加热炉汽化冷却系统（精选5篇）
加热炉汽化冷却系统 篇1
摘要：通过对包钢加热炉汽化冷却装置现场调试时出现问题的分析和判断, 具体介绍了处理和解决的过程, 同时结合加热炉汽化冷却装置的运行特点, 着重分析了给水系统在设计中应注意的问题, 提出了解决办法, 对今后的设计和运行具有一定的指导意义。
关键词：加热炉,汽化冷却装置,给水系统,给水泵,除氧器,热负荷,步进式加热炉
包钢轨梁厂横列式轧机改造项目中新建1座280吨步进式加热炉, 加热炉的炉底管冷却采用汽化冷却方式。加热炉于2012年11月进行了试运行, 汽化冷却装置在试运行过程中, 给水系统出现给水流量达到额定值时, 泵出口阀的开度只能开到30%的情况, 如果阀门开度增大, 泵的电机即出现超电流现象。
1 步进梁式加热炉汽化冷却系统的构成
1.1 步进梁式加热炉汽化冷却装置概述
步进梁式加热炉炉底有固定梁、活动梁及支持梁, 它们是钢料滑行的滑道, 为保持其强度, 防止高温变形和断烧, 除外部进行绝热保护外, 还必须进行有效的冷却。冷却的方式通常是将加热炉冷却构件做成管状或矩形空心梁, 管内通入水进行冷却。根据通入的水的温度, 冷却系统分水冷却系统和汽化冷却系统。由于汽化冷却系统相比水冷却系统有着绝对的优势, 目前我国钢铁企业加热炉均采用汽化冷却系统。
汽化冷却装置的循环方式有两种, 一是自然循环, 二是强制循环。对于推刚式加热炉的汽化冷却系统, 两种方式均有应用, 对于步进梁式加热炉, 由于其结构的特殊性, 其底部设有活动梁, 为适应活动梁的运动特点, 汽化冷却系统需设置配有旋转接头的步进装置, 增加了水循环系统的阻力, 不再适用自然循环, 所以步进式加热炉汽化冷却系统通常采用强制循环方式。
1.2 汽化冷却系统流程
汽化冷却系统主要由软水系统、除氧给水系统、循环回路系统、蒸汽系统、排汽系统和排污系统等六部分组成, 其工作流程见下图所示。
除氧给水系统是连接除氧器、给水泵及汽包三个设备的工作系统, 其工作原理是软水由软水系统送入除氧器除氧, 变为除氧水后由除氧水箱供出, 经给水泵加压后进入汽包。电动给水泵共2台, 1台运行, 1台备用。另设1台柴油机带动的给水泵, 用于断电时向汽包供水, 以保证加热炉内部各种支撑梁的安全。
汽化冷却系统工艺流程
1.3 汽化冷却装置的设备布置
汽化冷却系统的所有设备通常布置在加热炉附近, 便于缩短上升管道线路, 使管路转折减少, 流动阻力相应降低。
本项目的汽化冷却装置的设备主要包括:汽包、除氧器、给水泵组、循环水泵组、连续排污扩容器。
项目中的设备布置在车间内, 位于加热炉一侧, 分两层布置, 上层平台标高为2.0米, 布置汽包及除氧器, 下层标高为-4.8米, 布置给水泵组及循环泵组。
1.4 给水系统主要设备参数
1.4.1 给水泵选型及参数
给水泵共3台, 2台电动给水泵, 一用一备, 一台柴油给水泵, 作为停电时的应急泵。
型号:DG25-30×8
性能参数:流量20~25~30m3/h, 扬程260~240~220m, 电机功率37k W, 供电电压380V。
1.4.2 除氧器选型及参数
1.4.3 汽包参数
1.5 试车时存在问题的原因分析
1.5.1 给水泵扬程的选择与计算
根据现场实际设备布置及给水系统的配管设计, 将给水泵的扬程计算如下:
其中:
Pb———汽包压力MPa;取1.27;
△P—开启安全阀所需多余压力MPa;取0.05倍的汽包压力, 得0.064;
△hc———给水管路阻力m;按最大流量, 计算后取8。
△h2———除氧器最低水位与汽包的正常水位标高差m;
汽包的正常水位为8.28m。
除氧器最低水位为8.1m。
Hf———附加水头, 一般为5米。
根据上述计算, 水泵的总计算扬程为149.2m。
现场给水泵的实际扬程为260~240~220m, 是计算扬程的1.6倍, 泵的扬程与实际扬程相比有些偏高。
1.5.2 给水泵电机功率的选择
给水泵电机功率的计算公式为:
其中:P:计算功率;W
Q:水泵流量;m3/h
H:扬程;m H2O
ρ:介质比重;Kg/m3
η:泵的效率;取62%
从公式可以看出, 电机的功率与水泵的扬程、流量成正比。当扬程变化不大时, 流量变大其所需的电机功率也会增加。
按本工程的水泵选择的流量及扬程计算, 其电机计算功率在22.8~26.3~28.9k W, 给水泵配备的电机功率为37k W, 应能满足额定工况的要求。
1.6 事故原因分析
从计算过程来看, 决定加热炉汽化冷却装置给水泵扬程的主要因素是汽包压力, 占总扬程约91%, 当加热炉在运行初期, 汽化冷却装置处在热试车的情况下, 其汽包的压力仅为0.4~0.5MPa左右, 甚至更低, 这时整个给水系统的阻力仅为60m水柱左右, 而正是在此时就会出现本文开头描述的情况。
在给水系统中, 给水泵的扬程选择应与给水系统的阻力接近, 阻力损失越大, 则给水泵的扬程越高。从给水泵的运行曲线来看, 流量是随着扬程的升高而降低的。在现场排除了给水泵机械部分故障、电机轴承故障、电压低、误操作等因素后, 初步确定水泵电机超电流的原因是加热炉运行初期, 汽包内压力未达到设计工况, 水泵扬程高于实际工况系统阻力过多 (设计选取的给水泵的扬程也偏高) , 由于除氧系统初期运行阻力过小, 水泵运行时, 会沿水泵运行曲线偏移出额定工况运行点, 导致给水泵流量超出其工作范围, 使电机电流超高, 导致电机超载, 出现超电流跳闸的情况。
