燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化與實踐

王 博，禮 響

（本鋼板材股份有限公司能源管控中心，遼寧本溪 117000）

引言

截至2021年底，本鋼板材股份有限公司高爐煤氣發(fā)電還是以高溫高壓參數(shù)的BTG 發(fā)電模式為主。老舊BTG 發(fā)電機組經(jīng)過十幾年運行后，效率低下，客觀上有優(yōu)化的需求，加上國家環(huán)保和能耗要求的提高，因此本鋼引進燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電工藝。

在全國多地限電的政策背景下，本鋼集團投資建設(shè)CCPP 燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目。該項目利用煉鐵工藝副產(chǎn)物（高、焦爐煤氣）發(fā)電，具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染小等特點。平均發(fā)電效率45%，與常規(guī)高溫高壓鍋爐發(fā)電機組相比，提高50%以上，廢氣排放滿足國家超低排放標準。

該發(fā)電項目主要新增設(shè)備包括1 臺AE94.2KS型燃氣輪機、1 臺蒸汽輪機、1 臺余熱鍋爐、2 臺發(fā)電機。燃機采用低位布置，汽機采用高位布置。蒸汽輪機為三壓、再熱、雙缸、向下排汽、單軸凝汽濕冷汽輪機。余熱鍋爐為臥式、自然循環(huán)、三壓、再熱、無補燃、全封閉布置結(jié)構(gòu)。

該項目投產(chǎn)后，為本鋼提供大量電能，既增加了公司用電量的自給率，緩解電網(wǎng)的供電壓力，也符合國家有關(guān)鋼鐵企業(yè)余能回收利用的要求。該項目的建成，在進一步提升高爐煤氣綜合利用效率、增加發(fā)電量的同時，也提高了本鋼高爐煤氣的回收率，減少了煤氣放散對周邊環(huán)境的污染。

1 國內(nèi)鋼鐵企業(yè)CCPP發(fā)展概況

當前鋼鐵行業(yè)高爐煤氣的綜合利用率已經(jīng)超過95%。由于鋼鐵產(chǎn)量與高爐煤氣產(chǎn)生量是正相關(guān)的，按照鋼鐵行業(yè)數(shù)據(jù)，每噸生鐵約產(chǎn)生1 500 m3高爐煤氣，按照7 億t 鋼產(chǎn)量推算，每年約產(chǎn)生100 000 億m3高爐煤氣，扣除高爐熱風爐和鋼廠其他工藝需要，約有5 000 億m3～7 000 億m3高爐煤氣可用于發(fā)電。按照平均熱值3.5 MJ∕m3，行業(yè)平均25%～30%的熱電轉(zhuǎn)換效率估算，總的高爐煤氣發(fā)電市場容量約為5 000～8 400 MW。目前高爐煤氣發(fā)電市場還是以各種參數(shù)的BTG 發(fā)電模式為主，但大量鋼鐵企業(yè)老舊的BTG 發(fā)電機組經(jīng)過十幾年運行后，效率低下，客觀上有優(yōu)化的需求，加上國家環(huán)保和能耗要求的提高，部分鋼鐵企業(yè)會考慮以高效的CCPP 機組替代原有BTG 機組。此外，還有鋼廠異地搬遷帶來的新項目需求，所以高爐煤氣低熱值燃機CCPP發(fā)電模式未來具有很大的市場潛力。

2 BTG發(fā)電與CCPP發(fā)電效率對比

在CCPP 模式應(yīng)用到鋼鐵行業(yè)發(fā)電領(lǐng)域之前，鋼鐵廠高爐煤氣發(fā)電方式通常為傳統(tǒng)的BTG 發(fā)電模式（見圖1），參數(shù)和裝機容量由小到大逐漸增加，效率因此也不斷增加。目前國內(nèi)主要鋼鐵廠普遍采用的高爐煤氣發(fā)電機組有50～80 MW 和135 MW兩種等級。

