邯鋼富余煤氣發(fā)電效益最大化的探索與實(shí)踐

供稿|張永波，弭遠(yuǎn)志 / ZHANG Yong-bo, MI Yuan-zhi

鋼鐵聯(lián)合企業(yè)在生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品的同時(shí)也產(chǎn)生大量的副產(chǎn)煤氣，副產(chǎn)煤氣是鋼鐵企業(yè)中最重要的二次能源，占企業(yè)總能耗的30%左右[1]。副產(chǎn)煤氣首先要滿足鋼鐵生產(chǎn)的加熱需要，在滿足生產(chǎn)加熱需要之后的煤氣稱之為富余煤氣[2]。目前，我國多數(shù)大、中型鋼鐵企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)了富余煤氣的全部回收，主要途徑是通過自備電廠利用煤氣進(jìn)行發(fā)電和供熱。這樣既可以消耗本廠的富余煤氣，又可以降低用電成本，非常符合“節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展”的要求。

近年來，邯鋼不斷深入管理煤氣能源，通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝，最大限度地利用富余煤氣能源，不斷探索和實(shí)踐富余煤氣發(fā)電并逐步實(shí)現(xiàn)效益最大化，在減少污染物排放的同時(shí)，更創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

邯鋼富余煤氣發(fā)電歷程

邯鋼富余煤氣發(fā)電項(xiàng)目于2004年8月正式啟動(dòng)，引進(jìn)國際先進(jìn)的燃燒低熱值高爐煤氣的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電(Combined Cycle Power Plant—簡(jiǎn)稱CCPP)節(jié)能環(huán)保技術(shù)，主要設(shè)備是M251型燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和汽輪機(jī)組各2臺(tái)套，總裝機(jī)容量達(dá)90 MW。2006年12月15日邯鋼CCPP 1#燃機(jī)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電成功[3]，這是河北省首家利用燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)建設(shè)的富余煤氣發(fā)電項(xiàng)目，年可回收高爐煤氣21億m3，年發(fā)電量達(dá)到7億kW.h。2009年4月至9月，總裝機(jī)容量達(dá)180 MW的邯鋼西區(qū)自備電廠富余煤氣發(fā)電機(jī)組相繼并網(wǎng)發(fā)電，年發(fā)電量能力又增加13.2億kW.h。此為河北省省級(jí)重點(diǎn)節(jié)能減排項(xiàng)目，被寫入2009年河北省政府工作報(bào)告。

隨著“節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)”工作不斷深入，邯鋼陸續(xù)建設(shè)富余煤氣發(fā)電電站。目前，邯鋼共有3套CCPP和5套常規(guī)燃煤氣鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為540 MW(參見表1)，年發(fā)電量可達(dá)42億kW.h。

邯鋼富余煤氣發(fā)電可充分利用富余煤氣能源，實(shí)現(xiàn)煤氣零放散。這不僅使邯鋼在富余煤氣的利用上走在了同行業(yè)的前列，更以其環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)成為邯鋼發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)濃墨重彩的一筆。同時(shí)，可使邯鋼大力挖潛增效，節(jié)約型降成本與開發(fā)型降成本并舉，在新型工業(yè)化道路上邁出堅(jiān)實(shí)的一步[2]。

影響發(fā)電的因素

機(jī)組熱效率

常規(guī)燃煤氣鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組熱效率比較低，基本在18%~26%，加之余熱回收的不足和汽輪機(jī)抽汽而影響發(fā)電負(fù)荷，發(fā)電量相對(duì)較少。而燃?xì)廨啓C(jī)是第三代動(dòng)力機(jī)械，熱效率比常規(guī)電廠高10%~20%，已成為當(dāng)今世界發(fā)電用的核心裝置，可大大提高發(fā)電量。

表1 邯鋼富余煤氣發(fā)電機(jī)組概況表

煤氣產(chǎn)量波動(dòng)

邯鋼可利用的富余煤氣有高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。實(shí)際生產(chǎn)中，由于煉鐵、焦化、煉鋼、軋鋼各系統(tǒng)生產(chǎn)的波動(dòng)導(dǎo)致富余煤氣的產(chǎn)量有較大的階段性波動(dòng)，從而造成發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷波動(dòng)，影響發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

煤氣熱值波動(dòng)

由于煉鐵、焦化、煉鋼各系統(tǒng)的生產(chǎn)波動(dòng)，將導(dǎo)致產(chǎn)生的煤氣成分發(fā)生變化(參見表2)，進(jìn)而造成煤氣的熱值發(fā)生變化。例如，高爐操作、原料、噴煤及富氧造成高爐煤氣的熱值波動(dòng)，焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣也有熱值波動(dòng)的問題。煤氣熱值的波動(dòng)勢(shì)必造成發(fā)電機(jī)組不能穩(wěn)定工況運(yùn)行，為保安全而被迫減負(fù)荷或低負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)煤氣熱值波動(dòng)劇烈時(shí)造成機(jī)組甩負(fù)荷甚至停機(jī)，嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組的安全和發(fā)電效益。