根据上述分析, 包钢现场在运行过程中, 关闭了放散阀, 按设计参数调整了汽包出口调节阀的压力控制值, 将外供蒸汽压力设为0.8MPa, 汽包内的压力也上升至1.0MPa。通过上述运行参数的调整, 给水泵的超电流现象得以解决。
2 加热炉汽化冷却装置给水系统的设计探讨
2.1 加热炉汽化冷却系统的运行特点
加热炉汽化冷却装置的工作目的是在保护加热炉内部的纵、横梁及活动梁的同时, 将吸收的热量收集起来, 产生蒸汽加以利用。其在回收热量的过程中, 存在着以下特点。
1) 热负荷的变化导致蒸发量的不确定性。
按照《加热炉汽化冷却装置设计》中的定义, 最大蒸发量的计算是依据汽化冷却装置各循环回路最大热负荷计算得来, 其公式如下:
其中Krp为受热偏差系数, Ktl为绝热层脱落系数。
通过这两个系统的计入, 可见最大热负荷的计算与加热炉内纵横炉底管的绝热层脱落程度有关, 根据《加热炉汽化冷却装置设计》中规定, 最大热负荷的工况是:纵炉底管绝热层脱落20%和横炉底管绝热层脱落80%的情况。
据此分析可知, 加热炉的回收热负荷是随着加热炉内步进梁及固定梁上的绝热层脱落程度的变化而不断变化的, 变化的热负荷导致系统蒸发量也是不确定的。
由此可以看出, 随着加热炉的运行, 绝热层的逐步脱落, 汽化冷却装置的蒸发量逐渐增加, 当达到设计额定值时, 已经到了该对加热炉进行中修或大修的时候了。所以如果蒸发量的设计值考虑的偏高, 会导致能源的浪费。
2) 运行初期, 汽包滑压运行时间长。
加热炉在运行初期, 由于需要一定时间的烘炉、试炉、装料等各种工况的调整, 其内部的热负荷波动大, 同时由于绝热层完好, 使加热炉汽化冷却装置的吸热量也远未达到设计工况, 现场通常此时运行冷却装置采用汽包放散阀打开, 对空排汽, 这时汽包内的压力仅为0.1~0.2MPa左右, 这种情况会导致热力系统中的运行压力完全远离设计工况, 导致给水系统的压力过低, 给水泵的运行工况恶劣, 易超载, 此时, 如果人为操作失误, 就会造成设备损坏的情况发生。
3) 现场操作运行条件变化多。
加热炉的作用是加热“炉内的钢坯”, 然后将其送入轧线进行轧制。其每天运行的强度、频率、装炉量等均与钢厂的生产安排有关, 有时生产任务紧, 加热炉运行工作时间长, 强度高, 这时汽化冷却装置的运行也相对稳定, 产生的蒸汽也稳定。但如果生产任务少, 每天加热炉加热钢坯少, 加热炉只维持低负荷运行, 此情况汽化冷却装置的产汽量就会偏少, 而给水系统是按最大蒸发量设计的, 就会产生给水量大于产汽量的情况。此时会发生两种情况, 其一为节省能源, 现场操作人员让给水泵间歇性运行, 根据汽包及除氧器的水位, 启停给水泵, 虽然此方法可以节省能源, 但由于给水泵启停频繁, 影响给水泵的寿命。其二是利用给水系统中给水调节阀组, 调小给水流量, 控制汽包及除氧器的液位, 但此时给水泵处于连续运行状态, 有部分空转, 造成能源浪费。
2.2 给水系统设计中应注意的问题
根据上节的分析, 我们可以看出加热炉汽化冷却装置不同于有稳定热量供应的锅炉系统, 由于其热源供热量的波动性, 影响热力系统中蒸发量的稳定, 进一步影响各系统的设备选型及运行工况。如何做到系统在工况波动的情况下, 既经济又安全的运行, 是设计工作中值得深思及探讨的问题。
目前关于加热炉汽化冷却装置的设计计算仍参考1977年冶金工业出版社出版的《加热炉汽化冷却装置设计》, 技术指导性已经滞后, 因为随着1993年上钢二厂140t/h步进式加热炉的引进成功实施, 至今国内已具备了设计、制造及施工大型步进炉汽化冷却装置的能力。虽然国内已大量采用步进式汽化冷却装置, 但针对这一系统的设计并无具体的手册加以论述, 根据多年的设计经验及查阅相关文献, 我认为对于给水系统的设计应注意如下几点。
1) 给水量的确定。
按照《加热炉汽化冷却装置设计》中的定义, 汽化冷却装置给水量的确定为最大蒸发量的1.15~1.25倍, 即G= (1.15~1.25) Dmax。此公式是指推钢式加热炉提出的概念, 最大蒸发量已是绝热层脱落80%的情况, 对于步进式加热炉如按此要求计算, 给水量会偏高, 导致给水泵的选择偏大, 引起能源浪费。
由于目前国内的步进式加热炉汽化冷却装置, 热负荷计算还没有具体的公式, 考察诸多设计论文的相关数据, 一般公认的比较理想的加热炉内热量的分配比为:加热炉料热量占60%~70%, 烟气带走热量占20%~25%, 炉墙散热占3%, 炉底开孔散热占2%, 汽化冷却系统吸热占6%~10%, 其他热量占2%~3%。
目前国内各钢厂为节能减排, 在加热炉的设计上均采取了很多措施, 如采用新型蓄热式加热炉、改善绝热层的性能及包扎方式, 加强炉内换热, 提高入炉钢坯温度, 加强烟气余热回收等, 目前保证加热炉的吨钢耗热量在1.1~1.3GJ/t, 如考虑汽化冷却装置的吸热比例为5%~10%~15%, 据此可推导出吨钢产汽量指标kq为0.03~0.05~0.08t/t,
给水量的计算公式:G= (1.05~1.1) D= (1.05~1.1) ×kq×Gg
其中:G———给水量t/h;
