Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Использование газотурбинной установки для привода турбокомпрессора

1.1 Показатели гту при использовании их для привода турбокомпрессоров

2.1 Общая характеристика и энергетический анализ схемы

2.2 Технико-экономические показатели применения схемы

3. Особенности использования давления доменного газа при работе газотурбинной установки

3.1 Условия работы ГТУ, использующей давление доменного газа

4. Тепловой расчет газотурбинной установки

4.1 Расчет теоретических количеств воздуха и продуктов сгорания

4.2 Методика теплового расчета ГТУ

4.3 Тепловой расчет ГТУ

4.4 Расчет камеры сгорания

4.5 Расчет газовой турбины

4.6 Показатели работы на расчетном режиме

5.1 Технико-экономические показатели эффективности для схемы газотурбинной установки

5.2 Обоснование экономической эффективности модернизации

5.3 Расчет капитальных вложений в модернизацию

5.4 Расчет себестоимости энергии

5.5 Определение экономической эффективности и экономического эффекта

5.6 Основные технико-экономические показатели проекта

6. Безопасность жизнедеятельности

6.1 Анализ условий труда, опасных и вредных производственных факторов

6.2 Меры по обеспечению безопасных и здоровых условий труда

6.3 Расчет искусственного освещения в производственном помещении

6.4 Меры по обеспечению устойчивости работы, безопасности персонала в условиях чрезвычайной ситуации

7. Экологичность проекта

7.1 Защита от вредных выбросов

Введение

В настоящее время для каждого предприятия задача обеспечения и рационального использования энергетических ресурсов является определяющей. Особенно актуально «энергетический вопрос» стоит в черной металлургии. Снижение энергетических затрат путем использования различных энергосберегающих технологий - мощный резерв повышения конкурентоспособности продукции и увеличение экономического потенциала предприятия. Одним из перспективных направлений развития энергетики является применение энергосберегающих технологий на базе газотурбинных установок (ГТУ).

Целью проекта является модернизация части тепловой схемы доменного производства на основе газотурбинных технологий. На доменную печь № 4 в настоящее время дутье с паровоздуходувной станции ПВС, входящей в состав ТЭЦ-ПВС, подается с турбокомпрессоров ТК-1, ТК-6 (турбины ВКВ-22-11 и К-22-90-2М) и электрокомпрессора ЭК-7.

В настоящем проекте определяются теплоэнергетические характеристики, связанные с заменой привода одного из турбокомпрессоров на газотурбинную установку (ГТУ) такой же мощностью. Топливо - доменный газ, который идет от доменной печи.

В проекте необходимо решить следующие задачи:

-проанализировать, охарактеризовать различные варианты схем установки;

- определить теплотехнические характеристики использования доменного газа, требующееся количество сопутствующего воздуха;

- рассчитать оборудование тепловой схемы ГТУ (газовая турбина, камера сгорания, компрессор);

- определить энергетические, технико-экономические показатели ГТУ;

- оценить эффективность использования доменного газа для работы ГТУ.

1. Использование газотурбинной установки для привода турбокомпрессора

1.1 Показатели гту при использовании их для привода турбокомпрессоров

Газотурбинные установки (ГТУ) могут использоваться для выработки электроэнергии. Однако вырабатываемую ими механическую энергию возможно применять и для привода, например, доменных турбовоздуходувок.

Экономия топлива (в условном выражении) при этом будет больше, чем при выработке электроэнергии, так как отпадают потери в электрической части (КПД генератора и трансформации энергии). Кроме того, экономия топлива будет больше еще и потому, что энергия, вырабатываемая ГТУ, замещает не электроэнергию от тепловой электростанции, имеющей удельный расход тепла около 9650 кДж/(кВт·ч), а механическую энергию, вырабатываемую, например, паротурбинным приводом доменной воздуходувки, при котором удельный расход тепла на муфте воздуходувки составляет порядка 11724 кДж/(кВт·ч) [1, с. 215].

