引言

根據(jù)《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》（2018年修正本），年綜合能源消費(fèi)總量1萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤（相當(dāng)于耗電量8130萬(wàn)kWh）以上的用能單位被列為重點(diǎn)用能單位。某銅冶煉廠制酸用單臺(tái)二氧化硫（SO2）風(fēng)機(jī)（風(fēng)量Q=240000 m3/h，升壓63 kPa），功率達(dá)到5600 kW，單臺(tái)設(shè)備一年用電量達(dá)到4400萬(wàn)kWh。而制氧站所用的單臺(tái)離心空壓機(jī)（排氣量Q=210000 m3/h，壓力360 kPa）功率則達(dá)到了17000 kW，單臺(tái)設(shè)備一年用電量更是超過(guò)1.3億kWh，可見(jiàn)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(qū)技術(shù)的發(fā)展由來(lái)以及現(xiàn)狀，通過(guò)蒸汽利用方案的對(duì)比，論述了汽電雙驅(qū)拖動(dòng)技術(shù)在銅冶煉節(jié)能降耗中的優(yōu)勢(shì)，以及在不同銅冶煉工藝條件下的適應(yīng)性，比較了汽電雙驅(qū)系統(tǒng)的不同軸系配置特點(diǎn)，其多種運(yùn)行模式可以滿(mǎn)足用戶(hù)不同的功能需求，表明汽電雙驅(qū)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。

1.   汽電雙驅(qū)技術(shù)的發(fā)展由來(lái)及現(xiàn)狀

1.1   電拖系統(tǒng)

目前，驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)最常用的原動(dòng)機(jī)是各類(lèi)交流電動(dòng)機(jī)，即電拖系統(tǒng)。從發(fā)電廠開(kāi)始算起，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載的過(guò)程，實(shí)際上需經(jīng)歷四次能源轉(zhuǎn)化過(guò)程，即化學(xué)能（或核能）轉(zhuǎn)化為熱能（蒸汽），蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)的機(jī)械能，汽輪機(jī)的機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的電能，發(fā)電機(jī)的電能又轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能。在每次的轉(zhuǎn)化過(guò)程中不可避免存在各種效率損失，從而造成了能源的浪費(fèi)。

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(fèi)的問(wèn)題，在某些具有合適蒸汽源的工廠，會(huì)直接采用汽輪機(jī)拖動(dòng)負(fù)載，省掉了機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電能又轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的中間過(guò)程，直接由熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)拖動(dòng)負(fù)載，大大提高了能源轉(zhuǎn)化的效率。這種拖動(dòng)方案即為純汽拖系統(tǒng)，用汽輪機(jī)代替電機(jī)作為唯一原動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)負(fù)載。

1.3   汽電雙驅(qū)拖動(dòng)系統(tǒng)

在很多行業(yè)，蒸汽源一般是通過(guò)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(dòng)的特點(diǎn)。如果采用這類(lèi)汽源的蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)并直接拖動(dòng)負(fù)載，可能造成某時(shí)段因汽輪機(jī)出力不足等問(wèn)題引發(fā)整個(gè)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(shí)解決純汽拖系統(tǒng)不穩(wěn)定問(wèn)題，發(fā)展了汽電雙驅(qū)系統(tǒng)。汽電雙驅(qū)系統(tǒng)是將汽輪機(jī)、電機(jī)與被拖動(dòng)的負(fù)載同軸連接布置，實(shí)現(xiàn)2種原動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載。該系統(tǒng)的2種原動(dòng)機(jī)互為備用，既可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，又能聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，通過(guò)電機(jī)對(duì)汽輪機(jī)的補(bǔ)功可以很好的解決短時(shí)或偶發(fā)的汽源波動(dòng)問(wèn)題。

1.4   汽電雙驅(qū)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

汽電雙驅(qū)技術(shù)在水泥行業(yè)[1]和電力[2−4]等行業(yè)均有廣泛運(yùn)用。在鋼鐵行業(yè)，李文瑞等[5]研究了汽電雙驅(qū)機(jī)組在氬氧精煉爐（AOD爐）高溫?zé)煔庥酂峄厥枕?xiàng)目中的工程應(yīng)用，表明汽電雙驅(qū)機(jī)組具有運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好，靈活性較高，汽輪機(jī)汽耗率較低等特點(diǎn)，可顯著增加AOD爐余熱回收項(xiàng)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(guó)產(chǎn)化汽電雙驅(qū)空增壓一體機(jī)組的成功應(yīng)用案例，機(jī)組具有結(jié)構(gòu)緊湊，高效節(jié)能的特點(diǎn)。汽電雙驅(qū)拖動(dòng)技術(shù)已被列入《國(guó)家工業(yè)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用指南與案例（2020）》之二：冶金行業(yè)節(jié)能改造技術(shù)。

