高炉煤气预测（精选八篇）
高炉煤气预测 篇1
高炉煤气是钢铁企业生产过程中重要的二次能源[1]。 国外大型钢铁企业的高炉煤气利用率极高,如日本的新日铁,高炉煤气的回收利用率可达100%,基本实现了零放散。但在国内的各大型钢铁企业中,除宝钢外,其他钢铁企业的高炉煤气回收利用效率普遍较低,相当一部分的煤气资源被放散掉,既浪费了能源,又污染了环境。因此,建立一种有效、精确的预测模型,对煤气消耗量进行准确预测,是解决煤气资源合理调度与降低放散的前提[2]。
高炉煤气是炼铁过程中得到的副产品,主要成分为CO2、CO、H2、N2和少量的CH4[3]。每生产1吨铁,就可获得约2000立方米左右的煤气。在经过除尘处理后,即可作为一种清洁的副产能源使用。高炉煤气的主要用户有炼铁厂的高炉热风炉、轧钢厂的加热炉还有发电厂的低压锅炉等。其中,热风炉是高炉煤气的消耗大户,消耗量约占煤气总量的40%~50%[4]。热风炉主要负责向高炉内输送高温的热风,以保证冶炼的正常进行。其工作周期主要由:燃烧、闷炉、送风、换炉四个步骤组成[5],而只有在燃烧阶段才消耗煤气,这就使得煤气的消耗曲线有明显的周期波动的特征。在换炉或在休风、减风等操作下,高炉煤气的消耗量又会发生明显的随机波动,大大增加了预测的难度。
综合国内外的研究现状,对高炉煤气消耗量预测的研究方法主要有:时间序列模型、人工神经网络模型、 多层递阶模型、支持向量机等。其中人工神经网络与支持向量机是当下预测研究的热点,许多学者对此做了大量富有成效的研究。但是,以上两种方法有其固有的缺陷,例如,人工神经网络结构复杂、鲁棒性差[6~8]。 而支持向量机的最优参数难以确定[9],这会直接影响预测模型的精准度。基于上述研究存在的问题,本文提出能量诱导型粒子群算法优化的最小二乘支持向量机模型(Energy Guided Particle Swarm Optimization- Least Square Support Vector Machine,EGPSO-LSSVM)来预测高炉煤气的消耗量。改进后的粒子群算法不仅表现出较好的收敛能力,而且利用该算法优化的最小二乘支持向量机模型具有更加优越的预测精度。
1最小二乘支持向量机(LSSVM)
最小二乘支持向量机是在支持向量机的基础上发展而来。最主要的不同点就是将支持向量机中的不等式约束改为了等式约束,用最小二乘线性函数作为损失函数,代替了支持向量机原本的二次规划。下面简要介绍其算法[10,11]:
煤气消耗量数据样本可表示为{xk,yk}Nk,xk表示为第k个煤气消耗数据的输入向量,yk表示为第k个煤气数据的目标值。N为煤气训练样本数。LSSVM的目标函数为:
目标函数的约束方程为:
其中:φ(⋅)为可将数据映射到高维空间的非线性函数;ω为权向量;γ 为惩罚系数;b为偏置系数;ek为误差变量。
引入下面的拉格朗日函数求解上述优化问题:
其中:αk为拉格朗日乘子。解下面的偏微分方程:
消去ω,e可得:
其中:y =[ y1, y2...yN]T,1v=[1,1,...1]T,α =[α1,α2...αN]T, Ω =φ( xk)Tφ( x1) 。根据Mercer条件,核函数可写作:
由于径向基函数结构简单,泛化能力强,本文采用如下径向基函数作为核函数:
其中:σ称作核宽度,它与惩罚系数γ 共同决定了最小二乘支持向量机的性能。通过上述方程求解α和b,得出LSSVM模型的输出为:
2粒子群改进算法
粒子群优化算法是一种智能寻优算法,由Kennedy与Eberhart于1995年提出。此算法以模仿鸟群捕食的社会行为为基础,不需要进行复杂的数学计算,只需简单的迭代与信息交换就可以搜索最优值,是一种启发式的寻优方法。其数学描述如下[12,13]:
在D维的搜索 空间里有n个粒子 , 其位置为Xi=(xil,xi2,xi3,…,xi D);单个粒子飞行时经过的最优位置为:Pi=(pil,pi2,pi3,…,pi D)粒子群在飞行中经过的最优位置为:Pg=(pgl,pg2,pg3,…,pg D)。
在迭代中粒子根据以下的公式调整自身状态:
其中:Vi为粒子的飞行速度;Xi为粒子的位置;下标d代表其中的一个维度;t代表迭代的次数;ω为惯性权重,它影响着粒子的飞行速度;c1与c2为学习因子;r1与r2是[0,1]之间的随机数。通过位置与速度的不断迭代更新,粒子群最终可找到空间中的最优解。然而,传统的粒子群算法有全局收敛慢、精度差的缺陷。针对其缺点,本文引进能量剩余函数的概念,模拟生物自身能量循环的过程。给出了粒子速度更新的多选择机制;对于粒子的惯性权重,本文采用一种与种群平均适应度相关联的自适应权重调整方法。确保了粒子群有较好的收敛速度和较高的全局收敛能力。
2.1粒子群飞行速度的改进
任何生命体的活动都需要先从外界获得能量,然后随着各种生命活动的开展,自身存储的能量又会被逐渐的消耗。就是在这样循环往复的能量流动中,物种才得以发展。离子群算法是一种模仿鸟类飞行的仿生算法,同样也可以将这种生物自身与环境之间能量交换的特点引入到算法中去。粒子的飞行状态是受到自身能量的限制的,而粒子下一刻的飞行状态又会受到外界能量的诱导。
假设粒子i的能量消耗率与粒子的进化代数t相关, 自身的初始能量为Fi。经过t代的飞行之后粒子剩余的能量为Ei,可定义如下的能量剩余公式:
其中:令Fi=1。式(11)称为粒子能量的消化曲线, 如图1所示。
上面的曲线可模拟生物体内能量的消耗过程:在初期粒子刚刚获取了较大的能量,且没有与周围环境进行能量的交换,所以能量的下降速率较慢;在中期,粒子与环境能量交换加快,粒子自身能量剩余迅速下降;末期,粒子能量消耗速率放缓,剩余能量趋近于0。
根据上面的能量剩余公式,可定义以下的能量剩余度函数:
显然,(0,1)。当Ci(t ) =1时,说明粒子内部的能量充足,无需寻找外部能量;当Ci(t ) = 0时,说明粒子内部的能量基本消耗殆尽,急需获取外部能源。在粒子速度更新的过程中,若单个粒子找到新的最优位置, 则能量又会获得补充,即重新有Fi=1,否则,粒子就会处在持续消耗能量的状态。设定粒子能量剩余度的上下阈值为m1,m2,且m1,m2∈(0,1) 。根据此阈值可决定粒子飞行的速度模式。
当Ci(t) ≥m2,表明粒子剩余能量较多,这时粒子倾向于在自身的最优位置附近搜索。速度的更新公式可表示为:
当m1≤Ci(t) <m2,表明粒子已经进入能量消耗阶段,这时粒子除了在自身的最优位置附近搜索外还会在群体最优位置附近查找。速度的更新公式可表示为:
当m1<Ci(t) ,表明粒子已经进入能量消耗阶段,这时粒子自身的能量基本消耗完毕,需要及时寻找到新的能量源进行补充。粒子不再对自身最优位置进行搜索, 而是直接向群体的最优位置靠近。速度的更新公式可表示为:
2.2惯性权重的改进
式(13)~式(15)中的惯性权重ω是粒子群算法中最重要的参数,它决定了粒子的飞行速度。通常,在算法进行的初始阶段,粒子要对一个相对较大的空间进行快速搜索,要求有较大的惯性权重,这样可使粒子获得足够大的飞行速度;而在算法后期,粒子需要在一个较小的空间内精细搜索,所以需要对其赋予较小的权重,以减缓粒子的飞行速度,避免飞过最优值点。通过合理选择惯性权重,可以显著改善算法的收敛速度。
常用的惯性权重调整方法主要是线性调整策略。 其中,最主要使用的方法是典型线性递减策略[14]。但这种方法容易造成粒子陷入局部最优。为了克服线性权重调整的缺陷,多位学者相继提出了一系列非线性权重调整措施[15~18]。但这些措施仅仅与当前迭代的次数和迭代的总次数有关,而与种群的平均适应度无直接联系。 因此,本文对文献[16]所提出的非线性调整公式进行改进,得到一种通过比较适应度来确定惯性权重的调整策略,具体的调整方式下:
