李文瑞，刘凯，岳党教，霍磊磊，翟飞龙

（西安陕鼓动力股份有限公司，陕西西安 710075）

引言

常规的不锈钢冶炼连铸工艺，即采用熔化炉+AOD 的二步法冶炼不锈钢。AOD 炉炉口烟气温度最高约1 500 ℃，最低约120 ℃，AOD 炉在冶炼过程中产生大量烟气。我国作为冶金生产大国，无论是AOD 炉市场占有率，还是冶金过程产生的高温烟气余热资源都占有相当大的份额。从AOD 炉冶炼不锈钢的最新发展趋势来看，越来越多的企业、生产厂区通过布置汽化烟道、余热锅炉，结合汽电双拖工艺对这部分余热资源进行回收，充分利用生产工艺余热，避免发电过程造成的效率损失［1-4］。通常而言，AOD 炉余热回收过程中机组容量都较小，常规的3 000 r/min 小汽轮机存在效率偏低（特别是低负荷工况）。

为此，有必要在保证拖动机组安全运行的前提下，研究分析AOD 炉余热回收过程中高转速汽轮机在汽电双拖机组的应用，同时，对常规除尘风机工频运行的调节方式进行改进，以降低除尘风机电耗和厂用电率，提高拖动机组运行经济性，实现节能减排。

1 高转速汽轮机在AOD 炉余热回收汽电双拖中的具体应用

1.1 高温烟气余热回收工艺流程

AOD 炉炉口烟气温度约1 500 ℃，因此从AOD炉炉口部位出来后设置了一定长度的汽化冷却烟道，将烟气温度降至约850 ℃；出来的烟气进入余热锅炉，依次通过低压蒸发器、省煤器；从锅炉出来的烟气温度降至约200 ℃，经过混风筒降至150 ℃以下，进入布袋除尘净化后排入排气筒，达标排放，高温烟气余热回收产生的蒸汽用于拖动。

系统产生的2.45 MPa，225 ℃饱和蒸汽蒸汽进入蓄热器进行稳压，从蓄热器输出的1.1 MPa 的连续饱和蒸汽送至汽轮机入口，蒸汽经汽轮机做功后进入凝汽器冷凝成水，凝结水经凝结水泵加压后返回余热锅炉的除氧器进行除氧，除氧水一部分经余热锅炉产生低压饱和蒸汽，另一部分经汽化烟道产生低压饱和蒸汽，汇合后的蒸汽再进入蓄热器，完成一个完整的热力循环过程。

西安陕鼓动力股份有限公司总承包的江苏某钢铁企业AOD 炉高温烟气余热回收项目采用了高转速汽电双拖机组，从而提高AOD 炉烟气余热回收系统的效率。该项目中，AOD 炉烟气余热回收产生饱和蒸汽进入蓄热器稳压，经分汽缸进入汽轮机拖动，汽轮机参数见表1。结构形式：凝汽式；机组布置形式：汽轮机+变速离合器+除尘风机+变频电机。

表1 不同转速汽轮机设计参数

提高汽轮机效率最简单直接的方式就是提高汽轮机的进汽参数，受AOD 炉烟气余热回收技术的影响，提高锅炉出口蒸汽参数的方案难度相对较大，在技术上成熟度不高。另一种提高机组效率的方式就是提高汽轮机的转速，目前国内已投产的AOD 炉烟气余热回收项目中采用3 000 r/min 汽轮机是主流。高转速汽轮机与普通转速汽轮机（3 000 r/min）相比具有如下优势：效率高，体积小，模块化供货，现场安装快，运行灵活［5-7］。提高转速后汽轮机的尺寸、体积、重量均可减小，这不仅使制造成本大大降低，同时使汽轮机的内效率大大提高，从而使工厂建设成本和运行成本降低。尤其在建设单位施工用地面积较小，厂房大小是按照电拖机组来规划时，提高汽机转速是AOD 炉烟气余热回收领域一种完全可以借鉴和使用的方式。