圖1 鋼鐵廠BTG發(fā)電流程示意圖

用于高爐煤氣發(fā)電135 MW 等級的汽輪機，汽輪機效率約為43.9%，燃氣鍋爐效率約為88%，整個發(fā)電系統(tǒng)的總效率約為38.6%。BTG 模式具有投資小、運行穩(wěn)定、可純燒高爐煤氣、技術(shù)成熟等特點，近年來仍然是部分鋼廠首選的方案，如湘鋼、沙鋼、中天鋼鐵、韶鋼等，選擇了超高壓參數(shù)135 MW 機組。但從鋼廠長遠投資回報來看，BTG 發(fā)電模式效率無法突破40%，相比CCPP 模式45%～47%的效率要低很多。

因此從效率角度來比較，CCPP 模式優(yōu)于BTG模式。

3 本鋼CCPP發(fā)電項目關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

3.1 燃氣輪機排氣余熱階梯性的充分利用［1］

為了減少由于不等溫傳熱帶來的?損失，對燃氣輪機排氣余熱進行階梯利用，對煙氣側(cè)與水側(cè)平均溫差大的過程進行分段布置，設(shè)計為三壓再熱汽水系統(tǒng)，其中設(shè)置了兩級高壓省煤器、兩級高壓蒸發(fā)器、兩級高壓過熱器；同時將受熱面合理布置在煙氣側(cè)，保持各受熱面最小節(jié)點溫差，而不是將受熱面由低壓到高壓依次排列。同時系統(tǒng)設(shè)計了再熱蒸汽循環(huán)，可有效提高汽輪機循環(huán)熱效率。

本系統(tǒng)優(yōu)化了受熱面布置，煙氣側(cè)高溫段至低溫段依次為：2 級高壓過熱器、2 級再熱器、1 級再熱器、1 級高壓過熱器、2 級高壓蒸發(fā)器、1 級高壓蒸發(fā)器、中壓過熱器、第二級高壓省煤器、中壓蒸發(fā)器、低壓過熱器、中壓省煤器、第一級高壓省煤器、低壓蒸發(fā)器、低壓省煤器。

3.2 中間冷卻器冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

煤壓機中間冷卻器冷卻方案（優(yōu)化前見圖2、優(yōu)化后見圖3），由于原設(shè)計方提出凝結(jié)水需經(jīng)過煤壓機中間冷卻器進行加熱，而凝結(jié)水量不足以滿足中間冷卻器的冷卻水流量，所以原設(shè)計中間冷器的冷卻需要依靠閉式水和凝結(jié)水系統(tǒng)共同完成，采用的方案為凝結(jié)水與閉式水混合后一同進入間冷器。由于間冷器出水總水量為660 t∕h，去余熱鍋爐的水量僅為240 t∕h，有420 t∕h 的水量是再循環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)運行調(diào)控較復雜，原設(shè)計不利于系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。本次方案優(yōu)化為：凝結(jié)水與閉式水不混合，另外設(shè)置一套高溫閉式水系統(tǒng)，煤壓機的冷卻全部靠閉式水進行冷卻；煤壓機出口的高溫閉式水一部分靠凝結(jié)水進行冷卻，一部分靠燃機預熱器進行加熱，剩余的全部利用開式水進行冷卻；凝結(jié)水與開式水分別設(shè)置自身系統(tǒng)的板式換熱器，通過增加兩套板換系統(tǒng)使系統(tǒng)調(diào)節(jié)變得清晰簡單，系統(tǒng)運行更加安全可靠。

圖2 間冷器冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化前

圖3 間冷器冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化后

3.3 燃機進氣加熱系統(tǒng)回收

為進一步提升單燃機和聯(lián)合循環(huán)效率，提高能源利用率，在空氣進氣系統(tǒng)中增加進氣加熱系統(tǒng)。

進氣加熱系統(tǒng)通過在進氣系統(tǒng)中增加氣水換熱系統(tǒng)，提升壓氣機入口溫度來提升名義負荷率，以達到提升部分負荷工況下燃機效率的目的。提升進氣溫度會使燃機排煙溫度上升，從而進一步提升汽機出力，達到提高聯(lián)合循環(huán)機組整體熱效率的目的，即通過控制壓氣機進氣溫度實現(xiàn)機組運行時效率最優(yōu)。

