏等，为仪电合用。

（2）电缆选择与敷设

10kV电缆选用阻燃型交联聚乙烯铜芯电力电缆，低压电缆选用阻燃型聚乙烯铜芯电力电缆，控制电缆按用途分别选用普通控制电缆、带屏蔽控制电缆和计算机电缆。

（3）防爆、防雷接地及照明

电气防雷及接地设计将按照国家的规程、规范设计。

低压配电系统接地采用TN-S系统，接地电阻不大于4。

避雷及防静电接地电阻不大于10。

电气室电气照明采用日光灯，发电机主厂房采用防爆型灯具。

因TRT装置所用的工艺介质是易燃、易爆炸气体，因此将按照《爆炸和火灾危险环境电力设计规范》（GB50058-92）要求进行设计。

1.9.4自动控制部分

本设计为3座高炉采用3套TRT装置，高炉的炉顶压力由其对应的TRT可调静叶调节。

TRT机组自控系统设计确保高炉正常生产，尽量多发电；无论在任何情况下保证TRT机组的安全和转速不超过允许范围；具有自动化程度高，能自动启动、自动调速、自动调功率、自动调高炉顶压、自动停机功能。

（1）过程检测和控制

范围包括煤气系统、透平主机系统、发电机系统、润滑油系统、动力油系统、氮气密封系统、冷却水系统、CO浓度等。

（2）TRT系统控制采用“PLC”控制，基本功能如下：

a）过程和基本参数显示；

b）操作监控、参数设定；

c）事故报警、记录；

d）控制调节、显示；

e）编制各种图表和操作画面；

f）数据管理、归档及打印；

g）数据通讯。

（3）TRT机组与高炉中控室往来信号

TRT机组与高炉中控室往来信号发出侧采取隔离措施，通过硬接线的方式完成（并预留适量的空余点位）。

1.9.5给排水系统

（1）循环冷却给水系统

循环冷却给水系统，为TRT润滑油站、动力油站和发电机提供生产用冷却水。

供水压力为0.35MPa，本工程中，3套TRT配套设施的循环水量约为300m3/h。

TRT系统的净循环给水，由站区自建循环水站提供。

（2）生产消防给水系统

TRT区域的消防给水由炼铁厂区现有的消防给水提供。

厂区现有的消防给水系统采用生产净水——消防给水管网，为低压消防制。

炼铁厂区火灾次数按同一时间内发生一次考虑，室外消防水量按20L/s计。

（3）生活给水系统

厂内职工饮用水、生活设施的用水采用生活用水。

生活用水量为1m3/h，可直接接自TRT区域附近的生活给水管道。

（4）排水系统

TRT区域的排水就近排入厂区的排水系统。

1.9.6电讯设施

TRT主控室内，配备有电话和火灾自动报警系统。

（1）电话

TRT主控室内设置：

调度电话1台；

直通电话1台（与高炉值班室直通）；

行政电话1台

（2）火灾自动报警系统

为确保生产安全、及时发现和通报火灾，将火灾扑灭在阴燃或初始阶段，本工程设置火灾自动报警系统1套。

在TRT控制室设置区域报警控制器1台。

火灾报警系统保护区域:

