冶金企业燃气蒸汽联合循环发电的应用

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摘要:冶金企业燃气－蒸汽联合循环发电机组主要动力设备为燃气轮机，可以燃烧低热值的高炉煤气。文章通过介绍冶金企业燃气－蒸汽联合循环发电的应用情况以及燃气－蒸汽联合循环的优势及特点，分析其发展趋势，针对冶金企业的利用富裕煤气带来的经济效益和社会效益，认为在冶金企业燃气－蒸汽联合机组的应用和发展是十分必要的。

关键词:冶金企业;燃气－蒸汽联合循环;燃气轮机;低热值

1联合循环发电机组的应用

目前，我国宝钢、鞍钢、马钢、济钢、通钢、邯钢、包钢、莱钢、太钢、迁钢等钢厂的CCPP机组已建成运行，并取得了很好的经济效益与环境效益。受技术起步晚，材料、加工环节薄弱等因素影响，目前国内制造企业仅能完成部分小型天然气燃气轮机的生产制造，尚无法生产冶金企业低热值煤气燃气轮机。冶金企业低热值燃气轮机目前主要由MHI(日本三菱)、GE(美国通用电气)两家公司设计制造，表1列出了几种低热值煤气燃气轮机的机型。从目前国内CCPP机组的投运情况来看，日本三菱机组的占有份额很高，CCPP机型主要为M251S、M701S(DA)、M701S(DA)X、M701S(F)，从2004年到2017年9月，全国共引进M251S型机组21台，分别建设投运在青钢、太钢、邯钢、沙钢、马钢、天铁、涟钢、重钢;共引进M701S(DA)型机组9台，分别建设投运在包钢、迁钢、鞍钢;180MW级别的M701(DA)X型燃机首台在2016年8月落户首钢京唐，在2018年投产，鞍钢III期2017年8月签订了一台此型机组的合同，计划2019年投入运行［2］。美国通用电气公司的主要机型为MS9001FA、6B、PG9171(E)，2009年武钢引进GE公司的PG9171(E)型CCPP发电技术，新建了2套150MW级CCPP机组，燃料额定热值4396kJ/m3，由高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气混合制备。

2联合循环发电机组的优势

冶金企业的炼铁、炼钢、炼焦伴生的煤气是宝贵的二次能源，将其作为原料发电是各冶金企业的普遍做法，CCPP机组的投入运行，不仅可以利用大量放散的煤气资源，减少能源浪费，还能提高企业的自发电量。CCPP机组相比于常规燃气锅炉发电机组的热效率要高很多，基于同等煤气热量，一般常规燃气锅炉发电热效率仅为25%，CCPP机组的联合循环热效率可以达到43%;CCPP机组热效率高的主要原因为:CCPP机组采用联合循环(布莱顿循环和朗肯循环)，煤气燃烧发生化学反应后产生的高温高压烟气可以做功发电，做完功的烟气温度可达500～550℃，在余热锅炉加热给水产生蒸汽用于汽轮机发电;这样烟气既参与布莱顿循环，又参与朗肯循环，使CCPP机组的热效率比常规朗肯循环发电机组要高很多。

