引言

根據(jù)《中華人民共和國節(jié)約能源法》（2018年修正本），年綜合能源消費總量1萬t標準煤（相當于耗電量8130萬kWh）以上的用能單位被列為重點用能單位。某銅冶煉廠制酸用單臺二氧化硫（SO2）風機（風量Q=240000 m3/h，升壓63 kPa），功率達到5600 kW，單臺設備一年用電量達到4400萬kWh。而制氧站所用的單臺離心空壓機（排氣量Q=210000 m3/h，壓力360 kPa）功率則達到了17000 kW，單臺設備一年用電量更是超過1.3億kWh，可見耗電量非常大，銅冶煉企業(yè)節(jié)能降耗的意義顯得尤其重要。本文介紹了汽電雙驅技術的發(fā)展由來以及現(xiàn)狀，通過蒸汽利用方案的對比，論述了汽電雙驅拖動技術在銅冶煉節(jié)能降耗中的優(yōu)勢，以及在不同銅冶煉工藝條件下的適應性，比較了汽電雙驅系統(tǒng)的不同軸系配置特點，其多種運行模式可以滿足用戶不同的功能需求，表明汽電雙驅系統(tǒng)具有較強的靈活性和適應性。

1.   汽電雙驅技術的發(fā)展由來及現(xiàn)狀

1.1   電拖系統(tǒng)

目前，驅動設備運轉最常用的原動機是各類交流電動機，即電拖系統(tǒng)。從發(fā)電廠開始算起，電動機拖動負載的過程，實際上需經(jīng)歷四次能源轉化過程，即化學能（或核能）轉化為熱能（蒸汽），蒸汽的熱能轉化為汽輪機的機械能，汽輪機的機械能再轉化為發(fā)電機的電能，發(fā)電機的電能又轉化為電動機的機械能。在每次的轉化過程中不可避免存在各種效率損失，從而造成了能源的浪費。

1.2   純汽拖系統(tǒng)

基于電拖系統(tǒng)效率損失大，造成能源浪費的問題，在某些具有合適蒸汽源的工廠，會直接采用汽輪機拖動負載，省掉了機械能轉化為電能，電能又轉化為機械能的中間過程，直接由熱能轉化為機械能來拖動負載，大大提高了能源轉化的效率。這種拖動方案即為純汽拖系統(tǒng)，用汽輪機代替電機作為唯一原動機來拖動負載。

1.3   汽電雙驅拖動系統(tǒng)

在很多行業(yè)，蒸汽源一般是通過高溫爐窯連接的余熱鍋爐產(chǎn)汽，并且是工藝用汽后剩余的富余蒸汽，但這些汽源具有蒸汽量不恒定，隨工藝變化而突發(fā)性波動的特點。如果采用這類汽源的蒸汽來驅動汽輪機并直接拖動負載，可能造成某時段因汽輪機出力不足等問題引發(fā)整個生產(chǎn)系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而造成不可估量的損失。為了節(jié)約能源，同時解決純汽拖系統(tǒng)不穩(wěn)定問題，發(fā)展了汽電雙驅系統(tǒng)。汽電雙驅系統(tǒng)是將汽輪機、電機與被拖動的負載同軸連接布置，實現(xiàn)2種原動機聯(lián)合驅動同一負載。該系統(tǒng)的2種原動機互為備用，既可單獨驅動，又能聯(lián)合驅動，通過電機對汽輪機的補功可以很好的解決短時或偶發(fā)的汽源波動問題。

1.4   汽電雙驅技術的發(fā)展現(xiàn)狀

汽電雙驅技術在水泥行業(yè)[1]和電力[2−4]等行業(yè)均有廣泛運用。在鋼鐵行業(yè)，李文瑞等[5]研究了汽電雙驅機組在氬氧精煉爐（AOD爐）高溫煙氣余熱回收項目中的工程應用，表明汽電雙驅機組具有運行經(jīng)濟性好，靈活性較高，汽輪機汽耗率較低等特點，可顯著增加AOD爐余熱回收項目的工程效益。在銅冶煉行業(yè)，孟繼軍等[6]和袁劍平[7]介紹了國產(chǎn)化汽電雙驅空增壓一體機組的成功應用案例，機組具有結構緊湊，高效節(jié)能的特點。汽電雙驅拖動技術已被列入《國家工業(yè)節(jié)能技術應用指南與案例（2020）》之二：冶金行業(yè)節(jié)能改造技術。