В связи с тем, что ГТУ позволяет снизить выработку энергии на заводской ПВС, возникает экономия топлива:

ДQгод = ДЭгод · qэ.с ,кДж.

При этом экономия получается больше, чем при расчете по мощности ГТУ и разности удельных расходов тепла на ГТУ и на тепловой электростанции. В конечном итоге использование ГТУ для привода турбокомпрессоров избавляет от необходимости применять в данной заводской энергосистеме сравнительно малоэкономичную заводскую приводную энергетическую установку. Таким образом, если привод турбокомпрессора будет осуществляться от ГТУ, то экономия топлива будет определяться по вышеприведенной формуле с поправкой на исключение КПД генератора и потери в электрической части.

Возможны два варианта использования ГТУ для привода доменного турбокомпрессора.

1. ГТУ устанавливают в качестве дополнительного двигателя на вал компрессора, для которого основным служит паротурбинный или другой приводной двигатель.

2. ГТУ используется как единственный приводной двигатель компрессора. Для обеспечения необходимой мощности к ней подводится сжатый газ от печей. При этом одна часть доменных турбокомпрессоров на заводе приводится только при помощи ГТУ, а другая - только паровыми турбинами и др.

Рассмотрим основные преимущества и недостатки первого варианта. Установка на вал агрегата увеличит его длину минимум на 2,5 - 3 м и потребует увеличения машинного зала. Подводящие и отводящие газопроводы большого диаметра с запорными органами ухудшат разводку и размещение воздухопроводов и т. п. Необходима будет прокладка газопроводов под давлением к воздуходувной станции от печи, что удорожит установку. В машинный зал воздуходувной станции будет введен агрегат с токсичным и взрывоопасным рабочим телом (доменный газ), что потребует ряда мер, обеспечивающих безопасность для обслуживающего персонала. Во время значительных снижений давления газа и при разных неполадках установка превратится в тормоз на валу агрегата, отключение которого возможно только при остановке агрегата, обратное включение установки также потребует остановки агрегата. Дополнительная установка на вал паротурбовоздуходувного агрегата снизит его надежность, к которой вследствие специфических условий доменного производства предъявляются особые требования. Чтобы установка могла разгрузить паровую турбину, давление газа перед ней должно быть не менее определенного в зависимости от схемы и параметров. Чтобы обеспечить такое давление газа при пусках, мощность турбины должна быть почти такой же, как при отсутствии установки. Такая мощность паротурбинного привода требуется и для быстрого восстановления давления доменного газа после кратковременного резкого его снижения (переход на моторный режим). Таким образом, не будет снижения общей стоимости паротурбовоздуходувки, зато большую часть времени в году при нормальной работе загрузка паровой турбины будет низкой. Установка на вал возможна только при новых специально для этого запроектированных паротурбовоздуходувных агрегатах и потребует больших размеров машзалов, что для действующих воздуходувок невозможно. Исключение электрической части, а также отсутствие отдельного помещения снижают первоначальные затраты. Однако эта экономия сводится к минимуму, а в ряде случаев может быть даже перекрыта увеличением стоимости протяженных газопроводов и других сооружений, связанных с установкой в машинном зале ПВС, а также удорожанием строительной части машинного зала благодаря установке в нем более длинных агрегатов. Машинный зал ПВС отличается гораздо большим пролетом, высотой фундаментов, подкрановых путей и перекрытий, чем помещение для установки при раздельной их установке. Поэтому увеличение его кубатуры вследствие установки более длинных агрегатов может превысить кубатуру помещений при отдельной их установке. Кроме того, при определении суммарных первоначальных затрат по сравниваемым вариантам необходимо учитывать еще расходы на дополнительную установленную мощность в энерге тической системе, потребность в которой возникает при переводе с привода электрогенераторов на привод воздуходувок. Стоимость паровоздуходувок в обоих вариантах будет, как было показано выше, практически одинаковой.

