80 MW高溫超高壓發(fā)電機(jī)組在鋼廠的實(shí)踐

王 印，丁勇山，黨 楠，王艷紅，張保明

（1.中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京100176；2.濟(jì)源鋼鐵（集團(tuán)）有限公司，河南459000）

0 引言

鋼鐵企業(yè)是能源消耗大戶，在各種工藝流程的正常生產(chǎn)情況下也會帶來一些副產(chǎn)品，比如高爐煤氣，利用這種煤氣發(fā)電，可使其化廢為寶，不但可以提高經(jīng)濟(jì)效益，還可以減少煤氣放散造成的環(huán)境污染。目前國內(nèi)各鋼鐵企業(yè)非常重視資源利用和環(huán)境保護(hù)工作，而高爐煤氣發(fā)電是屬于國家鼓勵發(fā)展的節(jié)能減排項(xiàng)目。

高爐煤氣發(fā)電是將煉鐵廠高爐產(chǎn)生的煤氣作為動力鍋爐燃料來生產(chǎn)蒸汽，不同參數(shù)的鍋爐，可以產(chǎn)生不同參數(shù)的蒸汽，將蒸汽通過管道引到汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。高溫超高壓煤氣發(fā)電機(jī)組目前在國內(nèi)鋼廠的自備電站中占有越來越大的比重，處于行業(yè)內(nèi)主流技術(shù)，該技術(shù)通過提高鍋爐出口蒸汽的初始參數(shù)，同時(shí)對汽機(jī)高壓缸做功后的排汽引回到鍋爐進(jìn)行再熱，再送入汽輪機(jī)做功，從而減少熱耗，提高機(jī)組效率[1]。本文以濟(jì)源新建80MW高溫超高壓發(fā)電機(jī)組進(jìn)行具體介紹。

1 方案選型與對比

1.1 高爐發(fā)電機(jī)組選型和設(shè)計(jì)原則

充分、合理、高效地利用現(xiàn)有煤氣資源,在機(jī)組選型上,選擇高溫超高壓的高效發(fā)電機(jī)組，提高電廠熱效率。在設(shè)備選型上要采用先進(jìn)、實(shí)用、可靠的工藝設(shè)備，保證建成后正常、高效的生產(chǎn)。要充分利用公司現(xiàn)有條件和設(shè)施,除新建主廠房和必要的輔助生產(chǎn)、生活設(shè)施外，公司現(xiàn)有公用設(shè)施可利用的不再重建或新建?？偲矫娌贾昧η缶o湊、布局合理，減少占地，提高建筑系數(shù)。

1.2 根據(jù)年煤氣發(fā)電效率確定裝機(jī)方案

目前濟(jì)源鋼廠自備電廠現(xiàn)有30 MW一臺、25 MW兩臺中溫中壓煤氣發(fā)電機(jī)組，另有一臺已建成的80 MW高溫超高壓煤氣發(fā)電機(jī)組。全廠可用于發(fā)電的高爐煤氣量在30～34萬Nm3/h之間。4臺發(fā)電機(jī)組年可向廠內(nèi)部供電約3.5×108 kWh。原三臺中溫中壓煤氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電效率低、煤氣利用率低，屬于淘汰型機(jī)組，為了提高現(xiàn)有煤氣利用率，增加經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，有必要對全廠煤氣發(fā)電機(jī)組進(jìn)行升級改造。國內(nèi)目前主要常見機(jī)組的發(fā)電效率見表1[2]。

表1 國內(nèi)目前主要常見機(jī)組的發(fā)電效率表

參照表1提供的數(shù)據(jù)和公司現(xiàn)有可供發(fā)電的高爐煤氣量，以及現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)情況，決定拆除兩臺25 MW中溫中壓煤氣發(fā)電機(jī)組，保留一臺30 MW中溫中壓煤氣發(fā)電機(jī)組作為檢修備機(jī)，新建50 MW機(jī)組、65 MW機(jī)組、80 MW機(jī)組其中之一。