D———蒸发量t/h;
Kq———吨钢产汽量指标t/t.h;
Gg———加热炉额定出钢量t/h。
给水泵的额定流量取kq居中值0.05比较合适, 其最大流量校核应取kq为0.08处。
按照上述公式, 针对目前应用较多的各型号加热炉的设计值与计算值对比如下:
通过上述比较可以看出, 目前不同的设计虽然炉容相同, 但其蒸发量的选择仍有些偏差, 但大部分设计kq的取值也未超出0.03~0.08的范围, 所以此公式是具有指导意义的。
2) 给水泵扬程与蒸汽参数的关系。
给水泵扬程的计算在1.5节中有详细分析, 可以看出其设计值与蒸汽的工作压力密切相关, 目前国内设计中为提高能源利用, 通常将加热炉汽化冷却装置的额定蒸汽参数定为1.3MPa, 而有些钢厂在实际运行中, 并未达到此设计值, 通常其供汽压力在0.4~0.6MPa之间, 这就需要设计人员在确定蒸汽参数时, 考察钢厂的用户需求, 合理确定蒸汽参数, 如果设计参数定的过高, 而现场又长时间在低参数的情况下运行, 会导致设备的不匹配, 造成设备维修率高, 能源浪费的情况发生。
包钢轨梁项目的加热炉的蒸发量的选择有些偏大, 连带造成给水泵的选型偏大, 初期运行时发生事故是必然的。按文中论述的流量计算方式, 我认为较为合理的设计流量应为8.4~12.3~16.8m3/h, 扬程在150m左右。
给水泵型号:DG12-25×7
性能参数:流量8~12.5~16m3/h, 扬程192~175~155m, 电机功率15k W, 供电电压380V。
经过上述优化, 给水泵的用电量有了明显的减少, 由原来的37k W降为15k W, 年耗电量减少158400k W, 按每度电0.5元计, 每年可减少79200元的运行成本。
2.3 总结
加热炉汽化冷却装置给水系统从原理上分析并不复杂, 但系统的确定与工艺的生产运行、设备布置及设计额定点的确定等因素息息相关, 给水系统中设备的选取不应认为参数选择越大越高越安全, 应合理的进行设计和计算, 综合考虑各方面的运行因素, 才能安全、高效的满足生产需要。
参考文献
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[6]程链.步进梁式加热炉汽化冷却步进装置立式结构.
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加热炉汽化冷却系统 篇2
钢铁工业已经成为国内耗能和排放大户, 重点企业的吨钢能耗与国际先进水平相比要高出20%~30%。目前, 各重点钢铁企业正在响应国家节能降耗的产业政策, 走发展循环经济、节约能源、改善环境、提升企业综合能力的道路。
冶金炉 (高炉、转炉、电炉、加热炉) 汽化冷却技术作为重大的节能技术正在取代传统的水冷技术, 成为各大钢铁企业发展的重点节能技术, 其中我国步进梁式加热炉汽化冷却技术于20世纪90年代末才开始运用, 目前该项技术已经日趋成熟[1]。
1 加热炉工业水冷却存在的问题
加热炉的冷却有工业水冷却和汽化冷却2种方式。工业水冷却存在以下问题:
1) 支撑梁管壁腐蚀、结垢。在循环使用过程中, 水冷方式的冷却水通过冷却塔后会吸取大气中的氧气, 从而促使冷却系统管件内壁产生腐蚀。另外, 水中所含的硬度在不断加热与浓缩分解及化合的复杂过程中, 形成暂硬、永硬絮状物及水垢, 固结并堵塞在步进加热炉的冷却构件内。使这部分冷却构件过热, 发生裂纹而造成渗漏事故, 破坏了加热炉的正常运行[2]。
2) 水冷却系统需消耗较多的电能和自来水。水冷却时, 冷却水带走的热量占炉膛热支出的5%~10%, 有的甚至高达15%~20%, 水冷却中巨大的热能白白浪费[3]。
3) 冷却水温低, 导致钢坯黑印加重, 影响产品质量, 降低成材率。
4) 运行可靠性差。在循环水冷却系统上, 安装了水泵、阀门、冷却塔等许多设备, 它们中的任何一台不能正常工作, 都有可能影响整个循环系统的运行, 造成事故, 影响生产[4]。
5) 维护成本高。为防止事故发生, 必须仔细调节水量, 定期停产清洗系统管道, 定期更换冷却部件。这样不但增加了停产检修时间, 还使生产成本大幅度上升。即使对循环水进行定期投药, 仍不能彻底解决结垢及腐蚀问题。步进炉一旦发生渗漏事故, 再冷却修理更换冷却构件, 升温再生产过程中, 需要较长的时间, 这对连续生产的轧钢厂来说, 会造成很大的经济损失。
6) 有室外冷却水系统, 占地大, 污染大。
2 加热炉水冷却改汽化冷却方案
节能减排是一个系统工程, 利用步进梁式加热炉汽化冷却技术是其中的一个环节。在解决低参数蒸汽高效利用的问题后, 步进梁式汽化冷却技术将会在全国范围内逐步取代步进梁式加热炉水冷的方式。
2.1 炉底支撑梁的强度
支撑梁由水冷却改为汽化冷却, 管内冷却介质温度提高, 相比于水冷, 应力要小。冷却介质压力提高, 但是介质的内压力对支撑梁所产生的应力远小于支撑梁的运行应力, 所以支撑梁只需按钢坯荷载及加热工艺要求决定其管径及壁厚。汽化冷却支撑梁材质同水冷却支撑梁材质均为20g。
在工程设计计算中, 通常是将各种复杂因素一并在钢管材料的许用应力中考虑。根据不同的支撑梁冷却方式, 钢管材料的许用应力取值不同。采用水冷方式时, 一般取[σ]=110MPa;采用汽化冷却方式时, 可取[σ]=100MPa。当汽化冷却运行压力大于1.3MPa时, 许用应力值还需适当降低。钢管材料的弹性模量E可统一取值, 一般取E=1.7×105M Pa[5]。