迭代过程中,当个体粒子的适应度大于种群的平均适应度时,即fitness >avg _ fitness。惯性权重表示为:
当个体粒子的适应度小于种群的平均适应度时,即fitness >avg _ fitness。惯性权重表示为;
其中:ωmax与ωmin代表惯性权重可取到的上限与下限,此处取ωmax=0.9,ωmin=0.4;β为一个经验值, 这里取β=15;t为当前迭代的次数;Tmax为总的迭代次数;改进后的粒子群优化算法在每次迭代时,首先根据式(12)计算所有粒子的能量剩余度。通过与阈值比较, 得到速度的更新机制,使粒子更快趋近最优解;同时计算平均适应度,然后用当前的适应度与平均适应度比较,若大于平均适应度,则对其赋值ωmax,使其进行快速搜索定位;若小于平均适应度,说明算法进行到需要精细搜索的程度,则利用非线性公式对其赋值,使其进行局部搜索。
3EGPSO-LSSVM预测模型的建立
EGPSO-LSSVM模型的建立步骤如下:
步骤1:选取合适的煤气消耗量样本数据作为训练集与目标集,并对数据进行预处理。
步骤2:初始化粒子群算法的参数。设置粒子群的种群数量、迭代次数、学习因子、惯性权重的上下限及能量剩余度阈值等。
步骤3:初始化粒子的位置与速度及粒子的适应度值。其中,最小二乘支持向量机的核宽度与惩罚因子是改进的粒子群算法要优化的两个参数;适应度函数为期望值与输出值的均方误差。
步骤4:根据2.1节、2.2节的方法计算粒子的能量剩余度并查找初始时单个粒子的适应度与整个种群的平均适应度。
步骤5:进行粒子群的迭代更新。根据粒子的能量剩余度选择合适的速度更新方式,并比较种群的平均适应度与单个粒子的适应度,选择其惯性权重。然后根据式10更新粒子的位置,重新计算粒子的最优适应度值。 若优于个体粒子,则用其替换个体粒子的适应度。若优于整个种群,则用其替换整个种群的适应度。
步骤6:满足终止条件或者达到迭代的次数,则退出优化程序,跳转至第7步,否则转至第5步。
步骤7:利用优化后的LSSVM模型对煤气消耗量进行预测。
4仿真实验分析
4.1煤气发生量预测的仿真结果
本文以国内某钢铁企业的高炉煤气消耗量数据为实验样本。为保证预测的可靠性,取消耗量中的1000个数据(采样频率为1min),令其中前830个为训练样本, 后170个测试样本。利用能量诱导型粒子群算法优化的最小二乘支持向量机进行预测。
粒子群的学习因子c1与c2分别为1.6与1.5;种群规模为15;迭代次数为150次;能量剩余度阈值根据多次实验结果的平均值可取为:m1=0.34,m2=0.69。按照第2节所述方法调整每次迭代时的粒子速度和惯性权重。得到改进的粒子群算法的最佳适应度曲线如图2所示。
由上图知,EGPSO算法在进化到第21代时,就已经收敛,说明算法具有较好的收敛性。这是由于算法在每一次迭代时都从自身能量的角度进行调整,通过能量剩余度划分粒子最适当的飞行速度,使之能快速的定位最优解位置。其次,非线性惯性权重也使得粒子群在飞行时能按照非线性函数加速,实现全局与局部的搜索。
最终,达到粒子群迭代终止条件后获得的最优核宽度 =0.49,最优的惩罚因子γ==7711..3366。将训练得出的两个参数带入最小二乘支持向量机中,可得到优化的LSSVM模型。利用优化后的LSSVM模型对煤气生成量进行预测。
图3是EGPSO-LSSVM与普通BP神经网络模型的预测效果对比,其中BP神经网络为三层结构,隐含层神经元数量为10个,激发函数选S型正切函数。
通过仿真实验可观察出:BP神经网络模型预测的波动性较强,易发生数值抖动(如图3中圆圈所示),这是因为BP神经网络采用经验风险最小化原则,随着预测的进行,模型的预测能力将会变差。而EGPSO-LSSVM模型的预测效果则展示出良好的稳定性,预测得出的波形抖动小,而且更加平滑,预测值也更加贴近真实值。
图4是EGPSO-LSSVM与LSSVM模型的预测效果对比图,以此说明经过优化的模型和未经优化的模型在预测效果上的差异。
由仿真实验观察出:未经优化的LSSVM模型,由于参数的选择无法保证是最优,造成了模型的泛化能力有限,在预测时,会出现较大误差。从图中可知:在37min~59min、72min~86min及103min~129min三个区间段内,LSSVM预测值偏离真实值的程度较大,本文采用的EGPSO-LSSVM模型在整体预测效果上更具优势。
4.2煤气消耗量预测的误差分析
为定量地说明本文方法的有效性,也为了科学地评价本文建立的EGPSO-LSSVM模型。现采用平均绝对百分比误差(MAPE)、均方误差(MSE)、均方百分比误差 (MSPE)三种评价指标,对本文EGPSO-LSSVM模型、 BP神经网络模型及LSSVM模型的预测值进行误差比较分析,结果如表1所示。
从表1可知:在给定的三个评价指标上:LSSVM模型的预测效果好于BP神经网络的预测效果,而本文使用的EGPSO-LSSVM模型预测精度又要高于传统最小二乘支持向量机。结果表明本文模型有较高的预测准确性,可以用于高炉煤气消耗量的预测。
5结束语
本文将能量剩余度函数引入粒子群算法中,通过比较每次迭代更新时粒子的剩余能量度来确定速度,从而确定粒子的搜索方向及飞行速度,有利于快速的寻找到最优解。其次,将惯性权重改进为由平均适应度确定的非线性函数,可实现全局或局部的寻优。
高炉煤气洗涤废水治理技术研究现状 篇2
高炉煤气洗涤废水治理技术研究现状
高炉煤气洗涤废水是我国钢铁企业的主要工业废水之一,高炉煤气洗涤废水的排放不仅是一种资源浪费,而且对环境的污染也非常严重.综述国内外有关高炉煤气洗涤废水的`治理方法,可以对高炉煤气洗涤废水的处理起到一定参考作用,在保护钢铁企业周围生态环境的同时,提高水资源的利用率.
作 者：何丽莉 HE Li-li 作者单位：辽阳职业技术学院,辽宁,辽阳,111004刊 名：辽宁师专学报(自然科学版)英文刊名：JOURNAL OF LIAONING TEACHERS COLLEGE(NATURAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：200810(1)分类号：X757关键词：高炉煤气洗涤废水 治理技术 方法研究
钢铁企业高炉煤气系统动态仿真 篇3
我国钢铁企业能源结构中,副产煤气量占总能耗的30%～40%,煤气对钢铁企业能源平衡和调节起到重要作用。我国钢铁企业的副产煤气存在不同程度的放散现象,高炉煤气由于发热量较低,燃烧温度亦较低,是首先放散的对象。并且,与转炉煤气放散主要在于设备和工艺的原因不同,高炉煤气的放散主要是由煤气供应系统的合理性和平衡等问题造成的。
目前,对钢铁企业煤气系统的平衡、调度、优
化利用等有很多研究成果,然而,这些研究主要针对煤气的中长期平衡和基于一段时间的静态平衡,而对短期和动态平衡研究不足。尽管制定的月日等煤气计划是平衡的,但在实际生产中,由于煤气产生和消耗随着工艺生产状态的改变而经常波动,煤气的产生和消耗存在局部、瞬时的不平衡,从而造成供需不平衡,对煤气的使用和优化造成影响。因此,有必要对煤气的产生、使用、存储等做进一步的动态建模,以支持更细节的煤气的研究、分析和优化。所谓的动态是与静态相比较而言的,若在某段时间内,煤气消耗是平均的,则其动态模型和静态模型相同,若煤气消耗不平均,则需要对更小范围内时间段的煤气消耗建立模型,即需要将煤气的动态变化信息表现出来。本研究主要针对动态模型的建立,在时间粒度上采用分钟,以表现煤气因生产变化而产生的动态性。
作者根据高炉煤气动态平衡数学模型[1],建立了高炉煤气动态仿真系统,利用该模型,从高炉煤气系统的结构、消耗用户生产模式等方面,深入研究了发生量、使用量、存储量、放散量随时间变化的规律,具体内容包括:(1)高炉煤气系统动态平衡数学模型的建立;(2)高炉煤气动态仿真系统的设计;(3)高炉煤气用户生产模式、高炉生产方式等对高炉煤气动态平衡影响的计算和分析。
