一種高溫超高壓高爐煤氣機(jī)組的應(yīng)用與研究

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一種高溫超高壓高爐煤氣機(jī)組的應(yīng)用與研究

李學(xué)軍,謝毅,袁建德

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司,湖南長沙410007)

【摘要】目前我國鋼鐵行業(yè)用于高爐煤氣發(fā)電的機(jī)組大多為12耀30 MW中溫中壓參數(shù)機(jī)組，機(jī)組的熱效率低。有必要對高爐煤氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)行升級改造，以便提高鋼廠能源使用效率。這里介紹一種135MW高溫超高壓燃煤氣鍋爐汽輪發(fā)電機(jī)組在鋼鐵工業(yè)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用研究。

【關(guān)鍵詞】高溫；超高壓；高爐煤氣；發(fā)電機(jī)組；應(yīng)用研究

1　引言

近年來鋼鐵工業(yè)產(chǎn)能的不斷增加，以及鋼鐵工業(yè)節(jié)能措施的逐步推進(jìn)，鋼廠煤氣富余量將進(jìn)一步提升，煤氣需求與價格波動也將會擴(kuò)大，而現(xiàn)有煤氣電廠能力不能滿足需要，致使富余煤氣的放散增多，浪費(fèi)能源并污染環(huán)境。

一方面，國家節(jié)能減排的環(huán)保要求越來越高，而另一方面，鋼廠富余煤氣量隨著產(chǎn)能的增加與節(jié)能的措施不斷改進(jìn)大幅度增加，煤氣放散控制成本同時增加，因此對原有高爐煤氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)行升級改造尤其顯得十分重要與必要。因此，湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司(以下簡稱華菱湘鋼)規(guī)劃在公司原設(shè)備總庫區(qū)域建設(shè)一批高熱效率的汽輪發(fā)電機(jī)組機(jī)組，以達(dá)到節(jié)能減排，解決鋼廠自身能源需求，促進(jìn)企業(yè)利益最大化。

2　高溫超高壓機(jī)組現(xiàn)狀

目前我國鋼鐵行業(yè)用于富余煤氣鍋爐發(fā)電的機(jī)組大多為12 MW耀30 MW中溫中壓參數(shù)機(jī)組，機(jī)組的熱效率很低，目前已在逐漸淘汰中。近年來，國內(nèi)鋼鐵行業(yè)新建的燃煤氣汽輪發(fā)電機(jī)組已有向高溫超高壓的參數(shù)發(fā)展的趨勢。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)已建成的65 MW耀93 MW高溫超高壓機(jī)組有唐山建龍鋼鐵、唐山東海特鋼二期、營口京華鋼鐵等8臺機(jī)組，在建的65 MW耀93 MW高溫超高壓機(jī)組有天津達(dá)億鋼鐵、唐山港陸鋼鐵、唐山東海特鋼三期等12臺機(jī)組。更大容量的高溫超高壓機(jī)組也逐步在推廣應(yīng)用之中。此前，國內(nèi)雖建設(shè)有兩臺135 MW容量的發(fā)電機(jī)組，但成功的經(jīng)驗(yàn)不足，需要我們不斷研發(fā)與應(yīng)用。

3　方案分析比較與研究

3.1燃料及燃燒特性分析

鋼鐵生產(chǎn)過程中副產(chǎn)大量煤氣，除滿足鋼鐵生產(chǎn)的煤氣供應(yīng)需要外，還有許多富余的高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣可供電廠利用消化。華菱湘鋼一期工程燃料為高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣摻燒，其中焦?fàn)t煤氣的量5000耀15000 m3/h，其余為高爐煤氣；點(diǎn)火燃料為焦?fàn)t煤氣。

3.1.1華菱湘鋼燃料成分分析資料，見表1。

表1　高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣成分分析表

注:調(diào)節(jié)門前高爐煤氣壓力：4000耀9000 Pa,焦?fàn)t煤氣壓力：2000耀5000 Pa,焦?fàn)t煤氣中的H2S含量為2000耀3000 mg/m3。

