CN201212039Y - 一种提高高炉冶炼强度的顶压能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提高高炉冶炼强度的顶压能量回收装置，包括高炉、重力除尘器、布袋除尘器、入口蝶阀、入口插板阀、文丘里管、透平入口紧急切断阀、透平膨胀机、发电机、励磁机、静叶伺服油缸、出口插板阀、出口插板阀、高精度顶压控制器、高炉炉顶压力变送器等共同构成(简称3H－TRT系统，其3个“H”分别是“高精度控制”、“提高高炉顶压”和“提高高炉利用系数”的特性中，英文单词“HIGH”的第一个字母)。该装置不仅可达到环保降噪，高效回收电能的目的，而且，还可确保高炉顶压稳定，使高炉增产，降低成本，具有巨大的经济效益与社会效益。

Description

一种提高高炉冶炼强度的顶压能量回收装置

技术领域

本实用新型属于动力机械工程专业领域的一种能量回收装置，特别涉及一种用于提高高炉冶炼强度的顶压能量回收装置，该装置可进一步扩展到冶金、石化应用领域，通过透平控制实现能量回收。

背景技术

传统的高炉工艺流程中，高炉炉顶的煤气(压力150-300Kpa)先通过重力除尘器除尘后，再经过减压阀组减压到10Kpa左右，排入储气罐供工厂热风炉作为燃料用。原高炉煤气所具有的压力能和热能被白白地浪费在减压阀组上，造成大量的能源浪费和噪声污染。目前常规的方法是采用TRT装置替代减压阀组(减压阀组切换为备用方式)进行发电，该TRT装置不改变原高炉煤气的品质，也不影响煤气用户的正常使用，却回收了被减压阀组白白释放的能量，又净化了煤气，降低了噪音，有效地控制炉顶的压力波动，从而改善了高炉的操作条件。该装置在运行过程中不产生污染，几乎没有能源消耗，发电成本低。而利用TRT装置进行发电，用户往往担心TRT装置会降低高炉顶压的稳定性，从而影响主流程工艺过程。引起高炉顶压不稳定的原因是多方面的，主要因素有：高炉冶炼原料添加过程中的不均匀(变工况)；高炉内多种介质的高温、多相流动、物理和化学变化；高炉进风的鼓风机的压力与流量变化；TRT装置中透平机的静叶的变动和运行工况改变，包括启动，正常停机，紧急停机等工况；其它因素如除尘器积尘，管路泄漏等引起流动阻尼改变的一些随机因素。由于上述因素大多具有不确定性，并且对炉顶压力变化的影响具有非线性特点。

在炼铁工艺流程中，高炉炉顶压力操作值及其稳定性，是关系到炼铁产量和效益的重要指标。传统的高炉在正常生产时，其炉顶压力是通过控制串联在高炉出口煤气管道上减压阀组的阀门开度来实现的，顶压波动值一般在±5KPa左右，同时，高炉煤气的压力能则在调节过程中，通过减压阀组以噪音能的形式泄放出来，形成了环境噪音的污染。

高炉的顶压安全值是设计时确定的，在高炉实际运行时，考虑到顶压的波动，顶压设定值与顶压安全值之间至少留有设定值5～10％的“波动裕度”，因此顶压设定值通常至少要低于安全值5～10％，以保证顶压波动值低于安全值。

随着高炉煤气能量回收透平技术的发展，采取了在高炉出口减压阀组上并联透平能量回收机组(TRT)的系统技术，通过对透平静叶的控制替代减压阀组的调节功能，既满足了高炉炉顶压力的控制要求，又回收了原流程中消耗在减压阀组上的压力能，消除了噪音污染。

传统的TRT装置中，虽然采用了可调静叶技术，高炉煤气的压力能通过透平机膨胀做功，驱动发电机转变为电能，达到了降噪环保的功能。但是，在正常生产时，高炉顶压波动值仍只能控制在±5KPa左右，在紧急停机时，其顶压波动值控制在±10KPa的范围内，单纯从炉顶压力的控制精度和稳定性方面，与减压阀组相比较，并没有得到有效的提高。另外，该TRT装置的高炉顶压与冶炼强度和入炉焦比没有具体量化的对应关系。因此，在炉料结构较好的情况下，无法通过提高高炉的顶压设定值，增大进风的质量流量来提高高炉的冶炼强度和降低入炉焦比。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本实用新型的目的在于，提供一种提高高炉冶炼强度的顶压能量回收装置，该装置不仅可达到环保降噪，高效回收电能的目的，而且，还可确保高炉顶压稳定，使高炉增产，降低成本，具有巨大的经济效益与社会效益。