2.   銅冶煉蒸汽利用節(jié)能方案及對比

2.1   銅冶煉蒸汽產(chǎn)汽情況

在銅冶煉中，冶煉主工藝、硫酸工藝生產(chǎn)過程中均存在大量的余熱，即冶金爐高溫煙氣余熱、硫酸干吸工序余熱及轉化工序余熱；冶金爐高溫煙氣采用余熱鍋爐進行余熱回收生產(chǎn)6.0 MPa中壓飽和蒸汽，硫酸干吸工段低溫熱回收系統(tǒng)（HRS）和轉化四段回收余熱生產(chǎn)1.25 MPa飽和蒸汽。

2.2   蒸汽利用節(jié)能方案及對比

2.2.1   蒸汽余熱發(fā)電利用節(jié)能方案

2019年以前投產(chǎn)的銅冶煉項目，常規(guī)做法是將熔煉余熱鍋爐和吹煉余熱鍋爐所產(chǎn)的中壓（6.0 MPa）飽和蒸汽，送余熱發(fā)電站進行發(fā)電，并網(wǎng)后再回到電網(wǎng)中進行設備的電力驅動，如圖1所示。

同樣，硫酸系統(tǒng)中的轉化余熱鍋爐和HRS低溫回收裝置所產(chǎn)的低壓（1.25 MPa）飽和蒸汽，全部進入全廠1.25 MPa蒸汽管網(wǎng)，除直接用于全廠低壓蒸汽工藝消耗外，富余部分的低壓飽和蒸汽全部進入余熱發(fā)電機組利用壓差進行發(fā)電，并網(wǎng)后再回到電網(wǎng)中進行設備的電力驅動，如圖2所示。

2.2.2   蒸汽直接驅動負載利用節(jié)能方案

自從2019年“側吹熔煉+多槍頂吹吹煉”（簡稱“側+頂”）工藝的銅冶煉項目投產(chǎn)成功后，新上的銅冶煉項目大多數(shù)將熔煉余熱鍋爐和吹煉余熱鍋爐所產(chǎn)的6.0 MPa中壓飽和蒸汽，送入硫酸轉化一段過熱為5.5 MPa（400 ℃）的過熱蒸汽，直接用于驅動大功率的制氧空壓機或制酸SO2風機。當中壓過熱蒸汽不足以同時承擔驅動制氧空壓機和制酸SO2風機時，優(yōu)先考慮用于驅動更大功率的制氧空壓機，如圖3所示。

而硫酸系統(tǒng)中的轉化余熱鍋爐和HRS低溫回收裝置所產(chǎn)1.25 MPa低壓飽和蒸汽，全部進入全廠1.25 MPa蒸汽管網(wǎng)，除直接用于全廠低壓蒸汽工藝消耗外，富余部分的低壓飽和蒸汽過熱后，直接用于拖動SO2風機，如圖4所示。一般情況，低壓蒸汽拖動SO2風機后仍有富余，則可以利用汽電雙驅機組中的電機同時作為發(fā)電機來用，直接向廠區(qū)電網(wǎng)進行輸送電能，既不需要新建余熱發(fā)電設備，也不需要“上網(wǎng)并網(wǎng)費”，可謂一舉兩得，是目前正在推廣的技術。

2.2.3   銅冶煉蒸汽利用方案對比

蒸汽用來發(fā)電和蒸汽用來拖動負載兩種蒸汽利用方案的投資主要包括廠房投資和設備投資兩項固定資產(chǎn)投資。廠房投資方面，蒸汽用來發(fā)電方案的廠房投資更高，因為該方案需要分別建設負載（如制氧空壓機或SO2風機）所在地廠房，還需另建設余熱發(fā)電廠房，而蒸汽用來拖動負載方案僅需建設一個廠房。設備投資方面，蒸汽用來拖動負載方案因設備數(shù)量更多，其設備投資要略高。綜合而言，兩種方案的固定資產(chǎn)投資基本相當，兩種方案都是目前運行成熟可靠的方案，維護成本低。表1是以上兩種蒸汽利用方案的運行情況對比。

