優(yōu)化煤氣調(diào)配挖掘發(fā)電潛力的實(shí)踐探討

史志杰，王志峰，宋亞非

（安陽鋼鐵股份有限公司動力廠，河南 安陽 455000）

鋼鐵廠冶煉生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的副產(chǎn)煤氣，這些副產(chǎn)煤氣除供應(yīng)煉鐵、煉焦、煉鋼等鋼鐵廠自身主要工藝生產(chǎn)需求外，剩余部分通常供給燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組使用，將煤氣燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。這樣既減少了煤氣排放帶來的環(huán)境污染，又降低了鋼鐵廠外購電的總量，給企業(yè)帶來不菲的經(jīng)濟(jì)效益。安陽鋼鐵股份有限公司動力廠（全文簡稱安鋼動力廠）在煤氣管網(wǎng)和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過程中，現(xiàn)有調(diào)節(jié)模式忽視了發(fā)電機(jī)組的效率高低，以及分時電價對發(fā)電效益的影響這兩個因素，在煤氣調(diào)配使用的生產(chǎn)實(shí)際中存在一些問題。本文通過優(yōu)化煤氣調(diào)配，采取錯峰發(fā)電措施，解決煤氣調(diào)配問題，從而創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

1 安鋼動力廠概況

1.1 煤氣

安鋼動力廠接收的副產(chǎn)煤氣主要為焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。正常生產(chǎn)中必須保障的主要工藝設(shè)備有煉鐵高爐熱風(fēng)爐、焦?fàn)t、軋鋼加熱爐以及帶動高爐汽輪鼓風(fēng)機(jī)的燃?xì)忮仩t，這些也是安鋼動力廠的主要煤氣用戶。這些主要煤氣用戶中，每個用戶需要的煤氣種類也各有區(qū)別。其中，高爐熱風(fēng)爐和焦?fàn)t主要使用高爐煤氣；軋鋼加熱爐主要使用焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、部分轉(zhuǎn)爐煤氣混合后的混合煤氣；而燃?xì)忮仩t主要燃燒高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，輔助焦?fàn)t煤氣。在安鋼焦化廠拆除5 號、6 號焦?fàn)t后，焦?fàn)t煤氣發(fā)生量供應(yīng)軋鋼全部用戶生產(chǎn)尚顯不足，因此可供燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組使用的煤氣大部分為高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。表1 反映了安鋼動力廠正常生產(chǎn)時3 種副產(chǎn)煤氣的主要接收、分配情況。

表1 安鋼動力廠副產(chǎn)煤氣的性質(zhì)及分配情況

1.2 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組

安鋼動力廠現(xiàn)有4 臺燃煤氣發(fā)電機(jī)組，分別是：1 臺30 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組、1 臺50 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組、1 臺60 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組和1 臺65 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組。其中30 MW 機(jī)組和3 臺鼓風(fēng)機(jī)一起由3 臺中壓燃煤氣鍋爐并聯(lián)帶動，50 MW 機(jī)組、60 MW機(jī)組和2 臺鼓風(fēng)機(jī)一起由2 臺高壓鍋爐并聯(lián)帶動，65 MW 機(jī)組單獨(dú)由1 臺超高壓鍋爐帶動，所有鍋爐均可燃燒高、焦、轉(zhuǎn)3 種副產(chǎn)煤氣。其中，焦?fàn)t煤氣在正常生產(chǎn)中只是輔助燃燒，僅在有軋鋼機(jī)組檢修、焦?fàn)t煤氣大量富裕時，才會增加焦?fàn)t煤氣燃燒量以阻止放散。表2 列出了安鋼動力廠各汽輪發(fā)電機(jī)組的主要性能參數(shù)。

表2 安鋼動力廠各汽輪發(fā)電機(jī)組的主要性能參數(shù)

1.3 煤氣柜

安鋼動力廠現(xiàn)有1 座30 萬m3稀油密封圓形高爐煤氣柜，1 座10 萬m3維金斯型轉(zhuǎn)爐煤氣柜，1 座8 萬m3維金斯型轉(zhuǎn)爐煤氣柜和1 座10 萬m3曼型焦?fàn)t煤氣柜。煤氣柜的主要性能參數(shù)如表3 所示。

表3 安鋼煤氣柜的主要性能參數(shù)

2 煤氣使用和調(diào)配問題分析

2.1 煤氣發(fā)電機(jī)組效率

安鋼動力廠接收多種副產(chǎn)煤氣，副產(chǎn)煤氣在滿足主要工藝用戶的生產(chǎn)需求后，富裕煤氣用于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。在煤氣情況發(fā)生變化時，發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷往往要跟隨生產(chǎn)用戶的變化進(jìn)行頻繁調(diào)整。在這種調(diào)整過程中，煤氣調(diào)度決定發(fā)電機(jī)的運(yùn)行數(shù)量和調(diào)整幅度。同時，由于安鋼動力廠現(xiàn)有的4 臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組投運(yùn)時間、大小容量都有不同，相應(yīng)的發(fā)電效率也有高低，但原來的調(diào)整模式，并沒有考慮到這一點(diǎn)。

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組由燃?xì)忮仩t、凝氣式汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成。副產(chǎn)煤氣在鍋爐爐膛內(nèi)燃燒加熱，使水產(chǎn)生蒸汽，煤氣中的化學(xué)能經(jīng)過鍋爐轉(zhuǎn)化為蒸汽的內(nèi)能和壓力能；蒸汽進(jìn)入凝氣式汽輪機(jī)膨脹做功，釋放熱量，帶動汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，蒸汽則凝結(jié)成水，經(jīng)處理后重新進(jìn)入鍋爐循環(huán)，這一過程中蒸汽的壓力能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)的機(jī)械能；汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，機(jī)械能最終轉(zhuǎn)化為電能。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在煤氣轉(zhuǎn)化為電能的過程中必然存在能量損失，能量損失少的機(jī)組轉(zhuǎn)化效率高，能量損失多的機(jī)組轉(zhuǎn)化效率就低。衡量第一個轉(zhuǎn)化步驟效率高低的標(biāo)志是鍋爐的熱效率，衡量第二個轉(zhuǎn)化步驟效率高低的標(biāo)志是汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)的汽耗量，即發(fā)11 kW·h 電所消耗的蒸汽量。