1 高炉煤气系统的组成和特点
钢铁企业煤气系统涉及煤气生产、输送、分配、消耗诸多环节,管理对象一般包括高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。作者将高炉煤气相关的内容剥离出来,作为一个独立的系统。
高炉煤气系统包括:高炉煤气发生源(高炉),高炉煤气的存储和输送(煤气管道和煤气柜),高炉煤气的用户(包括基本用户和缓冲用户)。其中,高炉煤气基本用户是生产工艺过程中需要使用煤气的用户,煤气的主要作用就是满足这些用户的需求,如加热炉、热风炉等;缓冲用户是在煤气平衡中用于调节煤气的使用量和稳定管网压力的用户,这些用户在煤气有盈余时使用煤气进行生产,当煤气产量减少时,则需停止使用煤气而调换其它燃料,如发电厂、锅炉等。煤气混合站将两种或两种以上热值不同的煤气混合在一起,以保证用户热工制度的稳定和工艺流程的要求,一般设有热值、压力、流量等调节设备进行调节,调节方式有流量配比调节和热值指数调节。本研究将煤气混合站作为一个高炉煤气用户进行处理。
高炉煤气的平衡状况取决于高炉的生产状况、高炉煤气用户的使用特点、以及高炉煤气管网和煤气柜的存储能力。一般来讲,高炉生产越稳定,存储系统的储存能力越大,用户的煤气消耗越均衡,越有利于高炉煤气的瞬时供需平衡。然而,在钢铁企业生产中,高炉在生产过程中,因检修、处理事故或其它原因,可能中断生产;煤气用户也会因生产工艺要求而使煤气的消耗发生波动,从而严重影响高炉煤气的供需平衡,特别是加热炉等煤气消耗较大用户的生产波动,往往是造成放散的主要原因。
2 高炉煤气系统动态模型的建立
高炉煤气的发生量、储存量和用户的使用量随时间变化的规律可以用数学方程式描述出来,根据高炉煤气平衡原理,可以建立高炉煤气动态平衡方程。高炉煤气系统动态模型主要包括高炉煤气产生和消耗动态模型,煤气混合加压站模型,以及管网系统和煤气柜的存储模型。本研究中主要对某钢铁厂的以下高炉煤气用户进行建模:烧结机、竖炉、热风炉、喷煤、混铁炉和加热炉。
2.1 高炉煤气产生和消耗动态模型
高炉煤气动态模型的建立,需要将煤气的动态变化信息表现出来。整个钢铁制造流程是一个既包含连续运行过程、又包含间歇运行过程的准连续运行流程,高炉煤气的动态性主要表现在具有间歇性的工序生产上。因此,动态模型的建立需要考虑生产工序的不同状态和阶段,对不同的生产状态和阶段建立相应的模型。
文献[1]根据煤气的使用和消耗情况将相应的工序划分为生产阶段,不同的生产阶段反映了煤气产生和消耗的不同特点。在生产阶段的基础上,建立了高炉煤气用户的动态消耗模型。包括高炉煤气的回收模型、烧结机煤气消耗模型、竖炉煤气消耗模型、热风炉煤气消耗模型、喷煤工序煤气消耗模型、炼钢混铁炉煤气消耗模型和热轧加热炉煤气消耗模型。
2.2 煤气混合加压站模型
煤气混合站的主要功能是为保证用户热工制度的稳定和工艺流程的要求,把不同的煤气进行混合,并对混合煤气的热值、压力和流量进行调节。煤气混合站既不产生煤气,也不消耗煤气,混合煤气的消耗是由其用户决定的。若混合站煤气的调节采用流量配比调节系统。则有以下模型。
(1)煤气混合加压站高炉煤气消耗为
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式中,n为混合煤气的用户个数;t为时间;qundefined为第k个混合煤气用户的高炉煤气消耗。发电厂和锅炉一般都使用混合煤气,这里也将其作为混合煤气的一个用户。这是因为发电厂和锅炉为缓冲用户,对煤气的使用具有一定的调节作用,其调节作用表现在对混合煤气的消耗上。
(2)发电厂中煤气消耗设备主要是锅炉,一个发电厂一般有若干个锅炉,其煤气消耗模型与用于供汽的锅炉相同,因此,将发电厂的煤气消耗与锅炉的煤气消耗一起考虑。则锅炉(包括发电厂内锅炉)的煤气消耗为
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式中,I为锅炉的个数;qundefined为第i个锅炉的煤气消耗量。对于一般混合煤气的用户,用户的数量是固定的,即混合煤气的消耗与其生产相关,很难针对混合煤气供应的多少进行调节。而发电厂和锅炉的i值是可以变化的,即可根据煤气供应的量将某些锅炉的燃料进行替换,从而增加或减少煤气的消耗。
2.3 管网系统和煤气柜的存储模型
管网系统压力的变化在一定范围之内,且相对于煤气的产生/消耗量和煤气柜的存储量来说非常有限,而且在煤气的使用过程中,管网系统始终滞留一定的煤气量,因此,忽略其存储量对煤气平衡的影响。
煤气柜的主要作用是在煤气产生/消耗量发生短时波动时,及时吞吐煤气,起到以余补欠的作用,同时稳定管网压力、改善煤气用户热工制度。煤气柜既可像发生源一样向管网输送煤气,也可像消耗用户一样,从管网吸取煤气,其煤气的吸入或吐出与管网的压力有关。
煤气柜的存储量为
undefined
其中,0≤v(t)≤Vmax
式中,V0为初始储存量;qβ,高炉(t)为高炉煤气的回收量;qα,i(t)为第i个高炉煤气用户的煤气消耗量;m为高炉煤气用户个数;Vmax为煤气柜的最大储存量。当高炉煤气供应大于消耗时,煤气柜储存煤气;当消耗大于供应时,煤气柜吐出煤气补充到管网中。
2.4 高炉煤气动态模型
根据上述分析和高炉煤气平衡原理,可以得到高炉煤气动态平衡方程,表达式为
undefined
式中,qr(t)为放散的高炉煤气流量(回收后)。
3 高炉煤气仿真系统的设计
高炉煤气仿真系统主要用于观察高炉煤气发生量和使用量随时间变化的规律,以及某一时刻高炉煤气的储存量、放散量等,从而判断高炉煤气的平衡状况,并可以通过确定和修改高炉煤气系统中的高炉生产状态、用户作业模式、煤气柜参数等,分析讨论高炉煤气发生、储存和使用的规律,为高炉煤气系统研究及调度提供有效的工具和手段。
煤气仿真系统主要分为系统参数设置、高炉煤气产生仿真、高炉煤气消耗仿真、煤气柜计算和结果处理5个模块。系统参数设置模块主要用来设置与物流相关的各种参数,如生产计划相关内容、各工序产量等。通过系统参数设置模块,高炉煤气仿真系统与物流数据和生产建立联系。煤气产生仿真主要计算高炉煤气和转炉煤气的回收量。煤气消耗仿真主要计算高炉煤气用户的高炉煤气消耗量。煤气柜计算模块对煤气的存储量及以余补欠功能进行简单计算。结果处理模块将仿真计算的结果进行存储,供进一步分析和研究。高炉煤气系统功能结构如图1所示。
煤气仿真系统在Windows XP操作系统上开发和运行,开发环境采用Microsoft的Visual Studio .Net,开发语言为C#。
4 应用举例
某钢铁企业铁钢材配套生产能力180万t。高炉煤气月回收量约29 000万m3,月使用量约为27 200万m3,没有设置高炉煤气柜,高炉煤气年放散量约6%。高炉煤气发生涉及3座高炉;高炉煤气用户为炼铁厂的9座热风炉(每个高炉3个),1个喷煤工序,烧结厂的3座烧结机和2座竖炉,炼钢厂的烘烤和2座混铁炉,以及宽带热轧的两座加热炉。另外,高炉煤气还同焦炉煤气加压混合作为混合煤气供发电厂、冷轧厂、钢管厂等使用。
利用该厂数据,建立了该厂的高炉煤气动态模型和仿真系统,利用该模型可以从高炉煤气的发生、储存和使用方面讨论高炉煤气的动态平衡和动态放散问题。
4.1 高炉煤气平衡的影响情况
4.1.1 高炉生产状况对煤气平衡的影响
从表1可知,在3座高炉和各煤气用户完全正常生产的情况下,高炉煤气略有盈余,由于没有高炉煤气柜对盈余的煤气进行储存,这部分盈余将被放散掉。当某个高炉出现停产,则高炉煤气量出现大量短缺,由于没有煤气柜,则必须调整煤气用户的煤气使用量,甚至停掉某些煤气使用用户。
4.1.2 高炉及消耗用户生产变化对煤气平衡的影响