進氣加熱給水取自間冷器的出口熱水，氣水換熱器設(shè)置在進氣過濾系統(tǒng)之前。

3.4 凝結(jié)水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

原設(shè)計中凝結(jié)水系統(tǒng)只設(shè)一級升壓泵，即從凝汽器送出的凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵一級升壓后就達到滿足余熱鍋爐進水的壓力。凝結(jié)水系統(tǒng)采用一級升壓造成凝結(jié)水壓力過高，冷卻水的板換承壓能力也需要提高，而換熱設(shè)備無法滿足承壓要求，所以現(xiàn)階段將凝結(jié)水升壓分為二級，中間冷卻器之間的凝結(jié)水壓力按冷卻水壓力選擇，經(jīng)過間冷器換熱后的凝結(jié)水再進行二次升壓，壓力升至滿足余熱鍋爐壓力需求，表1為兩種方案主要設(shè)備的對比。

表1 方案優(yōu)化對比表

3.5 煤壓機級間冷卻再壓縮［2］

本鋼CCPP 煤氣系統(tǒng)包括煤氣導入系統(tǒng)及煤氣加壓系統(tǒng)。

煤氣導入系統(tǒng)為煤壓機系統(tǒng)提供具有合格壓力、溫度、純度與熱值的煤氣，以滿足煤氣壓縮機的穩(wěn)定與連續(xù)運行，主要包括天然氣加壓、焦爐煤氣加壓、高焦煤氣混合、混合煤氣加壓4個主要工藝單元。焦爐煤氣先經(jīng)加壓，再與高爐煤氣混合，混合煤氣經(jīng)電除塵器后送去煤壓機系統(tǒng)。

煤氣在煤壓機系統(tǒng)通過加壓、冷卻、再加壓后進入合成氣模塊，通過燃料噴嘴噴入燃燒室后燃燒，燃燒后的高溫煙氣進入燃氣輪機膨脹做功，帶動燃氣輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，拖動發(fā)電機發(fā)電。

本項目煤氣壓縮機采用級間冷卻再壓縮的技術(shù)，降低了煤壓機功耗，提升了聯(lián)合循環(huán)出力及效率。壓縮機介質(zhì)為可壓縮性流體時，全壓必須要考慮流體密度、比容的影響。壓縮過程中，流體的溫度升高，密度降低，壓縮機全壓能頭降低。因此將一級壓縮改為兩級壓縮，并對中間過程流體進行冷卻，提升流體密度，可有效提高全壓、降低能耗，同時可回收壓縮過程中產(chǎn)生的熱量，提升循環(huán)熱效率。

低壓煤氣壓縮機為靜葉可調(diào)軸流式壓縮機，效率高、能耗低、調(diào)節(jié)范圍寬。氣缸和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、軸承系統(tǒng)和葉片裝置或葉輪是成熟的設(shè)計。高壓煤氣壓縮機是離心型，采用氣缸和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。二者在最大和最小的環(huán)境溫度下，以規(guī)定的轉(zhuǎn)速運行時，低壓煤氣壓縮機能在任何負荷條件下運行而沒有喘振或不穩(wěn)定流動。

在煤氣加壓流程中，壓力為0.1 MPa、溫度為45 ℃、流量為328 000～384 000 m3∕h 的干態(tài)混合煤氣，先經(jīng)低壓煤壓機加壓至0.6 MPa、257 ℃，經(jīng)中間冷卻器定壓冷卻至55 ℃，再經(jīng)高壓煤壓機加壓至1.9 MPa、197 ℃。