考慮到高爐擴(kuò)容，產(chǎn)能提高，機(jī)組容量需有一定富裕等情況，以及設(shè)備通用性和運(yùn)行安全等方面因素，決定新建的高爐煤氣發(fā)電機(jī)組采用已投產(chǎn)的原有80 MW發(fā)電機(jī)組同型號機(jī)組。該機(jī)組目前運(yùn)行穩(wěn)定可靠，相對于運(yùn)行人員也較為熟悉。新建高溫超高壓機(jī)組在技術(shù)指標(biāo)上，比原有中溫中壓機(jī)組的發(fā)電效率相對提高60%以上。該工程通過拆除現(xiàn)有自備電站的兩臺25 MW中溫中壓發(fā)電機(jī)組，新建一臺80 MW高溫超高壓煤氣發(fā)電機(jī)組，可實(shí)現(xiàn)年發(fā)電量6.4×108kWh，去除工程自耗電后，機(jī)組可向廠內(nèi)部供電約5.98×108kWh，比原電廠機(jī)組可多提供2.48×108kWh的供電量。發(fā)電煤氣消耗及三種裝機(jī)方案情況分析對比見表2。

表2 發(fā)電煤氣消耗及三種運(yùn)行方案情況分析

1.3 新建80MW煤氣發(fā)電機(jī)工藝流程

80 MW高溫超高壓煤氣發(fā)電機(jī)組工藝流程見圖1[3]。

圖1 高溫超高壓煤氣發(fā)電機(jī)組工藝流程圖

2 新建80 MW機(jī)組主要設(shè)備參數(shù)

2.1 鍋爐主要參數(shù)

鍋爐形式：超高壓、平衡通風(fēng)、一次再熱、燃?xì)猓ǜ郀t煤氣）汽包鍋爐。

鍋爐的主要參數(shù)見表3

2.2 汽輪機(jī)主要參數(shù)

型式：高溫超高壓、一次中間再熱、單軸、單缸單排汽、凝汽式

汽輪機(jī)額定參數(shù)見表4

2.3 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

發(fā)電機(jī)主要參數(shù)見表5

3 本發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建設(shè)主要內(nèi)容

3.1 煤氣系統(tǒng)

高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣由廠區(qū)煤氣管網(wǎng)管道送到發(fā)電區(qū)域。再由煤氣干管接入鍋爐，通過各支管接入鍋爐燃燒器。煤氣管道設(shè)計(jì)根據(jù)國家規(guī)范設(shè)置切斷閥、流量計(jì)、快速切斷閥、調(diào)節(jié)閥、檢查人孔、空氣氮?dú)獯祾吖苈?、放散管路等安全附件?/p>

高爐煤氣主管閥門依次設(shè)計(jì)電動蝶閥、敞開式電動插板閥、液動快切閥。高爐煤氣燃燒器前支管設(shè)電動三偏心蝶閥、電動調(diào)節(jié)閥、兩道氣動快切閥。

焦?fàn)t煤氣主管依次設(shè)計(jì)為電動蝶閥、電動扇形盲板閥、氣動快切閥。焦?fàn)t煤氣燃燒器前支管設(shè)電動閘閥、電動調(diào)節(jié)閥、兩道氣動快切閥。

煤氣系統(tǒng)在建設(shè)過程中根據(jù)業(yè)主需要合理更改放散點(diǎn)的位置，采用氣動放散閥門，減少后期運(yùn)行人員的工作量，并在所有需要人工操作閥門的地方增加平臺，充分滿足一線人員的工作需求。

表3 鍋爐的主要參數(shù)

表4 汽輪機(jī)額定參數(shù)

表5 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

3.2 煙風(fēng)系統(tǒng)

