BPRT 節電升級改造技術的應用實踐

李 麗

（天津市新天鋼聯合特鋼有限公司，天津 301500）

0 引言

天津市新天鋼聯合特鋼有限公司（全文簡稱“聯合特鋼公司”）高爐在正常生產時，爐頂連續產生高溫、高壓、大流量高爐煤氣，蘊藏在爐頂高爐煤氣中的壓力能、熱能高達鼓風消耗能量的40%以上。為使聯合特鋼公司3 座1 080 m3高爐充分利用這部分余壓、余熱資源，在高爐建設初期同步配備了AV56-13+MPG6.8-260/150 同軸機組軸流壓縮機（BPRT）4 套，實行開三備一，同步配套電控系統、高速離合器、變速箱、敷設介質管線及輔助設施。該套設備將蘊藏在高爐爐頂的壓力能、熱能通過煤氣載體經透平機轉化為高爐鼓風機組軸功率減少鼓風機組電耗，實現節電目的。隨著BPRT 設備的多年使用，承缸、轉子進行了多次維修，目前靜葉、動葉片磨損較嚴重，承缸出現變形，影響機組作業率和節電性能，造成電能消耗增加，成本升高。因此，需要對設備進行攻關研究，提出可行技術解決上述問題。如果充分發揮設備潛在性能，實現吃干榨凈原則，其節能量十分可觀。

1 技術改造方案

1.1 改造前BPRT 設備的運行現狀

原透平機組的設計參數為：進口壓力pj=260 kPa（G），進口流量Qj=20 萬m3/h，進口溫度tj=150 ℃，出口壓力pc=12 kPa（G），透平輸出功率P=4 800 kW，額定轉速n=3 000 r/min。目前，高爐生產過程中產生的煤氣全部經過TRT 機組回收做功，電機為軸流機組輸出電流為364 A 左右。

透平機組因使用年限較長，經多次拆裝，轉子動葉、承缸、靜葉等磨損嚴重，影響機組節電量。

靜葉片與承缸內壁間隙過大，煤氣泄漏，做功減少，影響機組發電量。實測靜葉一級與內壁間隙5 mm，靜葉二級與內壁間隙8 mm，原設計靜葉與承缸內壁間隙標準為1.0～1.5 mm，實際靜葉與承缸內壁間隙嚴重超標，修復量太大，熔覆易變形，造成后續回裝困難，機組性能下降。

檢測承缸內徑顯示，如圖1 所示，淺色標記尺寸是原始設計尺寸，深色標記尺寸是承缸實測尺寸，進氣側內徑大5 mm，球面內徑大10 mm，排氣側內徑大14 mm。

圖1 檢測承缸內外徑尺寸

檢測承缸外徑顯示，原來承缸進氣側外徑小6 mm，排氣側外徑小4 mm，承缸內徑實測變形3 mm。

以上問題帶來后果主要有：

1）承缸進氣側、排氣側外徑太小，安裝時無法與機體配合；

2）承缸內壁沖刷磨損太嚴重，內徑過大，葉片葉根處與承缸間隙過大，通流煤氣損耗做功，透平機組節電量降低。

1.2 改造方案的實施

對4 套BPRT 機組實施節能升級改造，通過選用高效的葉型，調整靜、動葉片數量，減少機組內部氣流損失，提升機組內部的做功能力，從而達到增效節能的目的。其改造內容為：

1）減少機組內部氣流損失，將靜、動葉片頁頂間隙由原設計值1.5～2.5 mm 改造為1.2～1.8 mm。經過計算并參考以往經驗，通過減小葉頂間隙可提高節電量，每天可多節電1 500～2 000 kW·h。

2）按照動葉葉型，制作新型動葉，更換其原轉子一級、二級動葉。新型動葉葉片寬度加大，凹面弧度加大，更有利于氣流做功，并將葉根由平面改為錐面，減小葉根厚度，使每級可以多安裝3 片葉片。

3）按照新制動葉的葉型和在其他機組上的運行情況，將一級、二級動葉從原各32 片增加為各35 片，減小了通流面積，在相同的流量、壓力下，每片葉片承受的壓力以及磨損等均小于原來的32 片葉片。