表2 邯鋼煤氣成分表(體積分?jǐn)?shù))

生產(chǎn)實(shí)踐

只有根據(jù)機(jī)組效率優(yōu)化配置，才能充分利用煤氣資源。同時(shí)，消除煤氣波動(dòng)對(duì)發(fā)電負(fù)荷的影響，最終實(shí)現(xiàn)富余煤氣發(fā)電效益最大化。邯鋼通過多年來的探索，結(jié)合邯鋼實(shí)際制定改進(jìn)措施，消除影響發(fā)電的不利因素，確保富余煤氣發(fā)電效益最大化，主要有以下幾方面:

優(yōu)化煤氣平衡

通過幾年的探索，邯鋼總結(jié)出“以煤氣平衡為中心的檢修模式”，即制定靜態(tài)煤氣平衡方案，合理安排發(fā)電機(jī)組與其它生產(chǎn)系統(tǒng)的啟停和檢修，避免富余煤氣的階段性緊缺或過剩，保證煤氣供應(yīng)和消耗的穩(wěn)定。

同時(shí)，優(yōu)化煤氣動(dòng)態(tài)平衡，加強(qiáng)與煉鐵、焦化、煉鋼、軋鋼的協(xié)調(diào)聯(lián)系，全面掌握煤氣產(chǎn)銷情況。利用各煤氣柜緩沖調(diào)控作用回收軋鋼換輥、臨時(shí)檢修、高爐熱風(fēng)爐換爐等富余煤氣。此外，還通過煤氣管網(wǎng)使邯鋼新老兩區(qū)煤氣平衡互補(bǔ)，最大限度地保證各發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)所需煤氣用量。

實(shí)時(shí)能源管控

2011年3月，邯鋼能源管控中心建成投運(yùn)，有效地提高了富余煤氣資源的回收利用，實(shí)現(xiàn)了煤氣“零放散”。實(shí)時(shí)能源管控通過以自動(dòng)化控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的監(jiān)管控制，提高煤氣系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平；通過煤氣系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)能源調(diào)度扁平化高效執(zhí)行力；通過集中高效運(yùn)作，提升煤氣資源管理水平及綜合利用效率。

目前，邯鋼將3套CCPP作為發(fā)電的“主力軍”，輔以常規(guī)發(fā)電機(jī)組。當(dāng)富余煤氣充足時(shí)，可以讓所有的發(fā)電機(jī)組都滿負(fù)荷生產(chǎn)。但是，當(dāng)富余煤氣緊缺時(shí)，就要遵循效率優(yōu)先原則，讓熱效率高的CCPP發(fā)電機(jī)組持續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行，讓效率低的常規(guī)發(fā)電機(jī)組根據(jù)剩余煤氣情況調(diào)整負(fù)荷運(yùn)行。

與此同時(shí)，邯鋼還實(shí)行“增峰降谷最優(yōu)化發(fā)電”，即在“谷段”(每日22:00分至次日6:00分用電低谷期間)根據(jù)富余煤氣情況控制常規(guī)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷，讓各煤氣柜進(jìn)行充柜至較高柜位，以便在次日“峰段”(每日8:00~11:00分、16:00~21:00分用電高峰期間)通過降低煤氣柜以滿足發(fā)電機(jī)組的煤氣需要，降低用電高峰時(shí)的外購用電成本，實(shí)現(xiàn)發(fā)電效益的最大化。

煤氣相互替代

當(dāng)煉鐵、焦化、煉鋼、軋鋼各系統(tǒng)生產(chǎn)正常時(shí)，煤氣成分比較穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)組都可正常運(yùn)行。但是，當(dāng)煤氣成分發(fā)生變化導(dǎo)致煤氣熱值波動(dòng)時(shí)，造成發(fā)電機(jī)組被迫降負(fù)荷運(yùn)行以保安全，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷或停機(jī)。

經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，在確保安全的前提下，通過煤氣之間的相互替代手段，即將發(fā)電機(jī)組所用的煤氣通過不同煤氣管網(wǎng)的閥門開度來控制煤氣流量，保證所替代的煤氣總熱量不低于運(yùn)行要求。同時(shí)，加入各煤氣柜的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，保證發(fā)電機(jī)組所用煤氣壓力和熱值的穩(wěn)定。當(dāng)熱值波動(dòng)劇烈時(shí)，一方面通過煤氣管網(wǎng)調(diào)整，另一方面通過混合煤氣壓力熱值調(diào)整站來穩(wěn)定煤氣壓力和熱值的供應(yīng)(參見圖1)。經(jīng)過多年生產(chǎn)實(shí)踐觀察，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行基本平穩(wěn)，成效顯著。

圖1 邯鋼發(fā)電用煤氣相互替代示意圖

另外，針對(duì)富余煤氣緊缺時(shí)，大型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組焦?fàn)t煤氣用量大的問題，對(duì)煉鋼、軋鋼等使用高熱值煤氣的單位進(jìn)行煤氣配比實(shí)驗(yàn)，找到滿足其生產(chǎn)的最小熱值點(diǎn)，從而減少焦?fàn)t煤氣的消耗，為發(fā)電機(jī)組多提供焦?fàn)t煤氣。同時(shí)，加大轉(zhuǎn)爐煤氣回收利用，在滿足軋鋼廠生產(chǎn)的前提下，增加軋鋼系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐煤氣的配比，最大限度地替代出焦?fàn)t煤氣，為發(fā)電機(jī)組所用。

