Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО АГРЕГАТА

Заявляемый объект относится к черной металлургии и может быть использован для испарительного охлаждения доменных печей и клапанов горячего дутья воздухонагревателей доменных печей.

Наиболее близкой по совокупности признаков к заявляемому объекту является выбранная в качестве прототипа система испарительного охлаждения металлургического агрегата, содержащая охлаждаемые элементы и барабан-сепаратор с соединяющими их коммуникациями и трубопроводной арматурой. При этом прототип оборудован соединенной с барабаном-сепаратором системой использования тепла вырабатываемого пара для нагрева воздуха горения, подаваемого к горелкам воздухонагревателя доменной печи (Авт.св. №1321452, МПК C21B 7/10, опубл. 07.07.87).

У заявляемого объекта и выбранного прототипа совпадают такие существенные признаки. Обе системы содержат охлаждаемые элементы и барабан-сепаратор с соединяющими их коммуникациями и трубопроводной арматурой.

Анализ технических свойств прототипа, обусловленных его признаками, показывает, что получению ожидаемого технического результата при использовании прототипа препятствуют такие причины. В системе по прототипу образуется низкопотенциальный водяной пар, который не пригоден для использования в технологических и энергетических целях (вырабатывается пар с абсолютным давлением не более 1,5 бар и температурой не более 111°C), такой пар характеризуется высоким содержанием водяного конденсата и невозможностью его транспортировки на большие расстояния. Это приводит к тому, что этот пар используется для подогрева или просто сбрасывается в атмосферу, при этом безвозвратно теряется около 40 т/ч подготовленной химочищенной деаэрированной воды. Кроме того, выбрасываемый пар ухудшает экологическую обстановку, а в зимнее время конденсат в виде льда оседает на металлоконструкциях производственных помещений, нарушает работу оборудования, приводит к возникновению риска травмирования обслуживающего персонала. Все это приводит к снижению эффективности работы системы испарительного охлаждения металлургического агрегата в целом.

В основу заявляемого объекта поставлена задача создать такую систему испарительного охлаждения металлургического агрегата, в которой усовершенствования путем введения новых элементов и новых связей между элементами позволят при использовании заявляемого объекта обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности работы системы испарительного охлаждения металлургического агрегата.

Поставленная зада решается за счет того, что система испарительного охлаждения металлургического агрегата, содержащая охлаждаемые элементы и барабан-сепаратор с соединяющими их коммуникациями и трубопроводной арматурой, в соответствии с заявляемым техническим решением, дополнительно оборудована средством механической компрессии пара, соединенным паропроводом насыщенного пара с барабаном-сепаратором и выполненным в виде по меньшей мере двух последовательно подключенных парокомпрессоров.

В отдельных случаях выполнения заявляемая система может характеризоваться тем, что:

- она дополнительно оснащена средством, обеспечивающим принудительную циркуляцию охлаждающей среды;

- парокомпрессоры выполнены роторными с осевой впускной частью и радиальным соплом, которое выполнено расширяющимся, оборудованы электроприводом и системой подвода и впрыска химочищенной деаэрированной воды и отвода конденсата.

При использовании заявляемого объекта обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности работы системы испарительного охлаждения металлургического агрегата при повышении параметров вырабатываемого ею пара и при обеспечении возможности его транспортировки и дальнейшего использования для технологических и энергетических нужд. Кроме того, при использовании заявляемого объекта обеспечивается достижение дополнительного технического результата, заключающегося в сокращении потерь химочищенной деаэрированной воды.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует такая причинно-следственная связь.

Дополнительное оборудование заявляемой системы испарительного охлаждения средством механической компрессии пара, которое соединено паропроводом насыщенного пара с барабаном-сепаратором и выполнено в виде по меньшей мере двух последовательно подключенных парокомпрессоров, обеспечивает последовательное, по меньшей мере, в два этапа, прямое сжатие пара с увеличением давления и с повышением температуры, обеспечивая повышение параметров пара, вырабатываемого системой испарительного охлаждения металлургического агрегата, а также обеспечивая возможность его транспортировки и использования для технологических и энергетических нужд. Кроме того, повышение параметров пара до таких величин, которые позволяют его использовать для технологических и энергетических нужд, позволяет предотвратить потери химочищенной деаэрированной воды и сократить ее расход на приготовление пара для технологических и энергетических процессов, в которые направляется перегретый пар из заявляемой системы.