为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种提高高炉冶炼强度的顶压能量回收装置，包括高炉，高炉与重力除尘器和布袋除尘器相连，其特征在于，布袋除尘器的出口端分为两路，其中，一路通过管路连接有一对相互并联的减压阀组去工艺管网，减压阀组的输出端与出口蝶阀的出口端连接；布袋除尘器的另一路通过管路连接有入口蝶阀，入口蝶阀的出口端分成三路，分别连接有第一旁通阀、第二旁通阀和入口插板阀；入口插板阀的输出端连接有文丘里管，文丘里管通过相互并联的入口紧急切断阀和均压阀与带有静叶伺服油缸的透平膨胀机连接，透平膨胀机同轴串联布置有发电机和励磁机，透平膨胀机的出口管路分成两路，其中一路与并联的第一旁通阀和第二旁通阀出口管路相连，另一路与出口插板阀的入口管路相连，出口插板阀的输出端连接有出口蝶阀；

第一旁通阀连接有阀门位置变送器和阀门液控单元，其阀门位置变送器和阀门液控单元又同时连接到第一旁通阀的伺服器控制器上；

第二旁通阀连接有阀门位置变送器和阀门液控单元，其阀门位置变送器和阀门液控单元又同时连接到第二旁通阀的伺服器控制器上；

透平膨胀机两端连接有静叶伺服执行机构，静叶伺服执行机构连接有静叶位置变送器和静叶液控单元；其静叶位置变送器和静叶液控单元又同时连接到静叶伺服器控制器上；

高炉炉顶压力变送器连接至高炉的炉顶上，煤气流量变送器连接至文丘里管上；高精度顶压控制器分别与高炉炉顶压力变送器、煤气流量变送器、第一旁通阀伺服器控制器、第二旁通阀伺服器控制器和静叶伺服器控制器相连。

本实用新型的提高高炉冶炼强度的顶压能量回收装置，与传统的TRT系统相比，具有以下的技术特点：

1.装置采用了高炉平均压力增高比与利用系数和入炉焦比的量化关系式；

2.专门集成了STPC专利技术和ZETA伺服控制器，并通过采集高炉顶压、崩料、坐料、悬料、休风和装料等变工况信号，根据TRT管网系统中煤气流动压力流量变化的流体力学平衡方程以及压力流量瞬态变化的响应特性，同时结合最先进的高级智能控制算法，计算出静叶或旁通阀的动态开度，运用高炉顶压闭环和透平膨胀机静叶伺服系统闭环串级控制的技术方案，使高炉在正常生产的各种工况下，其顶压波动值均控制在±2KPa的范围内，在紧急停机时，其顶压波动值控制在±4KPa的范围内，确保了高炉生产的稳定性。

3.由于能够确保炉顶压力高度稳定，按常规预留的波动裕度将大大减少，为提高高炉的炉顶压力设定值提供了有力保证。在炉料结构允许的条件下，其顶压设定值可提高3％～8％。由于相应增大了高炉送风的质量流量，因此，提高了高炉的利用系数和降低了焦比。

附图说明

图1是本实用新型的装置示意图，其中的标号分别表示：1、高炉，2、重力除尘器，3、布袋除尘器，4、减压阀组，5、入口蝶阀，6、第一旁通阀，7、第二旁通阀，8、入口插板阀，9、入口文丘里管，10、透平入口紧急切断阀，11、均压阀，12、静叶伺服油缸，13、透平膨胀机，14、发电机，15、励磁机，16、出口插板阀，17、出口蝶阀，18、高炉炉顶压力变送器，19、高精度顶压控制器，20、煤气流量变送器，21、第一旁通阀伺服器控制器，22、第一旁通阀液控单元，23、第一旁通阀阀位变送器，24、第二旁通阀伺服器控制器，25、第二旁通阀液控单元，26、第二旁通阀阀位变送器，27、静叶伺服器控制器，28、静叶执行机构液控单元，29、静叶位置变送器。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

1.装置的设计依据：

1)高炉平均压力增高比与利用系数的关系

据周传典主编的《高炉炼铁生产技术手册》介绍：顶压提高10KPa，可增加风量3％，提高冶炼强度3％，在焦比不变条件下增产3％。一般高炉顶压每提高10KPa。增产率为2％-3％；当120KPa提高到300KPa，顶压每提高10KPa，冶炼强度提高1.7％；现代高炉，顶压每提高10KPa，增产率为1.1±0.2％。

陕鼓与浙大根椐冶炼原理和对文献资料的研究，发现高炉利用系数增加值与高炉平均压力增高比成近似的正比关系，并推导出近似估算公式：

高炉利用系数的增加值

Δf＝k_f×f×δ_p

上式中k_f为影响系数，取值：0.30～0.56(根据文献，k_f的理论推导值为0.56，实际上要低一些，取决于高炉具体炉况、原料和高炉操作水平等因素，现不妨取0.40)；f为顶压提高前的高炉利用系数；