2.   銅冶煉蒸汽利用節(jié)能方案及對(duì)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(guò)程中均存在大量的余熱，即冶金爐高溫?zé)煔庥酂帷⒘蛩岣晌ば蛴酂峒稗D(zhuǎn)化工序余熱；冶金爐高溫?zé)煔獠捎糜酂徨仩t進(jìn)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?zé)峄厥障到y(tǒng)（HRS）和轉(zhuǎn)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(duì)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(xiàng)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(jìn)行發(fā)電，并網(wǎng)后再回到電網(wǎng)中進(jìn)行設(shè)備的電力驅(qū)動(dòng)，如圖1所示。

同樣，硫酸系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)入余熱發(fā)電機(jī)組利用壓差進(jìn)行發(fā)電，并網(wǎng)后再回到電網(wǎng)中進(jìn)行設(shè)備的電力驅(qū)動(dòng)，如圖2所示。

2.2.2   蒸汽直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載利用節(jié)能方案

自從2019年“側(cè)吹熔煉+多槍頂吹吹煉”（簡(jiǎn)稱(chēng)“側(cè)+頂”）工藝的銅冶煉項(xiàng)目投產(chǎn)成功后，新上的銅冶煉項(xiàng)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(zhuǎn)化一段過(guò)熱為5.5 MPa（400 ℃）的過(guò)熱蒸汽，直接用于驅(qū)動(dòng)大功率的制氧空壓機(jī)或制酸SO2風(fēng)機(jī)。當(dāng)中壓過(guò)熱蒸汽不足以同時(shí)承擔(dān)驅(qū)動(dòng)制氧空壓機(jī)和制酸SO2風(fēng)機(jī)時(shí)，優(yōu)先考慮用于驅(qū)動(dòng)更大功率的制氧空壓機(jī)，如圖3所示。

而硫酸系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)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(jìn)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(guò)熱后，直接用于拖動(dòng)SO2風(fēng)機(jī)，如圖4所示。一般情況，低壓蒸汽拖動(dòng)SO2風(fēng)機(jī)后仍有富余，則可以利用汽電雙驅(qū)機(jī)組中的電機(jī)同時(shí)作為發(fā)電機(jī)來(lái)用，直接向廠區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行輸送電能，既不需要新建余熱發(fā)電設(shè)備，也不需要“上網(wǎng)并網(wǎng)費(fèi)”，可謂一舉兩得，是目前正在推廣的技術(shù)。

2.2.3   銅冶煉蒸汽利用方案對(duì)比

蒸汽用來(lái)發(fā)電和蒸汽用來(lái)拖動(dòng)負(fù)載兩種蒸汽利用方案的投資主要包括廠房投資和設(shè)備投資兩項(xiàng)固定資產(chǎn)投資。廠房投資方面，蒸汽用來(lái)發(fā)電方案的廠房投資更高，因?yàn)樵摲桨感枰謩e建設(shè)負(fù)載（如制氧空壓機(jī)或SO2風(fēng)機(jī)）所在地廠房，還需另建設(shè)余熱發(fā)電廠房，而蒸汽用來(lái)拖動(dòng)負(fù)載方案僅需建設(shè)一個(gè)廠房。設(shè)備投資方面，蒸汽用來(lái)拖動(dòng)負(fù)載方案因設(shè)備數(shù)量更多，其設(shè)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(dāng)，兩種方案都是目前運(yùn)行成熟可靠的方案，維護(hù)成本低。表1是以上兩種蒸汽利用方案的運(yùn)行情況對(duì)比。

根據(jù)上述表中數(shù)據(jù)，電價(jià)按0.6元/kWh，機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間按8000 h，人員平均年收入按10萬(wàn)元，上述計(jì)算不包含蒸汽汽耗率差異帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益差距。從機(jī)組運(yùn)行角度，產(chǎn)生的主要經(jīng)濟(jì)效益分析如下：