高炉煤气用户的生产由于种种原因,经常会发生变化,这些变化对高炉煤气系统平衡造成的影响是十分巨大的。通过仿真系统可以分析这些变化对高炉煤气系统的影响。
某钢铁厂高炉煤气主要用户的生产发生如下变化:1#竖炉在5:00～11:00检修6 h;二轧1#加热炉因处理故障,在2:00～8:00停产6 h;1#高炉在12:00～24:00休风12 h。
表2为该高炉煤气系统全天24 h的煤气平衡情况和在5:00和15:00两个时刻(时间跨度为分钟)的煤气平衡情况。可以看到,从全天平衡来看,煤气的供应存在一定的短缺,但在某些时刻,煤气却出现了一定的盈余。
图2为仿真系统模拟的部分高炉煤气消耗用
户的煤气消耗量在24 h之内随时间变化的曲线。图3为高炉煤气产出消耗量和煤气盈余情况24 h变化曲线。高炉和煤气用户的生产波动导致煤气平衡情况大幅波动。
4.2 发电厂缓冲能力对煤气平衡的调节
发电厂使用的煤气占到混合煤气总使用量的90%,因此,混合站煤气使用量具有很大的缓冲余地。理论上,发电厂对高炉煤气的调节能力约在1 237 272 m3/d,即调节能力约为859 m3/min。
从一天的平衡看,高炉煤气供应短缺量完全在发电厂的缓冲能力范围内,可通过发电厂减少煤气消耗使问题得到解决。但从一天中的某些局部点来看,5:00出现了煤气盈余,需要被放散掉,而15:00出现的煤气短缺量超过了发电厂的调节能力,需要限制其他煤气用户的煤气使用量。通过动态仿真系统,可对高炉煤气系统的瞬时动态进行分析,并提出调整建议方案。
4.3 调度方案的验证
从图3的曲线上看,在高炉煤气供应较多的时间段0～12:00,竖炉和加热炉却进行了检修和故障处理,减少了煤气的使用量,致使出现高炉煤气的盈余;而在1#高炉休风导致煤气减产的情况下,煤气用户全负荷生产,导致煤气出现不足。
因此,除通过电厂缓冲用户进行调节外,也可在生产调节允许的情况下,调节高炉的休风时间和消耗用户的检修时间,使产出和使用趋于平衡。
对高炉及其主要用户的生产进行如下调节:1#竖炉在8:00～14:00检修6 h;二轧1#加热炉因处理故障,在2:00～8:00停产6 h;1#高炉在0:00～12:00休风12 h。
图4是生产调整后,通过仿真系统运行得到高炉煤气产生和消耗曲线,以及高炉煤气盈余情况。与图3的曲线相比,高炉煤气平衡波动减小。
5 结论
(1)高炉煤气系统动态模型反映了高炉煤气系统的时变规律。
(2)高炉煤气动态仿真系统可对高炉煤气系统结构的评估提供参考。
(3)高炉煤气动态仿真系统不仅可表现煤气某段时间的平衡情况,还可对高炉煤气的瞬间动态平衡情况进行展现,可用来分析高炉及煤气用户生产发生变化对煤气动态平衡带来的影响,为煤气调度提供有效的分析手段和方法。
(4)高炉煤气动态仿真系统可对用户的调度方案进行展示,为调度方案的评估提供参考。
参考文献
高炉煤气洗涤水系统工艺节能改造 篇4
宣化钢铁集团有限责任公司动力厂一文泵站是宣钢高炉煤气洗涤系统中的加压泵站之一, 主要为一文洗涤塔提供煤气洗涤水, 用以洗涤高炉煤气。泵站内安装有200D43×3多级离心泵3台, 水泵额定流量288m3/h, 扬程126m, 配套电机功率155kW, 电压380V, 而实际煤气洗涤需水量一般在230m3/h左右, 因此, 日常只能通过操作水泵出口截门控制流量, 运行参数一般控制为:流量230m3/h, 压力0.64MPa, 电流172A, 频率50Hz。在当前能源紧张的情况下, 该厂积极探求节能方法, 采取节能措施, 为达到工艺最优化, 节能效果最佳的状态, 对泵站运行工艺进行改造。
1 工艺改造方案
1.1 高炉煤气洗涤系统工艺存在的问题
高炉煤气洗涤系统主要由一文洗涤塔和二文洗涤塔组成。工艺流程为:首先将煤气洗涤水送入二文洗涤塔洗涤煤气, 塔体下部污水借重力回流到一文泵站水池, 经一文泵站加压后送到一文洗涤塔洗涤煤气, 洗完煤气后塔体下部的污水通过重力排到污水处理系统, 之后经二文泵站又送到二文洗涤塔洗涤煤气, 这样形成了污水被循环利用 (见图1) 。
洗涤塔内煤气洗涤水直接与煤气接触, 当煤气压力变动时, 塔内水位相应变化, 为保证煤气洗涤效果及煤气不泄漏, 必须及时调整水泵流量补充洗涤塔损失的水量。而目前调节流量的主要方式是通过调整水泵出口管道上阀门开度来实现, 长期频繁开关阀门不仅造成机械设备磨损, 而且能量浪费严重。
1.2 系统工艺改造的主要内容
(1) 在一文泵站1#水泵进线电源安装1台低压变频器, 将电机由工频运行改造为变频运行, 达到节能目的。一文泵站改造前, 3台水泵全部为工频运行, 流量的调整只能通过出口阀门开度大小的调节来实现。1#电机使用变频调速技术后, 通过调整电机频率来调整转速, 在保证供水质量的情况下, 运行电流由172A下降到82A。
(2) 原设计二文洗涤塔排水进入一文泵站蓄水池, 一文泵站水泵从蓄水池吸水, 加压后送至一文洗涤塔。现将一文泵站水泵吸水管道与二文洗涤塔排水管道直接连通, 在二文排水管道进入一文泵站蓄水池前增加三通与水泵吸水管连通, 在主管与支管上安装阀门 (DN400) 用于水泵两种运行方式的切换。水泵进水管与二文排水管道连通后, 由于洗涤塔内煤气压力及管道与水泵进口的水位差使水泵进口的水介质流速增加, 这样在扬程相同的情况下, 可以减少水泵做功, 降低电能消耗从而达到节能的目的。在水泵吸水管道改造后, 电机电流在82A的基础上又降低10A。
(3) 将二文泵站供二文洗涤塔的管道通过三通与一文洗涤塔供水管道连通, 中间设置电动闸阀 (DN200) 。当一文泵站停泵后, 煤气管理室人员快速打开该阀门同时向两座洗涤塔供水, 避免一文洗涤塔泄漏煤气。
改造后的系统工艺流程如图2所示。
2 变频调速技术在煤气洗涤系统工艺改造中的应用
2.1 对变频器进行升级改造性恢复
新安装的变频器曾应用于其他生产环节, 因生产原因已退出运行10多年, 设备残缺, 如电流表不能指示, 线路凌乱不清, 没有图纸资料, 与当今的设备比较设计上有一些不合理之处。为了使设备重新投入运行, 在对该设备进行恢复的同时, 也进行了升级改造:
(1) 对设备参数进行合理设置。如制定现场参数, 使其运行在现有工况下, 从而满足现场的要求;规定权限管理模式, 划分操作员、管理员、系统员权限等级。
(2) 制定正确的配线方案并重新配接二次线。恢复对变频器控制、操作功能, 使之更及时、有效、可靠。
(3) 对设备上的元器件进行改进。如将指示灯、转换开关、按钮等予以更换的同时将启车、停车按钮改为带自保持的按钮;将信号灯串联改为并联, 解除了感应电干扰, 使变频操作更可靠。经过反复调试, 使变频器本机调试恢复正常。
(4) 对操作界面进行移位改造。为了解决操作不便的问题, 在线路改造时, 除频率的调整在原变频器机芯上操作外, 其他功能如启动、停止、急停、复位等都转移到盘面上, 使变频器使用起来更方便。
(5) 将原有的操作方式进行伸展。引出变频器的通讯口, 使之与环水系统的DCS连接, 通过安装在煤气管理室的上位机系统对变频器进行监控, 并进行启动、停止、急停、复位、设定运行频率、参数刷新等控制操作, 实现了变频器的异地监控。
2.2 闭环运行系统安装调试
改造前二文洗涤塔、一文洗涤塔为两个独立结构, 岗位人员根据各塔水位调节排水阀门, 保证塔内正常工作水位。而改造后, 水泵直接通过管道抽吸塔内洗涤水, 虽然有排水阀门, 若控制不当, 会将二文洗涤塔内洗涤水抽空, 影响煤气洗涤以及发生煤气泄漏事故。为了避免此类事故的发生, 对变频控制进行完善, 制定了变频调节闭环运行的方案。首先根据煤气洗涤要求和实际运行经验, 将二文洗涤塔水位设定在允许范围内, 然后将水位信号转化为电信号, 根据转化后的电信号与电机运行频率进行连锁, 二文水位电信号自动适时调节电机运行频率:水位低时, 电机频率降低, 供水量减小;水位高时, 频率增加, 供水量增大。经过对输出电压/频率曲线的选择, 最终确定了最佳对应点, 保证了闭环控制的准确性。