3.6 靜電除塵器廢水處理系統(tǒng)有效降低廢水排放［3］

靜電除塵器用水由生產(chǎn)凈水經(jīng)泵加壓后提供，供水壓力為0.50 MPa，水量為32 m3∕h，使用后水溫升高并含有酚、氰等有毒物質(zhì)，回水自流至EP 電除塵器排水坑，經(jīng)泵加壓后送至焦化廠處理。廢水總水量約32 m3∕h，廢水中主要污染物為SS、COD、酚、氰，其濃度分別為400 mg∕L、40 mg∕L、0.03 mg∕L、0.07 mg∕L。本項目在通過竣工驗收后的1年運營期內(nèi)，要求EP（濕式電除塵器）送至本鋼板材焦化廠的平均廢水排放量≤10 t∕h、峰值排放量≤15 t∕h。經(jīng)用戶使用后的水含有少量灰，回水通過無壓排水進入給水池，再通過泵組加壓送電除塵器循環(huán)使用。系統(tǒng)運行后，循環(huán)水中的鹽分會不斷濃縮，為維持系統(tǒng)的正常運行，需要不定期地進行排污。為了保證循環(huán)水水質(zhì)，在循環(huán)水系統(tǒng)中設(shè)有旁通過濾器，以去除水中懸浮物。旁濾水量為17 m3∕h，占循環(huán)水量的50%。旁通過濾器定時反洗，反洗水經(jīng)收集排至反沖洗集水坑，由泵組送至焦化處理單元。在整個系統(tǒng)的正常運行過程中，由于系統(tǒng)排污，造成系統(tǒng)水量的減少，需要向系統(tǒng)補充新水。整個系統(tǒng)的補充水由凈環(huán)水系統(tǒng)供給?；旌厦簹怆姵龎m系統(tǒng)采用PLC+LCD 集中控制方式，在控制室集中操作，另設(shè)機旁手動操作按鈕，供就地調(diào)試、檢修時使用。EP廢水處理流程圖見圖4。

圖4 EP廢水處理流程圖

3.7 燃機氮氣吹掃系統(tǒng)優(yōu)化

燃氣輪機每次以合成氣作為燃料運行后，需要用氮氣從合成氣控制閥到燃燒室管線進行吹掃，以避免合成氣管線有殘余煤氣，產(chǎn)生火災(zāi)風險，該操作稱為氮氣吹掃，在合成氣緊急關(guān)斷閥關(guān)閉時自動啟動，當燃氣輪機處于待機狀態(tài)時，也可通過操作員命令啟動吹掃。如果合成氣管線未工作，則每個合成氣控制閥和相關(guān)緊急關(guān)斷閥之間的管道部分可填充氮氣，作為氮氣隔離，以避免燃氣輪機待機時合成氣泄漏至燃燒室，該操作稱為氮氣隔離。

燃機氮氣吹掃對氮氣的需求量為6 kg∕s，吹掃時間為100 s，用氣壓力為1.8～2.1 MPa。

系統(tǒng)配置2 套活塞式氮壓機，用來將氮氣由0.4 MPa 加壓至4.5 MPa。氮壓機采用活塞式，額定供氣流量1 000 m3∕h，入口氮氣壓力0.4 MPa，入口氮氣溫度≤45 ℃，出口氮氣壓力4.5 MPa，電壓等級380 V。出口處高壓氮氣的含油量≤0.1 mg∕m3，壓力露點≤-55 ℃，固體顆粒物尺寸≤1 μm，固體雜質(zhì)含量≤1 mg∕m3。