Дополнительное оснащение заявляемой системы средством, обеспечивающим принудительную циркуляцию охлаждающей среды (например, циркуляционными насосами), позволяет обеспечить оптимальные скорости охлаждающей среды в контурах охлаждения, снизить вероятность пульсационных колебаний циркуляционных контуров охлаждения, позволяет повысить параметры пароводяной смеси, образующейся в охлаждаемых элементах, и способствует повышению эффективности протекания последующих процессов повышения параметров пара в парокомпрессорах, что, в свою очередь, обеспечивает стабильность, надежность и повышение эффективности работы системы испарительного охлаждения металлургического агрегата в целом.

Оборудование заявляемой системы по меньшей мере двумя последовательно подключенными парокомпрессорами, которые выполнены роторными с осевой впускной частью и радиальным соплом, выполненным расширяющимся, и оборудованы электроприводом, а также системой подвода и впрыска химочищенной деаэрированной воды и отвода конденсата позволяет технологически просто обеспечивать ступенчатое повышение давления и температуры пара без превышения критических показателей с наименьшими затратами, а также позволяет обеспечить надежность, эффективность и долговечность работы парокомперессоров. Все это обеспечивает повышение эффективности работы системы испарительного охлаждения металлургического агрегата при повышении параметров вырабатываемого ею пара, а также обеспечивает возможность его транспортировки и дальнейшего использования для технологических и энергетических нужд.

Применение парокомпрессоров роторного типа с осевой впускной частью и радиальным расширяющимся соплом позволяет конструктивно просто обеспечить наибольшую эффективность процесса поэтапного (ступенчатого) повышения параметров пара, оптимизировать скорость и давление пара на выходе из предыдущего парокомпрессора и входе в последующий при последовательном подключении парокомпрессоров, обеспечить транспортировку пара для дальнейшего использования для технологических и энергетических нужд применительно к качественным и количественным показателям пара, вырабатываемого системой испарительного охлаждения металлургического агрегата и используемого в металлургическом производстве. Кроме того, обеспечивается компактность размещения по меньшей мере двух последовательно подключенных парокомпрессоров в условиях действующих производств с минимальными затратами.

Оборудование роторных парокомпрессоров системой подвода и впрыска химочищенной деаэрированной воды и отвода конденсата позволяет обеспечить подвод и впрыскивание воды в парокомпрессор, например путем распыления с помощью форсунок, а также предотвратить накопление капельной влаги в виде конденсата и обеспечить оптимальный режим работы парокомпрессора. Кроме того, впрыскивание воды обеспечивает очистку рабочего органа парокомпрессора во время эксплуатации и предотвращение налипаний, что, в свою очередь, предотвращает его разбалансировку. Все это обеспечивает повышение эффективности работы системы испарительного охлаждения металлургического агрегата в целом при повышении параметров вырабатываемого ею пара и при обеспечении возможности его транспортировки и дальнейшего использования для технологических и энергетических нужд.

Сущность заявляемого объекта поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема системы испарительного охлаждения такого металлургического агрегата, как доменная печь, с изображением четырех парокомпрессоров.

На чертеже позициями обозначены такие элементы:

1 - барабан-сепаратор;

2 - холодильные плиты;

3 - опускной трубопровод;

4 - главный распределительный коллектор;

5 - всасывающий участок главного распределительного коллектора;

6 - напорный участок главного распределительного коллектора;

7 - всасывающий трубопровод;

8 - циркуляционные насосы;

9 - нагнетательный трубопровод;

10 - опускные трубопроводы;

11 - опускные коллекторы;

12 - индивидуальные опускные трубопроводы;

13 - соединительные калачи;

14 - индивидуальные подъемные трубопроводы;

15 - подъемные коллекторы;

16 - подъемные трубопроводы;

17 - паропровод насыщенного пара;

18 - парокомпрессоры;

19 - соединительные паропроводы;

20 - паропровод перегретого пара на технологические нужды;

21 - трубопровод для подвода химочищенной деаэрированной воды;

22 - повысительный насос химочищенной деаэрированной воды;

23 - нагнетательные трубопроводы химочищенной деаэрированной воды;

24 - конденсатопроводы для отвода конденсата;

25 - конденсатосборник;

26 - общий трубопровод отвода конденсата;

27 - конденсатоотводчик;

28 - конденсатный насос;

29 - трубопроводная арматура (обратный клапан);

30 - трубопроводная арматура (затвор);

31 - трубопроводная арматура (затвор);

32 - трубопроводная арматура (затвор).