3 改造效果
(1) 水泵使用变频技术并进行管路工艺改造后, 当电机频率运行到36.85Hz时, 水泵流量达到230m3/h, 管道压力为0.64MPa, 能够保证煤气洗涤系统正常运行。此时电机转速由1450r/min降低为950r/min, 电流由172A下降为72 A, 年节电费约21万元, 同时, 由于变频器是利旧设备, 节省了设备投资约8万元, 直接经济效益显著。
(2) 由于电机转速降低, 水泵转速相应降低, 机械部件磨损程度相对减弱、振动减轻, 噪音减小, 水泵使用寿命延长, 检修频率减低。而且附属管道及阀门等设施磨损程度减轻, 使用寿命延长。同时, 采用变频软启动大大减少了启动电流对电机的冲击, 延长了电机的寿命, 降低了电机的故障率。
(3) 改造后, 泵站及塔体水位控制操作全部在煤气管理室完成, 取消了一文泵站岗位人员。一方面对运行中出现的异常问题处理更加及时、准确, 避免了两个岗位因联系有误造成错误性操作的发生;另一方面, 水泵运行频率的调节与洗涤塔水位连锁, 实现了闭环控制, 降低了岗位工人的劳动强度, 减少了设备检修次数, 减轻了维修工人的工作量。
通过一系列技术改进, 使原有的诸多问题得到圆满解决, 煤气洗涤系统更加完善、可靠, 既保证了煤气系统的安全运行, 也为宣钢优化环境, 发展循环经济迈进了一步。
4 结语
通过水泵直接将两座洗涤塔连通, 省掉水池, 充分利用管道介质动能。煤气洗涤系统通过半年多的实际运行, 改造达到了节约能源的目的, 而且系统运行比较稳定。
钢厂高炉煤气洗涤污泥系统优化改进 篇5
1 高炉煤气洗涤循环水系统的水质、水量变化比较大, 需要现场操作人员注意及时观察循环水变化情况, 及时作出调整。
2 高炉煤气洗涤水中含油较多, 需要根据来水含油情况及时调整除油剂的加药量。
3 我们注意到, 两台配药箱其中的一台絮凝剂药剂浓度过大,
导致药剂还没有充分溶解, 一些絮凝剂的固体小颗粒就被计量泵打入带式压滤机压泥。这种情况会造成以下不利影响:
3.1 浪费药剂。部分药剂没有充分溶解就进入带式压滤机, 没有充分发挥药剂的性能。
3.2 粘滤布。没有溶解的絮凝剂固体小颗粒会和含油的污泥一起, 形成细小的粘泥, 阻塞滤布网眼。
3.3 其中一台配药箱浓度远远高于另一台的配药箱。
现场通常在调泥初期主要开浓度小的配药箱, 调泥正常后转为另一台浓度较大的配药箱。
因此, 我们采取的方法是:
3.4 絮凝剂药剂溶解配药浓度不宜高于2‰。
3.5 可以调整浓度较大的配药箱絮凝剂下料的速度, 或者开打配药补水阀门。
目的是使该配药箱中絮凝剂浓度降低, 使两台配药箱的浓度差不多。
3.6 同时使用两个配药箱供药。
使用两个药箱同时供药比只使用一个药箱供药, 药剂在配药箱中停留的时间延长, 可以使药剂有充分的时间搅拌溶解, 减少药剂还有未溶解的小颗粒时就已经被计量泵打入带式压滤机的现象。
4 粘滤布和带式机侧面跑水现象比较严重
通过长期在现场的观察, 发现带式压滤机经常粘滤布。大部分脱泥水从带式压滤机前面和侧面溢出, 而不是通过滤布渗水。这种情况在其他地方是比较严重的。主要原因是由于粘滤布现象严重, 水不能通过带式机下侧滤布自然渗出, 必然从带式机侧面、前面部位跑水。
现场分析认为, 粘滤布主要可能的原因包括:
4.1 来水含油较多。
4.2 絮凝剂没有完全溶解, 部分絮凝剂小颗粒和污泥结合, 阻塞滤布。
4.3 带式压滤机冲洗滤布的水压不够。滤布冲洗水压通常为:
4kg/cm2左右, 现场带式压滤机冲洗水压偏小, 导致滤布冲洗不干净。
4.4 滤布使用期限过长。
我们在现场了解到:1#压滤机滤布是去年7月6日更换后一直使用到现在, 使用时间约7000个小时。2#压滤机下半滤布刚换, 上半部分滤布去年11月份换的, 使用4300多个小时。
对于带式压滤机粘滤布问题, 我们采取的方法是:
4.5 根据来水含油情况, 注意及时调整除油剂含量。
4.6 采用压力较高的滤布冲洗水 (水压:
4kg/cm2) , 也可以在带式压滤机进水前端增加一台功率较大的增压泵, 使冲洗滤布的水压达到4kg/cm2左右, 这样可以提高冲洗滤布的效果。
4.7 现场压泥人员注意到滤带上有冲洗不掉的粘泥时, 应及时
采用喷水人工冲洗的办法清洗滤带, 这样可以使滤布减少粘泥现象。
4.8 注意观察絮凝剂配药箱, 看絮凝剂是否完全溶解。因为一些没有完全溶解的絮凝剂小颗粒会阻塞滤布网眼。
4.9 当滤布达到使用周期时应及时更换滤布。例如安阳钢铁带式压滤机滤布平均每2~3个月更换一次。
我们注意到1#带式压滤机的滤布目前已经有大面积的破损了, 现仍在继续使用, 这样泥水会直接从破损部位漏出, 影响压泥效果。
5 絮凝剂正确的投加方式
固体絮凝剂必须完全溶解后才能发挥高分子的絮凝桥架作用, 使污泥形成絮团。因此, 絮凝剂应当在全自动配药机中溶解成浓度不高于2‰的溶液, 然后用计量泵打入带式压滤机进泥管。
6 高炉煤气洗涤浊环系统和斜板沉淀池排空
在高炉煤气洗涤浊环系统中, 斜板沉淀池需要定期把污泥排空清理一下。经过长时间的运行, 在沉淀池底部和斜板壁上都会附积大量的粘泥, 如果不及时清理会严重影响水处理的效果。由于斜板沉淀池排空和补充水的不及时, 会造成系统中淤泥的沉积和循环水中各种离子富积, 长期运行可能会发生阻塞喷头、结垢等问题。因此高炉煤气洗涤系统斜板沉淀池及时进行排空清理, 对系统的稳定运行是比较重要的。目前我们采取的措施为每月清理一个斜板沉淀池。
现场采用加碱的办法调节系统PH值, 在PH值较高的水质条件下, 在溢流堰壁和喷头部位很容易形成阻塞。因此, 我们建议高炉煤气洗涤浊环系统的PH值不宜控制过高, 通常控制在7.0~7.6之间比较合适。
7 循环水定期置换排放
系统长期运行过程中, 随着浓缩倍数的上升, 氯离子、硬度、COD等有害指标逐渐上升, 如果不定期置换排放, 补充进适量的新水, 对系统造成的危害与日俱增, 对污泥压缩絮凝作用也大大折扣, 因此建议现场人员定期对循环水系统进行置换排放。
8 总结
经过近两个月来实践, 高炉煤气洗涤系统逐步趋于稳定, 带式压滤机压泥效果明显增强。
摘要：近期某钢厂高炉煤气洗涤系统压泥效果不理想, 出泥量较低, 压滤机检修频率高, 制约着污泥系统的稳定运行, 随之而来的是洗涤水出水水质不能达到运行要求, 对高炉煤气洗涤系统存在一定的影响;同时, 污泥系统泥浆外排量大, 造成环境污染。对目前某钢厂高炉煤气洗涤污泥系统存在的问题进行优化和改进, 使该系统稳定运行。
浅谈高炉煤气余压透平发电技术 篇6
1 高炉煤气余压透平发电技术发展状况
高炉煤气余压透平发电 (TRT) 装置是典型的高效节能环保装置, 回收了相当可观的能量, 降低了冶炼成本, 降低了噪声, 故很早便引起了世界各国的广泛重视, 并进行了大力研制和推广应用。
2 透平机安装
2.1 基础放线
根据安装需要, 埋设中心标板及基准点, 并根据设备尺寸准备两套线架便于安装使用。
2.2 底座安装
底座安装前在基础平面上放置垫铁, 用水准仪测标高, 并预留电机孔的相对位置, 同时进行底座的水平及相关的高度找正。
2.3 下机壳安装
下机壳安装之前先在底座的支架顶面涂上一簿层二硫化钼 (MoS2) , 并把垂直的导向键底座拆下来。用起吊机起吊时必须时刻保持水平, 调至到位后再缓缓降下, 底座顶面左右地脚螺栓位置保持一致并拧紧, 并做复校, 不得超差。
2.4 叶片承缸和调整机构
将调整机构与叶片承缸相配, 使下部曲柄上的滑块分别插入相应导向槽内, 并在滑块头部与导槽内注入一些稀润滑油, 过程中注意, 曲柄位置不要倒置, 第二极静叶片顶部与转子之间的间隙及第一级静叶片与转子之间的间隙 (球面) 控制在2mm之内。