为高炉平均压力增高比(即顶压设定值的提高量与高炉进风压和顶压的平均值之间的比值)，P_顶为顶压提高前的设定值，P_风为高炉顶压提高前的进风压力值，Δp为顶压设定值的提高值。

如k_f取值0.40，则提高高炉平均压力增高比1％，高炉利用系数提高0.40％。

2)高炉平均压力增高比与入炉焦比的关系

据周传典主编的《高炉炼铁生产技术手册》介绍：60年代统计，高炉顶压每提高10kPa，首钢高炉降低焦比9.66kg/t，相对百分比为1.8％；梅钢高炉降低焦比6.7kg/t，相对百分比为1.27％；而西欧和日本高炉相对百分比为1.5％左右。现代高炉，顶压在150KPa—250KPa时，顶压每提高10kPa，降低焦比1％以下。

陕鼓和浙大对文献资料研究后发现降低焦比值与高炉平均压力增高比成近似的正比关系，并提出近似估算公式：

$\mathrm{\ΔK}=\mathrm{\α}\×{\mathrm{\δ}}_{\stackrel{\‾}{p}}\×K$

式中K是顶压未提高设定值时的入炉焦比.α是和高炉工况、原料和高炉操作水平等因素有关的比例系数，通常取值0.18—0.28.根据文献资料数据的统计，例如取0.22，计算公式如下：

$\mathrm{\ΔK}=0.22\×{\mathrm{\δ}}_{\stackrel{\‾}{p}}\×K$

上式表明：每提高高炉平均压力增高比1％，可降焦比0.22％。

2.技术解决方案：

在以上技术方法的指导下，本实用新型的提高高炉冶炼强度的顶压能量回收装置(简称3H-TRT，其3个“H”分别是“高精度控制”、“提高高炉顶压”和“提高高炉利用系数”的特性中，英文单词“HIGH”的第一个字母。)参见附图，它包括高炉1，高炉1与重力除尘器2和布袋除尘器3相连，布袋除尘器3的出口端分为两路，其中，一路通过管路连接有一对相互并联的减压阀组4去工艺管网，减压阀组4的输出端与出口蝶阀17的出口端连接；另一路通过管路连接有入口蝶阀5，入口蝶阀5的出口端分成三路，分别连接有第一旁通阀6、第二旁通阀7和入口插板阀8；入口插板阀8的输出端连接有文丘里管9，文丘里管9通过相互并联的入口紧急切断阀10和均压阀11与带有静叶伺服油缸12的透平膨胀机13连接，透平膨胀机13同轴串联布置有发电机14和励磁机15，透平膨胀机13的出口管路分成两路，其中一路与并联的第一旁通阀6和第二旁通阀7出口管路相连，另一路与出口插板阀16的入口管路相连，出口插板阀16的输出端连接有出口蝶阀17；

第一旁通阀6连接有阀门位置变送器23和阀门液控单元22，其阀门位置变送器23和阀门液控单元22又同时连接到第一旁通阀6的伺服器控制器21上；

第二旁通阀7连接有阀门位置变送器26和阀门液控单元25，其阀门位置变送器26和阀门液控单元25又同时连接到第二旁通阀7的伺服器控制器24上；

透平膨胀机13两端连接有静叶伺服执行机构12，静叶伺服执行机构12连接有静叶位置变送器29和静叶液控单元28；其静叶位置变送器29和静叶液控单元28又同时连接到静叶伺服器控制器27上；

高炉炉顶压力变送器18连接至高炉1的炉顶上，煤气流量变送器20连接至文丘里管9上；高精度顶压控制器19分别与高炉炉顶压力变送器18、煤气流量变送器20、第一旁通阀伺服器控制器21、第二旁通阀伺服器控制器24和静叶伺服器控制器27相连。

本实用新型涉及的零部件均可以购置，其中的高精度顶压控制器，由计算机操作站、可编程控制系统(PLC)及高精度顶压稳定性控制软件(STPC)构成，其中计算机操作站、可编程控制系统(PLC)的硬件为德国西门子公司产品。

本实用新型的工作原理如下：

1)当可编程控制系统(PLC)从计算机操作站获得透平机开机指令后，系统将根据开机操作程序要求，给出开启入口蝶阀5、入口插板阀8、入口紧急切断阀10、出口插板阀16、出口蝶阀17和关闭减压阀组4量化值的执行指令，保障在透平膨胀机(TRT)13的开机过程中炉顶压力的稳定性。