Таким образом, использование устанвоки в качестве дополнительного двигателя для привода доменных турбокомпрессоров усложняет эксплуатацию установки и снижает надежность паротурбокомпрессоров, не давая ощутимых экономических преимуществ.

Рассмотрим показатели второго варианта, при котором доменный турбокомпрессор приводится только от газотурбинной установки, получающей газ от нескольких печей. Энергетические показатели этого и предыдущего вариантов будут одинаковыми, так как одинаковыми будут суммарные мощности установки и паровых приводных турбин. Примерно одинаковы и экономические показатели. Большим недостатком второго варианта является то, что установка должна получать газ от других печей. Давление газа на разных печах может длительно различаться на довольно большую величину. При этом перед установкой придется поддерживать давление газа таким же, как на печи, работающей с самым низким давлением, а газ от других печей перед турбиной дросселировать. Мощность установки резко снизится, особенно если конструкция турбины не будет рассчитана на изменение газодинамической характеристики на ходу. Связанные с этим энергетические потери крайне ухудшают показатели такого варианта, и делают его применение нецелесообразным.

Выход и давление газа, как выше отмечалось, подвержены довольно сильным колебаниям и часто значительно отличаются от проектных. В этих условиях установка, являющаяся единственным приводом доменных воздуходувок, должна быть рассчитана на какой-то гарантированный минимум расхода и давления, а остальной газ должен использоваться в буферной установке, которая будет работать очень неэффективно из-за резко переменного режима, или сбрасываться через дроссельное устройство.

Аналогично нельзя использовать давление газа или его расход, превышающие гарантированные, при которых установка уже разовьет мощность, необходимую для привода воздуходувки.

Для надежной подачи дутья желательно требуется некоторое количество резервных воздуходувок, например, паровых турбин с приводом не от ГТУ.

То,что мощность установки будет ограничиваться мощностью воздуходувки, а количество и параметры рабочего тела перед ней останутся неизменными или будут изменяться по другим законам (например, когда мощность воздуходувки изменяется из-за климатических условий), приведет к необходимости особого регулирования установки и большим потерям потенциальной энергии доменного газа. Таким образом, установка будет работать с учетом реальных условий и переменных режимов работы.

Возможны и другие схемы, в которых приводом доменной воздуходувки служат установка (работающая на газе, поступающем от печи, обслуживаемой данной воздуходувкой) и электродвигатель, находящийся на одном валу с ней. Экономия топлива при этой схеме будет больше только на величину потерь в электрической части, да и то лишь при расчетном максимальном режиме, а при всех других режимах, то есть фактически все время в году, будет наблюдаться большой перерасход энергии на привод воздуходувки из-за невозможности регулировать ее работу изменением числа оборотов. Эта потеря особенно велика при работе печи с повышенным давлением газа, и мощность электродвигателя, с учетом сказанного, должна быть большой. Схема с установкой, установленной на одном валу с электродвигателем, может оправдаться лишь в том случае, когда доменная турбовоздуходувка снабжена электроприводом. В этом случае установка на вал электровоздуходувного агрегата дополнительных потерь не вызывает. Остаются отмеченные при рассмотрении первого варианта режимные и эксплуатационные недостатки (тормозящее действие при пониженных давлениях газа, ввод токсичного и взрывоопасного рабочего тела в помещение электровоздуходувок и др.). Первоначальная стоимость самой воздуходувной станции при электроприводе будет ниже, чем при паро- или газотурбинном, однако при нем появятся дополнительные затраты в энергетической системе на установку соответствующей электрической мощности и развитие сетей. В итоге электропривод заметного снижения суммарных первоначальных затрат не дает и даже может привести к их увеличению.