2.5 转子及其它
用专用工具起吊转子, 转子放入定子轴衬上要小心轻放、稳妥可靠, 转子的各轴颈与轴承箱机壳各轴孔应保持同心。起吊时注意, 轴衬与轴承压盖的过盈值控制在0.05mm以内, 轴承的顶间隙、侧间隙、轴衬间隙和止推间隙控制在0.35mm左右, 各梳齿形密封和油封的径向间隙控制在1mm左右。
2.6 中间轴连接
(1) 中间轴的连接在转子等上述系统安装完毕, 卸掉找正支架后即可进行。连接中应注意不得碰坏中间轴两端面上的止口, 避免影响装配精度。中间轴联轴器螺栓逐步拧紧, 电机主轴被抽出后, 止口才逐渐合上。止口的测量, 由于施工安装现场的复杂环境所致, 一般测量的误差都会较大。短轴连接后, 测量值跳动非常厉害, 十分不稳定, 这时大可不必在现场进行检测控制, 但与发电机间联轴器找正必须要达到指定要求, 一般径向公差控制在0.05mm之内。
(2) 中间轴联轴器螺栓装配方式为:
(1) 螺栓和螺母要称重, 重量接近者对称式布置。
(2) 将螺栓穿入中间联轴器孔之前先用硫化钼粉润滑螺纹部分, 标出中间联轴器法兰的螺位, 采用套筒扳手交叉拧紧螺栓要保持螺栓头与支撑面相贴, 每次约转动420~450, 并露出一部分螺栓。装配螺栓时注意, 要用凿子把保险环打弯以起到保护作用。
2.7 可调静叶承缸和导向圈安装配合
叶片承缸中分面涂密封胶后, 放入轴承缸上部, 拧紧中分面螺栓, 扣上调节机构上部, 使所有静叶曲柄滑块置入导向圈的槽内, 要求能推动调节机构, 静叶也随之偏移。
2.8 定子上部安装
定子上部吊装时必须保持水平, 进入导杆后才缓慢降下。安装过程中注意, 用塞尺测定允许个别地方塞进1/3, 机壳水平中分面自由间隙控制在0.100mm以内, 并涂上一薄层密封涂料 (硅基糊状密封胶) 以防止漏气。
2.9 右轴承箱盖安装
右轴承箱盖的吊带安装必须在联轴器保护罩下半部安装完毕后才能进行。安装过程中注意, 电动盘车装置的小齿轮应该时刻保持脱开啮合状态, 否则在吊装时会引起齿轮相碰撞, 从而造成损坏。
2.1 0与煤气进出口管道连接要求
煤气进出口管道与透平机相接, 为避免在机壳上因管道自身的重量和热胀冷缩等原因, 产生的附加作用力的超负荷弯矩会去影响煤气进出口管道与透平机的连接质量, 留下安全隐患。通常在施工过程中采取以下几点进行控制:
(1) 在承重过的大煤气主管弯头处采用弹簧托座, 从而将管道的全部重量转移到弹簧的弹力上。之前需先测出管道的实际重量, 通过计算是否超出弹簧的压缩极限。
(2) 要确保管道重量不作用在机壳上, 将弹簧托座用钢板平行垫起, 保证管道法兰口与设备法兰口平行连接, 管道连接拧紧法兰螺栓的同时, 需对透平机上进行纵向、横向及垂直方向三向监控。
(3) 由管道热胀冷缩等原因产生的作用力通过管道上的膨胀节来调节。
3 提高TRT发电量的措施
目前, 全中国已经有130多套高炉煤气余压透平发电 (TRT) 系统投入使用和运行, 但是其发电量却存在着很大的差异, 为消除这种差异的存在, 简要地介绍几种可以提高TRT发电量的措施:
(1) 采用高炉煤气干法除尘技术装备。
(2) 用提高高炉炉顶煤气压力的方式来减少煤气从炉顶到透平机的压力损失。炉顶煤气压力提高, 不仅能带来产量的提高, 还能保障高炉工作稳定等。
(3) 为使高炉煤气以最大量稳定地通过TRT透平机, 关闭煤气系统的高压阀组, 保证高炉工作处于稳定的高水平状态。
(4) 适当提高TRT煤气入口温度。如何在高炉炉顶煤气温度和TRT发电能力的优化中寻找最佳点是提高TRT发电量的重要手段。但在实际正常生产中, 高炉炉顶温度不超过350度, 在不改变煤气压力的基础下去提高煤气温度, 增大煤气压透平机内的体积膨胀, 从而提高了TRT的发电量。
(5) 调整好TRT入口的静叶角度。为控制煤气的压力和输出功率, 减小高炉炉顶压力波动, 可以去设置能进行煤气压力调节的设备并调整TRT入口的静叶片的角度, 使得TRT的输出功率可以处于稳定状态, 这一过程可通过小型计算机来进行控制。
(6) 提高TRT设备运行率。延长TRT设备稳定运行的时间, 可以大大要提高TRT设备的运行率, 并力争设备保持在一个高的水平状态下工作。
(7) 合理优化TRT工艺技术参数。优化对TRT工作性能曲线进行选择, 保证TRT功能与高炉的安全正常生产的优化匹配。
4 结语
高炉煤气余压透平发电技术是利用高炉煤气的压力能, 不消耗煤气, 也不需要任何燃料, 投运后就可取得节能、经济和社会等多方面的效益。
参考文献
[1]Takahashi, Masaoki.Process and Sys-tem for Recovering Top Gas fromBlast Furnace or the Like.140159/1979.Oct.30, 1979.
[2]刘进林, 赵忆农, 赵秀梅.高炉煤气余压透平发电技术的应用[J].华东电力, 2001, (8) :51～52.
[3]俊权.炉顶压回收透平发电装置的现状和发展前景[J].冶金能源, 1996, 5 (03) :50～53.
高炉煤气预测 篇7
关键词：TRT,高炉煤气,余压,发电,效益
为了提高高炉的生产效率, 国际范围内的主要钢铁企业均采用TRT (Top Gas Pressure Recovery Turbine, 即高炉煤气余压发电) 装置。在高炉生产过程中会产生高温高压煤气, TRT装置通过把高温高压煤气传入透平机并使其膨胀, 利用能量转化和机械做功原理为电机提供输入能量。使用TRT装置可以显著地提高产量, 并且将压力调节阀组释放的压力能和热能重新利用, 减少废气和噪声对环境的污染。随着国家对环境和能效的日益重视, TRT装置良好的节能减排功效使其获得越来越广泛地应用。国内钢铁企业的TRT技术水平还有待进一步加强, 该市场具有良好的发展前景。
1 工艺系统
TRT装置通过转化高炉煤气的压力能和热能来实现发电, 高温高压煤气从文氏管接入TRT装置, 再与调压阀组并接入低压管网, 利用在接入和接出两端产生的巨大压降驱动叶轮转动, 使电机发电, 从而有效地使用了这部分能量。其主要工艺流程为:高炉煤气经重力除尘、干法布袋除尘后分为两路, 一路经TRT入口蝶阀、电动插板阀、快速切断阀后进入TRT透平机做功, 并带动发电机做功发电。TRT装置设旁通快开阀, 以保护机组的安全运行。TRT透平机出口设出口电动插板阀、电动蝶阀等设施与低压煤气管网相连。当TRT系统发生故障时, 切换为系统现有调压阀组旁通减压后与低压煤气管网相连。TRT的发电量大小取决于:高炉顶压、煤气流量及入口煤气温度。
1.1 TRT主要技术参数
煤气流量:正常工作流量为8.5万标立方米
煤气压力:最大值120KPA最小值80KPA
正常工作值115KPa
煤气温度:最大值200℃最小值80℃
正常值大于120℃
煤气含尘量:≤10mg/m3
外网压力:10—15Kpa
按上述条件, 透平机与发电机的输出功率为:1800—2200KW/h
2 TRT发电工艺流程
高温高压煤气通过重力、袋式等除尘方法得到净化后, 分别通过蝶阀、启动阀、全封闭液压入口插板阀和紧急切断阀进入透平机。透平机通过可调静叶调节高温高压煤气对炉顶产生的压力。静、动叶栅之间为做功通道, 当煤气经过该通道, 会持续膨胀, 释放其压力能和热能带动叶片转动产生机械能, 透平机的叶片通过机械连接, 将能量传递给发电机组的叶片。完成能量转化后的煤气需利用扩压装置提高背压, 从而经过出口蜗壳排出到后面的管道中。膨胀后的煤气压力为15kPa。经过出口电动蝶阀、电动插板阀后接入煤气管网。
2.1 TRT工艺流程图
流程图见图1。
3 余压发电主要配套系统
3.1 透平机系统