3联合循环发电机组的特点

高炉煤气的可燃成分是一氧化碳和氢气，也含有大量的氮气和二氧化碳，低位热值一般为2510～3520kJ/m3，属于低热值煤气;燃烧低热值煤气使CCPP机组空压机和透平机容积流量显著增大，流量平衡被破坏。解决此类问题可以使用单缸的轴流式空压机，可以降低压气机的叶片长度，降低空气的流量［3］。当燃气轮机燃烧低热值煤气后，还要考虑燃烧产物问题，尤其燃烧产物中的氮氧化合物可能超标。可以通过在燃烧室中某个位置射入水蒸气或者在混合煤气进入燃烧室之前喷水，使其被水蒸气饱和。由于高炉煤气含尘量大，这些含尘煤气进去CCPP机组后，会磨损煤压机以及燃气轮机的叶片，影响机组效率，一般采用适合于清除高煤含尘用的电气除尘器，清除灰尘［4］。因为焦炉煤气的热值高，所以常常作为热值控制燃料，大多与高炉煤气混合使用配成一定发热量的煤气供给CCPP机组，这样可以使煤气的热值稳定，从而使燃烧状况良好。但是由于焦炉煤气含有较高组分的氢气，氢气的高活性和高的火焰传播速度使焦炉煤气在CCPP机组的使用中要区别于燃烧天然气的燃气轮机［5］，因此一般在设计燃气轮机火焰筒时要根据具体的煤气特性而加以改造，并采取相应的技术措施进行优化。此外，CCPP机组还具有随时可以启动和停机、可急降负荷、甩负荷等优点。启动模式简单可靠，同轴采用辅助蒸汽启动;分轴布置采用SFC启动;点火可直接采用混合煤气［6］。由于CCPP机组煤气燃烧采用更有效的低NOx燃烧器，将有效地减少大气污染物的排放。

4联合循环发电机组的发展趋势

与同期发达国家冶金行业能源利用发展趋势相比，我国能源综合高效利用率相比世界级钢企存在差距;CCPP高效发电技术起步晚，更先进的大型高效燃机发电设备占比低。而且冶金企业煤气的生产与消耗随生产的调整而波动，一般新建CCPP机组作为煤气的缓冲用户，可以起到煤气产、消平衡的作用，同时提升企业煤气资源综合利用的效率。在钢铁行业不断发展的过程，除了保证安、稳、长、满、优运行外，如何节能降耗、挖掘增效是能源体系面临的新问题，在CCPP机组运行的过程中，由于夏天气温普遍偏高，在煤气充足的情况下，机组却不能满负荷运行，严重影响机组的出力，这种情况下，提出燃料喷水加湿技术，通过给燃料喷水加湿，燃料温度下降，燃料的热值下降，燃料的质量流量增加，排气质量流量增加;通过在某180MW等级的机组的实验过程，通过加湿技术，出力相应增加，每小时投入8t水，最大可以增加4.4MW的功率，经济效益明显。按照现行国标GB13223—2011［7］《火电厂大气污染物排放标准》，大部分企业的燃气锅炉的烟尘、SO2、NOx排放基本达标，但按照国家超低排放限额的要求，目前的排放指标均会超标，如果采用对原有的燃气锅炉进行改造的的方案，改造以及维修保养成本会很高，而且随着年限增长设备劣化严重，事故率增加，这样的情况下，新建符合环保法律法规要求的低排放的CCPP机组势在必行。所以针对CCPP机组在冶金企业的不断推进，会相应提出很多新的技术手段和运行优化或者改造，调整设备动力结构;同时炼钢、炼铁、炼焦设备的不断发展，同样会促使CCPP机组的发展更具有前景。

5效益分析

(1)冶金企业的CCPP机组可以消耗放散的高、焦炉煤气，可以基本消除企业剩余煤气向大气的排放的能源浪费，同时也减少对周边环境的污染。(2)燃气－蒸汽联合循环机组在冶金企业投产后，以某钢铁企业两台150MW的燃气－蒸汽联合循环机组算，可以消耗高炉煤气26.1万m3/h，焦炉煤气1.5万m3/h，此项目共折合标煤约158t，经济效益明显。(3)CCPP机组的投运可以大大提高企业的自发电率，提高企业电力自供能力，加强企业生产用电的安全可靠性，同时降低企业成本，提高企业效益。

6结束语

在钢铁去产能的大背景下，尤其钢铁企业面临的能源管理因素和环境保护方面的制约，采用更加先进高效和环保的CCPP发电技术，从有限的经营资源中挖掘更多的经济效益，是所有冶金企业的发展趋势，同时提高了环境保护和资源综合利用水平，因此CCPP发电机组在冶金企业将会受到越来越高的重视和支持。

作者：张志平 张雨欣 李科 单位：内蒙古科技大学能源与环境学院 内蒙古包钢钢联股份有限公司 动供总厂包头市热力总公司