轉爐煤氣加壓機的選型和配置

鄧 燦，李 佳，羅筱薇

（中冶南方工程技術有限公司，湖北武漢 430223）

1 前言

轉爐煤氣，鋼鐵企業副產煤氣之一，其整個回收利用系統由回收—接收系統、加壓機系統、管道輸送系統及用戶使用四個方面組成。其中，加壓機系統具有特殊重要性，加壓機組的選型配置是否合理將直接影響轉爐煤氣的回收[1]，同時也是保證正常生產，降低投資和運行成本的重要因素。

本文從分析轉爐煤氣加壓機的特性著手，根據轉爐煤氣回收利用系統的特性闡述了加壓機的選型和兩種常規配置模式，分析了各種模式下的優缺點，并結合兩種常規模式的優點，提出了第三種配置模式。該模式的應用對轉爐煤氣加壓站的建設和運行獲得更高的經濟效益具有一定的實際意義。

2 轉爐煤氣加壓機的特性

轉爐煤氣加壓機常采用離心式壓縮機，因其具有重量輕，占地少，設備易損部件少、輸氣量大而連續、運轉平穩，易實現自動控制等優點。但是它有一固有特性——喘振，一旦發生喘振，壓縮機將不能正常工作，稍有失誤則會造成嚴重的安全事故。

2.1 喘振產生機理

離心式壓縮機在運行過程中，負荷下降到一定數值時，可能出現管網中壓力反大于壓縮機出口處壓力的情況，從而管網中的氣體就向壓縮機倒流，一直到管網中的壓力下降至低于壓縮機出口壓力為止。但當管網壓力回升到原有水平時，壓縮機正常排氣又受到阻礙，流量又下降，系統中的氣體又產生倒流。如此周而復始，在整個系統中發生了周期性的軸向低頻大振幅的氣流振蕩現象，這種現象稱之為壓縮機的“喘振”[2]。喘振的產生包含兩方面因素：內在因素是離心式壓縮機中的氣流在一定條件下出現“旋轉脫離”；外界條件是壓縮機管網系統的特性。當外界條件適合內在因素時，便發生喘振。

這里，針對轉爐煤氣回收利用系統中的加壓環節，發生喘振原因可歸納為以下兩大方面：

（1）入口流量低于規定值。在一定轉數和一定氣體密度下，壓縮機能維持一定壓力，但當開、停機時氣體流量少，最容易引起壓縮機入口流量低。

（2）壓縮機出口，系統壓力大于出口壓力，使氣體流量降到喘振流量。即用戶量減少，致使壓縮機出口系統壓力高，造成壓縮機出口憋壓，氣體倒流入壓縮機，造成機內氣體低流量。

2.2 防喘振控制方法

根據以上原因，結合轉爐煤氣回收利用系統的特點——加壓機系統前有煤氣柜等儲氣系統，能保證加壓機進口流量的穩定性和可調性，而用戶負荷不均衡，故加壓機的工作負荷主要由用戶負荷來決定。在工程實踐中，轉爐煤氣加壓機的防喘振控制常采用以下兩種方法：

（1）設置進口節流調節，即在壓縮機進口管上安裝調節閥，通過入口調節閥來調節進氣流量。當關小調節閥時，壓縮機性能曲線向小流量區移動，可使壓縮機在更小的流量工況下工作，不易造成喘振。

圖1 轉爐煤氣回收及利用系統圖

（2）改變轉速調節。當壓縮機轉速改變時，其性能曲線也有相應的改變，從而改變加壓機的工況點，以滿足生產上的調節要求。

3 轉爐煤氣加壓機組的選型和常規配置

3.1 煤氣加壓機臺數的確定

為了能更方便和詳細地說明加壓機組的選型及配置，這里通過舉例——為2座80t轉爐配置加壓機組來闡述。

轉爐煤氣回收及利用系統如圖1所示。

轉爐冶煉生產周期取34m i n，煤氣回收率取100m3/t鋼，煤氣體積修正系數這里取1.47（不同的地區，大氣條件不同，體積修正系統也會不同[3]），由此，計算得出轉爐平均回收量：

式中，Q——轉爐煤氣回收量，m3/m i n；

n——轉爐座數，個；

G——轉爐產鋼量，t鋼/爐；

B——轉爐回收率，m3/t鋼；

T——轉爐冶煉生產周期，m i n/爐；

Kv——轉爐煤氣體積修正系數。

在整個系統中，轉爐煤氣柜的作用是緩解煉鋼回收煤氣的大流量與加壓機送出流量之間的相對差異，滿足煤氣回收和在煉鋼吹煉間隙穩定轉爐煤氣系統的供應。在理想狀態下，轉爐煤氣柜實際上只是一段通流的煤氣管道。由此，這里需要配備2臺D 400（排氣量為400m3/m i n）加壓機來滿足系統的需求，同時備用1臺D 400加壓機來滿足檢修需求。