透平机是TRT装置的关键设备, 我厂主机采用干式轴流、二级反动式;其中静叶共有两级, 一级自动调节, 二级揭盖调节。静叶调节具有同步装置 (包括机械、液压或电气) , 静叶全关时转速为零, 能在250KPa差压下打开, 并具有良好的调节特性, 启动与停机平稳。自动调速、自动并网、自动调节功率和自动调节炉顶压力。炉顶压力误差控制在±5Kpa以内。
转速:主机工作转速3000 rpm, 最大允许超速300rpm。发电机能在电气系统出现涉及安全的失效后自动解列, 待故障处理后继续并网发电。透平机与发电机的连接采用刚性轴连接方式, 转子动平衡精度为G1级, 最高转速按JB/T7676-95执行。为保证透平出力, 在振动值允许的情况下, 动叶与承缸、静叶与转子的间隙尽量减小。
3.2 发电机系统
1) 采用三相无刷励磁同步发电机。其主要组成部件为:发电机、旋转整流器、数字自动调节励磁装置、上置式水冷却器和交流励磁装置。
2) 额定容量:3000kW
3) 额定电压:10.5kV
4) 转速:3000r/min, 从透平主机向发电机方向看为逆时针方向 (允许超速10%)
5) 频率:50Hz
6) 功率因数 (COSФ) :0.85—0.90
7) 调节:并网前实现恒电压自动调节, 并网后实现恒无功或恒功率因数自动调节。
8) 其它:发电机磁方采用无刷整流技术, 该励磁方自带励磁装置和调节柜, 方便通过自动和手段两种方式进行励磁调节, 同时还适用强励磁情况。另外该发电机还可以自动调节恒电压。
3.3 氮气密封系统
TRT工作原理是将高温高热煤气将其压力能和热能转化为机械能, 作为能量载体的煤气是有毒和易燃的气体, 一旦发生泄漏, 会造成极大的环境污染, 并有可能发生安全事故。所以在整个生产过程中必须保证煤气传输的密封性。现有的TRT装置主要通过氮气封堵煤气, 该氮气由安全的氮气系统提供并作用于密封组中, 另外, 可以在周期维修揭盖前, 将煤气吹出。
系统要求氮气的气压为0.3-0.4Mpa, 纯度为99%, 煤气的压力为0.02Mpa, 氮气在电动调压阀控制后确保其压力比煤气的压力高, 既可以确保煤气无法泄漏, 又可以降低氮气的消耗。
氮气系统主要由入口侧压力检测系统、出口侧压力检测控制系统, 静叶可调密封调压供氮系统组成。
见图2氮气密封简图。
3.4 给排水系统
各设备冷却水采用净循环水, 从新高炉泵站及现VD炉泵站分别供至TRT。
1) TRT车间生产冷却循环水要求水质为净水。
2) 生产冷却循环水总管上设有流量检测点。从总管上分出支管分别供润滑油系统冷却器、液压伺服系统冷却器及发电机冷却用循环冷却水。去润滑油冷却器循环水进、出总管上设有压力、温度检测点。
3) 高炉TRT的生产冷却水仍回至高炉泵站净环回水系统, 净环回水 (有压) 经统一冷却降温后循环使用。
4) 冷却水温度<30度
5) 冷却水压力>350Kpa
3.5 润滑油系统
3.5.1 系统
系统由两套互为备用的油泵, 主油泵采用双电动式, 备油泵采用三螺杆式。在正常工作的情况下, 润滑油由主油泵供给;一旦机器发生故障, 或者出于刚启动和停止的情况下, 润滑油由备油泵供给。系统设计油箱时, 充分考虑油箱储油量的影响, 可以确保当机器停止工作, 两套油泵失去电源而无法正常供油时, 所有需要润滑的部分有足够的供给。同时, 为了提高响应速度减小影响, 主备切换采用无扰方式。
3.5.2 组成
由三螺杆油泵、主油箱、高位油箱、油冷却器 (板式) 、滤油器、排油烟风机、电加热器、油箱测温热电阻、自循环过滤等组成。
3.5.3 主要参数
1) 润滑油箱温度:<25℃报警
2) 润滑油箱温度:>45℃报警
3) 润滑油供油温度:<30℃报警
4) 润滑油供油温度:>50℃报警
5) 润滑油供油压力:0.18~0.20MPa
6) 当主油泵油压<0.12MPa时, 备用联锁油泵启动。
7) 润滑油箱液位:>500mm
8) 高位油箱:供紧急状态下机组停机, 此时高位油箱存油流下进入润滑油管道, 维持机组在转子惰走时间里的轴承润滑油量。防止断油损坏轴承及转子。一般供油为15分钟。
3.6 液压系统
3.6.1 系统
控制对象为旁通快开慢关阀、紧急切断阀和静叶可调机构为控制对象。系统的主要组成部件为快开慢关阀伺服控制阀台、静叶可调伺服控制阀台、动力油站、紧急切断阀台 (供油压力在4~6 MPa左右) 。
3.6.2 自动控制
自动控制内容:油压、油温、液位主、备油泵自动控制。
1) 油站由油箱、恒压变量油泵、滤油器、电加热器、蓄能器、阀门、连接管道及就地检测组件等组成。能按系统要求的油流量大小而变量供油, 保持供油压力稳定。当发生停电或其它的故障使油泵不能供油时, 能及时发出要求紧急停机信号, 并能通过蓄能器提供伺服油缸两个行程的用油量, 能使透平主机能安全地停止工作。
2) 带就地操作显示表。
3) 供油泵为恒压变量泵, 两台油泵系统互为备用, 并能在不停机条件下自动切换。
3.6.3 主要参数
1) 供油压力:12.5MPa
2) 紧急切断阀油压:>4.5MPa
3) 油箱温度:<35℃时, 报警
4) 油箱温度:>50℃时, 报警
5) 低油压联锁:生产时, 两台油泵为一主一备。当主油泵油压<9MPa时, DCS报警, 同时联锁备用油泵启动。
6) 油箱液位:>500mm
3.7 大型阀门系统
1) 入口蝶阀电动加手动
2) 出口蝶阀电动加手动
3) 入口插板阀电动加手动
4) 出口插板阀电动加手动
5) 启动调速阀带位置传感器、带调节功能。
6) 快开慢关阀带液压伺服油缸, 限位行程开关。
3.8 高、低压发配电系统
1) 高压系统配置:选用KYN28-12型式真空开关柜。
2) 低压系统配置:选用5面GGD型低压开关柜。
3) 发配电控制系统的特点。
4) 发电机容量与电网供给高炉系统的容量相比很小, 故发电机输出的有功功率和无功功率的变化对电网运行的电压、频率无任何影响。
5) 高炉余压发电装置有十分显著的特点, 当高炉的工作状态发生变化, 发电机也需要进行相应的变化。首先需要控制高炉炉顶压力保持稳定, 多发有功, 因此发电机的出力不需要依据负荷的变化而调节。
4 效益
现已建设二座500m3高炉、一座1080m3高炉的TRT发电站, 自2012年5月投产试运行以来, 运行良好。
通过数据统计、计算、证明TRT余压发电节能效益显著。3台TRT同时发电月发电量达到580kwh, 年经济效益:280万kwh×0.37元/kwh=2575万元。
5 结束语
经过实际测算, 高炉煤气透平TRT装置可以产生大约相当于鼓风机驱动能量的三成, 在很大程度上重新利用了由减压阀组浪费的能量。TRT装置发电在原理上采用能量守恒的定律, 通过将压力能和热能转化成机械能, 不需要任何燃料消耗, 具有极低的成本, 同时还能减轻环境污染。目前, 装置已经成为各大钢铁企业节能减排的重要手段, 对于提高经济效益也有显著的作用。
参考文献
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干法除尘高炉煤气中氯离子工艺分析 篇8
近年来,高炉煤气干法除尘工艺凭借其充分利用高炉煤气余压发电,具有省水、污染少、除尘效率高等优点,逐渐取代湿法除尘工艺,并在国内大高炉得到推广和应用。但在运行过程中,发现干法除尘高炉煤气对煤气管网及附属设备有腐蚀现象。据了解,首钢、宝钢、济钢、莱钢、太钢等企业的高炉干法煤气系统都存在腐蚀问题,其严重程度与高炉原料条件、高炉操作、干法除尘工艺操作等因素有关。
1 腐蚀原因分析
1.1 腐蚀机理