2)当透机膨胀机13正常工作时，操作者根据高炉生产和炉料结构确定高炉顶压设定值，并通过计算机操作站输入到嵌入在可编程控制系统(PLC)中的高精度顶压控制器19中，作为串级大闭环控制系统的设定值(SV值)。高炉炉顶压力的测量值由高炉炉顶压力变送器18检测，送入高精度顶压控制器19中，作为串级大闭环控制系统的测量值(PV值)。当顶压测量值发生变化时，在高精度顶压控制器19的运算中，由于使用了申请人已有的STPC专利技术(中国专利号：ZL 200310105807.3)，其采用两种不同类型的模糊(Fuzzy)控制器和常规比例积分(PID)调节器，同时，结合系统采集的高炉顶压、崩料、坐料、悬料、休风和装料等变工况信号，进行比较运算后，输出4～20mA标准信号至静叶伺服器控制器27，作为串级小闭环控制系统的设定值(SV值)，静叶位置的实测值由静叶位置变送器29检测，送入静叶伺服器控制器27中，作为串级小闭环控制系统的测量值(PV值)，进行静叶定位串级调节，通过静叶执行机构液控单元28和静叶伺服油缸12改变透平静叶开度，确保在给定的时间内，高炉炉顶压力的稳定在±2kPa的范围内。

3)当透平膨胀机13需要正常停机或紧急停机时，其按规定操作程序进行的动作，透平入口紧急切断阀10迅速关闭，反映在煤气管路上，是透平机的广义阻尼系数有一个变化过程ξT＝ξT(t)，此时，为保证顶压的稳定性，可以按照透平机阻尼ξT＝ξT(t)的变化规律，通过总体平衡控制方程，由高精度顶压控制器19计算出旁通管路的第一旁通阀6和第二旁通阀7的开度值，通过伺服控制器第一旁通阀伺服器控制器21和第二旁通阀伺服器控制器24实施控制，可使总体的管路阻尼ξm保持不变，从而保障顶压的稳定在±4kPa的范围内。

4)由于高精度顶压控制器19采用混合式专家控制算法，可根据TRT运行调节顶压稳定性积累的知识库，不断修正程序中的控制参数，因此该软件使用时间越长，控制的效果越好。也就是说，控制顶压的波动值指标及波动峰值持续时间指标将会随着透平膨胀机13运行时间得到改善。

5)总体性能指标

正常顶压波动值               ±2kPa

紧急切换顶压波动值           ±4kPa

切换峰值时间                 5—15秒

6)提高高炉顶压3％～8％可产生下列两个效益：即提高高炉利用系数3％～8％、降低入炉焦比1％～3％。

本实用新型在不同容积高炉TRT上的应用实例参见附表1：

附表1：

Claims (2)

1.一种提高高炉冶炼强度的顶压能量回收装置，包括高炉(1)，高炉(1)与重力除尘器(2)和布袋除尘器(3)相连，其特征在于，布袋除尘器(3)的出口端分为两路，其中，一路通过管路连接有一对相互并联的减压阀组(4)去工艺管网，减压阀组(4)的输出端与出口蝶阀(17)的出口端连接；另一路通过管路连接有入口蝶阀(5)，入口蝶阀(5)的出口端分成三路，分别连接有第一旁通阀(6)、第二旁通阀(7)和入口插板阀(8)；入口插板阀(8)的输出端连接有文丘里管(9)，文丘里管(9)通过相互并联的入口紧急切断阀(10)和均压阀(11)与带有静叶伺服油缸(12)的透平膨胀机(13)连接，透平膨胀机(13)同轴串联布置有发电机(14)和励磁机(15)，透平膨胀机(13)的出口管路分成两路，其中一路与并联的第一旁通阀(6)和第二旁通阀(7)出口管路相连，另一路与出口插板阀(16)的入口管路相连，出口插板阀(16)的输出端连接有出口蝶阀(17)；

第一旁通阀(6)连接有阀门位置变送器(23)和阀门液控单元(22)，其阀门位置变送器(23)和阀门液控单元(22)又同时连接到第一旁通阀(6)的伺服器控制器(21)上；

第二旁通阀(7)连接有阀门位置变送器(26)和阀门液控单元(25)，其阀门位置变送器(26)和阀门液控单元(25)又同时连接到第二旁通阀(7)的伺服器控制器(24)上；

透平膨胀机(13)两端连接有静叶伺服执行机构(12)，静叶伺服执行机构(12)连接有静叶位置变送器(29)和静叶液控单元(28)；其静叶位置变送器(29)和静叶液控单元(28)又同时连接到静叶伺服器控制器(27)上；

高炉炉顶压力变送器(18)连接至高炉(1)的炉顶上，煤气流量变送器(20)连接至文丘里管(9)上；高精度顶压控制器(19)分别与高炉炉顶压力变送器(18)、煤气流量变送器(20)、第一旁通阀伺服器控制器(21)、第二旁通阀伺服器控制器(24)和静叶伺服器控制器(27)相连。

2.如权利要求1所述的提高高炉冶炼强度的顶压能量回收装置，其特征在于，所述的高精度顶压控制器(19)，由计算机操作站、可编程控制系统及高精度顶压稳定性控制软件构成。

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