Жесткая связь бескомпрессорных газотурбинных установок с воздуходувками приведет к большим энергетическим потерям, превышающим выгоды от исключения потерь в электрической части в случае работы их на электрогенератор и теоретически более высокой экономии топлива. Использование бескомпрессорных газотурбинных установок для привода доменных турбокомпрессоров не перспективно. Оно не может сколько-нибудь существенно улучшить ни энергетических, ни экономических показателей использования избыточного давления доменного газа, снижает надежность и усложняет условия эксплуатации, особенно при неизбежных отклонениях фактических режимов работы агрегатов от проектных.

Положение существенно изменится при применении для привода воздуходувок компрессорных ГТУ, работающих на доменном газе в качестве рабочего тела (“схема использования давления доменного газа в компрессорных газотурбинных установках”). В связи с этим, далее необходимо рассмотреть соответствующие показатели таких установок.

1.2 Принципиальное описание схемы использования давления доменного газа в компрессорных ГТУ

С повышением температуры газа перед турбиной мощность ее на располагаемом количестве сжатого газа быстро растет. Однако экономически оптимальные значения tн.т для ГТУ при начальных давлениях газа рн.у = 200 - 300 кН/м2 значительно ниже, чем у установок, имеющих значительно более высокие начальные давления. Поэтому целесообразно повысить давление газа до значения, при котором будет иметь место оптимальная степень расширения его в турбине при возможно высокой температуре подогрева газа перед ней. Каждому значению температуры газа перед турбиной соответствует определенная оптимальная степень сжатия для конкретной схемы ГТУ.

Принципиально рассматриваемую схему можно осуществить, направив сжатый доменный газ в качестве рабочего тела в обычную ГТУ, из компрессора которой удалена часть ступеней, сжимавших воздух как раз до того давления, под которым доменный газ подается к компрессору. Характеристики такой схемы рассматриваются ниже.

1.3 Привод турбокомпрессора компрессорным газотурбинным двигателем, использующим доменный газ в качестве рабочего тела

Выше было показано, что основным недостатком использования бескомпрессорных газотурбинных установок для приводов турбокомпрессоров является быстрое снижение их мощности (при постоянно наблюдаемых падениях давления газа), требующее применения дополнительных двигателей и других мер, усложняющих и удорожающих установку.

Указанный недостаток можно в значительной степени ликвидировать применением в качестве приводных двигателей компрессорных ГТУ с “разрезным” валом (см. схему), при котором, меняя число оборотов компрессорного вала ГТУ, можно увеличить подачу и поддержать этим мощность газовой турбины на необходимом для приводного механизма уровне.

Такая схема будет характеризоваться высокими энергетическими (экономия топлива) и экономическими показателями при использовании ее для выработки электроэнергии. В случае применения ее для привода доменного турбокомпрессора энергетические показатели возрастут, и еще больше повысятся ее экономические показатели. Экономия топлива будет определяться по вышеприведенной формуле.

Это связано с тем, что при выработке электроэнергии ГТУ, действующая по такой схеме, замещает соответствующие электрические мощности на тепловой электростанции, стоимость эксплуатации которой благодаря крупным единичным мощностям и высоким параметрам пара низка. В случае же привода доменной воздуходувки газотурбинной установкой по рассматриваемой схеме она замещает паротурбинную часть ПВС, на которой устанавливают конденсационные турбины, рассчитанные на средние параметры пара. Для мощных приводных турбин необходимо применение пара с высокими параметрами, однако в связи с небольшой мощностью турбин и тем, что среднегодовая нагрузка их значительно ниже номинальной, такое увеличение параметров может дать значительно меньший эффект, чем при крупных машинах.

Если не требуются дополнительные электрогенерирующие мощности, то устанавливать турбины для привода крупных доменных турбокомпрессоров необходимо. Это связано с тем, что работа на электроприводе этих турбокомпрессоров из-за крупных единичных мощностей и невозможности экономичного изменения числа оборотов экономически не оправдывается.