计算步骤为选用某种规格钢管组成要求的结构, 其断面系数Wx大于要求值Wx', 同时最大挠度fmax与其跨度之比不大于0.2%。
2.2 炉底支撑梁的膨胀问题
支撑梁及立柱对于步进炉而言承受着钢坯的重压, 受火焰及高温烟气冲刷。在汽化冷却中又是极重要的冷却构件, 冷却水温提高后沿长度及垂直方向的热膨胀增大。水梁及立柱处于十分恶劣的状态, 特别是固定梁及立柱还要作矩形运动, 它们既要满足工艺条件, 又要满足汽化冷却要求。在水冷却改为汽化冷却的过程中, 解决水梁的膨胀变化问题是决定汽化冷却成败的关键之一。设计中, 通常以加热炉支撑梁双立柱为固定点, 采用水冷却方式时, 取水梁膨胀系数为1/1000;采用汽化冷却时, 取膨胀系数为 (2.5~3) /1000。
2.3 回路设置问题
加热炉选取不同的冷却方式, 其支撑梁与立柱间的连接方式不一样, 介质循环回路不一样, 如图1、图2所示。
考虑到原有水冷方案中立柱的结构形式, 以及加热炉实际运行工况的复杂多样性和不可预见性, 为防止汽水混合物在立柱封头区域内汽水分离形成气阻导致循环停滞, 故设计了相应的回路方案 (见图3) , 通过控制循环倍率及介质循环流速, 将汽化点控制在纵梁范围内, 最终汽水混合物流经纵梁、上升管回到汽包中, 保证了循环的畅通。
2.4 焊缝检测及水压试验
整个汽化冷却系统为高温有压系统。对由水冷却改为汽化冷却后的管路应按相关标准对其进行焊缝检测及水压试验, 以确保汽化冷却装置本体部件以及外部管道的制造、安装质量和管路系统各连接处的严密性。
2.5 系统排污
为防止软水中的残留盐分由于炉水蒸发而浓缩, 在受热面上产生二次水垢, 可在炉水中加入药剂, 使之形成松软的水渣, 通过排污除掉。加热炉由水冷改为汽化冷却时, 由于其纵梁与立柱结构的特殊性, 如何设置排污也是需解决的问题。
2.6 厂房空间
加热炉的汽化冷却系统, 设置1台汽包, 1台除氧器, 2台强制循环水泵, 2台给水泵。没有可直接利用的软水的工厂, 还需配置软水装置和软水箱。为保证汽化冷却系统的安全, 水泵均配有事故电源或设置备用柴油泵。设备的增加必然要考虑到车间空间是否足够。
3 经济效益分析
步进梁式加热炉采用汽化冷却, 不仅技术可行, 运行平稳, 而且经济效益显著。
1) 节约用水。
炉底支撑梁采用水冷却时需大量工业新水, 以某钢厂180t/h步进炉为例, 采用水冷却需消耗工业水800t/h左右, 而汽化冷却仅需软水11t/h, 年节约工业新水552万t。
2) 热损失少, 热效率高。
由于汽化冷却比水冷却热负荷大, 支撑梁与冷却介质温度都有所提高, 所以相应减少水冷热损失, 提高热效率。水冷却每千克水带走热量83.6k J, 汽化冷却时每千克软水带走热量2090k J, 以180t/h步进炉为例, 需冷却水800t/h左右, 则带走热量66.9MJ/h;汽化冷却时需软水11t/h, 则带走热量22.9MJ/h, 因此汽化冷却可减少热量损失44M J/h, 年钢产量按80万t计算, 年可节省196GJ热量。
3) 回收蒸汽利用。
汽化冷却可把占炉膛热量10%左右的热损失以饱和蒸汽形式回收利用, 效益可观。以180t/h步进炉为例, 汽化冷却可产生8.8t/h的蒸汽, 年回收蒸汽39111t。
4) 延长冷却元件寿命, 提高作业率。
由于使用软化水, 并经除氧脱气后不含氧和杂质, 软水对支撑梁的腐蚀极小, 且无结垢现象, 延长炉梁使用寿命, 而采用水冷却时, 加热炉水梁每2a局部就要更换, 5a全部更换, 仅设备检修费用每年在15万元左右;由此而造成的加热炉停炉损失就更大了, 一般抢修时需停炉5d, 以180t/h线2座炉日产8640吨钢计算, 每日生产效益达259万元, 一次抢修事故造成单炉生产5d, 就损失达1350万元。而采用汽化冷却后, 管道腐蚀、结垢、堵塞、烧塌炉梁现象消除了, 提高了炉子作业率, 其经济效益是显著而巨大的[3]。
5) 减少水印温差, 提高加热质量, 改善加热、轧制质量, 这是汽化冷却的间接效益。
6) 环境保护。
水冷却循环系统热水, 要在大气中冷却后再送回炉内, 对环境造成湿污染和热污染, 而汽化冷却避免了对环境的污染。
4 结语
实践表明, 在大型步进梁式炉上采用汽化冷却技术是可行可靠的, 而且经济效益是巨大的, 值得推广应用。传统的加热炉水冷方式如果改成汽化冷却, 还需要设计人员进一步优化, 主要的工作是在设计循环回路时, 变参照为精确计算, 这需要设计一个好的计算模型来对整个循环系统作出精确的预判和进一步优化, 使整个系统在更加经济的条件下运行, 发挥这项技术在节能方面更加突出的优势。
摘要：从节能和安全生产两方面出发, 简述目前冶金加热炉支撑梁冷却方式的现状及发展趋势, 分析支撑梁工业水冷却与汽化冷却的特点及改造的可行性, 认为加热炉采用汽化冷却经济可行, 是一项值得推广的节能技术。
关键词：加热炉,水冷却,改造,汽化冷却
参考文献
[1]杨智勇, 范乃春, 姚群.步进梁式加热炉汽化冷却系统设计研究[J].冶金动力, 2008, (1) :57-58.