В конкретном примере исполнения заявляемая система испарительного охлаждения, например, доменной печи, оборудована двумя отдельными вертикальными секциями охлаждения аналогичной конструкции, которые совместно охватывают доменную печь по высоте с двух противоположных сторон (на чертеже показана одна секция). Каждая вертикальная секция содержит барабан-сепаратор 1 и холодильные плиты 2 с соединяющими их коммуникациями и трубопроводной арматурой.

Барабан-сепаратор 1 соединен общим опускным трубопроводом 3 с главным распределительным коллектором 4, который трубопроводной арматурой 29 (обратный клапан) разделен на всасывающий участок 5 и напорный участок 6. При этом всасывающий участок 6 соединен с общим опускным трубопроводом 3, а также через трубопроводную арматуру 30 (затвор) соединен со всасывающим трубопроводом 7 циркуляционных насосов 8 (один рабочий, один резервный), а напорный участок 6 соединен через трубопроводную арматуру 31 (затвор) с нагнетательным трубопроводом 9 циркуляционных насосов 8 и через трубопроводную арматуру 32 (затвор), опускные трубопроводы 10, опускные коллекторы 11 и индивидуальные опускные трубопроводы 12 - с нижним рядом холодильных плит 2 заплечиков доменной печи. Холодильные плиты 2 выполнены, например, с залитыми в двух плоскостях охлаждаемыми трубками в виде змеевиков (на чертеже не показано), при этом холодильные плиты 2 (их змеевики) по высоте соединены между собой калачами 13, образуя вертикальный циркуляционный контур. Каждая секция содержит, например, четыре вертикальных циркуляционных контура охлаждения. Верхний ряд холодильных плит 2 (их змеевики) шахты доменной печи соединен через подъемные индивидуальные трубопроводы 14, подъемные коллекторы 15, подъемные трубопроводы 16 с барабаном-сепаратором 1. Барабан-сепаратор 1 расположен в высшей точке описанного циркуляционного контура.

Кроме того, барабан-сепаратор 1 соединен с помощью паропровода 17 насыщенного пара с, например, четырьмя роторными парокомпрессорами 18, которые выполнены с осевой впускной частью и радиальным расширяющимся соплом и подключены последовательно с помощью соединительных паропроводов 19. Последний (по ходу пара) парокомпрессор 18 соединен с паропроводом перегретого пара 20 для отвода пара на технологические нужды.

Роторные парокомпрессоры 18 оборудованы электроприводами, обеспечивающими вращение рабочего органа (на чертеже не показано) и системой подвода и впрыска химочищенной деаэрированной воды и отвода конденсата, которая содержит трубопровод 21 подвода воды, повысительный насос 22, нагнетательные трубопроводы 23 для подвода воды в парокомпрессоры 18, а также конденсатопроводы 24 для отвода конденсата через конденсатоотводчики 27 в конденсатосборник 25, который общим трубопроводом 26 отвода конденсата соединен с трубопроводом 21. Впрыск конденсата в трубопровод 21 обеспечивается с помощью конденсатного насоса 28.

Охлаждение доменной печи после первоначального заполнения заявляемой системы осуществляется следующим образом. Из барабана-сепаратора 1 охлаждающая вода поступает через общий опускной трубопровод 3 во всасывающий участок 5 главного распределительного коллектора 4, откуда при открытой трубопроводной арматуре 30 (затвор) через всасывающий трубопровод 7 всасывается циркуляционными насосами 8, которые обеспечивают необходимый напор для преодоления гидравлического сопротивления системы и создания оптимальной скорости пароводяной смеси в змеевиках холодильных плит 2. Далее вода поступает по нагнетательному трубопроводу 9 через открытую трубопроводную арматуру 31 (затвор) в напорный участок 6 главного распределительного коллектора 4, создавая необходимое давление для закрытия трубопроводной арматуры 29 (обратный клапан) и обеспечивая отключение напорного участка 6 от всасывающего участка 5. Далее поток охлаждающей воды разделяется, например, на четыре параллельных потока по числу вертикальных контуров охлаждения (при этом в каждом охлаждаемом контуре обеспечивается заданный расход воды) и при открытой трубопроводной арматуре 32 (затворы) по опускным трубопроводам 10 поступает к опускным коллекторам 11, от которых по индивидуальным опускным трубопроводам 12 вода поступает к нижнему ряду холодильных плит 2 заплечиков доменной печи. Вода, проходящая по змеевикам, отбирает тепло от холодильных плит 2 и нагревается до образования пароводяной смеси. Использование циркуляционных- насосов 8 способствует повышению эффективности образования пароводяной смеси и повышению ее параметров. Образовавшаяся пароводяная смесь от верхнего ряда холодильных плит 2 шахты доменной печи по индивидуальным подъемным трубопроводам 14 поступает в подъемные коллекторы 15 и далее по подъемным трубопроводам 16 в барабан-сепаратор 1, где происходит отделение насыщенного пара от воды. Вода из барабана-сепаратора 1 через общий опускной трубопровод 3 снова поступает во всасывающий участок 5 главного распределительного коллектора 4, и процесс повторяется.

