超高溫超高壓再熱技術(shù)在干熄焦余熱發(fā)電項目的應(yīng)用

李 林 王 雨 陳本成 毛 旸 田 宇 劉穎超 邢巍威

(華泰永創(chuàng)(北京)科技股份有限公司)

在節(jié)能減排和環(huán)境治理的時代需求下，鋼鐵企業(yè)和獨(dú)立焦化廠的熄焦方式逐漸由濕熄焦向干熄焦轉(zhuǎn)變。干熄焦余熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)和獨(dú)立焦化廠的一種成熟的余熱利用技術(shù)。近些年，在企業(yè)效益和國家節(jié)能減排政策的要求下，高參數(shù)小型化汽輪機(jī)技術(shù)得到迅速發(fā)展，在生物質(zhì)電廠和鋼鐵企業(yè)的高爐煤氣發(fā)電項目中取得廣泛應(yīng)用。隨著國家對環(huán)保的要求越來越高，國內(nèi)焦化行業(yè)的準(zhǔn)入政策也隨之調(diào)整，全能量回收清潔搗固智能熱回收焦?fàn)t重新回歸。熱回收焦?fàn)t項目中的余熱發(fā)電技術(shù)也從中低參數(shù)無再熱系統(tǒng)向高參數(shù)有再熱系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，且部分項目已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行，還有多個項目正在進(jìn)行建設(shè)。文章分析了超高溫超高壓技術(shù)高效發(fā)電的原因，并重點(diǎn)將超高溫超高壓技術(shù)與現(xiàn)有的高溫高壓技術(shù)和中溫中壓技術(shù)進(jìn)行了對比，同時指出高溫超高壓再熱技術(shù)在干熄焦項目應(yīng)用的注意事項。

1 干熄焦余熱發(fā)電的發(fā)展歷程

早期干熄焦余熱發(fā)電項目鍋爐和汽輪機(jī)一般均采用中溫中壓機(jī)組，隨著干熄焦技術(shù)不斷發(fā)展，規(guī)模不斷擴(kuò)大，干熄焦余熱發(fā)電技術(shù)也逐步跟進(jìn)。干熄焦鍋爐和汽輪機(jī)的參數(shù)逐漸由早期的中溫中壓參數(shù)向高溫高壓參數(shù)轉(zhuǎn)變，期間還有介于兩者之間的次高溫次高壓機(jī)組。為提高發(fā)電量，追求更高的經(jīng)濟(jì)效益，目前干熄焦余熱發(fā)電項目以選用高溫高壓機(jī)組為主。

2 超高溫超高壓再熱發(fā)電技術(shù)分析

超高溫超高壓再熱技術(shù)發(fā)電效率高的主要原因可歸結(jié)于兩點(diǎn)：提高汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)和增加一次中間再熱。

常規(guī)的中溫中壓發(fā)電技術(shù)的鍋爐主蒸汽參數(shù)為P=3.8 MPa，t=450 ℃，高溫高壓發(fā)電技術(shù)的鍋爐主蒸汽參數(shù)為P=9.8 MPa，t=540 ℃，超高溫超高壓發(fā)電技術(shù)的鍋爐主蒸汽參數(shù)為P=13.7 MPa，t=571 ℃。在保持汽輪機(jī)排汽溫度和壓力不變的條件下，隨著進(jìn)汽溫度和進(jìn)汽壓力的提高，主蒸汽的焓值有所提高，汽輪機(jī)的焓降也會相應(yīng)提高，因此提高汽輪機(jī)的進(jìn)汽溫度和壓力可以提高機(jī)組的熱效率。同時，隨著干熄焦鍋爐主蒸汽參數(shù)的提高，鍋爐蒸發(fā)量相應(yīng)減少，汽輪機(jī)按照純凝機(jī)組考慮，其排汽量減少，汽輪機(jī)的冷源損失大幅度降低，循環(huán)水泵站的能力及循環(huán)水泵的耗電量均會減少。

目前中溫中壓和高溫高壓干熄焦發(fā)電技術(shù)均無再熱系統(tǒng)，蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)做功后，直接進(jìn)入冷凝器中冷凝，蒸汽中的大部分熱量將會以汽化潛熱的形式通過凝汽器和冷卻塔最終排入大氣，造成大量的冷源損失。當(dāng)增加一次中間再熱后，蒸汽在汽輪機(jī)高壓缸內(nèi)做功后排出，再重新回鍋爐再熱器進(jìn)行加熱，加熱至額定溫度后再進(jìn)入汽輪機(jī)的低壓缸做功，做功后的乏汽排入凝汽器冷凝，可降低蒸汽的排汽濕度，減少汽輪機(jī)濕度損失，進(jìn)而提高機(jī)組的熱效率。

此外，采用高轉(zhuǎn)速高效汽輪機(jī)、提高鍋爐給水溫度等也是提高熱力系統(tǒng)循環(huán)效率的輔助措施。

3 不同參數(shù)干熄焦發(fā)電技術(shù)主要參數(shù)對比

某223.5 t/h干熄焦項目發(fā)電技術(shù)主要參數(shù)見表1。由表1可知，223.5 t/h的干熄焦余熱發(fā)電項目，從高溫高壓參數(shù)提高至超高溫超高壓參數(shù)，每年可以多發(fā)電約45.36×106kWh。參數(shù)提高后會增加建設(shè)投資約4 000萬，電價按照0.4元/kWh計算，約3年時間即可回收多投資部分的費(fèi)用。

表1 某223.5 t/h干熄焦項目發(fā)電技術(shù)主要參數(shù)

