一种避免透平机推力轴承过载的方法

技术领域

本发明涉及一种方法，具体涉及一种避免透平机推力轴承过载的方法，属于高炉煤气余压发电系统技术领域。

背景技术

高炉煤气余压发电是一项有效的能源回收措施，高炉煤气余压透平发电装置(TopGas Pressure Recovery Turbine简称TRT)是钢铁企业重大能量回收装置，它是利用高炉生产过程中产生的高温、高压高炉煤气流通透平机，使高炉煤气的压力能转化为机械能，驱动发电机发电的一种装置。它是一项既不消耗燃料、又不污染环境的能源回收设施。

其主要工艺流程为：高温、高压高炉煤气经煤气净化设施后后分为两路：一路进入TRT透平机做功，带动发电机发电；另一路经减压阀组将高压煤气转化为低压煤气，再通过喷水降温将高温低压煤气转为低温低压煤气进入低压煤气管网。

高炉煤气余压透平发电装置运行较能源与动力工程领域的普通发电装置运行工况波动大，主要是高炉在生产过程中，难以避免发生各种波动，导致进入透平机的高炉煤气压力、温度波动范围大，对透平机的抗异常工况要求更高。透平机在运行过程中进气侧与排气侧有压力差，压力差推动转子转动做功，压力差同时对转子形成轴向推力，为确保转子转动而不是水平移动，透平机设置有推力轴承，推力轴承承担转子的轴向推力，以达到压力差只是推动转子转动而不是水平移动。

高炉煤气余压透平发电装置为炼铁高炉附属系统，在传统工艺控制方式中，更侧重该系统的调节能力达到高炉顶压稳定的原则，一般要求通过高炉煤气余压透平发电装置或减压阀组调节高炉顶压，达到设定值与反馈值误差小于2％，为达到此要求，高炉煤气余压透平发电装置或减压阀组通常采用PID反馈控制方式，实时调节，已满足高炉生产的要求。

某厂高炉煤气余压透平发电装置在运行过程中，经常会出现推力轴承温度超过80℃报警值现象，推力轴承长时间在超过80℃工况下运行，当高炉运行波动，发生“管道行程”时，瞬间大量高温高压高炉煤气涌入煤气系统，进入透平机，推力轴承瞬间承担超负荷的轴向推力，推力轴承与承载板之间的润滑油油膜破裂，则推力轴承与承载板由液态润滑转为固态润滑，固态润滑过程中的碎屑再次加剧破坏摩擦接触面。推力轴承温度则进一步升高，多次过载后，最终发生推力轴承烧损事故，高炉煤气余压透平发电装置被迫退出运行。

综上所述，本发明通过前馈控制方式，当高炉发生异常工况时，通过控制减压阀组、旁通阀、调速阀等阀门的开启、闭合，及时分流过量的高炉煤气，避免推力轴承承担超负荷的轴向推力。仍保留高炉煤气余压透平发电装置和减压阀组的PID反馈调节高炉顶压控制方式。再通过在透平机两侧设置平衡管抵消一部分轴向推力的方式，降低推力轴承负荷，为透平机在运行过程中应对异常工况留有一定裕量。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种避免透平机推力轴承过载的方法，主要用于高炉煤气余压发电系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种避免透平机推力轴承过载的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：开发PLC高炉顶压前馈控制程序，实现避免推力轴承过负荷功能。

步骤2：透平机增加高压平衡管和低压平衡管，实现降低推力轴承负荷的功能。

其中，步骤1具体如下：

进一步，本发明步骤1中，顶压检测设备设置在煤气上升高入口处，顶压检测设备与TRT透平机之间有一定距离，高炉煤气从该位置到透平机入口需要一定时间。当顶压检测设备检测到数据，并传入控制系统，控制系统再发出指令，到阀门动作到位，有一个过程，此过程需要一定的时间。故本发明采用前馈控制，以达到阀门实际开出后，超量的高温、高压煤气能够从其它煤气管道分流，避免进入透平机。

