Совершенствование схемы снабжения холодным дутьём доменных печей

Оборудование современного доменного производства отличается высокой эффективностью, сокращённым временем технологического процесса и высоким качеством конечного продукта производства. Для подачи доменного дутья в доменные воздухонагреватели используются мощные воздуходувные машины с электрическим и паровым приводом, что в целом повышает энергозатратность доменного производства. В связи с этим актуальной задачей для каждого крупного металлургического предприятия, в состав которого входит доменное производство, является снижение затрат на приводы воздуходувок, обеспечивающих подачу доменного дутья.

В статье рассмотрен доменный цех, включающий в себя две доменные печи. Холодное дутье на доменную печь (blust furnace) № 1 (далее по тексту ДП-1 (BP-1)) подается турбовоздуходувкой (далее по тексту ТВД) в количестве 7300 нм3/мин.

Электровоздуходувка (далее по тексту ЭВД) подает холодное дутье на доменную печь № 2 (далее по тексту ДП-2) в количестве 7100 нм3/мин [1–4]. Существующая схема подачи дутья показана на рис. 1. Номинальные параметры работы электровоздуходувки расхода дутья составляют 7500 нм3/мин, избыточное давление холодного дутья – 6,2 бар, концентрация кислорода – 32 %, когда расход дутья турбовоздуходувки 9000 нм3/мин, избыточное давление холодного дутья – 6 бар, концентрация кислорода – 36 %.

Привод компрессора ТВД ДП-1 выполнен в виде паровой турбины с одним цилиндром, двумя нерегулируемыми отборами, двумя подогревателями регенеративного подогрева. Турбовоздуходувка работает в одном блоке с котельным агрегатом ТЭЦ, использующим в качестве топлива смесь природного и доменного газа. Мощность паровой турбины 57 МВт, количество ступеней – 41. Процесс подачи дутья на доменные печи осуществля-

Рис. 1. Существующая схема обеспечения холодным дутьем Fig. 1. The existing cold blast supply scheme

ется по следующей схеме: забор воздуха из атмосферы происходит с помощью комплексной воздухоочистительной установки. Затем в камере смешения добавляется кислород. После этого воздух с повышенным содержанием кислорода подается в компрессор, где сжимается, затем охлаждается в воздухоохладителе и подается на доменную печь по трубопроводу холодного дутья.

ЭВД ДП-2 представляет собой центробежный осевой компрессор с электроприводом [5]. Приводом ЭВД является электродвигатель напряжением 10 кВ и мощностью 45 МВт.

Такая схема имеет ряд недостатков и существенно снижает энергоэффективность снабжения холодным дутьем доменных печей.

Анализ проблематики

Электровоздуходувка уступает турбовоздуходувке в ряде характеристик. Она имеет меньшую производительность и высокое энергопотребление. С другой стороны, рабочая производительность ТВД ниже номинальной. В рассматриваемой схеме запас производительности ТВД составляет около 1700 нм3/мин.

Еще одной сложностью в эксплуатации ТВД являются существенные колебания расхода и давления дутья при снижении производительности ДП-1. При среднем давлении нагнетания ТВД, составляющем 5,71 бар, и производительности ниже 6950 нм3/мин рабочая точка ТВД приближается к зоне помпажа. Для предотвращения помпажа открываются антипомпажные клапаны, что приводит к выбросу в атмосферу кислорода и сжатого воздуха, а также к перерасходу тепловой энергии в паре, снижая энергоэффективность схемы.

Очевидным решением для рассмотренной схемы является нагрузка ТВД до номинального уровня с разгрузкой ЭВД для снижения затрат на электропривод. Предложенная схема совместной работы воздуходувок показана на рис. 2.

Для реализации схемы, изображенной на рис. 2, необходимо установить запорную, регулирующую арматуру и обратный клапан. Это позволит эффективно контролировать подачу холодного дутья и улучшить энергоэффективность процесса [6, 7]. В связи с ограниченными размерами участка B – E для монтажа необходимой арматуры предусмотрена установка байпаса G – H .

Согласно модернизированной схеме (см. рис. 2) ТВД нагружается до номинальной производительности 9000 нм3/мин, при этом ДП-1 потребляет дутье от ТВД в размере 7300 нм3/мин. Оставшиеся 1700 нм3/мин дутья подаются на ДП-2 совместно с дутьем от ЭВД. Тем самым ЭВД разгружается до производительности 5400 нм3/мин, что позволяет значительно снизить затраты электроэнергии на привод компрессора, а также вывести в резерв 20 % градирен, охлаждающих циркуляционную воду для концевого воздухоохладителя и маслоохладителя [9–11].

Подача дутья по предложенной схеме возможна при условии, что давление газовоздушной смеси в точке H будет ниже, чем в точке G . Однако давление перед воздухоподогревателями зависит от множества факторов, таких как режим плавки, состав, температура газовоздушной смеси, производительность доменной печи [12]. При наличии большого диапазона рабочих давлений перед воздухоподогревателями ДП-1 и ДП-2 есть риск возникновения условия, когда давление в точке H будет выше, чем давление в точке G .