Установка на воздуходувных станциях ГТУ по рассматриваемой схеме дает большой снижение первоначальных затрат, резко сокращает объемы строительных и монтажных работ (из-за отсутствия паропроводов и пр.), число обслуживающего персонала, расход охлаждающей воды и др. Стоимость газотурбинных установок ниже паротурбинных, меньше при них и текущие расходы.

Известно, что при работе ГТУ на доменном газе в качестве рабочего тела полезная мощность агрегата при тех же размерах проточной части резко возрастает. Почти пропорционально возрастанию мощности будет снижаться стоимость установленного 1 кВт. В итоге приводные агрегаты по рассматриваемой схеме обходятся гораздо дешевле и меньше по габаритам, чем обычные приводные ГТУ, и должны быть значительно экономичнее не только обычных газотурбинных, но и паротурбинных приводов.

Укажем условия работы приводных ГТУ по рассматриваемой схеме при переменных режимах.

Давление газа в печи создается доменной воздуходувкой, поэтому между давлением доменного газа на выходе из печи и требующимся давлением дутья (на воздуходувке) существует определенная зависимость.

Известно, что если выбрать ГТУ по рассматриваемой схеме, чтобы она обеспечивала необходимую мощность доменной воздуходувки при расчетном давлении газа, то при падении давления газа ниже расчетного развиваемая ГТУ мощность будет уменьшаться быстрее, чем потребная мощность воздуходувки.

Недостаточная мощность ГТУ может быть повышена увеличением числа оборотов ее компрессорного вала, при котором возрастут массовая подача доменного газа и давление его перед турбиной. Но для этого требуется, чтобы конструкция ГТУ допускала необходимое повышение числа оборотов компрессорного вала. Следовательно, для обеспечения равенства мощностей ГТУ и приводимого компрессора при падении давления газа необходимо конструировать ГТУ так, чтобы при каком-то более низком давлении газа перед установкой число оборотов компрессорного вала снижалось до значения, обеспечивающего равенство мощностей ГТУ и воздуходувки. Для обеспечения необходимого баланса мощностей при колебаниях давления газа перед установкой необходимо иметь возможность изменять число оборотов компрессорного вала в пределах 75 - 100 % от максимального. Такие пределы изменения числа оборотов вполне допустимы как с точки зрения вибрационных характеристик, так и условий обеспечения достаточно высокого внутреннего КПД турбины. Если ГТУ должна обеспечить мощность, необходимую доменной воздуходувке и при низких давлениях доменного газа, как при полном исчезновении избыточного давления, то необходимый диапазон изменения числа оборотов возрастает до 75 - 100 % от максимального.

Выполнить агрегат на такой диапазон изменения числа оборотов трудно с точки зрения виброхарактеристик и обеспечения высоких КПД при нормальных режимах работы. Кроме того, агрегат станет дороже, так как элементы ротора должны быть по прочности рассчитаны на максимальное число оборотов, а работать будут с гораздо более низким.

Решение о том, на какой диапазон числа оборотов может быть сконструирована ГТУ без ущерба для ее экономичности при работе на нормальных режимах, а также надежности, может быть принято заводом-изготовителем самой машины.

Давление газа на печи может в любое время неожиданно и резко снизиться. Как правило, такое снижение кратковременно. Остановка приводной ГТУ из-за дебаланса мощностей недопустима. Кратковременная замена ее резервной воздуходувкой неприемлема. В связи с этим необходимо рассмотреть прочие способы (помимо изменения числа оборотов), позволяющие обеспечить необходимый подвод мощности к воздуходувке и в случаях самых резких падений давления газа.

Самым простым из таких способов является подвод доменного газа от других доменных печей.

Расчеты показывают, что даже при простейшей схеме приводной ГТУ, без промежуточных охлаждения и подогрева и сравнительно умеренной температуре газа перед турбиной, расход доменного газа на приводную ГТУ составит менее 50 % от общего выхода газа из печи (при нормальном для атмосферного дутья отношении выхода газа к расходу дутья около 1,35 м3/м3). Поэтому даже если все воздуходувки будут оборудованы приводными ГТУ, то и в этом случае можно подавать газ от соседних печей.