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加热炉汽化冷却系统 篇3
关键词：加热炉,热效率,余热回收,汽化冷却系统,饱和蒸汽
1 引言
湘潭钢铁某厚板厂有3座步进梁式加热炉。炉内支撑梁冷却方式均为水冷却, 不仅耗水量大, 且冷却水带走的热量不能再回收利用, 造成了能源的巨大浪费。本改造方案对3座加热炉支撑梁冷却方式由水冷方式改为汽化冷却, 用水量仅为水冷却的1/60, 具有显著的节水效果, 由于系统温度的提高, 这对减轻钢坯黑印, 改善钢坯加热炉质量也有一定的好处。并在烟道中安装蒸发器和过热器, 对烟气进行深度余热回收, 产生的过热蒸汽用于发电, 降低了轧钢厂的运行成本, 改善环境, 达到节能降耗的目的。
2 原加热炉技术参数
炉子有效长:41400mm, 炉子内宽:8120mm;炉子产量:140t/h坯料规格:宽度1200mm, 厚度220mm, 长度7500mm;燃料:高焦混合煤气, 热值2200Kcal/Nm3。
3 技术改造主要内容
3.1 概述
本套系统中共有三座加热炉, 其中给水、加药系统是共用系统, 其它如排污、蒸汽、循环系统都是独立的。生产时3座加热炉2用1备, 即设计发电机组时只能按2台加热炉正常生产时产生的蒸汽量配备发电机组。
3.2 改造的主要设备
炉内支撑梁及绝热包扎;汽包规格:Φ1800x8000mm, 每座加热1台;单座加热炉配置电动循环水泵2台, 1台工作, 1台备用;单座加热炉配置1台柴油循环水泵, 停电备用泵;3座加热炉共用1台热力除氧器;给水系统配备3台电动给水泵, 2用1备;3座加热炉共用1台柴油给水泵, 停电备用泵;软水供给配有3台软水泵, 2用1备。
加药装置由联氨加药装置和磷酸三钠加药装置两个独立的加药部分组成。
在每座加热炉煤气换热器后烟道内设置一套蒸汽发生器和一套过热器。
4 改造后蒸汽及烟气的参数
经过炉内水梁循环后汇集到汽包内蒸汽主要数据:汽包额定压力1.6MPa;蒸汽并网压力1.27MPa;绝热层完好时平均蒸汽产量7.7t/h (约60% 额定负荷) ;绝热层脱落10% 时蒸汽产量16.1t/h (额定负荷) ;连续排污率 (正常生产) ≤5% (产汽量) 。
经过现场测定蒸汽过热器参数:过热蒸汽量:6.4t/h;蒸汽进口压力:~ 1.27MPa G;进口蒸汽温度:≥194℃;出口蒸汽温度:>250℃。
经过过热器后的烟气参数:进入过热器的烟气最高温度 <450℃, 常用负荷下蒸发器后烟气温度 <240℃。
5 注意事项
水梁设计时, 要充分考虑, 炉膛内的高度。特别是活动梁立柱, 因活动梁立柱较长, 穿过炉底时, 炉膛内高度空间不够, 从炉底下部也没有足够空间穿上来, 因此设计时要考虑好水梁立柱怎么安装, 是否需要分成两节, 现场再焊接。
水经过炉内水梁循环后产生蒸汽, 蒸汽和水形成汽水混合物, 汽水混合物在循环管路系统的拐角处会产生气阻。因系统中循环的动力为蒸汽循环泵, 流速较高, 在管道的拐角处会形成水流的较大阻力, 导致管道振动较大, 所以在管道的拐弯处, 要使用较大的转弯半径, 减少局部阻力损失, 一般是3 ~ 5倍的管道直径。
循环管路支架, 安装位置要合理, 强度要够, 特别是水管的拐弯处, 安装要牢固。
测量装置的导压管, 在冬天比较冷的地区, 要考虑管道伴热, 以免停炉后冻裂水管及测量元器件。
所用的循环水, 要严格按照国家低压锅炉用水标准, 以防长期运行中出现结垢、溶解物的沉积等现象堵塞循环管路, 造成水管的破裂, 降低使用寿命。
设计时充分考虑管道的排污, 管道运行后的冲洗, 以及在北方使用的加热炉, 停炉后水管内的水应尽可能的放净, 避免冬天冻裂水管和设备。
设计排烟温度、蒸发器、过热器时, 要考虑烟囱的抽力, 降低排烟温度和增加烟道阻力后, 烟气能否排出, 烟囱的抽力能否满足要求。
6 本次改造中出现的问题
施工完毕后, 点火烘炉, 等炉温达到出钢温度后, 出现某些管道振动较大, 管道窜动约10cm, 严重超出了汽化冷却系统的振动范围。经仔细查看分析原因后, 停炉整改, 整改完毕后现象消除。具体原因如下:施工过程中没有完全按照施工图制作, 在某些管道的拐弯处使用较小的弯头半径, 循环水流通不畅, 冲击力太大。
在拐弯处没有安装支架, 两侧的支架距离太远, 管道固定不牢。
7 蒸汽发电
3座加热炉的过热蒸汽并网后, 送往蒸汽发电机组。按照轧钢厂生产要求, 加热炉是2用1备, 平时2台加热炉生产, 所以产生的过热蒸汽量为2台加热炉之和。
根据国内小汽轮机发电机组的设计参数, 选择汽轮机排气压力为0.007Mpa, 因此可以计算出汽轮机功率:
式中符合说明:流量:Q=6.4x2=12.8x103kg/h;进口热焓值为:H0=2786KJ/Kg, 出口热焓值为:H1=2572.2KJ/Kg;汽轮机效率:η=0.7;电能当量值:3600KJ/Kw。
故该部分蒸汽可以做功532k W/h, 因加热炉生产具有很大的波动性, 则按产生蒸汽量的95% 计算, 即发电量约为505k W/h计算, 则年创效益为:
505千瓦 / 小时x7000小时 / 年x0.65元 / 度 =229万元 / 年
经过发电机组后形成的冷凝水, 送回加热炉汽化冷却的软水箱, 重复利用, 即节约了能源, 又创造了效益。
8 结束语
应用前景分析:我国是一个钢铁大国, 现有常规燃烧的轧钢加热炉近千余座。现投入的企业很少, 约有1/4, 所以潜在的市场数量很大, 前景非常广阔。这是一个利国利民的技术, 应该有广泛的改造市场。其技术成熟, 经济合理, 具有良好的经济效益、环保效益、社会效益, 值得在钢铁企业内大力推广应用。
参考文献
[1]钢铁厂工业炉设计参考资料[S].北京:冶金工业出版社.