Таким образом, важнейшим фактором, влияющим на реализацию предложенной схемы подачи дутья, является непостоянство давлений

Рис. 2. Модернизированная схема снабжения холодным дутьём доменного цеха [8]

Fig. 2. Upgraded cold blast supply scheme for the blast furnace shop [8]

газовоздушной смеси перед кауперами ДП-1 ( P абс = 5,35…5,6 бар), и ДП-2 ( P абс = 5,3…5,55 бар). Рабочие давления рассматриваемых доменных печей представлены в таблице.

В связи с большим диапазоном рабочих давлений доменных печей могут наступить условия, когда при некотором перепаде давления между ДП-2 и ДП-1 подача дутья по рассматриваемой схеме будет невозможна. В этом случае может произойти обратное течение потока в точке смешения потоков (точка H на рис. 2) из-за отрицательной разницы давлений дутья (когда давление в точке H больше, чем давление в точке G ), которое препятствует необходимому смешению потоков. Нужно отметить, что прекращение подачи дутья от ТВД может привести к потенциальной аварии на доменной печи. Для возможности обеспечения доменным дутьем в соответствии с разработанной схемой необходимо обеспечить повышение давления дутья, подаваемого от ТВД на ДП-2 [13–15].

Для оценки условий внедрения предложенной схемы необходимо смоделировать смешение потоков холодного дутья, подаваемых ТВД и ЭВД, с учетом колебания давления перед ДП-1 и ДП-2.

Теория и расчёт

Расчетная модель предложенной схемы подачи доменного дутья (см. рис. 2) была создана с помощью модуля Flow Simulation в программе 3D-моделирования Solidworks [16, 17]. Расчетная модель показана на рис. 3.

Цель расчета – получение значения давлений в узловых точках схемы, а также проверка возможности работы по разработанной схеме в случаях, когда давление холодного дутья на ДП-2 превышает давление на ДП-1.

Результаты аэродинамического расчета, а также моделирование процесса подачи холодного дутья показали, что при перепаде давления между ДП-2 и ДП-1, составляющем 0,1 бар (Р д _{П -2} - Р д _{П -} 1 > > 0,1 бар), в точке смешения потоков (точка H на рис. 2) происходит обратное течение. В связи с тем, что при нормальной работе доменных печей встречаются режимы, когда наибольшая разность давлений между ДП-2 и ДП-1 достигает 0,2 бар (см. таблицу), можно сделать вывод, что подача дутья по рассматриваемой схеме невозможна.

Для обеспечения подачи дутья в соответствии с предложенной схемой необходимо повысить

Значения граничных условий и искомых величин для расчета струйного аппарата Values of boundary conditions and required quantities for calculating the jet device

Параметр	Ед. измерения	Значение
Давление рабочей среды (абс.)	бар	5,8
Температура рабочей среды	К	383
Давление инжектируемой среды (абс.)	бар	5,35
Температура инжектируемой среды	К	383
Расход рабочей среды	нм3/мин	5600
Расход инжектируемой среды	нм3/мин	1500
Приращение давления инжектируемого потока	бар	0,26
Давление смешанного потока (абс.)	бар	5,61
Сопротивление рабочего потока струйного аппарата	кПа	20

Рис. 3. Модернизированная схема снабжения холодным дутьём доменного цеха

Fig. 3. Simulated model of the upgraded cold blast supply scheme for the blast furnace shop

давление дутья в точке смешения, при этом не допуская повышения давления перед ДП-1.

Для решения проблемы обеспечения доменным дутьем при давлении ДП-2, превышающем давление ДП-1, было предложено новое техническое решение для модернизированной схемы (рис. 4). Оно заключается в использовании струйного аппарата, который будет установлен на трубопровод холодного дутья к ДП-2 и обеспечит смешение потоков с разными давлениями [18]. Предлагаемый аппарат относится к классу газоструйных инжекторов.

Расчёт струйного аппарата производился для наиболее неблагоприятных условий, то есть для наибольшей разницы давлений между ДП-2 и ДП-1, которая составляет 0,2 бар, так как в данном случае необходимо обеспечить наибольшее приращение давления инжектируемого потока.

Основными граничными условиями для задания системы являются расход рабочей среды и давление инжектируемого потока. Искомыми величинами являются расход инжектируемой среды, давление смешанного потока. Значения граничных условий и искомых величин представлены в таблице.

В связи с внедрением в систему инжектора, добавляющего в линию рабочей среды дополнительное сопротивление, равное 20 кПа, рабочая точка ЭВД при работе с расходом 5400 нм3/мин и в режиме максимального давления на ДП-2 попадает в предпомпажную зону, где начинается процесс открытия противопомпажных клапанов. Для предотвращения попадания рабочей точки ЭВД в эту зону было принято решение об увеличении расхода дутья ЭВД до 5600 нм3/мин и снижении расхода ТВД до 8800 нм3/мин.