鍋爐正常燃燒采用高爐煤氣，點(diǎn)火使用焦?fàn)t煤氣，設(shè)自動點(diǎn)火裝置。鍋爐設(shè)置高溫燃燒尾氣與高爐煤氣、助燃空氣換熱裝置，經(jīng)過換熱裝置的高爐煤氣、助燃空氣可有效提高鍋爐的燃燒溫度，同時(shí)可以降低鍋爐排煙溫度，提高了經(jīng)濟(jì)性。煤氣、空氣預(yù)熱裝置為整體式水媒式熱管加熱器。

3.3 尾氣凈化系統(tǒng)

按目前國家對燒高爐煤氣鍋爐煙氣排放定額要求，鍋爐煙氣必須要經(jīng)過脫硫排放。本工程采用石灰-石膏濕法脫硫工藝，煙塔合一，設(shè)置高效除霧器和濕式電除塵設(shè)備，脫硫后滿足SO2濃度≤35 mg/Nm3，粉塵濃度 ≤5 mg/Nm3的超凈排放要求，脫硫效率高達(dá)98%。煤氣發(fā)電與煙氣超低排放設(shè)施同步建成。

3.4 熱力系統(tǒng)

熱力系統(tǒng)包括四大管道系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、抽汽系統(tǒng)、疏放水系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)等等。

（1）主蒸汽、低再、高再系統(tǒng)

主蒸汽為單機(jī)單元制，從位于鍋爐爐頂?shù)募涑鰜?，?jīng)過熱力管網(wǎng)接至汽輪機(jī)主汽門，本系統(tǒng)管道材質(zhì)采用12Cr1MoVG合金鋼，汽機(jī)前電動主汽閥門采用焊接閥門。

低再管道是把在汽機(jī)高壓缸做功后排出的蒸汽，接回到鍋爐的再熱器；高再管道是把再熱器再次加熱后的蒸汽送至汽機(jī)中壓缸，蒸汽入口設(shè)置有中壓聯(lián)合汽閥。本機(jī)組設(shè)有容量為BMCR30%的二級串聯(lián)旁路系統(tǒng)，以改善機(jī)組冷、熱態(tài)啟動條件，縮短啟動時(shí)間。旁路系統(tǒng)考慮熱備用。

主汽、再熱系統(tǒng)在建設(shè)過程中優(yōu)化了原有疏水點(diǎn)的布置，并充分考慮了汽機(jī)啟動初期暖管的需要，防止管道產(chǎn)生振動。

（2）主給水系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)置兩臺110%容量的電動給水泵，1用1備。均采用獨(dú)立變頻控制（帶旁路），給水泵油站設(shè)置雙路電源。主給水系統(tǒng)由三部分組成，低壓入口段、高壓出口段、經(jīng)過高加后的高壓熱段。經(jīng)過除氧器的水接到給水泵，經(jīng)水泵升壓后送至高壓加熱器加熱，加壓、加熱后的水通過給水操作臺送人鍋爐省煤器。

給水泵的安裝是建設(shè)過程中需要特別注意的地方，要求安裝精度高，給水泵的安裝合格與否關(guān)系到整個(gè)鍋爐供水系統(tǒng)是否能夠正常安全的工作，需要特別注意。

（3）凝結(jié)水系統(tǒng)

汽輪機(jī)完全做功后的蒸汽，排到凝汽器進(jìn)行冷卻，冷卻后的凝結(jié)水匯集到熱井，出來的凝結(jié)水再次送入汽封加熱器、低壓加熱器，最后進(jìn)入除氧器。凝結(jié)水系統(tǒng)在汽封加熱器出口的凝結(jié)水管路設(shè)置旁路，可以接回凝汽器，這樣可以保證起動初期或者當(dāng)機(jī)組低負(fù)荷期間有最小流量的凝結(jié)水通過凝結(jié)水泵，防止凝結(jié)水汽化發(fā)生氣蝕現(xiàn)象從而危害到水泵。