干法除尘的高炉煤气温度降至露点温度以下时,高炉煤气中的HCl在露点温度以下水冷凝析出并溶解形成酸性溶液,这种酸性溶液含有的活性阴离子Cl-首先被吸附到金属表面某些点上,对氧化膜发生破坏作用。受到破坏的地方,成为电偶的阳极,而其余未被破坏的部分,就成为阴极,从而形成钝化一活化电池。由于阳极面积比阴极面积小得多,阳电流密度很大,很快被腐蚀成小孔。与此同时,当腐蚀电流流向小孔周围的阴极,又使这一部分受到阴极保护,继续维持着钝态。溶液中的氯离子随电流的流通向小孔里面迁移,使小孔内形成金属化物(如FeCl2)的浓溶液,这种溶液可使小孔表面继续保持着活化状态,又由于氯化物溶液水解的结果,小孔内溶液的酸度增加,小孔的腐蚀加深,最终可能导致管壁穿孔。因此,氯离子、酸性冷凝水均为孔蚀的激化剂,对煤气管道及附属设备具有严重腐蚀作用
现场管道腐蚀情况也表明,腐蚀严重部位大多位于有冷凝水析出的管道底部,尤其是有焊缝或者结构变化的部位。煤气吸收取样以及冷凝水取样分析也都证实了高炉煤气中含有较高浓度的氯元素。
1.2 氯元素及酸性气体的来源分析
通过调查分析,发现氯元素及酸性气体的主要来源如下:
(1)为降低焦比,高炉经常喷吹烟煤或无烟煤,喷煤中硫元素经高温化学反应产生H2S,SO2,SO3等,可见,煤气冷凝水中必然含S2-,离子。
(2)高炉所用进口矿采用海水洗选矿或在海运的过程中喷洒海水,造成海水中大量氯根离子进入到炼铁原料中来。
(3)炼铁用烧结矿为了调节烧结矿的强度,降低其低温粉化率,喷洒含氯助剂(CaCl2等),造成炼铁原料中氯根离子富集。
2 解决方案
在不改变高炉炼铁工艺的前提下,防止管道腐蚀可通过以下五种途径来解决:
(1)从入炉原料控制氯元素的含量;
(2)控制煤气冷凝水的析出;
(3)改进煤气管道及附属设备的材质,选用耐腐蚀材料;
(4)煤气管道及管道附件内部做防腐处理;
(5)去除高炉煤气中的HCl等酸性气体。
但是通过分析发现:
(1)受原料条件限制,控制铁矿石等原料中氯元素含量潜力不大。
(2)煤气经TRT余压发电后的温度在80℃以下,已接近煤气露点温度,因此冷凝水的析出不可避免。
(3)由于钢厂煤气管道较长,附属设备较多,若都选用耐腐蚀材料(如不锈钢等)则成本太高。
(4)选用优质高效防腐涂料将煤气冷凝水与管道及设备隔离开可避免腐蚀。但一般钢厂煤气管道较长,管道及设备所有部位均做防腐处理施工难度大,也容易遗漏。能耐酸性含氯冷凝水的涂料成本也高,此项措施仅适合在关键部位采用。
(5)传统的大高炉煤气除尘净化工艺采用湿法水洗,高炉煤气中的HCl等酸性气体绝大部分被水吸收,由于冲洗水量大,因此冷凝水pH值达到6以上,氯根浓度小于300 mg/L,对煤气管道系统和排水系统都未构成严重的腐蚀。与湿法除尘类似,对干法除尘的煤气进行喷水洗涤,可有效去除煤气中的氯离子。同时,为了减少喷水量,迅速去除煤气中的HCl气体,可在喷水的同时喷入部分碱液,使得经处理后的煤气冷凝水接近中性,氯离子浓度降低到合理的范围,减少对管道及附属设备的腐蚀。
综上分析,干法除尘的高炉煤气采取增加一套除氯洗涤装置,洗去高炉煤气中的氯离子;提高煤气冷凝水的PH值;给高炉煤气降温;同时对关键部位进行防腐处理等措施,可有效缓解煤气管道的腐蚀现象。
3 除氯洗涤工艺系统原理及应用
3.1 系统原理
除氯洗涤装置工艺流程如图1所示。高炉煤气经TRT余压发电(或减压阀组)后,接入除氯洗涤装置,同时设一个旁路,以备除氯洗涤装置检修时使用。煤气从下部进入洗涤塔,气流经配气格栅气流均布后向上运行,三层喷枪对煤气进行逆流洗涤。脱氯后的煤气经脱水层脱水后去除煤气中所含机械水,进入煤气主管道供下游用户使用。
3.2 应用实例
联峰钢厂新建2×1 080 m3高炉,采用干法除尘工艺。经检测,冷凝水中氯离子浓度在28 000mg/L左右,pH值在1～2之间。故确定在每座高炉TRT(或减压阀组)后各建设一套除氯洗涤装置。
3.2.1 高炉煤气参数
(1)高炉煤气发生量:～230 000m3/h,最大250 000 m3/h;
(2)煤气压力:11～15 kPa;
(3)煤气温度:80～120℃(在TRT运行情况下),150～250℃(TRT不运行情况下);
(4)净煤气管道温度55℃以下(除氯后);
(5)要求冷凝水pH值:6.5～7;
(6)要求机械水含量:≤10 g/m3;
(7)要求冷凝水氯离子含量:≤500 mg/L;
3.2.2 除氯洗涤装置组成
除氯洗涤装置包括洗涤塔、碱液罐、循环水泵、软水泵、工业新水泵、碱液泵、外排泵及洗涤塔进出口阀门等。
洗涤塔作为整个系统核心部件。煤气从洗涤塔下部进入,由下至上低速流动。洗涤塔直径为5 200mm,下部设配气格栅,煤气经配气格栅后在塔内均匀分布上升。塔内设3层喷枪,均采用雾化喷头,每层喷枪均对塔内面积实现全覆盖,保证高炉煤气与水雾充分接触。最下层为循环水喷枪,主要对煤气进行充分洗涤,洗去煤气中含氯物质及其他酸性物质。中层为碱液层喷枪,碱液与煤气中的酸性物质发生酸碱中和反应。上层为工业新水喷枪,再次洗涤净化煤气。洗涤塔内喷淋下来的水靠重力自然回水流至循环水池,经循环水泵提升后进入下层循环水喷枪循环利用。整个系统的喷水量约为150 m3/h。
喷嘴作为喷雾系统的核心部件,喷雾效果的好坏直接影响着除氯效果。本系统喷嘴采用进口螺旋喷嘴,具有喷雾覆盖面积大,抗堵性能突出,水质无特殊要求,耐高温和耐腐蚀等优点。
煤气经3层喷水后,含有大量的机械水,导致煤气燃烧热值下降,影响高炉煤气的加热品质和燃烧温度。因此,在3层喷水层上设置了2层脱水层。第一层为填料脱水层,填料选用铝合金花环填料,填料上下层铺加强型龟甲板网。花环填料具有隙空率大、重量轻、通量大、阻力小、强度高等优点。由于这种填料的间隙处能有较高的滞液量,可使塔内液体停留时间较长,从而增加了气液的接触时间,提高了效率。煤气经填料层粗脱水后,再经丝网脱水器深度脱水。丝网脱水器由不锈钢丝网叠在一起而构成,利用气流中水滴与钢丝的撞击作用,大颗粒的水滴因重力作用而下落,颗粒小的水滴在与丝网碰撞后,沿着丝网内通道形成水流而流出丝网,由于丝网孔隙率小,因此可脱除直径10μm的机械水滴,从而达到精脱水的目的。
为防止填料层积灰严重影响煤气的通过,在丝网脱水器上方安装喷淋设施,喷淋水覆盖全部脱水层,系统运行过程中定期对脱水层进行喷水清洗。经两级脱水后高炉煤气中机械水含量可降低为10 g/m3以下。
洗涤过程中煤气带走了部分的水量,中间碱液层和上层工业新水层不断补充新的水源进来,同时循环水池中的水部分外排至污水处理厂处理,这样不但有效防止了循环水中氯离子因富集而增加,影响脱氯效果,且维持了循环水池内的总水量。
洗涤塔内部工况条件比较恶劣,酸性、碱性条件均可能出现,洗涤水中氯离子浓度大,工作温度比较高,喷淋水不断的冲刷塔内壁表面,同时洗涤塔底部一直浸泡在循环水中,这种工况均对塔内防腐提出极高的要求。防腐涂料必须具备耐腐蚀性能好、渗透率较低、粘结强度较强、耐温差(热冲击)性能较好、耐磨性好等特点,且应根据不同部位工况条件的不同选择不同的涂料。涂刷前洗涤塔内壁必须做喷砂除锈处理,达到Sa2.5级,且不能留死角。涂料施工时需严格按照涂料施工规程进行。
另外,考虑到部分高炉煤气管道生产运行的连续性,为了提高可靠性,也应采取高炉煤气管道内壁涂防腐涂料,采用耐腐蚀性能更好的材料制作波纹管等措施。
3.2.3 应用效果
除氯洗涤装置现场投入使用后,系统运行稳定,效果良好。经检测除氯洗涤装置后煤气管网中冷凝水pH值为6～7,氯离子浓度小于500 mg/L,出口煤气中机械水含量小于10 g/m3,基本满足设计要求。大为缓解煤气管道及管道附件腐蚀情况。
4 结束语
高炉煤气除氯洗涤装置能有效脱除高炉煤气中的酸性气体和氯元素,经实践检验,避免了煤气管道及管道附件的腐蚀,从而提高了煤气管道的寿命,满足了用户的生产要求。
参考文献
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