從表1可知，華菱湘鋼高爐煤氣的主要化學(xué)成分為：N2、CO、CO2和含量很少的O2、CH4、H2，其中主要可燃介質(zhì)CO含量不高，占25.84豫，其發(fā)熱值較低，約12636 kJ/m3，因此，高爐煤氣是一種超低發(fā)熱量的氣體燃料，其發(fā)熱量約為3140耀3560 kJ/m3。

高爐煤氣密度大于空氣，其中CO易引起人中毒，因此高爐煤氣輸送管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行時應(yīng)嚴(yán)格遵照國家相關(guān)規(guī)定。

3.1.2華菱湘鋼燃料燃燒特性分析

華菱湘鋼高爐煤氣燃料及燃燒特性與其它高熱值的固體和氣體燃料有顯著的區(qū)別。其燃燒系統(tǒng)計(jì)算成果見表2。

表2　燃燒系統(tǒng)計(jì)算成果表

(1）從表2可知，入爐空氣量比等容量燃煤鍋爐的空氣量少，約為燃煤鍋爐的0.72倍；每1 m3高爐煤氣完全燃燒時僅需0.623 m3空氣，但鍋爐出口每1 m3高爐煤氣產(chǎn)生的煙氣量達(dá)1.504 m3；高爐煤氣產(chǎn)生的煙氣量是等容量燃煤鍋爐的煙氣量1.55倍左右，使配套的引風(fēng)機(jī)出力大幅提高。

(2）高爐煤氣可燃成分主要是CO，占可燃成分的96.1%，所以，高爐煤氣的著火溫度的高低主要取決于CO含量及著火環(huán)境，以及是否充分混合與完全燃燒。提高高爐煤氣與空氣混合物溫度是一個十分有效的措施，所以，華菱湘鋼項(xiàng)目需要設(shè)置煤氣加熱器和空氣預(yù)熱器。

(3）由于高爐煤氣的熱值低，并且含有大量不可燃?xì)怏w，易導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定、脫火等現(xiàn)象，因此鍋爐燃燒器的選型尤為重要，華菱湘鋼一期的燃燒器為雙旋流式燃燒器。

3.2方案比較

根據(jù)華菱湘鋼的高爐煤氣特性與排量，以及原有常規(guī)中溫中壓參數(shù)機(jī)組等參數(shù)情況，我們初步擬定采用135 MW高溫超高壓再熱機(jī)組進(jìn)行方案比較與研究。鍋爐為超高壓、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、一次再熱、露天布置、燃?xì)?高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣)汽包鍋爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量(B—MCR工況)440 t/h，鍋爐效率(THA工況保證值) 90%，鍋爐配立式管式空氣預(yù)熱器，同時配套供應(yīng)一臺煤氣加熱器。汽輪機(jī)為高溫超高壓、一次中間再熱、雙缸(高中壓合缸、低壓缸)雙排汽、單軸、凝汽式汽輪機(jī)，額定功率135 MW。發(fā)電機(jī)采用空冷汽輪發(fā)電機(jī)。

3.2.1中溫中壓機(jī)組與高溫超高壓機(jī)組比較

早期，國內(nèi)鋼廠基本上都為中溫中壓低容量的燃煤氣發(fā)電機(jī)組，與高溫超高壓帶一次中間再熱的機(jī)組的熱效率完全沒有可比性?，F(xiàn)將中溫中壓機(jī)組與高溫超高壓再熱機(jī)組的主要經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)對比如下，見表3。

表3　25MW機(jī)組與135MW機(jī)組參數(shù)對照表

表3中數(shù)據(jù)表明，135 MW高溫超高壓機(jī)組各方面的參數(shù)都大大優(yōu)于25 MW中溫中壓機(jī)組，使機(jī)組發(fā)電標(biāo)煤耗降低了108.7 g/kW·h，以華菱湘鋼一期項(xiàng)目的額定裝機(jī)容量135 MW做對比，年利用小時按8000 h計(jì)算，理論上年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤11.74萬t。

按發(fā)電單位煤氣耗計(jì)，135 MW高溫超高壓機(jī)組比25 MW中溫中壓機(jī)組低1.13 m3/kW·h，按年利用8000 h計(jì)算，每年可少用煤氣量約1.22伊109m3/ a，按2.77 m3/kW·h，可多發(fā)電約4.41伊108kW·h/a，理論上可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益約29547萬元/年（電價水平按2013年當(dāng)?shù)氐?.67元/kW·h）。