Выполнен расчет инжектора и определены его геометрические характеристики (рис. 5). Коэффициент инжекции струйного аппарата при наибольшей разности давлений между ДП-2 и ДП-1 составил 0,267.

Также был рассчитан коэффициент инжекции для разных режимов работы ДП-1 и ДП-2 (рис. 6). Для режимов работы доменных печей, когда раз-

Рис. 4. Применение технического решения модернизированной схемы Fig. 4. Application of the upgraded scheme technical solution

0 B04

1, Вход рабочего потока.

2. Сопло.

3. Вход инжектируемого потока.

4.Цилиндрическая камера смешения.

5. Диффузор.

Рис. 5. Геометрические характеристики газоструйного инжектора

Fig. 5. Geometric characteristics of the gas jet injector

Рис 6. Характеристика газоструйного инжектора Fig. 6. Characteristics of gas jet injector

Рис. 7. 3D-модель газоструйного инжектора

Fig. 7. 3D model of a gas jet injector

ница давлений холодного дутья на ДП-1 и ДП-2 приводит к увеличению коэффициента инжекции струйного аппарата, предусмотрено наличие регулятора расхода на линии инжектирующего потока, предотвращающего подачу избыточного количества инжектирующей среды.

Для подтверждения эффективности решения смоделирована работа газоструйного инжектора. Для этого была построена 3D-модель аппарата с помощью инструмента Flow Simulation, входящего в пакет программы для 3D-моделирования Solidworks [19, 20]. Результаты моделирования показаны на рис. 7.

При минимальном рабочем давлении на ДП-1 с помощью инжектора создается давление смешанного потока, равное 5,61 бар, которое позволит обеспечить потребителя холодным дутьем необходимых параметров, соответствующих верхнему пределу давления на ДП-2. Также максимальное давление рабочего потока на входе в газоструйный инжектор, равное 5,8 бар, совпадает с расчетным значением и попадает в рабочую зону воздуходувки (рис. 8, 9).

Как видно по аэродинамическим характеристикам воздуходувок (см. рис. 8, 9), полученные рабочие точки при работе компрессоров по новым схемам находятся в рабочих диапазонах рассматриваемого оборудования [21]. Точки 1, 2 и 3 характеризуют рабочие точки при работе на доменные печи с максимальным, средним и минимальным давлением холодного дутья с учетом аэродинамических сопротивлений трубопроводной системы и инжектирующего устройства.

В связи с большими габаритами струйного аппарата важным фактором, влияющим на возможность модернизации схемы снабжения холодным дутьем, является возможность его внедрения в существующую трубопроводную схему. На рис. 10

представлен фрагмент участка трубопровода с установленным инжектором, показывающий возможность реализации предложенного решения на существующей трубопроводной сети.

Результаты моделирования показывают, что газоструйный инжектор позволит обеспечить потребителей необходимым количеством дутья при максимальной разнице давлений между ДП-2 и ДП-1 [22].

Для целесообразности реализации проекта работы оборудования по модернизированной схеме была дана оценка технического эффекта.

Внедрение модернизированной схемы приведет к увеличению потребления теплоэнергии в паре на привод ТВД на 17,6 Гкал/ч и снижению потребления электроэнергии ЭВД на 5 МВт·ч (в час). В связи с тем, что на рассматриваемом предприятии тепловая доля доменного газа в составе топливной смеси ТЭЦ составляет порядка 75 %, внедрение данной схемы улучшит энергоэффективность процесса снабжения холодным дутьем доменных печей. Исходя из совокупности всех вышеперечисленных факторов, модернизированная схема имеет практический смысл

Рис. 8. Рабочие точки ТВД при работе по модернизированной схеме Fig. 8. Turbo blower operating points when working on the upgraded scheme

Рис. 9. Рабочие точки ЭВС ДП-1 при работе по модернизированной схеме

Fig. 9. Operating points of the BF-1 electric air blower when working on the upgraded scheme

Рис. 10. Фрагмент участка трубопровода с установленным газоструйным инжектором Fig. 10. Fragment of a pipeline section with an installed gas jet injector

как на рассматриваемом нами производстве, так и производстве, где имеется аналогичное оборудование.

Выводы

На основании результатов исследования существующей схемы снабжения холодным дутьём доменного цеха были выявлены недостатки и преимущества. Проработано решение, которое за счет внедрения струйного аппарата позволит реализовать схему, при которой воздуходувка сможет добавлять часть дутья на вторую печь при различных технологических режимах доменных печей. Был произведен расчет геометрических характеристик газоструйного инжектора, проведено моделирование его работы с использованием пакета программ для 3D-моделирования Solidworks Flow Simulation. Произведенная симуляция движения рабочего и инжектируемого потока доказала его функционирование. Для рассматриваемых режимов дутья были определены рабочие точки воздуходувок. Представленное техническое решение позволит наиболее энергоэффективно снабжать доменным дутьем ДП-1 и ДП-2 с сохранением надежности процесса подачи дутья во всех рабочих режимах доменных печей.