由燃機吹掃氮氣耗量可知，每秒燃機吹掃耗氣量大于氮壓機供氣量的18倍，因此燃機氮氣吹掃需要配置合理的儲罐容積及臺數(shù)。高壓氮氣供需對比情況見表2。

表2 高壓氮氣供需對比表

原設(shè)計采用2臺80 m3氮氣儲罐。根據(jù)表2中的對比數(shù)據(jù)，在4.5 MPa儲氣壓力下，水容積80 m3儲氣罐可儲存3 680 m3氮氣，不考慮儲氣罐放氣同時氮壓機的供氣量，1 臺80 m3儲氣罐儲存的氮氣可以滿足燃機起停約4次的氮氣耗量，2臺儲氣罐可在達到額定充氣壓力后滿足燃機起停約8 次的氮氣耗量，選用2 臺80 m3儲氣罐的方案，容積余量過大，不經(jīng)濟適用。

計算過程如下：

（1）計算燃機吹掃一次氮氣用量Q：

式中：Q—吹掃一次氮氣總用量，kg；

q—單位時間氮氣耗量，kg∕s；

H—單次吹掃時間，h。

燃機氮氣吹掃一次的氮氣需求量6 kg∕s，吹掃時間100 s，Q=6×100=600 kg。

（2）計算4.5 MPa、80 m3、20 ℃儲罐條件下儲存氮氣質(zhì)量M儲罐：

式中：M儲罐—儲存氮氣質(zhì)量，kg；

n—物質(zhì)的量，mol；

MN2—氮氣摩爾質(zhì)量，g∕mol；

P—壓力，MPa；

V—體積，m3；

R—理想氣體常數(shù)，J∕（mol·K）；

T—熱力學溫度，K。

經(jīng)查氮氣理想氣體常數(shù)為8.1345 J∕（mol·K），摩爾質(zhì)量為28 g∕mol。

（3）計算4次吹掃后儲罐壓力P4：

式中：P4—4次吹掃后儲罐壓力，MPa；

P—儲氣罐注滿后儲罐壓力，MPa；

M4—吹掃4次后剩余的N2質(zhì)量，kg。

吹掃第5次，壓力就無法滿足吹掃需求，即4.5 MPa，80 m3儲罐可滿足4次吹掃。

水容積80 m3儲氣罐的體積較大，從罐體布置角度考慮，目前廠區(qū)內(nèi)找不到安裝2 臺2 m×22 m 儲氣罐的合適位置。選用80 m3儲氣罐，因罐體壁厚約32 mm，且為壓力容器，必須在制造廠制作為成品，考慮外包裝后，包裝外形可能達到24～25 m，給設(shè)備運輸造成很大困難。

因此將方案由2 臺80 m3的儲氣罐優(yōu)化為3 臺20 m3氮氣儲罐。

水容積20 m3儲氣罐可儲存1 000 kg 氮氣，可以滿足燃機起停約1次的氮氣耗量，3臺達到額定充氣壓力后滿足燃機起停約3 次的氮氣耗量（不考慮儲氣罐放氣同時氮壓機的供氣量），同時可以將氮壓機出口壓力1.8 MPa 設(shè)置為自動啟動，滿足燃機連續(xù)多次啟動需求。

4 結(jié)論

本鋼CCPP 項目每年可發(fā)電約13 億kWh，能充分回收煉焦、煉鐵、煉鋼過程中產(chǎn)生的焦爐煤氣、高爐煤氣，有效降低大氣污染物排放，進一步提高生態(tài)環(huán)保水平，具有明顯的社會效益。

在降本增效方面，目前本鋼板材主要依賴東北電網(wǎng)系統(tǒng)供電，CCPP 發(fā)電項目投運后，可充分回收煤氣資源進行發(fā)電，有效提升了板材廠區(qū)自發(fā)電率，增加了用電量自給率，降低了本鋼外購電費的同時，緩解了東北電網(wǎng)的供電壓力。

在企業(yè)長遠發(fā)展方面，CCPP 發(fā)電項目的自發(fā)電量將部分輸送給220 kV 變電站，220 kV 變電站采用靈活的運行方式調(diào)整板材廠區(qū)用電負荷，將進一步推進本鋼集團產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和特鋼電爐升級改造，為產(chǎn)能置換和設(shè)備升級改造提供了有利支撐，對推動企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。