增加余熱回收

眾所周知，常規(guī)燃煤氣鍋爐的熱效率比較低。但是，增加余熱回收可使其效率有所提高。經(jīng)過多年探索實(shí)踐，可根據(jù)鍋爐負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)整鍋爐煙氣含氧量，使鍋爐不完全燃燒熱損失與排煙熱損失之和最小。在確保安全的前提下，適當(dāng)降低鍋爐的排煙溫度，可提高鍋爐的熱效率。還可根據(jù)鍋爐負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)整鍋爐爐膛負(fù)壓，以防止燃燒不穩(wěn)定而降低鍋爐效率。此外，將汽輪機(jī)的低壓加熱器和鍋爐定排連排的余熱回收裝置全部投運(yùn)，降低鍋爐度電的煤氣氣耗，提高發(fā)電量。

另外，可在保證各蒸汽用戶壓力和熱量的基礎(chǔ)上，根據(jù)季節(jié)和每日氣溫的變化情況，適時(shí)調(diào)整蒸汽管網(wǎng)壓力，合理分配各發(fā)電機(jī)組抽汽量，實(shí)現(xiàn)抽汽總熱量最少。同時(shí)，加強(qiáng)煉鋼轉(zhuǎn)爐、熱軋加熱爐余熱蒸汽的回收，并利用燒結(jié)工藝中主抽廢氣和環(huán)冷機(jī)廢氣余熱資源產(chǎn)生余熱蒸汽[4]，減少發(fā)電機(jī)組抽汽量提高發(fā)電量，并加強(qiáng)對(duì)蒸汽管網(wǎng)疏水器進(jìn)行日常檢查，杜絕蒸汽浪費(fèi)。隨著余熱回收不斷深入，聚少成多的發(fā)電效益也碩果累累，通過生產(chǎn)實(shí)踐，常規(guī)燃煤氣鍋爐汽機(jī)發(fā)電量比前期增加約2.68%。

結(jié)語

邯鋼通過不斷的探索和實(shí)踐，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，最大限度地利用富余煤氣，實(shí)現(xiàn)富余煤氣發(fā)電效益的最大化。目前，邯鋼富余煤氣發(fā)電站日發(fā)電量在1250萬kW.h，自發(fā)電比例達(dá)到61%。在取得巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也收獲了更多的環(huán)境效益和社會(huì)效益。通過對(duì)多年來的生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)，摸索了一套較好的運(yùn)行管理方法，取得了幾點(diǎn)成功的經(jīng)驗(yàn)，主要有：

(1) 利用能源管控信息化平臺(tái)，實(shí)時(shí)能源管控可以提高煤氣系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，實(shí)現(xiàn)能源調(diào)度扁平化高效執(zhí)行力，提升煤氣資源管理水平及綜合利用效率。

(2) 以煤氣平衡為中心的檢修模式，確保實(shí)現(xiàn)富余煤氣綜合利用效率最優(yōu)化。深度優(yōu)化煤氣平衡，合理安排發(fā)電設(shè)備啟停(檢修)的時(shí)間，是富余煤氣發(fā)電效益最大化的必要前期工作。

(3) 遵循效率優(yōu)先的原則，根據(jù)不同發(fā)電設(shè)備的熱效率分配煤氣資源，確保實(shí)現(xiàn)煤氣綜合利用效率最優(yōu)化和效益最大化。

(4) 富余煤氣緊缺時(shí)，通過煤氣相互替代手段，結(jié)合煤氣熱值配比實(shí)驗(yàn)，在滿足鋼鐵生產(chǎn)加熱的前提下盡可能減少煤氣消耗，將節(jié)省出的煤氣為發(fā)電所用。

(5) 增加余熱回收可降低發(fā)電機(jī)組的度電煤氣氣耗，提高發(fā)電量。

[1] 張琦，蔡九菊，王建軍. 鋼鐵聯(lián)合企業(yè)煤氣綜合利用研究//中國金屬學(xué)會(huì). 中國鋼鐵年會(huì)論文集，2005：535

[2] 弭遠(yuǎn)志，李強(qiáng). 邯鋼低熱值煤氣燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用//中國金屬學(xué)會(huì). 中國鋼鐵年會(huì)論文集，2005：570

[3] 弭遠(yuǎn)志，解濱，趙新建. 邯鋼燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)電站生產(chǎn)實(shí)踐//河北省冶金學(xué)會(huì). 河北冶金學(xué)會(huì)煉鐵技術(shù)暨學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2007：334

[4] 張衛(wèi)亮，馬忠民，周海平，等. 燒結(jié)工藝余熱回收利用技術(shù)研究.有色冶金節(jié)能，2011(1)：47