（1）能耗經(jīng)濟(jì)效益

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

方案2每年節(jié)約的能耗經(jīng)濟(jì)效益為：1062 kW×0.6元/kWh×8000 h≈510萬(wàn)元。

（2）運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益

方案2比方案1每年減少的人工成本為：（36–18）人×10萬(wàn)元/人＝180萬(wàn)元。

（3）上網(wǎng)差價(jià)

方案2比方案1每年減少的上網(wǎng)差價(jià)為：0.03元/kWh×23600 kW×8000 h=566萬(wàn)元。

綜合以上計(jì)算，方案2比方案1每年多產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為：510+180+566=1256（萬(wàn)元），可見(jiàn)汽電雙驅(qū)方案對(duì)企業(yè)具有較好的直接經(jīng)濟(jì)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(duì)國(guó)家節(jié)能減碳的貢獻(xiàn)更是成效顯著。

3.   不同銅冶煉工藝的汽電雙驅(qū)拖動(dòng)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(zhuǎn)爐吹煉”工藝[8]、“閃速熔煉+閃速吹煉”工藝[9]（簡(jiǎn)稱(chēng)“雙閃”工藝）和“側(cè)吹熔煉+多槍頂吹吹煉”工藝[10]（簡(jiǎn)稱(chēng)“側(cè)+頂”工藝）這3種工藝。汽電雙驅(qū)拖動(dòng)系統(tǒng)主要存在于“側(cè)+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(diǎn)導(dǎo)致的。下面對(duì)汽電雙驅(qū)拖動(dòng)技術(shù)與這3種工藝的適應(yīng)性進(jìn)行分析。

3.1   “閃速熔煉+PS轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐為間歇式工作（不能連續(xù)送風(fēng)）的特點(diǎn)，進(jìn)而造成余熱鍋爐產(chǎn)汽波動(dòng)，導(dǎo)致混合后的產(chǎn)汽量波動(dòng)頻繁，工藝用汽后剩余的富余蒸汽也頻繁波動(dòng)且有規(guī)律。因此在這種工藝條件下，如果采用汽電雙驅(qū)技術(shù)方案來(lái)拖動(dòng)負(fù)載，將導(dǎo)致電機(jī)頻繁啟動(dòng)以應(yīng)對(duì)汽輪機(jī)出力不足時(shí)進(jìn)行補(bǔ)功，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性造成不確定性影響，因此汽電雙驅(qū)技術(shù)方案不建議應(yīng)用在采用“閃速熔煉+PS轉(zhuǎn)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(dòng)量小，表2是某50萬(wàn)t/a“雙閃”工藝銅冶煉項(xiàng)目采用汽電雙驅(qū)技術(shù)方案的蒸汽量平衡表。從蒸汽量平衡表可見(jiàn)，中壓過(guò)熱蒸汽基本滿(mǎn)足拖動(dòng)制氧空壓機(jī)的蒸汽消耗。而低壓蒸汽有較多剩余，拖動(dòng)SO2風(fēng)機(jī)的電機(jī)則可以選用有發(fā)電功能的電機(jī)，把多余的低壓蒸汽用來(lái)發(fā)電。需要特別注意的是，由于閃速爐每周需要進(jìn)行停爐點(diǎn)檢，導(dǎo)致全廠系統(tǒng)臨時(shí)停機(jī)，這將造成汽電雙驅(qū)系統(tǒng)的啟動(dòng)頻繁，也是“雙閃”工藝項(xiàng)目較少采用汽電雙驅(qū)技術(shù)方案的原因之一。

3.3   “側(cè)+頂”工藝

側(cè)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(dòng)量小的特點(diǎn)，表3是某30萬(wàn)t/a“側(cè)+頂”工藝銅冶煉項(xiàng)目采用汽電雙驅(qū)技術(shù)方案的蒸汽量平衡表。平衡表中剩余的8 t中壓過(guò)熱蒸汽可以用來(lái)補(bǔ)充冬季時(shí)低壓蒸汽的不足。因此，“側(cè)+頂”工藝的蒸汽利用適合采用汽電雙驅(qū)技術(shù)方案。

4.   銅冶煉的汽電雙驅(qū)系統(tǒng)軸系配置及案例

目前在銅冶煉中，汽電雙驅(qū)系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)和負(fù)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(cè)配置和汽電異側(cè)配置，2種配置方式均得到了成功應(yīng)用，用戶(hù)可以結(jié)合自身的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