Отсепарированный насыщенный пар с абсолютным давлением 1,5 бар и температурой ~111°C из барабана-сепаратора 1 подается по паропроводу насыщенного пара 17 в осевую впускную часть первого роторного парокомпрессора 18 (первая ступень компрессии), где его давление повышается до 2 бар, а температура до 121,15°C. Далее пар из радиального расширяющегося сопла первого парокомпрессора 18 по соединительному паропроводу 19 поступает в осевую впускную часть второго парокомпрессора 18 (вторая ступень компрессии), где его давление и температура повышаются, соответственно, до 2,7 бар и 130,15°C. Далее пар из радиального расширяющегося сопла второго парокомпрессора 18 по соединительному паропроводу 19 поступает в осевую впускную часть третьего парокомпрессора 18 (третья ступень компрессии), где его давление и температура повышаются, соответственно, до 3,6 бар и 139,65°C. Далее пар из радиального расширяющегося сопла третьего парокомпрессора 18 по соединительному паропроводу 19 поступает в осевую впускную часть четвертого парокомпрессора 18 (четвертая ступень компрессии), где его давление и температура повышаются, соответственно, до 4,6 бар и 200°C. После чего перегретый пар из радиального расширяющегося сопла четвертого парокомпрессора 18 по паропроводу 20 перегретого пара направляется на технологические нужды.

Использование четырех последовательно подключенных роторных парокомпрессоров позволяет повысить параметры пара с исходным абсолютным давлением 1,5 бар и температурой 111,4°C до конечного абсолютного давления 4,6 бар и температуры 200°C при расходе 12,9 т/час, обеспечивая возможность его транспортировки и дальнейшего использования в доменном цехе, например, для колошникового устройства, бункеров бесконусного загрузочного устройства, для продувки уравнительных клапанов и зондов, для продувки газопроводов чистого газа воздухонагревателей, для продувки газопроводов природного газа, при заполнении пылеуловителя, для уплотнения седла отсекающего клапана, для обогрева сальника штанги отсекающего клапана, в винтовом транспортере, для увлажнения дутья и обогрева азотопроводов и импульсных трасс.

Для обеспечения оптимального режима работы парокомпрессоров 18, а также очистки их рабочего органа и предотвращения налипаний из трубопровода 21 с помощью повысительного насоса 22 по нагнетательным трубопроводам 23 в них подается химочищенная деаэрированная вода, которая впрыскивается в корпус парокомпрессоров, например, путем распыления с помощью форсунок (на чертеже не показано). При этом капельная влага в виде конденсата отводится с помощью конденсатоотводчиков 27 через конденсатопроводы 24 в конденсатосборник 25, из которого при работе конденсатного насоса 28 по трубопроводу 26 впрыскивается в трубопровод 21.

В заявляемой системе охлаждения металлургического агрегата потери воды восполняются химочищенной деаэрированной водой, которая подается в барабан-сепаратор 1, обеспечивая постоянное поддержание ее необходимого уровня (на чертеже не показано).

В случае эксплуатации заявляемой системы без использования средства, обеспечивающего принудительную циркуляцию охлаждающей среды (без циркуляционных насосов 8), при закрытой трубопроводной арматуре (затворах) 30 и 31 на всасывающем 7 и нагнетательном 9 трубопроводах, соответственно, и отсутствии давления воды на напорном участке 6 открывается трубопроводная арматура 29 (обратный клапан), обеспечивая поступление воды из всасывающего участка 5 напрямую в напорный участок 6 главного распределительного коллектора 4. Далее работа системы без использования средства, обеспечивающего принудительную циркуляцию охлаждающей среды, аналогична работе системы с его использованием, а циркуляция воды обеспечивается за счет разности удельных весов воды и пароводяной смеси.

Все это за счет повышения параметров пара, вырабатываемого заявляемой системой, и обеспечения возможности его транспортировки и дальнейшего использования для технологических нужд обеспечивает повышение эффективности работы системы испарительного охлаждения металлургического агрегата в целом.