3.2 煤氣加壓機的常規配置模式

目前市場上有恒頻加壓機和變頻加壓機兩種類型，根據選擇加壓機類型的不同，可分為以下幾種配置模式。

3.2.1 全恒頻加壓機組配置模式

全恒頻加壓機組運行流程如圖2所示。全恒頻加壓機的防喘振控制采用的是進口節流調節控制。圖3是恒頻加壓機運行工況圖，加壓機的升壓能力和流量之間的關系形成加壓機性能曲線，在理想狀況下，加壓機在額定負荷下運轉，加壓機在設計點上工作，對應的流量和升壓均為額定流量和額定升壓。當用戶用氣量減少，則加壓機的排氣量需相應減少，加壓機工作點向左移至工況點，此時加壓機流量減少，升壓能力升高。加壓機的升壓能力達到額定值即能滿足需求，故此時多余的升壓造成了能源浪費。

圖2 全恒頻加壓機組運行流程圖

圖3 恒頻加壓機運行工況示意圖

3.2.2 全變頻加壓機組配置模式

如圖4所示，全變頻加壓機組的防喘振控制采用的是改變轉速調節控制。如圖5變頻加壓機運行工況示意圖所示，根據煤氣用戶需要設定加壓機后壓力為一定值，額定工況下，加壓機在設計點工作，當用戶用氣量減少時，加壓機后管網系統煤氣壓力升高，通過減小變頻器的輸出頻率來改變加壓機的轉速，從額定轉速n1調整至n2，減少加壓機的排氣量，穩定出口壓力。當用戶用氣量繼續減少時，變頻器控制加壓機轉速繼續降低至n3，進一步減少加壓機的排氣量，穩定出口壓力。當加壓機的轉速通過變頻器的調節達到極限值而壓力仍無法滿足設計要求時，則需要利用加壓機入口的調節閥來調節。換而言之，在該控制模式下，機前調節閥一直保持一定的開度，當變頻器故障或達到極限值時，轉換為進口節流調節控制模式。一般而言，變頻器發生故障的幾率極小，在實際工程應用中，為了節省投資，可取消機前調節閥。一旦出現變頻器無法調節的現象，可通過大回流閥將機后煤氣返回到機前。由此可知，變頻加壓機解決了用戶負荷波動時大馬拉小車的問題，在同等條件下，變頻加壓機有效的節約了恒頻加壓機因流量減少而產生的升壓能源浪費，同時，變頻加壓機運行在部分負荷工況時，低轉速運行，降低了電機噪音，并能緩解與建筑物產生共振現象[4]。但是變頻器價格高昂，增加了初期投資費用。

圖4 全變頻加壓機組運行流程圖

4 轉爐煤氣加壓機組新模式

無論是恒頻模式還是變頻模式，歸根結底是要解決煤氣用戶用氣波動時加壓機的防喘振控制問題。在恒頻模式下，通過機前調節閥和大回流閥來調節煤氣流量。該種模式，雖然初期投資成本低，但長期運行會造成大量能耗的浪費。在變頻模式下，通過調節加壓機的轉速來改變加壓機性能曲線，以適應流量的變化，這種方法雖然避免了煤氣長期回流，但如果用戶用氣量低，變頻加壓機組在低負荷的狀況下運行，將使得加壓機組的效率降低，并不能有效達到節電的目的，加之變頻器價格高昂，故其經濟性并不明顯。所以，應將兩者的優點結合，這里提出恒頻＋變頻加壓機的組合模式。具體配置方法如下：

圖5 變頻加壓機運行工況示意圖

首先，必須清楚地了解工廠煤氣需求情況，分為連續用氣量和間斷用氣量，連續用氣用戶盡量使用恒頻加壓機來供氣，而間斷用氣用戶則用變頻加壓機來調節供氣。在這種配置模式下，可使得恒頻加壓機能長期在最佳工況點運行，保證了加壓機的效率，而變頻加壓機能機動地調節氣量，從而避免機后壓力過高而造成喘振。在本例中，假設煤氣用戶中有不小于400m3/m i n左右的連續用氣用戶，其余為間斷用戶，則可配置1臺D 400的恒頻加壓機，和一臺D 400的變頻加壓機。正常情況下，用戶的用氣波動在變頻加壓機的可調范圍內，恒頻加壓機能發揮最高的運行效率，同時變頻加壓機也起到了節能的作用。一旦用氣波動超出變頻加壓機的可調范圍，則通過機前調節閥甚至大回流閥來調節以保證加壓機的安全生產。顯而易見，這種組合模式，減少了變頻器的投資但依然具備全變頻模式的優點，比兩種單一的配置模式更為經濟節能。

5 結論與建議

綜上所述，在鋼鐵行業日趨嚴峻的環境下，需要做到精細化設計與管理，充分節約每一分投資成本，減少每一度運行能耗。當充分了解轉爐煤氣的供需關系后，選擇恒頻＋變頻的加壓機組合配置模式，既使得加壓機組能運行平穩，滿足用戶要求，也能適應工廠發展需要，取得顯著的經濟效益。

[1]黃衛超.提高轉爐煤氣回收量的對策研究[J].冶金動力，2006(6).

[2]賀代芳，李向江，朱新明.離心式壓縮機的防喘振控制[J].化工自動化及儀表，2011(38).

[3]鋼鐵企業燃氣設計參考資料(煤氣部分)[M].北京：冶金工業出版社，1978.

[4]董天祿.離心式/螺桿式制冷機組及應用[M].北京：機械工業出版社，2001.