Допускается устройство соединительных газопроводов на стороне чистого газа. Системы газопроводов чистого доменного газа будут разделены поворотными или другого рода быстродействующими запорными органами, от которых не требуется высокой плотности. Небольшая возможная перетечка газа из системы одной печи в другую не нанесет заметного ущерба и будет, во всяком случае, меньше, чем утечка газа через обычное дроссельное устройство печи (меньше разность давлений газа). Каждая ГТУ может быть отделена от заводской магистрали чистого газа высокого давления обратными клапанами, высокая плотность которых также не обязательна. Для плотного отключения систем газопроводов отдельных печей в периоды ремонтов и пр. должны устанавливаться запорные органы (листовые задвижки и др.).

Если получить сжатый доменный газ от других печей нельзя (работает только одна печь), то недостающую мощность от ГТУ при больших падениях даения газа можно восполнить путем установки вспомогательного электродвигателя на вал доменной воздуходувки. Этот двигатель с электрической стороны отключен, так что расход энергии на его вращение будет невелик. Включаться он будет только тогда, когда число оборотов воздуходувки станет ниже величины, принятой для данного случая. При работе с электродвигателем на некоторых режимах (когда давление доменного газа минимально) доменный турбокомпрессор будет работать с большей, чем нужно, скоростью вращения (синхронной), и его придется регулировать дросселированием на всасывании. Поскольку суммарная длительность режимов с очень низким давлением газа будет составлять не более нескольких процентов годового времени, степень экономичности способа, которым обеспечивается работа установки при резких понижениях давления газа, принципиального значения не имеет. Для больших доменных печей необходимая мощность дополнительного электродвигателя будет составлять около 25 % от мощности воздуходувки.

Полезная мощность ГТУ должна быть достаточной для привода доменного компрессора. Себестоимость приводной ГТУ будет в несколько раз меньше себестоимости паротурбинного привода с котельной системой водоснабжения.

Длина воздуходувного агрегата с ГТУ будет практически такой же, как с паровой турбиной. Поэтому машинный зал воздуходувной станции при рассматриваемом типе газотурбинного привода потребуется практически такой же, как при паротурбинном приводе. Но при этом не надо котельной, деаэраторных этажерок, градирен, дымовых труб. Коэффициент полезного действия ГТУ при работе на атмосферном воздухе составляет порядка 25 %. У приводной ГТУ, построенной по схеме с такими же параметрами и характеристиками компрессора и турбины, КПД составит около 50 %.

Экономия топлива по заводу в целом не будет пропорциональна повышению КПД привода, так как использование избыточного давления газа в приводной ГТУ исключает применение его для выработки электроэнергии. Оценочные расчеты показывают, что в случае приводной ГТУ по рассматриваемой схеме себестоимость дутья должна быть примерно на 30 % ниже, чем при паротурбинном приводе.

Известно, что серийные ГТУ не могут быть просто переведены на работу на сжатом доменном газе. Для рассматриваемой схемы должны быть созданы ГТУ специальных типов. Поэтому оценочные расчеты могут служить только для оценки габаритов, стоимостей и КПД приводных ГТУ по рассматриваемой схеме.

При высоком видимом КПД приводной ГТУ по рассматриваемой схеме (порядка 50 %) количество сжигаемого в ней доменного газа будет сравнительно невелико и составит в зависимости от теплоты сгорания газа до 10 % от всего выхода газа из печи.

Такой расход газа на приводную ГТУ допустим даже в случае с напряженным газовым балансом. При этом в камере сгорания (смешивающем подогревателе) можно сжигать любой другой газ (природный, коксовый) или жидкое топливо. При этом, как отмечалось, балластирование доменного газа продуктами сгорания будет даже меньше. Таким образом, даже напряженный баланс доменного газа не будет препятствием к применению рассматриваемых типов природных ГТУ.