4）改制和增加隔葉塊或兩半隔葉塊數量，以保證其新制動葉的安裝精度要求。預計隔葉塊或兩半隔葉塊的厚度在9.5～11 mm。為使動葉在轉子上安裝調整方便，允許將原每級動葉的兩半隔葉塊由2 組調整為3～4 組，安裝布置時每級2 組在轉子上對稱分布。

5）利用原葉片承缸更換新制一級、二級靜葉，除一、二級靜葉的葉頂間隙和葉型略有改進變化外，其余均與原機組相同。

改進型葉片葉型厚度比陜鼓原葉片厚度厚約7 mm，在強度方面要遠高于陜鼓原葉片，完全可以達到使用要求。改造前后葉片葉根和葉頂部厚度對比如圖2 所示。

圖2 改造前后葉片葉根和葉頂部厚度對比

1.3 改造內容

1）承缸體更換：包括承缸、曲拐組件、密封圈、石墨軸承、石墨軸承套。

2）靜葉片更換：包括一級靜葉24 片，二級靜葉36 片，共60 片，均采用2Cr13 材質。

3）轉子轉股磨損修復：磨損部位激光熔覆修復。

4）轉子氣封更換：包括進排氣、側氣封。

5）轉子陶瓷密封套更換：進、排氣側。

6）轉子動葉片更換：包括新型一、二級動葉各35片，共70 片，隔葉塊共70 塊，鎖緊組共6 組，動葉片及隔夜塊均采用2Cr13 材質，鎖緊組采用304 不銹鋼材質。

7）轉子做動平衡。

8）機體進排氣側氣封體。

9）因做功增加，相應對透平機推力軸承承載負荷進行校對，并進行優化調整，保證機組穩定安全運行。

1.4 工藝方案原理

工藝原理：BPRT 是利用高爐爐頂煤氣具有的壓力能和熱能，使煤氣通過透平膨脹機做功，驅動發電機發電，進行能量回收。煤氣在經過一些列閥門后進入透平入口，通過導流器使氣體轉成軸向后進入葉柵，煤氣在靜葉柵和動葉柵組成的流道中不斷膨脹做功，壓力和溫度逐級降低，并轉化為動能作用于動葉，使整個透平轉子旋轉。氣流的動能E 的計算如下：

式中：m 為氣體的質量；S 為單位時間內葉輪的掃風面積；v 為氣體的速度；ρ 為氣體密度。

在同等煤氣質量、煤氣速度、煤氣密度的情況下，改進型葉片增大了葉片內凹面，同時增加動葉數量，也就是增加葉輪的掃風面積，從而增大其氣流動能的利用率，提高透平機效率。

事實上透平機效率的計算非常復雜且繁瑣，幾乎是人工計算不可能完成的任務，本次改造采用的改進型葉片采用瑞士蘇爾壽公司的葉片計算軟件反復校核，并且已在其他鋼廠BPRT 機組上得到運用，取得了非常良好的效果。

2 改造效果

聯合特鋼公司BPRT節電升級改造技術自2020 年實施改造，于2021 年7 月全部改造完成，已運行1 年左右，從實際運行效果看，設備能夠穩定運行。通過數據跟蹤，可計算出透平機組節電效率在原有基礎上提高了12%左右，完全超出設計要求5%～6%的節能指標，實現節能量5 486 t 標煤，年增加節電效益在1 000 萬元以上，整體設計能夠滿足技術要求以及設計指標，有效提高了透平機組的作業率和節電效能，降低了生產成本。改造前后耗電數據對比如表1 所示。

表1 改造前后數據對比

3 結語

針對聯合特鋼公司4 臺BPRT 設備，經認真分析研究，成立攻關小組，并經多次外出考察，進行現場調研及充分交流溝通和計算，對現有的BPRT 進行了測繪，最終通過采用先進的工藝技術對現有葉片內的流動情況進行分析診斷。結果表明，優化設計的新型高效葉型與轉子系統、定子系統，獲得了全工況的高效的氣動性能，提高其實際運行效率，從而達到在相同進、排氣狀態下，提高了整機全工況的氣動性能的目的。該項技術的成功應用，使得聯合特鋼公司在原有節電的基礎上，能夠更加充分利用全部高爐煤氣的余壓進行節電，使得BPRT 節電效率顯著提升。