加热炉汽化系统汽包水位控制方法 篇4
1 汽包水位控制方案设计
1.1 单冲量水位控制方案。
如图1所示是单冲量水位控制系统。单冲量即汽包水位, 通过汽包水位调节给水阀开度。当汽包实际液位低于设定液位时, 开大给水阀, 使液位上升至平衡状态;当汽包实际液位高于设定液位时, 关小给水阀。这种控制结构简单, 是单回路定制控制系统。在汽包内水的停留时间较长, 负荷又比较稳定的场合下配上一些连锁报警装置就可以安全操作。然而, 对由于蒸汽量增大产生的“虚假水位”, 采用单冲量水位控制系统就不能适用。这时由于负荷变化时产生的“虚假水位”将使调节器反向错误动作, 负荷增大时反向关小给水阀, 给系统安全运行留下隐患。水位系统重新恢复稳定后, 将使水位严重下降, 甚至出现报警, 影响生产, 调控性能差。
1.2 双冲量控制方案。
为了克服上述矛盾, 可以不仅依据水位, 同时也参考蒸汽流量的变化。汽包液位的双冲量控制, 就是在单冲量的基础上, 再加一个蒸汽冲量, 以克服“虚假液位”。其中若调节阀为气关阀, 液位调节器采用正作用, 调节器输出信号在加法器内与蒸汽流量信号相减。双冲量控制系统是一个前馈 (蒸汽流量) 加单回路反馈控制系统的复合控制系统。当负荷突然变化时, 蒸汽流量信号通过加法器, 使它的作用与水位信号的作用相反;假液位出现时, 液位信号要关小给水阀, 而蒸汽信号是开大给水阀, 这就能克服虚假水位时控制器的误动作, 降低“虚假液位”的影响。但如果给水侧本身有波动时, 双冲量控制也不能克服给水量波动的影响。
1.3 三冲量控制方案。
双冲量控制系统还有两个弱点, 即调节阀的工作特性不一定是线性, 这样要做到静态补偿不是很准;同时对于给水系统的扰动不能直接补偿。这就要求考虑到汽包给水量作用的液位三冲量调节系统。即再加一个给水流量, 使它与液位信号的作用方向一致, 这种调节系统由于引进了液位、给水流量及蒸汽流量三个参数而称为三冲量调节控制系统。
图3三冲量水位控制原理图一量控制方案。该方案实质上是前馈 (蒸汽流量) 加反馈控制系统。这种三冲量控制方案结构简单, 只需要一台多通道调节器, 整个系统亦可看作三冲量的综合信号为被控变量的单回路控制系统, 所以投运和整定与单回路一样, 但是如果系统设置不能确保物料平衡, 当负荷变化时, 水位将有余差。
图3中所示的三冲量系统, 汽包水位是被控变量, 是主冲量信号, 蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号。系统将蒸汽流量和给水流量前馈到汽包水位调节系统中去, 一旦蒸汽流量或给水流量发生波动, 不是等到影响到水位才进行调节, 而是在这两个流量改变之时就能通过加法器立即去改变调节阀开度进行校正, 故大大提高了水位这个被调参数的调节精度。
在稳定状态下, 水位测量信号等于给定值, 水位调节器的输出, 蒸汽流量及给水流量等三个信号通过加法器得到的输出电流为:
式中:IL为液位调节器的输出电流;IF为蒸汽流量变送器的电流;IC为给水流量变送器的电流;αL、αF、αC分别为加法器各通道的衰减系数。
I0是调节阀处于正常开度时所需要的电流信号 (假设为气关型调节阀) 。假定在某一时刻, 蒸汽负荷突然增加, 蒸汽流量变送器的输出电流IF相应增加, 加法器的输出电流I0就减少, 从而开大给水调节阀。但是与此同时出现了假水位现象, 水位调节器输出电流IL将增大。由于进入加法器的两个信号相反, 蒸汽流量变送器的输出电流IF会抵消一部分假水位输出电流IL, 所以假水位所带来的影响将局部或全部被克服。
待假水位过去, 水位开始下降, 水位调节器输出电流IL开始减小, 此时, 它与蒸汽流量信号变化的方向相反, 因此加法器的输出电流I0减小, 意味着要求增加给水量, 以适应新的负荷需要并补充水位的不足。调节过程进行到水面重新稳定在给定值, 给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变, 给水量本身因压力波动而变化时, 加法器的输出相应变化, 去调节阀门开度, 直至给水量恢复到所需的数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量, 起到了“超前信号”的作用, 使给水阀一开始就向正确的方向移动, 因而大大减小了水位的波动幅度, 抵消了虚假水位的影响, 并缩短了过渡过程时间。
2 汽化冷却系统汽包水位控制方案对比
3 加热炉汽化冷却系统汽包水位控制
3.1 方案选择。
结合工业炉汽化冷却系统的特点, 在低负荷和蒸汽量小的特定条件下存在单冲量调节汽包水位的可行性, 在工程实际应用中宜考虑单冲量和三冲量相结合的控制理念。基于以上分析, 在加热炉汽化冷却系统中采取了双PID+自学习功能的改进型三冲量汽包水位控制方案。
3.2 给水调节阀设计。
为了保证系统的安全运行, 给水调节阀选用气关式, 气源失气时阀门全开, 避免干锅或爆管事故的发生。
3.3 汽包液位测量仪表设计。
采用双室平衡容器 (带温度检测热电阻) 测量汽包水位, 通过检测温度所对应的水密度修正汽包水位。
3.4 控制系统的配置。
采用西门子SIMATIC S7-300PLC系统进行现场过程控制。