根據(jù)上述表中數(shù)據(jù)，電價按0.6元/kWh，機組年運行時間按8000 h，人員平均年收入按10萬元，上述計算不包含蒸汽汽耗率差異帶來的經(jīng)濟效益差距。從機組運行角度，產(chǎn)生的主要經(jīng)濟效益分析如下：

（1）能耗經(jīng)濟效益

方案2比方案1每小時節(jié)約能耗為：1888–826＝1062（kW）。

方案2每年節(jié)約的能耗經(jīng)濟效益為：1062 kW×0.6元/kWh×8000 h≈510萬元。

（2）運營經(jīng)濟效益

方案2比方案1每年減少的人工成本為：（36–18）人×10萬元/人＝180萬元。

（3）上網(wǎng)差價

方案2比方案1每年減少的上網(wǎng)差價為：0.03元/kWh×23600 kW×8000 h=566萬元。

綜合以上計算，方案2比方案1每年多產(chǎn)生經(jīng)濟效益為：510+180+566=1256（萬元），可見汽電雙驅方案對企業(yè)具有較好的直接經(jīng)濟效益，而且還極大減小了企業(yè)的用電量，從源頭上減少了能源消耗，對國家節(jié)能減碳的貢獻更是成效顯著。

3.   不同銅冶煉工藝的汽電雙驅拖動系統(tǒng)選擇

目前廣泛使用的銅冶煉工藝主要有“閃速熔煉+PS轉爐吹煉”工藝[8]、“閃速熔煉+閃速吹煉”工藝[9]（簡稱“雙閃”工藝）和“側吹熔煉+多槍頂吹吹煉”工藝[10]（簡稱“側+頂”工藝）這3種工藝。汽電雙驅拖動系統(tǒng)主要存在于“側+頂”工藝的銅冶煉工藝中，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是銅冶煉工藝本身的特點導致的。下面對汽電雙驅拖動技術與這3種工藝的適應性進行分析。

3.1   “閃速熔煉+PS轉爐吹煉”工藝

在這種工藝中，雖然閃速熔煉爐的煙氣量穩(wěn)定，但因PS轉爐為間歇式工作（不能連續(xù)送風）的特點，進而造成余熱鍋爐產(chǎn)汽波動，導致混合后的產(chǎn)汽量波動頻繁，工藝用汽后剩余的富余蒸汽也頻繁波動且有規(guī)律。因此在這種工藝條件下，如果采用汽電雙驅技術方案來拖動負載，將導致電機頻繁啟動以應對汽輪機出力不足時進行補功，對設備的運行穩(wěn)定性造成不確定性影響，因此汽電雙驅技術方案不建議應用在采用“閃速熔煉+PS轉爐吹煉”工藝的銅冶煉中。

3.2   “閃速熔煉+閃速吹煉”工藝

閃速熔煉爐和閃速吹煉爐的煙氣均連續(xù)穩(wěn)定，煙氣波動量小，表2是某50萬t/a“雙閃”工藝銅冶煉項目采用汽電雙驅技術方案的蒸汽量平衡表。從蒸汽量平衡表可見，中壓過熱蒸汽基本滿足拖動制氧空壓機的蒸汽消耗。而低壓蒸汽有較多剩余，拖動SO2風機的電機則可以選用有發(fā)電功能的電機，把多余的低壓蒸汽用來發(fā)電。需要特別注意的是，由于閃速爐每周需要進行停爐點檢，導致全廠系統(tǒng)臨時停機，這將造成汽電雙驅系統(tǒng)的啟動頻繁，也是“雙閃”工藝項目較少采用汽電雙驅技術方案的原因之一。

3.3   “側+頂”工藝

側吹熔煉爐和多槍頂吹吹煉爐的煙氣具有連續(xù)、穩(wěn)定和波動量小的特點，表3是某30萬t/a“側+頂”工藝銅冶煉項目采用汽電雙驅技術方案的蒸汽量平衡表。平衡表中剩余的8 t中壓過熱蒸汽可以用來補充冬季時低壓蒸汽的不足。因此，“側+頂”工藝的蒸汽利用適合采用汽電雙驅技術方案。