润滑油站、动力油站、TRT控制室、电气室等场所。

在润滑油站和动力油站采用感烟探测器与智能型缆式定温探测器的组合；电气室采用感烟探测器。

在所有需要设置火灾探测器的场所均设置手动报警按钮和警铃。

本设计线缆全部采用阻燃型。

1.9.7通风及空调设施

（1）为改善控制室操作环境，室内设置立柜空调进行夏季降温，主厂房设防爆轴流通风机强制通风。

（2）电气室为消除室内余热,夏季采用轴流风机进行换气。

1.10工程主要技术经济指标表

1.10.1工程投资估算

按费用项目划分见表1-2

表1-2

序号

费用名称

投资估算（万元）

占静态投资（%）

1

建筑工程

722.31

17%

2

设备及工器具

2910.34

68%

3

主材费

275.27

6%

3

安装费

237.44

5.5%

4

其它基建费

128.00

3%

5

预备费

20.00

0.5%

6

静态投资

4293.36

100%

1.10.2工程主要技术经济指标表

表1-3主要投资指标表

序号

名称

单位

指标

1.1

项目工程总投资

万元

4388.68

1.1.1

建设投资

万元

4293.36

1.1.2

建设期利息

万元

0.00

1.1.3

流动资金

万元

95.32

1.2

年销售收入

万元

2199.68

1.3

净利润

万元

953.07

1.4

息税前利润

万元

1422.49

1.5

息税前利润加折旧摊销

万元

1783.77

1.6

总投资利润率

%

32%

1.7

项目投资内部收益率

所得税前

%

41%

所得税后

%

29.83%

1.8

项目投资财务净现值（i=8%）

所得税前

万元

7724.27

所得税后

万元

4593.64

1.9

投资回收期

所得税前（含建设期一年）

a

3.50

所得税后（含建设期一年）

a

4.40

1.10

资本金内部收益率

%

29.8%

1.11

盈亏平衡点

%

32.96%

1.11经济评价

近年来，煤气全干式TRT应用于中小型高炉是随着钢铁冶炼技术的发展而出现的一种新的综合利用能源的装置，它具有投资少、运行费用低、效率高、减少环境污染等特点。

另外，从本项目财务指标来看，项目总投资利润率为32%，项目税前全部投资内部收益率（IRR）高达41%，税后全部投资内部收益率（IRR）高达29.83%，项目投资回收期为4.4年（含建设期1年），上TRT装置的经济效益是相当理想的，详见表8-6。

综上所述，安泰公司建设3×450m3高炉煤气余压发电装置（TRT），经济上合理，技术上可行，具有良好的经济效益和显著的社会效益。

2TRT工艺

2.1TRT工艺流程

安泰高炉煤气净化均采用干法布袋除尘工艺，净煤气温度高、含水量少、含尘量低，TRT工艺设计采用全量回收法，并选用全干式TRT主机，使高炉所产生的煤气能够全量经过透平膨胀机，TRT装置不仅能全部回收高炉煤气的压力能，还能回收煤气的显热，尽可能多发电。

TRT系统与现有3座高炉调压阀组并联布置。

高炉干法除尘净化后的煤气送至TRT发电系统，在3座高炉干法除尘系统与调压阀组之间净煤气管道上开口DN1400，分别接至3组TRT主机进口；TRT主机出口煤气管道接入厂区净煤气外部管网（调压阀组后）。

由高炉布袋除尘器出来的高压高温、干燥洁净的煤气经DN1400电动三偏心蝶阀、电动敞开式插板阀、快速切断阀，进入透平主机进口，透平静叶为可调，用其调节进入透平机的煤气流量，并控制对应高炉炉顶压力。

煤气在静叶栅和动叶栅组成的流道中不断膨胀作功，压力和温度降低，并转化为动能作用于工作轮（即转子及动叶片）使之旋转，工作轮通过联轴带动发电机一起旋转而发电。

叶栅出口的煤气经过扩压器进行扩压，以提高其背压达一定值，然后经排气蜗壳流出透平，经DN1600电动敞开式插板阀、电动三偏心蝶阀，进入净煤气管道（减压阀组后）。

当TRT发生故障时，TRT进口快速切断阀在小于1s内紧急切断，TRT主机停机，因调压阀组不能及时开启，在进出口之间设置两根DN600旁通管，每根旁通管上设置一个DN600液动快开阀。

当出现重大故障时，紧急切断阀在小于1s的时间内关闭，此时联锁相对应的旁通快开阀（约1s）打开，使高压煤气短时间内快速泄压至煤气管道低压侧，避免炉顶压力突然升高，同时高炉调压阀组控制阀自动打开，在旁通快开阀慢关时（一般约40s），调压阀组自动阀逐渐开大，自动调节炉顶压力，炉顶压力转至高炉侧控制，使高炉TRT系统安全脱离高炉煤气系统，保证高炉正常运行。

TRT装置是高炉的从属生产设施，直接用其控制稳定炉顶压力，其运行好坏，关系到高炉生产运行，以可调静叶开度变化控制煤气进透平流速，可有效保证炉顶压力波动控制在要求范围内。

它最大的优势是静叶片转动灵活，调节性能好，静叶可做到全关，调节范围宽，透平设计点不一定选在最大负荷上，而以持续时间最长的负荷作为设计点，在负荷降低或提高时，即偏离设计点，对效率的影响都较小。