3.5 HMI画面设计。
采用西门子WINCC6.2或WINCC7.0编辑上位机HMI操作界面。
结语
本控制模式在南钢、涟钢、港陆、邯钢等多个现场实用中取得了良好的效果, 实现了汽化冷却系统可靠、安全、稳定运行, 且能很好地适应加热炉热负荷的变化, 保证了加热炉正常、稳定运行, 实现了在热负荷不变化条件下, 汽包水位波动范围控制在≤±10mm;在热负荷变化条件下, 汽包水位波动范围控制在≤±30mm;实现了蒸汽排大气时汽包水位的稳定性。
摘要：介绍了加热炉汽化系统汽包水位控制策略, 包括单冲量、双冲量、三冲量。论述了三种策略的优劣对比。
关键词：汽包,水位控制,单冲量,双冲量,三冲量
参考文献
加热炉汽化冷却系统 篇5
Revit MEP是一款能够按照您的思维方式工作的智能设计工具。它通过数据驱动的系统建模和设计来优化建筑设备与管道 (MEP) 专业工程。在基于Revit reg的工作流中, 它可以最大限度地减少设备专业设计团队之间, 以及与建筑师和结构工程师之间的协调错误。Revit MEP软件是基于建筑信息模型的、面向设备及管道专业的设计和制图解决方案。
我公司从2004年开始, 由建筑科室率先使用Revit产品进行三维工厂设计, 并取得了不错的效果。我部门于2008年开始在空压站、脱盐水站设计中引入Revit MEP, 并于2010年首次在昆钢120 t转炉余热锅炉汽化冷却系统中采用Revit MEP进行配管设计, 取得了良好的应用效果。本文就Revit MEP的工作流程以及在转炉汽化冷却系统配管的应用等做详细的介绍。
1 项目设计应用
1.1 三维族库的创建
族是一个包含通用属性 (称作参数) 集和相关图形表示的图元组, 是Revit MEP中的一个非常重要的概念。所有的Revit MEP项目中的所有图元都是由各种类型的族组合而成的。通过全参数化的族的创建, 可以像Autocad中的块一样, 在工程设计中大量复用, 提高三维设计效率。
尽管Revit MEP软件包中已经带了丰富的管件族和阀门族, 比如:弯头、三通、异径管、法兰、管帽、闸阀、蝶阀等, 但是因为这些管件的尺寸绝大多数是依照国外的标准制作, 与国内常用标准中的尺寸不符。因此, 就必须要创建出适用于国内标准的管件族和阀门族。
经过长时间的实践和经验, 总结出Revit MEP中创建族的常规步骤。
选择合适的族样板→定义有助于控制对象可见性的族的子类别→布局有助于绘制构建几何图形的参照平面→添加尺寸标注→创建类型或实例参数→模型创建, 注意使其与参照平面, 即与参数关联→用子类别和实体可见性设置指定二维和三维几何图形的显示特征→在建立模型的过程中创建参数与数据表中的参数一一对应→最后对每一组类型的参数进行调试, 保证每一个类型的族都可以进行参数化的驱动。
本项目除了管件族和阀门族, 还创建了主要设备模型族, 如:汽化冷却烟道、蒸发冷却塔、汽包、除氧器、各种水泵、铁合金料仓等。
1.2 三维配管模型的建立
Revit MEP提供了强大的管道设计功能。利用这些功能, 管道专业设计人员可以方便迅速的布置管路、调整管道尺寸、控制管道显示、进行管道标注和统计。
1.2.1 项目创建
根据建筑专业提供的建筑模型创建项目文件:创建转炉汽化冷却系统各视图, 并对视图进行可见性设置、视图范围设置等。
1.2.2 系统选择
转炉汽化冷却系统分为如下几个分系统[1]。
主蒸汽管道系统、低压强制循环系统、高压强制循环系统、主给水系统、排污系统、其他循环系统。
1.2.3 载入族
将项目所需要的族文件载入到项目文件中, 如管件、附件、阀门、设备等。本项目所用到的族均为自建族。
1.2.4 管道配置
在系统创建前, 先进行管道配置非常重要, 可以减少后续修改的工作量。在“管道设置”中, 将管道的尺寸、粗糙度、连接形式和材质改为符合中国规范要求, 可以直接使用。
1.2.5 设备布置
打开项目浏览器, 将已经载入的设备族直接拖到绘图区域, 确定设备的标高和坐标位置, 锁定。
1.2.6 系统布管
Revit MEP完成布管连接有两种方式[2], 一种是使用Revit MEP提供的“生成布局”功能自动完成管道布局连接;另一种是手动绘制管道。“生成布局”适用于项目初期或简单的管道布局, 提供简单的管道布局路径, 示意管道大致的走向。当项目比较复杂, 设备和管道种类比较多的时候, 或者需要按照实际施工的图集绘制, 精确计算管道的长度、尺寸和管路损失是, “生成布局”可能无法满足设计要求, 通常需要手动绘制管道。
Revit MEP提供了过滤器功能, 能让设计人按照需要设置系统和管道的可见性, 将复杂的管道系统简化为单一的系统。该功能对于像转炉汽化冷却这样的复杂系统配管非常有帮助。
1.2.7 碰撞检查
碰撞检查是必不可少的一步。Revit MEP的“检查管道系统”功能, 将自动检查所有管道连接件的逻辑连接和物理连接。对没有指定系统、连接件属性设置错误或者物理连接不好的连接件, 将显示“警告”对话框进行提示。
1.2.8 渲染和消隐
在模型整体搭建完成后, 需要对模型进行渲染和消隐, 产生配管模型效果图, 进一步检查模型的正确性。
整个钢厂120 t转炉余热锅炉汽化冷却系统三维配管模型的创建过程中, 公创建了各类族文件近200个, 整个模型文件的字节数总计近45M。