进一步，本发明步骤1中，高炉顶压前馈控制程序设置顶压安全值，顶压安全值为启动前馈控制条件。顶压安全值不能过大，过大时，则过量的煤气进入透平机，导致推力轴承过负荷。顶压安全值也不能过小，过小时，则高炉生产过程中小幅度的气流波动，就会触发本发明程序，降低透平机发电量。

本发明根据重复试验测得顶压安全值应设置为顶压检测值大于设定值加30kPa或顶压最大值，在保证透平机发电效率的基础上，避免透平机推力轴承过负荷。

进一步，本发明步骤1中，当满足条件启动本前馈控制程序后，则其中一台旁通阀输出一定开度值，并开始计时；当计时2s后，仍然满足启动条件，则另一台旁通阀输出一定开度值；当计时4s后，还满足启动条件，则减压阀组阀门输出一定开度值，并同时调整调速阀开度值，调速阀开度控制通过阀门的高炉煤气量不超过透平机设计上限为依据。在该过程中，高炉顶压由透平机静叶开度PID反馈控制方式动态调整，既能较好的控制顶压，也避免了超量的高温、高压煤气进入透平机，避免推力轴承承担超负荷的轴向推力。

步骤2：具体如下：

进一步，本发明步骤2中，在高压平衡腔与低压室设置高压平衡管，连通两部分。高压平衡腔内的气体通过高压平衡管进入低压室，降低高压平衡腔内的压力，当高压平衡腔内的压力降低后，高压平衡盘则受到高压室向高压平衡腔方向的推力，此推力方向与推力轴承推力方向一致，所以可以降低推力轴承运行负荷。

进一步，本发明步骤2中，在低压平衡腔与高压室设置低压平衡管，连通两部分。高压室内的气体通过低压平衡管进入低压平衡腔，提高低压平衡腔内的压力，当低压平衡腔内的压力升高后，低压平衡盘则受到低压平衡腔向低压室方向的推力，此推力方向也与推力轴承推力方向一致，所以可以进一步降低推力轴承运行负荷。

F

式中：

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R

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相对于现有技术，本发明具有如下优点，本发明方法流程简单，可实施性强，实现了透平机关键部件推力轴承长时间稳定运行，进而达到高炉煤气余压发电系统长期稳定运行的目标，减少高炉煤气余压发电系统检修时间，以最高效率回收高炉煤气压力能，以利于高炉节能减排。

附图说明

图1：本发明高炉煤气管道、阀门、透平机关系示意图；

图2：本发明前馈控制逻辑示意图；

图3：本发明高炉煤气余压发电装置示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1-图3，高炉煤气余压发电装置，高炉1生产过程中产生的高温、高压高炉煤气通过煤气上升管2，再通过煤气净化设备3，进入高压煤气管4，一路通过减压阀组5进入低压煤气管网6，另一路通过TRT入口煤气管7，通过快切阀8、再通过调速阀10，最后通过进气管10进入透平机11，透平机11做功，带动轴承18转动，轴承18通过联轴器19带动发电机12发电。高炉煤气转化为低压煤气，然后进入低压煤气管网6。A旁通阀一端与TRT入口煤气管7相连，另一端连接低压煤气管网6。B旁通阀一端与TRT入口煤气管7相连，另一端连接低压煤气管网6。

如图1、图2所示，当顶压检测设备15检测到压力数据大于设定值200kPa加30kpa，即230kPa或者顶压最大值240kPa后，则A旁通阀13输出50％开度值，程序并开始计时；程序计时2s后，当顶压检测设备15检测到压力数据仍然大于230kPa，则B旁通阀14输出50％开度值；程序计时4s后，当顶压检测设备15检测到压力数据仍然大于230kPa，则减压阀组5输出20％开度值，并同时调速阀关闭20％。

通过上述方法主要是通过分阶段连续打开旁通阀，分流过量的高温、高压煤气，也可以避免旁通阀在长时间处于关闭状态时，在紧急情况下，无法打开，而造成生产事故。

如图3所示，当高炉煤气通过进气管10进入高压室26，推动动叶24转动，动叶24固定于轴承25，则由于高压室26和低压室27两侧的压力差形成的轴向推力作用于轴承25，推力盘28固定于轴承25，则轴向推力主要作用于与推力盘28，推力轴承18则承担推力盘的推力。