4.   銅冶煉的汽電雙驅系統(tǒng)軸系配置及案例

目前在銅冶煉中，汽電雙驅系統(tǒng)根據(jù)電機和負載在系統(tǒng)中位于不同的位置有2種典型的軸系配置方式，分別是汽電同側配置和汽電異側配置，2種配置方式均得到了成功應用，用戶可以結合自身的實際情況進行選擇。

4.1   汽電同側配置

汽電同側配置指的是汽輪機和電機配置在負載的同一側，汽輪機通過變速離合器與電機連接，電機通過齒輪箱與負載連接，這種配置的工作模式如圖5所示。

4.2   汽電異側配置

汽電異側配置指的是汽輪機和電機分別配置在負載的兩側，汽輪機通過變速離合器與負載的一側連接，電機通過離合器與負載的另一側連接，這種配置的工作模式如圖6所示。

4.3   兩種配置方式的比較

對于汽電同側配置，其主要優(yōu)點是，電機一直處于熱備用狀態(tài)，隨時投入使用，電機常作為兩用電機，兼具發(fā)電功能。缺點是當汽輪機或電機發(fā)生異常時，系統(tǒng)需要先停機進行檢修。如果用戶所產(chǎn)蒸汽拖動負載后仍有剩余，選擇汽電同側配置的方式較好，因為此時電機做的功用于發(fā)電，直接產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

而對于汽電異側配置，其主要優(yōu)點是，當汽輪機或電機發(fā)生異常時，系統(tǒng)可以不停機進行檢修，且控制靈活性更強。缺點是機組配置了2個離合器，增加了機組的故障點，而且此時的電機是停機狀態(tài)，啟動機組需要一定的時間。如果用戶所產(chǎn)蒸汽拖動負載后基本沒有剩余，或者用戶更側重于系統(tǒng)發(fā)生異常后的可維護性，選擇汽電異側配置的方式較好，此時電機僅作為冷備用電機使用。

綜上，以上兩種配置方式主要取決于用戶的側重點，如果更看重經(jīng)濟效益，適合選擇汽電同側配置方案，如果更看重檢修的維護性，適合選擇汽電異側配置。

4.4   汽電雙驅機組的運行模式

汽電雙驅機組具有多種運行模式可以滿足用戶不同的功能需求，使得汽電雙驅系統(tǒng)的靈活性和適應性顯著提高。

開機模式：如圖6（或圖5）所示，系統(tǒng)開機時，負載由同步電機啟動。負載（壓縮機或風機等）正常運行后，當銅冶煉副產(chǎn)蒸汽參數(shù)滿足汽輪機沖轉條件時，汽輪機啟動運行，達到工作轉速后通過變速離合器嚙合投入機組運行。

汽電聯(lián)合驅動模式：如圖6（或圖5）所示，當汽輪機輸出功率小于負載運行所需功率時，由汽輪機與電動機共同驅動負載。

蒸汽驅動模式：如圖6（或圖5）所示，當汽輪機輸出功率大于負載運行所需功率時，由汽輪機驅動整個機組；富余的功率則可以通過電機發(fā)電。

電力驅動模式：如圖6（或圖5）所示，當蒸汽條件不正?；蚱啓C出現(xiàn)故障，汽輪機通過離合器自動脫離機組，由電機單獨驅動負載正常運行。

4.5   國內采用汽電雙驅拖動方案的案例

近些年來，國內銅冶煉項目采用汽電雙驅拖動方案已得到廣泛的成功應用，表4是目前采用汽電雙驅拖動方案的應用案例情況。

5.   結束語

在全球能源緊缺和環(huán)保壓力日益嚴竣的大背景下，無論是已建投產(chǎn)項目，還是擬建項目，低碳減碳已成各行業(yè)發(fā)展的主要趨勢。銅冶煉作為高耗能行業(yè)，節(jié)能降耗的責任重大，需要不斷提高和應用先進的節(jié)能技術，踐行綠色發(fā)展理念。汽電雙驅技術在保證系統(tǒng)設備穩(wěn)定性的基礎上，減少了能量轉化環(huán)節(jié)，提高了能量利用效率，獲得了良好的經(jīng)濟效益，是銅冶煉企業(yè)值得推廣的節(jié)能方案。

文章來源——金屬世界