冶金企業(yè)燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的應(yīng)用

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摘要:冶金企業(yè)燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組主要動力設(shè)備為燃氣輪機，可以燃燒低熱值的高爐煤氣。文章通過介紹冶金企業(yè)燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的應(yīng)用情況以及燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)的優(yōu)勢及特點，分析其發(fā)展趨勢，針對冶金企業(yè)的利用富裕煤氣帶來的經(jīng)濟效益和社會效益，認為在冶金企業(yè)燃氣－蒸汽聯(lián)合機組的應(yīng)用和發(fā)展是十分必要的。

關(guān)鍵詞:冶金企業(yè);燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán);燃氣輪機;低熱值

1聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的應(yīng)用

目前，我國寶鋼、鞍鋼、馬鋼、濟鋼、通鋼、邯鋼、包鋼、萊鋼、太鋼、遷鋼等鋼廠的CCPP機組已建成運行，并取得了很好的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益。受技術(shù)起步晚，材料、加工環(huán)節(jié)薄弱等因素影響，目前國內(nèi)制造企業(yè)僅能完成部分小型天然氣燃氣輪機的生產(chǎn)制造，尚無法生產(chǎn)冶金企業(yè)低熱值煤氣燃氣輪機。冶金企業(yè)低熱值燃氣輪機目前主要由MHI(日本三菱)、GE(美國通用電氣)兩家公司設(shè)計制造，表1列出了幾種低熱值煤氣燃氣輪機的機型。從目前國內(nèi)CCPP機組的投運情況來看，日本三菱機組的占有份額很高，CCPP機型主要為M251S、M701S(DA)、M701S(DA)X、M701S(F)，從2004年到2017年9月，全國共引進M251S型機組21臺，分別建設(shè)投運在青鋼、太鋼、邯鋼、沙鋼、馬鋼、天鐵、漣鋼、重鋼;共引進M701S(DA)型機組9臺，分別建設(shè)投運在包鋼、遷鋼、鞍鋼;180MW級別的M701(DA)X型燃機首臺在2016年8月落戶首鋼京唐，在2018年投產(chǎn)，鞍鋼III期2017年8月簽訂了一臺此型機組的合同，計劃2019年投入運行［2］。美國通用電氣公司的主要機型為MS9001FA、6B、PG9171(E)，2009年武鋼引進GE公司的PG9171(E)型CCPP發(fā)電技術(shù)，新建了2套150MW級CCPP機組，燃料額定熱值4396kJ/m3，由高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦爐煤氣混合制備。

2聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的優(yōu)勢

冶金企業(yè)的煉鐵、煉鋼、煉焦伴生的煤氣是寶貴的二次能源，將其作為原料發(fā)電是各冶金企業(yè)的普遍做法，CCPP機組的投入運行，不僅可以利用大量放散的煤氣資源，減少能源浪費，還能提高企業(yè)的自發(fā)電量。CCPP機組相比于常規(guī)燃氣鍋爐發(fā)電機組的熱效率要高很多，基于同等煤氣熱量，一般常規(guī)燃氣鍋爐發(fā)電熱效率僅為25%，CCPP機組的聯(lián)合循環(huán)熱效率可以達到43%;CCPP機組熱效率高的主要原因為:CCPP機組采用聯(lián)合循環(huán)(布萊頓循環(huán)和朗肯循環(huán))，煤氣燃燒發(fā)生化學反應(yīng)后產(chǎn)生的高溫高壓煙氣可以做功發(fā)電，做完功的煙氣溫度可達500～550℃，在余熱鍋爐加熱給水產(chǎn)生蒸汽用于汽輪機發(fā)電;這樣煙氣既參與布萊頓循環(huán)，又參與朗肯循環(huán)，使CCPP機組的熱效率比常規(guī)朗肯循環(huán)發(fā)電機組要高很多。

3聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的特點

高爐煤氣的可燃成分是一氧化碳和氫氣，也含有大量的氮氣和二氧化碳，低位熱值一般為2510～3520kJ/m3，屬于低熱值煤氣;燃燒低熱值煤氣使CCPP機組空壓機和透平機容積流量顯著增大，流量平衡被破壞。解決此類問題可以使用單缸的軸流式空壓機，可以降低壓氣機的葉片長度，降低空氣的流量［3］。當燃氣輪機燃燒低熱值煤氣后，還要考慮燃燒產(chǎn)物問題，尤其燃燒產(chǎn)物中的氮氧化合物可能超標。可以通過在燃燒室中某個位置射入水蒸氣或者在混合煤氣進入燃燒室之前噴水，使其被水蒸氣飽和。由于高爐煤氣含塵量大，這些含塵煤氣進去CCPP機組后，會磨損煤壓機以及燃氣輪機的葉片，影響機組效率，一般采用適合于清除高煤含塵用的電氣除塵器，清除灰塵［4］。因為焦爐煤氣的熱值高，所以常常作為熱值控制燃料，大多與高爐煤氣混合使用配成一定發(fā)熱量的煤氣供給CCPP機組，這樣可以使煤氣的熱值穩(wěn)定，從而使燃燒狀況良好。但是由于焦爐煤氣含有較高組分的氫氣，氫氣的高活性和高的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁菇範t煤氣在CCPP機組的使用中要區(qū)別于燃燒天然氣的燃氣輪機［5］，因此一般在設(shè)計燃氣輪機火焰筒時要根據(jù)具體的煤氣特性而加以改造，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施進行優(yōu)化。此外，CCPP機組還具有隨時可以啟動和停機、可急降負荷、甩負荷等優(yōu)點。啟動模式簡單可靠，同軸采用輔助蒸汽啟動;分軸布置采用SFC啟動;點火可直接采用混合煤氣［6］。由于CCPP機組煤氣燃燒采用更有效的低NOx燃燒器，將有效地減少大氣污染物的排放。

4聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的發(fā)展趨勢

與同期發(fā)達國家冶金行業(yè)能源利用發(fā)展趨勢相比，我國能源綜合高效利用率相比世界級鋼企存在差距;CCPP高效發(fā)電技術(shù)起步晚，更先進的大型高效燃機發(fā)電設(shè)備占比低。而且冶金企業(yè)煤氣的生產(chǎn)與消耗隨生產(chǎn)的調(diào)整而波動，一般新建CCPP機組作為煤氣的緩沖用戶，可以起到煤氣產(chǎn)、消平衡的作用，同時提升企業(yè)煤氣資源綜合利用的效率。在鋼鐵行業(yè)不斷發(fā)展的過程，除了保證安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行外，如何節(jié)能降耗、挖掘增效是能源體系面臨的新問題，在CCPP機組運行的過程中，由于夏天氣溫普遍偏高，在煤氣充足的情況下，機組卻不能滿負荷運行，嚴重影響機組的出力，這種情況下，提出燃料噴水加濕技術(shù)，通過給燃料噴水加濕，燃料溫度下降，燃料的熱值下降，燃料的質(zhì)量流量增加，排氣質(zhì)量流量增加;通過在某180MW等級的機組的實驗過程，通過加濕技術(shù)，出力相應(yīng)增加，每小時投入8t水，最大可以增加4.4MW的功率，經(jīng)濟效益明顯。按照現(xiàn)行國標GB13223—2011［7］《火電廠大氣污染物排放標準》，大部分企業(yè)的燃氣鍋爐的煙塵、SO2、NOx排放基本達標，但按照國家超低排放限額的要求，目前的排放指標均會超標，如果采用對原有的燃氣鍋爐進行改造的的方案，改造以及維修保養(yǎng)成本會很高，而且隨著年限增長設(shè)備劣化嚴重，事故率增加，這樣的情況下，新建符合環(huán)保法律法規(guī)要求的低排放的CCPP機組勢在必行。所以針對CCPP機組在冶金企業(yè)的不斷推進，會相應(yīng)提出很多新的技術(shù)手段和運行優(yōu)化或者改造，調(diào)整設(shè)備動力結(jié)構(gòu);同時煉鋼、煉鐵、煉焦設(shè)備的不斷發(fā)展，同樣會促使CCPP機組的發(fā)展更具有前景。

5效益分析

(1)冶金企業(yè)的CCPP機組可以消耗放散的高、焦爐煤氣，可以基本消除企業(yè)剩余煤氣向大氣的排放的能源浪費，同時也減少對周邊環(huán)境的污染。(2)燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組在冶金企業(yè)投產(chǎn)后，以某鋼鐵企業(yè)兩臺150MW的燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組算，可以消耗高爐煤氣26.1萬m3/h，焦爐煤氣1.5萬m3/h，此項目共折合標煤約158t，經(jīng)濟效益明顯。(3)CCPP機組的投運可以大大提高企業(yè)的自發(fā)電率，提高企業(yè)電力自供能力，加強企業(yè)生產(chǎn)用電的安全可靠性，同時降低企業(yè)成本，提高企業(yè)效益。

6結(jié)束語

在鋼鐵去產(chǎn)能的大背景下，尤其鋼鐵企業(yè)面臨的能源管理因素和環(huán)境保護方面的制約，采用更加先進高效和環(huán)保的CCPP發(fā)電技術(shù)，從有限的經(jīng)營資源中挖掘更多的經(jīng)濟效益，是所有冶金企業(yè)的發(fā)展趨勢，同時提高了環(huán)境保護和資源綜合利用水平，因此CCPP發(fā)電機組在冶金企業(yè)將會受到越來越高的重視和支持。

作者：張志平 張雨欣 李科 單位：內(nèi)蒙古科技大學能源與環(huán)境學院 內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司 動供總廠包頭市熱力總公司