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(biāo)準(zhǔn)煤（相當(dāng)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(fēng)機（風(fēng)量Q=240000 m3/h，升壓63 kPa），功率達到5600 kW，單臺設(shè)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(shè)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(qū)技術(shù)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(qū)拖動技術(shù)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(yīng)性，比較了汽電雙驅(qū)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(qū)系統(tǒng)具有較強的靈活性和適應(yīng)性。

1. 汽電雙驅(qū)技術(shù)的發(fā)展由來及現(xiàn)狀

1.1 電拖系統(tǒng)

目前，驅(qū)動設(shè)備運轉(zhuǎn)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(fù)載的過程，實際上需經(jīng)歷四次能源轉(zhuǎn)化過程，即化學(xué)能（或核能）轉(zhuǎn)化為熱能（蒸汽），蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為汽輪機的機械能，汽輪機的機械能再轉(zhuǎn)化為發(fā)電機的電能，發(fā)電機的電能又轉(zhuǎn)化為電動機的機械能。在每次的轉(zhuǎn)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(fù)載，省掉了機械能轉(zhuǎn)化為電能，電能又轉(zhuǎn)化為機械能的中間過程，直接由熱能轉(zhuǎn)化為機械能來拖動負(fù)載，大大提高了能源轉(zhuǎn)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(fù)載。

1.3 汽電雙驅(qū)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(qū)動汽輪機并直接拖動負(fù)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(qū)系統(tǒng)。汽電雙驅(qū)系統(tǒng)是將汽輪機、電機與被拖動的負(fù)載同軸連接布置，實現(xiàn)2種原動機聯(lián)合驅(qū)動同一負(fù)載。該系統(tǒng)的2種原動機互為備用，既可單獨驅(qū)動，又能聯(lián)合驅(qū)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(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)均有廣泛運用。在鋼鐵行業(yè)，李文瑞等[5]研究了汽電雙驅(qū)機組在氬氧精煉爐（AOD爐）高溫?zé)煔庥酂峄厥枕椖恐械墓こ虘?yīng)用，表明汽電雙驅(qū)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(qū)空增壓一體機組的成功應(yīng)用案例，機組具有結(jié)構(gòu)緊湊，高效節(jié)能的特點。汽電雙驅(qū)拖動技術(shù)已被列入《國家工業(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?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(shè)備的電力驅(qū)動，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(shè)備的電力驅(qū)動，如圖2所示。

2.2.2 蒸汽直接驅(qū)動負(fù)載利用節(jié)能方案

自從2019年“側(cè)吹熔煉+多槍頂吹吹煉”（簡稱“側(cè)+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(zhuǎn)化一段過熱為5.5 MPa（400 ℃）的過熱蒸汽，直接用于驅(qū)動大功率的制氧空壓機或制酸SO2風(fēng)機。當(dāng)中壓過熱蒸汽不足以同時承擔(dān)驅(qū)動制氧空壓機和制酸SO2風(fēng)機時，優(yōu)先考慮用于驅(qū)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(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(fēng)機，如圖4所示。一般情況，低壓蒸汽拖動SO2風(fēng)機后仍有富余，則可以利用汽電雙驅(qū)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(shè)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(shù)。

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(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(shè)負(fù)載（如制氧空壓機或SO2風(fēng)機）所在地廠房，還需另建設(shè)余熱發(fā)電廠房，而蒸汽用來拖動負(fù)載方案僅需建設(shè)一個廠房。設(shè)備投資方面，蒸汽用來拖動負(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(qū)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(qū)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(zhuǎn)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(cè)吹熔煉+多槍頂吹吹煉”工藝[10]（簡稱“側(cè)+頂”工藝）這3種工藝。汽電雙驅(qū)拖動系統(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導(dǎo)致的。下面對汽電雙驅(qū)拖動技術(shù)與這3種工藝的適應(yīng)性進行分析。

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，進而造成余熱鍋爐產(chǎn)汽波動，導(dǎo)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(qū)技術(shù)方案來拖動負(fù)載，將導(dǎo)致電機頻繁啟動以應(yīng)對汽輪機出力不足時進行補功，對設(shè)備的運行穩(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(qū)技術(shù)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(fēng)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(dǎo)致全廠系統(tǒng)臨時停機，這將造成汽電雙驅(qū)系統(tǒng)的啟動頻繁，也是“雙閃”工藝項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)定和波動量小的特點，表3是某30萬t/a“側(cè)+頂”工藝銅冶煉項目采用汽電雙驅(qū)技術(shù)方案的蒸汽量平衡表。平衡表中剩余的8 t中壓過熱蒸汽可以用來補充冬季時低壓蒸汽的不足。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，用戶可以結(jié)合自身的實際情況進行選擇。

4.1 汽電同側(cè)配置

汽電同側(cè)配置指的是汽輪機和電機配置在負(fù)載的同一側(cè)，汽輪機通過變速離合器與電機連接，電機通過齒輪箱與負(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)配置指的是汽輪機和電機分別配置在負(fù)載的兩側(cè)，汽輪機通過變速離合器與負(fù)載的一側(cè)連接，電機通過離合器與負(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

對于汽電同側(cè)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(dāng)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(fù)載后仍有剩余，選擇汽電同側(cè)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(cè)配置，其主要優(yōu)點是，當(dāng)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(fù)載后基本沒有剩余，或者用戶更側(cè)重于系統(tǒng)發(fā)生異常后的可維護性，選擇汽電異側(cè)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(cè)重點，如果更看重經(jīng)濟效益，適合選擇汽電同側(cè)配置方案，如果更看重檢修的維護性，適合選擇汽電異側(cè)配置。

4.4 汽電雙驅(qū)機組的運行模式

汽電雙驅(qū)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(qū)系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性顯著提高。

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

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

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

電力驅(qū)動模式：如圖6（或圖5）所示，當(dāng)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(qū)動負(fù)載正常運行。

4.5 國內(nèi)采用汽電雙驅(qū)拖動方案的案例

近些年來，國內(nèi)銅冶煉項目采用汽電雙驅(qū)拖動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)拖動方案的應(yīng)用案例情況。

5. 結(jié)束語

在全球能源緊缺和環(huán)保壓力日益嚴(yán)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(zé)任重大，需要不斷提高和應(yīng)用先進的節(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