凝結(jié)水管道在建設(shè)過程中需要注意整個(gè)系統(tǒng)的閥門規(guī)格，該用真空閥門的時(shí)候一定不能裝錯，否則會影響汽機(jī)運(yùn)行的真空。

抽汽系統(tǒng)

本工程的汽機(jī)設(shè)有6級抽汽，主要是用來給除氧器、1#高加、2#高加、4#低加、5#低加、6#低加。為了保證設(shè)備運(yùn)行安全，抽汽裝置均設(shè)有隔離閥、止回閥，防止汽機(jī)進(jìn)水和蒸汽回流導(dǎo)致汽機(jī)超速。

抽汽系統(tǒng)在建設(shè)過程需要注意閥門的安裝位置，此系統(tǒng)管道較大，閥門應(yīng)裝在方便后期操作維護(hù)的地方。

（5）冷卻水系統(tǒng)

凝汽器冷卻用循環(huán)水，來自新建循環(huán)水泵站，并設(shè)膠球清洗系統(tǒng)一套。其他輔機(jī)設(shè)備，如發(fā)電機(jī)空冷器、水環(huán)真空泵、EH油站、雙聯(lián)濾油器設(shè)置兩路供水，一路工業(yè)水，一路循環(huán)水。

冷卻水管道建設(shè)過程中，雖然壓力較低，但要防止施工垃圾遺留在管道內(nèi)，損壞過濾器，影響供水壓力，從而影響設(shè)備冷卻效果。

4 本發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程采取BIM三維設(shè)計(jì)，尤其在改建、擴(kuò)建工程中BIM三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢更加明顯。

（1）在方案布置階段，通過BIM三維設(shè)計(jì)可以更好的優(yōu)化項(xiàng)目占地空間，合理布置管網(wǎng)、設(shè)備，同時(shí)采納業(yè)主的意見和建議，更方便項(xiàng)目建成后運(yùn)行人員的操作和檢修。

（2）在設(shè)計(jì)過程中，熱力、給排水、暖通、電氣、儀表、土建設(shè)計(jì)人在同一平臺，各自設(shè)計(jì)自己專業(yè)的內(nèi)容，同時(shí)通過模型的可視化，減少管道與管道、管道與橋架、管道與梁柱的碰撞，在設(shè)計(jì)初期就最大化的減少后期施工過程可能出現(xiàn)的問題。

（3）項(xiàng)目建設(shè)階段，采用三維模型提前把施工難點(diǎn)和技術(shù)要點(diǎn)對施工單位進(jìn)行技術(shù)交底，相比傳統(tǒng)的二維CAD圖紙，非常直觀易懂，比過去減少了大量的溝通等待時(shí)間，提高了整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)效率。

實(shí)踐證明本工程采用BIM三維設(shè)計(jì)，大大縮短了項(xiàng)目建設(shè)工期，項(xiàng)目比原計(jì)劃早投產(chǎn)三個(gè)月，為業(yè)主創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

新建的發(fā)電機(jī)組，在技術(shù)指標(biāo)上，比該廠原有機(jī)組的發(fā)電效率相對提高60%以上，年外供電量比原機(jī)組可多提供2.48×108kWh，每年可以為用戶多帶來發(fā)電收益約1.24億元，經(jīng)濟(jì)效益非常突出，并且充分利用了廠區(qū)的富裕煤氣，單位發(fā)電量的能耗、水耗均達(dá)到了清潔生產(chǎn)的先進(jìn)水平，煙氣的排放指標(biāo)符合國家對鋼鐵企業(yè)環(huán)保、節(jié)能減排的政策要求。本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程采取BIM三維設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化占地空間，合理布置管網(wǎng)、設(shè)備，避免各種管道與鋼結(jié)構(gòu)的碰撞，可有效減少后期施工過程可能出現(xiàn)的問題，尤其在改建、擴(kuò)建工程優(yōu)勢更加明顯。