1.2 投资效益分析

从汽轮机参数表中不难看出，在最小进汽量为7 t/h 时，3 000 r/min 汽轮机汽耗率在9.972 kg/kWh，5 600 r/min 汽轮机汽耗率在9.396 kg/kWh，高转速汽轮机的效率比普通转速的汽轮机高出约5.8%；在额定进汽量为15.7 t/h 时，3 000 r/min 汽轮机汽耗率在7.711 kg/kWh，5 600 r/min 汽轮机汽耗率在7.476 kg/kWh，高转速汽轮机的效率比普通转速的汽轮机高出约3%。

高转速汽轮拖动机组的技术成熟，其高效率的特点能为企业带来可观的经济效益。以该工程为例，采用高转速汽轮机每年比普通转速汽轮机多发电3.6×105kWh，为企业创造1.8×105元的经济效益（年运行小时数以8 000 h，电价按0.5元/kWh计）。

2 AOD炉除尘风机变频运行调节方式

2.1 变频运行的必要性分析

异步电动机可同时兼作发电机在石油化工行业已有运行先例，控制较为简单，后期维护工作量较小，在上述AOD 炉烟气余热回收工程中，高转速汽电双拖机组采用异步电机。同时，由于AOD 炉烟气温度波动幅度大及具有一定周期性［1］，AOD 炉除尘风机必须具备一定的可调节范围。采用传统工频调节模式时，即通过除尘风机进口调节门调节时，存在不同开度灵敏度不同、节流损失较大、厂用电率高、易发生喘振等问题［8-9］。莫荔萍［10］，祝建飞等［11］研究表明，保持风机进口调节门开度不变，通过变频运行后节能效果优于通过改变调节门开度工频运行的方式。常规除尘风机的转速为740 r/min，5 600 r/min 的高速汽轮机除了体积小，而且临界转速较低，能够较好地适应除尘风机的变频运行范围而不发生喘振现象。因此采用变频调节的方式来改善除尘风机的调节性能。

2.2 实际运行方案

AOD 炉烟气余热回收汽电双拖机组布置如图1所示，实际运行过程中，汽轮机和变速离合器通过联轴器固定连接，除尘风机和异步电机通过联轴器固定连接，异步电机和变速离合器之间的联轴器可根据汽机负荷自动啮合或脱开。

图1 AOD炉烟气余热回收汽电双拖机组布置图

拖动机组启机时，异步电机由厂用电供电，以电动机的形式拖动除尘风机至设计转速稳定运行。同时，汽轮机随着热负荷提升缓慢升速至设计转速，变速离合器和异步电机之间的联轴器自动啮合，汽轮机拖动电动机转速稳步提升。

当汽轮机满负荷工况对应转速超过异步电机转速时，异步电机以发电机形式运行；若汽轮机机组负荷降低或余热锅炉蒸汽量下降，则汽轮机输出功率随之降低至与异步电机的转速相同，此时异步电机处于空载状态，即异步电机发电量为零，除尘风机完全由汽轮机拖动；当汽轮机组的负荷继续降低或余热锅炉出力减小，汽轮机输出功率降低至转速低于同步转速，此时异步电机运行处于电动机状态，厂用电的电能与汽轮机一起驱动引风机。

3 结论

结合西安陕鼓动力股份有限公司总承包的江苏某钢铁企业AOD 炉高温烟气余热回收项目中的工程应用，对汽电双拖机组采用高转速汽轮机和除尘风机通过变频调节的首台套工程应用进行理论分析，效率计算、经济性分析和必要性分析表明，变频运行高转速汽电双拖机组可以规避常规机组的不足，运行经济性好，灵活性较高，汽轮机汽耗率较低，可显著增加AOD 炉余热回收项目的工程效益，对同类项目具有一定的借鉴和指导意义。