Для сжигания топлива в камере сгорания ГТУ нужен воздух, сжатый до давления несколько более высокого, чем давление доменного газа в этом месте. Этот воздух будут сжимать в специальном компрессоре, который может быть индивидуальным или групповым. Сажать его на вал приводной ГТУ нерационально, так как оба вала ГТУ работают с переменным числом оборотов, а воздушный компрессор должен давать почти одинаковое давление доменного газа при всех режимах. В связи с тем, что мощность воздушного компрессора потребуется невелика (около 10 % от полезной мощности ГТУ), по-видимому целесообразно будет оборудовать его электроприводом. Независимый электропривод также облегчит пуск установки.

Пуск рассматриваемой приводной ГТУ может осуществляться двумя путями:

а) пропуском сжатого доменного газа через турбину с зажиганием факела после достижения устойчивого потока в камере сгорания;

б) раскруткой от воздушного детандера, в который воздух будет подаваться от воздушного компрессора, сжимающего воздух, необходимый для горения. Этот способ аналогичен применяемому на магистральных газопроводах, где ГТУ запускают детандером, работающим на сжатом природном газе. Таким детандером снабжены многие ГТУ.

Расход доменного газа через ГТУ, служащий приводом доменной воздуходувки, составляет до 50 % от обшего выхода его из печи и мало зависит от изменений давления газа перед установкой. Объясняется это тем, что при понижении давления газа перед установкой скорость вращения компрессора увеличивается так, что давление газа перед турбиной остается почти таким же (падает только КПД). Следовательно, даже остаются еще достаточные ресурсы доменного газа подачи в аналогичные приводные ГТУ компрессоров других установок. То есть остающиеся 50 % доменного газа могут быть с большим энергетическим и экономическим эффектом использованы в приводных ГТУ компрессоров разных установок. Например, на крупных кислородных установках до 70 % себестоимости кислорода составляют расходы на привод компрессоров, и применение рассматриваемых приводных ГТУ позволит значительно снизить себестоимость кислорода, что для металлургии имеет большое значение.

Выводы по главе

Обосновано, что компрессоры мощных установок, которыми являются доменные турбокомпрессоры, целесообразно оборудовать турбинным, а не электрическим приводом. Применение рассматриваемой “схемы использования избыточного давления доменного газа в компрессорной газотурбинной установке” для привода турбокомпрессора перспективно. Оно дает больший экономический эффект, чем использование избыточного давления на выработку электроэнергии, даже при наиболее экономичных схемах. Имеющийся прогресс в газотурбиностроении позволяет применить высокоэкономичную, надежную и недорогую ГТУ для привода доменного турбокомпрессора.

3.1 Условия работы ГТУ, использующей давление доменного газа

Характерной особенностью газотурбинной установки (ГТУ), использующей избыточное давление доменного газа, является то, что условия ее работы целиком определяются эксплуатационным режимом доменной печи, от которого зависит расход газа, его давление, температура и состав. Режим работы печи зависит от многих факторов и специфических условий заводского производства. Его устанавливают технологи, исходя из интересов доменного производства. Таким образом, количество и параметры рабочего тела ГТУ определяются в каждый данный момент не ее потребностью, а условиями доменного производства. Этим они резко отличаются от станционных энергетических установок, например паротурбинных, на которых производительность котла и параметры пара регулируются по потребности турбины.

Выход, состав, давление и температура доменного газа могут меняться. Повышение температуры дутья, его увлажнение, обогащение кислородом, ввод природного газа в печь, повышение давления газа, применение офлюсованного агломерата и т. п. влияют на выход и состав газа.

Сильно отражается на технико-экономических показателях установок работа их по режимам, отличающимся от расчетных. Это происходит как вследствие изменения технологии доменной плавки или режима работы печи, так и вследствие того, что газовая турбина и другое оборудование может иметь только ограниченное число типоразмеров.