4.1   汽電同側(cè)配置

汽電同側(cè)配置指的是汽輪機(jī)和電機(jī)配置在負(fù)載的同一側(cè)，汽輪機(jī)通過(guò)變速離合器與電機(jī)連接，電機(jī)通過(guò)齒輪箱與負(fù)載連接，這種配置的工作模式如圖5所示。

4.2   汽電異側(cè)配置

汽電異側(cè)配置指的是汽輪機(jī)和電機(jī)分別配置在負(fù)載的兩側(cè)，汽輪機(jī)通過(guò)變速離合器與負(fù)載的一側(cè)連接，電機(jī)通過(guò)離合器與負(fù)載的另一側(cè)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(duì)于汽電同側(cè)配置，其主要優(yōu)點(diǎn)是，電機(jī)一直處于熱備用狀態(tài)，隨時(shí)投入使用，電機(jī)常作為兩用電機(jī)，兼具發(fā)電功能。缺點(diǎn)是當(dāng)汽輪機(jī)或電機(jī)發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)需要先停機(jī)進(jìn)行檢修。如果用戶(hù)所產(chǎn)蒸汽拖動(dòng)負(fù)載后仍有剩余，選擇汽電同側(cè)配置的方式較好，因?yàn)榇藭r(shí)電機(jī)做的功用于發(fā)電，直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

而對(duì)于汽電異側(cè)配置，其主要優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)汽輪機(jī)或電機(jī)發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)可以不停機(jī)進(jìn)行檢修，且控制靈活性更強(qiáng)。缺點(diǎn)是機(jī)組配置了2個(gè)離合器，增加了機(jī)組的故障點(diǎn)，而且此時(shí)的電機(jī)是停機(jī)狀態(tài)，啟動(dòng)機(jī)組需要一定的時(shí)間。如果用戶(hù)所產(chǎn)蒸汽拖動(dòng)負(fù)載后基本沒(méi)有剩余，或者用戶(hù)更側(cè)重于系統(tǒng)發(fā)生異常后的可維護(hù)性，選擇汽電異側(cè)配置的方式較好，此時(shí)電機(jī)僅作為冷備用電機(jī)使用。

綜上，以上兩種配置方式主要取決于用戶(hù)的側(cè)重點(diǎn)，如果更看重經(jīng)濟(jì)效益，適合選擇汽電同側(cè)配置方案，如果更看重檢修的維護(hù)性，適合選擇汽電異側(cè)配置。

4.4   汽電雙驅(qū)機(jī)組的運(yùn)行模式

汽電雙驅(qū)機(jī)組具有多種運(yùn)行模式可以滿(mǎn)足用戶(hù)不同的功能需求，使得汽電雙驅(qū)系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性顯著提高。

開(kāi)機(jī)模式：如圖6（或圖5）所示，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)，負(fù)載由同步電機(jī)啟動(dòng)。負(fù)載（壓縮機(jī)或風(fēng)機(jī)等）正常運(yùn)行后，當(dāng)銅冶煉副產(chǎn)蒸汽參數(shù)滿(mǎn)足汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)條件時(shí)，汽輪機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到工作轉(zhuǎn)速后通過(guò)變速離合器嚙合投入機(jī)組運(yùn)行。

汽電聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式：如圖6（或圖5）所示，當(dāng)汽輪機(jī)輸出功率小于負(fù)載運(yùn)行所需功率時(shí)，由汽輪機(jī)與電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

蒸汽驅(qū)動(dòng)模式：如圖6（或圖5）所示，當(dāng)汽輪機(jī)輸出功率大于負(fù)載運(yùn)行所需功率時(shí)，由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)組；富余的功率則可以通過(guò)電機(jī)發(fā)電。

電力驅(qū)動(dòng)模式：如圖6（或圖5）所示，當(dāng)蒸汽條件不正常或汽輪機(jī)出現(xiàn)故障，汽輪機(jī)通過(guò)離合器自動(dòng)脫離機(jī)組，由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)負(fù)載正常運(yùn)行。

4.5   國(guó)內(nèi)采用汽電雙驅(qū)拖動(dòng)方案的案例

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)銅冶煉項(xiàng)目采用汽電雙驅(qū)拖動(dòng)方案已得到廣泛的成功應(yīng)用，表4是目前采用汽電雙驅(qū)拖動(dòng)方案的應(yīng)用案例情況。

5.   結(jié)束語(yǔ)

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

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