超高溫超高壓再熱發(fā)電技術(shù)與目前的高溫高壓發(fā)電技術(shù)相比，干熄焦本體裝置完全一致，只有熱力系統(tǒng)有所改變。

除氧給水泵站內(nèi)鍋爐給水泵的揚(yáng)程增大，流量減小，同時水泵增加中間抽頭用于再熱器減溫器的減溫水，除氧給水泵站的占地?zé)o變化。

干熄焦鍋爐主蒸汽參數(shù)提高，鍋爐增加低溫再熱器、高溫再熱器、再熱器減溫器、低溫再熱蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道及其他管路和部件，鍋爐的占地面積無變化。

汽輪發(fā)電站內(nèi)的汽輪機(jī)主蒸汽參數(shù)提高，汽輪機(jī)由單汽缸變?yōu)殡p汽缸，汽輪機(jī)長度增加，站內(nèi)增加高壓旁路裝置、低壓旁路裝置、三級減溫減壓裝置、低溫再熱蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道及其他管路和部件，汽輪發(fā)電站的占地會相應(yīng)增加。

干熄焦鍋爐和汽輪發(fā)電站之間的區(qū)域綜合管廊增加低溫再熱蒸汽和高溫再熱蒸汽兩根管徑較大的管道及部件，管廊的高度會適當(dāng)增加。

超高溫超高壓再熱發(fā)電技術(shù)與目前的高溫高壓發(fā)電技術(shù)相比，鍋爐給水品質(zhì)有所提高，根據(jù)《火力發(fā)電機(jī)組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》(GB/T 12145-2016)的要求，超高壓鍋爐鐵含量的期望值為20 μg/L，低于高壓鍋爐的30 μg/L，其余水質(zhì)指標(biāo)均與高壓鍋爐相同。目前常用除鹽水工藝流程為兩級反滲透+EDI和單級反滲透+混床，其產(chǎn)水指標(biāo)中鐵含量降低10 μg/L對建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用均無影響，因此鍋爐給水水質(zhì)的變化不會影響除鹽水站的工藝流程。

主蒸汽管道材質(zhì)由12Cr1MoVG升級為A335P91，新增的低溫再熱蒸汽管道可以采用15Cr1MoVG，新增的高溫再熱蒸汽管道材質(zhì)采用A335P91。

4 超高溫超高壓再熱技術(shù)在干熄焦項目應(yīng)用的注意事項

干熄焦熱力系統(tǒng)中的干熄焦鍋爐、除氧給水泵站和汽輪發(fā)電站均為獨(dú)立設(shè)施，其中除氧給水泵、除氧器和鍋爐給水泵設(shè)置在除氧給水泵站內(nèi)，汽輪機(jī)和凝結(jié)水泵布置在汽輪發(fā)電站內(nèi)，而熱管換熱器布置在干熄爐附近，各設(shè)施利用干熄焦綜合管廊連接在一起。因此，在開展項目設(shè)計時，應(yīng)進(jìn)行合理的總圖布置，對熱力設(shè)施進(jìn)行集中布置，可以有效縮短干熄焦綜合管廊的長度，減小蒸汽管道的壓降和溫降，降低建設(shè)成本，提高管路的安全性。

目前國內(nèi)焦化廠逐步向大型化轉(zhuǎn)變，對于舊廠改造和中小型干熄焦項目，超高溫超高壓再熱技術(shù)的適用性較差，原因是與之配套的汽輪機(jī)、鍋爐給水泵等主要設(shè)備的制造能力不足，另外改造項目也會受到總圖布置的限制。

焦化廠規(guī)模大型化的過程中，由濕熄焦備用向全干熄轉(zhuǎn)變，使用超高溫超高壓再熱技術(shù)的同時，可以充分利用主蒸汽大旁路系統(tǒng)。當(dāng)汽輪機(jī)事故時，使用大旁路系統(tǒng)，避免影響焦炭生產(chǎn)。

超高溫超高壓再熱技術(shù)的主要優(yōu)勢是提高干熄焦裝置的發(fā)電量，對于發(fā)電自用的企業(yè)和外供電價較高的企業(yè)，增加經(jīng)濟(jì)效益尤為明顯。但是在外供電價較低的地區(qū)，經(jīng)濟(jì)效益一般，投資回收期較長。

采用超高溫超高壓再熱技術(shù)，宜采用純凝式汽輪機(jī)，發(fā)電量提高的幅度最大，經(jīng)濟(jì)效益最好。如果大量抽汽，會明顯降低其發(fā)電能力，尤其在低壓缸抽汽。再熱式汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)相同壓力對應(yīng)的蒸汽溫度要遠(yuǎn)高于無再熱系統(tǒng)汽輪機(jī)的蒸汽溫度，將此蒸汽大量抽出，減溫后供低壓蒸汽用戶使用，相當(dāng)于高品質(zhì)蒸汽作為低品質(zhì)蒸汽使用，不僅減少發(fā)電量，而且浪費(fèi)能源。

采用超高溫超高壓再熱技術(shù)，熱力系統(tǒng)需增加大量關(guān)鍵設(shè)備，系統(tǒng)更復(fù)雜，系統(tǒng)運(yùn)行的操作難度和管理難度增加。因此，需要提高相關(guān)管理人員和操作人員的業(yè)務(wù)能力和技術(shù)水平。

5 結(jié)論

超高溫超高壓一次再熱發(fā)電技術(shù)與現(xiàn)有的高溫高壓發(fā)電技術(shù)相比，可多發(fā)電約10%～15%，對鋼鐵聯(lián)合企業(yè)和獨(dú)立焦化廠是一種有效的節(jié)能措施，可以為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，此技術(shù)與熱回收焦?fàn)t的余熱發(fā)電技術(shù)可實現(xiàn)無縫對接，因此具有廣闊的市場前景。