2.2TRT系统和性能

2.2.1工厂设计条件

（1）高炉炉容：

450m3（3座）；

（2）煤气净化采用先进的干法布袋除尘工艺；

（3）透平入口煤气条件（单座高炉）

●入口煤气流量正常：

110000m3/h；最大：

130000m3/h

●入口煤气压力正常：

135KPa（G）；最大：

150KPa（G）

●入口煤气温度正常：

150℃；最大：

250℃；

●出口煤气压力正常：

8KPa（G）；最大：

12KPa（G）

●透平入口煤气含尘量：

≤10mg/m3

2.2.2TRT机组的组成

高炉煤气余压透平发电装置（TRT）由以下八大系统组成：

●透平主机和发电机系统

●高低压发配电系统

●大型阀门及煤气管道系统

●液压伺服控制系统

●润滑油系统

●氮气密封系统

●冷却水系统

●自动控制系统

2.2.2.1透平主机和发电机系统

由透平主机、联轴器及护罩、发电机、底座等组成。

（1）透平主机

透平膨胀机型号：

CYLⅡ3000

双级轴流式，轴向进气、向上径向排气，悬臂结构，结构简单可靠。

动静叶片采用了短叶片设计，叶片的自振频率远高于工作转速下的激振频率，在各种工况下，具有很好的强度。

动叶叶根采用了棕树型叶根，具备了良好的强度。

具备在线叶片状态观测条件。

静叶可调，采用电液执行机构驱动，调节灵敏。

1转子组件

双级悬臂刚性转子，由轮盘、主轴、动叶片和拉杆螺栓、螺母、套筒、半联轴器组成。

轮盘与主轴之间以止口定位，轮盘与主轴配合面处的套筒传递扭矩。

拉杆螺栓、螺母用于将轮盘和主轴连接、拉紧固定。

半联轴器用双键安装在主轴轴端。

1.1轮盘

实心结构，采用高强合金钢锻件30Cr2Ni4MoV，轮缘榫槽为棕树型榫槽，动叶片装入棕树型榫槽后，采用锁紧销锁紧定位。

1.2动叶片

采用高强沉淀硬化不锈钢17-4PH，软密封形式，强力磨削工艺加工叶根。

1.3主轴

采用合金钢锻件30Cr2Ni4MoV，设置用于提供转速、轴相位信号的凹槽（或孔）。

2静叶组件及固定环

静叶组件由静叶片及静叶持环组成。

静叶为可调结构。

静叶片为不锈钢铸造叶片17-4PH，静叶组件通过螺栓连接固定在机壳的端面上。

3机壳

机壳由进气机壳、静叶可调机构机壳、衬环和排气机壳组成，采用垂直剖分结构形式。

机壳能承受的力及力矩符合NEMASm23标准，机壳承受最高允许的进口温度（连续）：

400℃。

3.1进气机壳

由法兰、壳体、导流锥等组成。

碳钢材料组焊结构；进气机壳上设置平衡气的法兰接口；在进气机壳的两侧设置支耳，用于辅助支撑；在进气机壳上设置用于温度检测的热电偶。

3.2衬环和静叶可调机构机壳

衬环和静叶可调机构机壳装配于进气机壳与排气机壳之间，衬环两侧配合面上分别以止口定位，螺栓连接固定，配合面装有密封环；静叶可调机构机壳内部采用氮气保护；

3.3排气机壳

由法兰锥体、扩压器及涡壳等组成。

碳钢材料组焊结构，为方便排气机壳的安装与调整，排气机壳四个支耳与机座支撑之间设置调整垫片；为了保证排气机壳的热胀自由，四个支耳上开设与膨胀相同方向的长圆孔，孔中装有套筒、垫圈及固定螺栓；根据套筒的限位，垫圈与支耳之间留有必要的热膨胀间隙；在排气机壳（法兰锥体）两侧支耳和底座的支撑之间设置横向导向键；在排气机壳后端下方与机座之间设置和垂直导向键。

4轴承箱

轴承箱由轴承箱体及轴承箱盖组成，水平剖分结构形式；轴承箱体用螺栓固定在底座上；底座与轴承箱体之间应设有调整垫片，以便于调整和找正转子与排气底壳之间的位置；在轴承箱体上配置进、回油法兰接口；两个进油口，结构形式为法兰联接