高压平衡管17一端连接高压平衡腔20，另一端连接低压室27。高压平衡腔20内的气体通过高压平衡管17进入低压室27，降低高压平衡腔20内的压力，当高压平衡腔20内的压力降低后，高压平衡盘21则受到高压室26向高压平衡腔20方向的推力，此推力方向与推力轴承18推力方向一致。

低压平衡管16一段连接低压平衡腔22，另一端连接高压室26。高压室26内的气体通过低压平衡管16进入低压平衡腔22，提高低压平衡腔22内的压力，当低压平衡腔内22的压力升高后，低压平衡盘23则受到低压平衡腔22向低压室27方向的推力，此推力方向也与推力轴承18推力方向一致。

通过上述方法主要是通过气体的压差形成与推力抵消一部分推力轴承的负荷，推力轴承高压推力盘和低压推力盘与透平机壳体之间存在一定的缝隙导致泄漏，为达到本发明所述效果，本发明通过现场反复试验测得高压平衡管内径选取DN100mm，低压平衡管内径选取DN80mm，可以达到所述效果。

实施例2：参见图1-图3，一种避免透平机推力轴承过载的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：开发PLC高炉顶压前馈控制程序，实现避免推力轴承过负荷功能。

步骤2：透平机增加高压平衡管和低压平衡管，实现降低推力轴承负荷的功能。

其中，步骤1具体如下：

进一步，本发明步骤1中，顶压检测设备设置在煤气上升高入口处，顶压检测设备与TRT透平机之间有一定距离，高炉煤气从该位置到透平机入口需要一定时间。当顶压检测设备检测到数据，并传入控制系统，控制系统再发出指令，到阀门动作到位，有一个过程，此过程需要一定的时间。故本发明采用前馈控制，以达到阀门实际开出后，超量的高温、高压煤气能够从其它煤气管道分流，避免进入透平机。

进一步，本发明步骤1中，高炉顶压前馈控制程序设置顶压安全值，顶压安全值为启动前馈控制条件。顶压安全值不能过大，过大时，则过量的煤气进入透平机，导致推力轴承过负荷。顶压安全值也不能过小，过小时，则高炉生产过程中小幅度的气流波动，就会触发本发明程序，降低透平机发电量。

本发明根据重复试验测得顶压安全值应设置为顶压检测值大于设定值加30kPa或顶压最大值，在保证透平机发电效率的基础上，避免透平机推力轴承过负荷。

进一步，本发明步骤1中，当满足条件启动本前馈控制程序后，则其中一台旁通阀输出一定开度值，并开始计时；当计时2s后，仍然满足启动条件，则另一台旁通阀输出一定开度值；当计时4s后，还满足启动条件，则减压阀组阀门输出一定开度值，并同时调整调速阀开度值，调速阀开度控制通过阀门的高炉煤气量不超过透平机设计上限为依据。在该过程中，高炉顶压由透平机静叶开度PID反馈控制方式动态调整，既能较好的控制顶压，也避免了超量的高温、高压煤气进入透平机，避免推力轴承承担超负荷的轴向推力。

步骤2：具体如下：

进一步，本发明步骤2中，在高压平衡腔与低压室设置高压平衡管，连通两部分。高压平衡腔内的气体通过高压平衡管进入低压室，降低高压平衡腔内的压力，当高压平衡腔内的压力降低后，高压平衡盘则受到高压室向高压平衡腔方向的推力，此推力方向与推力轴承推力方向一致，所以可以降低推力轴承运行负荷。

进一步，本发明步骤2中，在低压平衡腔与高压室设置低压平衡管，连通两部分。高压室内的气体通过低压平衡管进入低压平衡腔，提高低压平衡腔内的压力，当低压平衡腔内的压力升高后，低压平衡盘则受到低压平衡腔向低压室方向的推力，此推力方向也与推力轴承推力方向一致，所以可以进一步降低推力轴承运行负荷。

F

式中：

F

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R

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需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。