3.2.2兩種不同容量高溫超高壓機(jī)組比較

在建或已建的高溫超高壓機(jī)組中多為65 MW級或80 MW級的單機(jī)容量機(jī)組，雖然與早期中溫中壓的機(jī)組比，對煤氣資料的利用率已大大提高，但這種機(jī)組的汽輪機(jī)為近年研制出來，其運(yùn)行可靠性和各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都還遜于135 MW高溫超高壓的汽輪機(jī)，現(xiàn)將相同裝機(jī)容量下的78 MW機(jī)型的高溫超高壓再熱機(jī)組與135 MW機(jī)型的高溫超高壓再熱機(jī)組的主要經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)對比如下，見表4。

表4　78MW機(jī)組與135MW機(jī)組參數(shù)對照表

表4中數(shù)據(jù)對比可知，135 MW機(jī)組比78 MW機(jī)組的單位發(fā)電量下標(biāo)準(zhǔn)煤耗減少了7.06 g/kW· h，以額定裝機(jī)容量135 MW做對比，年利用小時按8000 h計(jì)算，年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤7624.8 t。

按發(fā)電單位煤氣耗計(jì)，135 MW高溫超高壓機(jī)組比78 MW高溫超高壓機(jī)組低0.07 m3/kW·h，按年利用小時8000 h計(jì)算，每年可少用煤氣量約7.56伊107m3/a，按2.67 m3/kW·h，可多發(fā)電2.83伊107kW·h/a，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約每年多1896.1萬元（電價水平按0.67元/kW·h）。因此新建機(jī)組在煤氣資源充足的情況下，直接建設(shè)135 MW容量的機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益明顯優(yōu)于78 MW容量的機(jī)組。

3.3效益分析

華菱湘鋼已分兩期建成了2臺135 MW配套燃煤氣鍋爐的高溫超高壓發(fā)電機(jī)組，一期工程解決了華菱湘鋼發(fā)電裝機(jī)容量低、發(fā)電機(jī)組無備用、煤氣放散量大、中溫中壓發(fā)電機(jī)組效率低的問題；二期工程通過高爐汽動風(fēng)機(jī)改電動風(fēng)機(jī)，停運(yùn)部分中溫中壓發(fā)電機(jī)組，置換煤氣用于超高壓機(jī)組發(fā)電。自2014年12月二期項(xiàng)目投產(chǎn)以來，產(chǎn)生的效益十分顯著。

3.3.1社會效益

隨著國家能源政策及環(huán)境保護(hù)政策的加強(qiáng)，企業(yè)的節(jié)能減排壓力增大，鋼廠作為高能耗高排放的企業(yè)，節(jié)能減排的壓力更大。華菱湘鋼135 MW燃煤氣發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目的實(shí)施，按理論計(jì)算每年每臺機(jī)組可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤11.74萬t，對于節(jié)約能源、降低排放以及保護(hù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境起到了巨大的作用。

3.3.2經(jīng)濟(jì)效益

2臺135 MW燃煤氣鍋爐的高溫超高壓高效發(fā)電機(jī)組的建成投產(chǎn)，使鋼廠的全廠熱力系統(tǒng)熱效率提高約16個百分點(diǎn)，相對效率增加60%。2015年1耀4月發(fā)電總量、外購電量、電費(fèi)支出與2013年1耀4月份同期相比，發(fā)電總量增加42338萬kW·h，增幅90.2%（單煤氣發(fā)電量增加37673萬kW·h，提升幅度為133%）；外購電總量減少29466萬kW·h，降幅50.4%；電費(fèi)支出減少18627萬元，降幅45%。兩臺機(jī)組連續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行時，每年可多發(fā)電8.82億kW·h，理論上可產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益約59094萬元/年。因此，2臺135 MW發(fā)電機(jī)組投運(yùn)后帶來的經(jīng)濟(jì)效益顯著。華菱湘鋼一期總投資約4億元（包括配套的煤氣柜），在不到一年時間里可以收回成本（無燃料采購成本）。鑒于如此良好的經(jīng)濟(jì)效益，可以在鋼鐵行業(yè)全面推廣，已有多家鋼鐵企業(yè)到華菱湘鋼考察本項(xiàng)目并考慮在本企業(yè)推廣。