Поэтому конструкция турбины, подогревателей и другого оборудования установки выбрана обязательно с учетом возможного изменения расхода газа и изменения его состава и параметров. В противном случае технико-экономические показатели установки будут пониженными, они могут даже стать нерентабельными.

Установка ГТУ не оказывает непосредственного влияния на работу доменной печи, так что сооружение ее преследует только технико-экономическую цель. Чтобы получить экономический эффект от применения установки, она не должна снижать надежности работы печи, так как даже незначительные отклонения на печи по вине ГТУ резко снизят получаемую экономию. Это обстоятельство учитывается при составлении схемы установки ГТУ и оборудования.

В практике работы доменных печей бывают кратковременные (на несколько минут) резкие снижения давления газа. При полном прекращении дутья печь и вся ее система (пылеуловители, скрубберы, электрофильтры, газоходы и др. должны находиться под давлением газа из общезаводской магистрали, чтоб предупредить проникновение атмосферного воздуха (например, через загрузочное устройство и др.) в наполненные газом емкости, что может привести к взрыву. Поэтому предусматриваются соответствующие коммуникации.

Иногда для улучшения схода шихты в печи (то есть осадки печи) на короткое время, но резко снижают подачу в печь дутья, сбрасывая его через специальный клапан-снорт, потом дутье быстро восстанавливается. Сброс дутья через снорт может повторяться несколько раз. Иногда снижают в той или иной степени давление газа к концу выпуска чугуна. Снижение или прекращение подачи дутья приводит к немедленному снижению или прекращению выхода газа и снижению давления его как в самой печи, так и по всему тракту от печи до общезаводской магистрали, в том числе и перед ГТУ. В моменты сильного снижения давления или расхода газа количество и параметры рабочего тела могут не обеспечить даже холостого хода ГТУ. В эти моменты электрогенератор ГТУ, работающий синхронно с другими заводскими генераторами и системой, будет переходить на моторный режим или отключаться. При известной конструкции ГТУ и работе генератора на моторном режиме возможно создание разрежения перед ней, что особенно опасно из-за проникновения воздуха в газ. Возможно изменение направления осевого усилия в турбине. При работе генератора на моторном режиме газ в ГТУ довольно быстро и сильно нагревается.

Отключать генератор при каждом, даже самом кратковременном, резком падении давления или расхода газа ниже значений, обеспечивающих только холостой ход, весьма нежелательно, так как потом надо будет снова запускать турбину и синхронизировать генератор. У ГТУ холостой ход наступает при снижении расхода газа до 40 % от расчетного (при той же температуре газа перед турбиной). В случае смешивающего подогрева, когда в газ подается воздух, необходимо при особо резких снижениях расхода газа гасить факел во избежание опасности образования взрывчатой смеси. Гашение факела или резкое снижение температуры подогрева газа может вызывать резкие изменения температур элементов оборудования (газопроводов, ротора и других частей турбины, регенератора и др.) и вызывать тепловые деформации, которые могут привести к серьезным неполадкам.

В дроссельном устройстве печи обычно делается три регулирующих клапана, из которых два с дистанционным ручным управлением и один с автоматическим, осуществляемым от регулятора давления газа, а одно постоянно открытое отверстие. Для колебаний выхода газа из печи такое устройство себя оправдывает. При установке ГТУ необходимо закрыть постоянное отверстие и перевести на автоматическое управление два клапана. При нормальной работе весь газ будет идти через ГТУ, и все три клапана дроссельного устройства печи будут закрыты. В случае какой-либо неполадки газовая турбина своими защитными устройствами будет немедленно отключена по газу, а весь газ будет сбиваться через дроссельное устройство печи. Если в ГТУ предусмотрен поверхностный подогреватель, то в моменты прекращения выхода газа появляется опасность пережога его трубок.