2 工程图表的生成
Revit MEP软件通过建立的三维配管模型可以自动生成工程需要的管道平面布置图、断面布置图、三维立体图以及材料表。
一般首先生成工艺配管平立面图、剖视图, 因为平剖面图反映出装置管线的总体布置和各管线之间的相对位置。Revit MEP软件可以方便地抽取任意区域、任意标高的平面和剖面, 并且能够方便的进行尺寸标注, 注释标高, 管道标识等操作。为了满足公司绘图标准, 还特意制作了符合公司规定的图纸族文件, 可以生成任意加长尺寸的标准图纸。
Revit MEP还有一个特殊的功能, 就可以生成任意剖面、任意立面、任意标高区间内的三维图像。这样就能够在十分复杂的三维系统中, 选择性地将自己关注的区域隔离开来, 简化了设计的难度, 增强了视觉的客观性, 提高了设计和阅读的效率。例如下面的图3, 就是把18.6 m和33.8 m平台之间的空间单独隔离开来的三维图像, 能够更加清晰地展现低压强制循环系统的管道走向。
目前, Revit MEP还不能自动生成ISO单线轴测图, 与一些常用管道应力计算软件 (如CAESARII) 尚没有接口, 这些都是Revit MEP今后需要改进的地方。
3 应用与体会
3.1 特点和优势
Revit MEP和传统的二维设计相比, 具有如下优势。
(1) 提高设计效率。
Revit MEP软件能够准确自动生成任意需要的剖面图, 并且可以控制剖面范围的大小, 减少了二维设计中绘制很多剖面图的工作量。
(2) 提高产品质量, 减少设计错误。
(1) 三维软件保证了各个试图之间完全对应的关系, 只需要更改其中一个视图、剖面或者三维视图, 其他所有视图、剖面及三维图将自动更改。减少了二维设计中因疏忽导致的视图不对应的错误。
(2) 各专业的设备、管道布置在同一个三维厂房模型中, 可以在三维模型碰撞检查清晰地检测出各专业之间的交叉干扰, 避免了专业间的碰撞。
(3) 各种设备、阀门、管道及零部件的重量、数量及长度等可以准确的自动统计。不再需要二维设计中繁琐而极易放生错漏的材料统计工作。
(4) 对于设计人员, 三维设计可以有效避免一些由于空间想象不正确而导致的不必要的错误。同时由于产品实体所带来的直观性, 很容易激发设计者对产品进行优化设计的“灵感”, 使产品结构更加合理。
(3) 提高图纸审核效率。
减少审核人员用于视图对应、尺寸检查的时间, 校核人员将更多的精力用于产品结构的布置合理性的检查, 提高了图纸审核效率。
(4) 方便施工人员理解图纸和设计用意。
对于读图的施工人员, 虽然设备和管道的精确定位要在二维平面图和剖面图以及详图中实现, 但是, 对照三维立体图, 将大大提高读图效率和准确度。
3.2 协同工作
Revit MEP提供的“链接模型”, “工作共享”和“碰撞检查”等功能, 可以帮助设计团队进行高效的协同工作。针对同一项目, 各专业工程师之间通过时时共享设计信息、及时同步项目文件和模拟管线综合, 准确便捷地进行设计管理, 提高设计质量和设计效率, 有效地解决了传统设计流程中工程信息交换滞后和设计人员沟通协调不畅的问题。
采用“链接模型”方法进行项目设计的核心是:链接其他专业的项目模型, 并应用“复制/监视”功能监视链接模型中的修改。例如, 建筑专业工程师将建筑模型链接到MEP项目文件中, 作为MEP设计的起点。建筑模型的更改在MEP项目文件中会同步更新, 对于链接模型中某些影响协同工作的关键图元, 如标高、轴网、平台、立柱等, 可应用“复制/监视”进行监视, 建筑工程师一旦移动、修改或删除了受监视的图元, 设备工程师就会收到通知, 以便调整和协同设计。建筑、结构项目文件也可链接MEP项目文件, 实现三个专业文件相互链接。
3.3 专业样板
为了是三维设计更加规范, 应该注意创建适合本专业的专业样板文件, 并在平时的学习积累中不断更新, 样板文件以“.rte”作为后缀。可以在专业样板文件里面设置常用的管道、弯头、三通、阀门、法兰的种类、材质、尺寸、压力等级、连接形式等基本参数;设置符合设计习惯的图纸图框样式、尺寸标注样式、注释文字样式、出图线型样式等。在新建项目时, 就可以选择预设的本专业的样板文件创建项目文件了, 在项目中就可以方便快捷地调用所需要的族文件以及基本设置。
3.4 硬件配置
通过项目的实践证明, Revit MEP对计算机的硬件配置要求还是比较高的。当创建的项目模型是大的图形文件时, 计算较快的运算速度, 将加快设计进度。
4 结语
Revit MEP三维配管软件设计通过在昆钢120 t转炉余热锅炉汽化冷却系统中成功的应用, 说明该软件应用于大型工厂工艺装置配管设计是可行的, 可以比较好的解决各种管道之间及管道与设备之间的碰撞问题。由于Revit MEP包含的模块很多, 要熟练地掌握、驾驭, 必须经过一定的实践探索过程, 没有实践, 纸上谈兵是不行的, 浅尝则止也是不行的。必须在不断的配管设计过程中积累建模技巧, 总结经验教训, 开拓思维, 大胆创新, 举一反三, 灵活运用。只有这样, 才能提高三维设计效率, 提高设计质量。
参考文献
[1]氧气顶吹转炉汽化冷却设计[M].包头钢铁设计研究院出版发行, 1979.