4　結(jié)論

華菱湘鋼135 MW高溫超高壓高效機(jī)組一期工程于2012年9月開工至2013年7月10日并網(wǎng)發(fā)電，在不到10個月的時間內(nèi)圓滿完成工程的設(shè)計(jì)、施工安裝、調(diào)試等工作。自并網(wǎng)發(fā)電以來機(jī)組一直滿負(fù)荷運(yùn)行，其負(fù)荷一直穩(wěn)定在140 MW左右的“超”負(fù)荷狀態(tài)，機(jī)組各項(xiàng)技術(shù)及性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。華菱湘鋼一期項(xiàng)目的成功實(shí)施后，在巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效益的刺激下，華菱湘鋼已經(jīng)建成了第二臺機(jī)組。

（1）高溫超高壓高爐煤氣發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)簡單，相對于燃煤電廠，節(jié)約了輸煤系統(tǒng)、除灰除渣系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等，該項(xiàng)目燃燒的是華菱湘鋼高爐、焦?fàn)t的尾氣（煤氣CO），煙氣中無雜質(zhì)，屬于典型的環(huán)保型、節(jié)約型電廠。

（2）華菱湘鋼135 MW高溫超高壓機(jī)組項(xiàng)目通過對鋼廠分散的煤氣資源集中起來，建設(shè)大容量高參數(shù)的發(fā)電機(jī)組，提高了能源利用率，增加了每標(biāo)立方煤氣的發(fā)電量，從而降低了鋼鐵廠的能耗，為鋼廠的節(jié)能減排做出了巨大的貢獻(xiàn)。該項(xiàng)目的成功，對于配套燃煤氣鍋爐的大容量汽輪發(fā)電機(jī)組在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用起到了良好的示范作用。

（3）華菱湘鋼135 MW高溫超高壓高效機(jī)組項(xiàng)目為目前國內(nèi)鋼鐵行業(yè)利用煤氣發(fā)電項(xiàng)目中能長期連續(xù)、穩(wěn)定、滿負(fù)荷運(yùn)行的最大容量的機(jī)組，機(jī)組熱耗、耗煤氣量、機(jī)組穩(wěn)定性等各項(xiàng)指標(biāo)在同類型的發(fā)電機(jī)組中具有國內(nèi)領(lǐng)先水平，應(yīng)積極推廣應(yīng)用。在節(jié)能減排的大浪潮中，135 MW高溫超高壓機(jī)組將會在國內(nèi)外鋼鐵行業(yè)中逐步推廣開來。

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CO排放濃度顯著增加，這將使?fàn)t內(nèi)還原性腐蝕和結(jié)焦傾向加重，水冷壁的還原性腐蝕會使其管壁變薄、強(qiáng)度降低，容易造成爆管和泄漏，給鍋爐運(yùn)行造成了安全隱患。

Application Research of a High Temperature Ultrahigh Pressure BFG Generator Unit

Li Xuejun, Xie Yi, Yuan Jiande

(Hunan Electric Power Design Institute Co., Ltd., China Energy Construction Group, Changsha, Hunan 410007, China)

[Abstract]Currently most of the power generators using blast furnace gas (BFG) are 12 MW-30 MW medium temperature medium voltage units in domestic steel industry, with poor thermal efficiency. It is necessary to upgrade these BFG generators in order to improve the energy efficiency of steelmakers. The design and application research of a high temperature

ultrahigh pressure BFG boiler for 135 MW turbine generator units are introduced.

[Keywords]high temperature; ultrahigh pressure; BFG; generator set; application research

作者簡介:李學(xué)軍（1971-)，男，大學(xué)本科學(xué)歷，高級工程師，主要從事電力設(shè)計(jì)研究與科技管理。

收稿日期:2015-09-02

【文章編號】1006-6764（2015）12-0035-04

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【中圖分類號】TM61