表2 顯示安鋼動力廠各燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的相關(guān)參數(shù)。從表2 我們可知，安鋼動力廠4 臺煤氣發(fā)電機(jī)組中，不同壓力和容量的鍋爐熱效率差別不大，但不同壓力和溫度的凝氣式汽輪機(jī)汽耗率差異明顯。發(fā)電效率由高到低依次是65 MW 發(fā)電機(jī)組、60 MW 發(fā)電機(jī)組、50 MW 發(fā)電機(jī)組和30 MW 發(fā)電機(jī)組，其中50 MW發(fā)電機(jī)組由于設(shè)備原因一般不參與負(fù)荷調(diào)整。

現(xiàn)有煤氣調(diào)節(jié)模式中，當(dāng)可供發(fā)電的煤氣量發(fā)生變化，必須調(diào)整發(fā)電負(fù)荷時，由于忽視了各發(fā)電機(jī)組的效率因素，經(jīng)常出現(xiàn)高效發(fā)電機(jī)組尚在低負(fù)荷讓煤氣運(yùn)行時，低效發(fā)電機(jī)組卻大量使用煤氣帶著相當(dāng)高的負(fù)荷運(yùn)行的不合理現(xiàn)象。這種把不多的煤氣在高效和低效發(fā)電機(jī)組之間的錯配，顯然降低了煤氣利用率，而且頻繁調(diào)整發(fā)電機(jī)的負(fù)荷，也會對設(shè)備壽命產(chǎn)生不利。

2.2 分時電價

煤氣柜對煤氣管網(wǎng)壓力運(yùn)行具有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)緩沖作用，安鋼動力廠在投運(yùn)30 萬m3高爐煤氣柜以后，煤氣管網(wǎng)運(yùn)行壓力波動從以前的6～15 kPa 變到現(xiàn)在的10～12 kPa，這在動力廠運(yùn)行中發(fā)揮了煤氣柜的緩沖調(diào)節(jié)作用。但安鋼動力廠原有的煤氣調(diào)節(jié)模式中，并未考慮到分時電價的因素來更好地發(fā)揮動力廠煤氣柜的煤氣儲存分配作用。

分時電價是指工業(yè)用電的電價在一天24 h 中分時段定價的現(xiàn)象。在分時電價中，電價最高的階段也是用電高峰段，電價最低的階段是用電低谷段，其余時段則為平均時段，也叫平段（見表4）。而煤氣柜的運(yùn)行柜容也有高柜容運(yùn)行和低柜容運(yùn)行的區(qū)別。以安鋼動力廠30 萬m3高爐煤氣柜為例，煤氣柜在線運(yùn)行時運(yùn)行柜容區(qū)間為5 萬～25 萬m3，一般以10萬m3以下為低柜容，以20 萬m3以上為高柜容。在現(xiàn)有的調(diào)節(jié)模式中，高爐煤氣柜僅要求其長時間在線運(yùn)行，也即柜容在5 萬～25 萬m3以內(nèi)運(yùn)行即可；同時，在保障主要工藝用戶用煤氣的前提下，柜容較高時，則通過升高發(fā)電機(jī)組負(fù)荷來消耗煤氣，使煤氣柜吐氣；在柜容較低時，則通過降低發(fā)電負(fù)荷來儲存煤氣，讓煤氣柜充柜，進(jìn)而保持煤氣柜的在線平穩(wěn)運(yùn)行。在不考慮分時電價的因素下，發(fā)電機(jī)組負(fù)荷的高低變化往往不會與分時電價的變化相匹配，甚至經(jīng)常相反，即在一天的電價高峰段，煤氣在調(diào)配中滿足主要工藝用戶生產(chǎn)需求的同時煤氣柜柜容卻較低，煤氣發(fā)電機(jī)組要降負(fù)荷讓煤氣；反之在電價低谷段，煤氣富裕，煤氣柜柜容和發(fā)電機(jī)負(fù)荷都較高。這樣下來，一天雖然也發(fā)了不少電，但煤氣發(fā)電的效益并不高，本來可以利用煤氣柜的儲存作用，儲存部分煤氣在電價高峰段增加發(fā)電，實(shí)際上并沒有得到合理利用。

表4 一天24 h 中不同時段的分時電價

3 解決措施

為了解決煤氣使用與調(diào)配的問題，安鋼動力廠采取一系列措施。

3.1 優(yōu)化煤氣調(diào)配

根據(jù)機(jī)組發(fā)電效率的不同，制定相應(yīng)的煤氣調(diào)配方案；各發(fā)電機(jī)組使用煤氣的優(yōu)先順序?yàn)?5 MW發(fā)電機(jī)組、60 MW 發(fā)電機(jī)組、50 MW 發(fā)電機(jī)組和30 MW 發(fā)電機(jī)組；在煤氣緊缺時，優(yōu)先降低30 MW 發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷，30 MW 發(fā)電機(jī)組負(fù)荷降至最低后，再降低60 MW 發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷，最后再降低65 MW發(fā)電機(jī)組負(fù)荷；而當(dāng)煤氣富裕，則優(yōu)先升高65 MW發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷，其后順序與煤氣緊缺時正好相反。這樣，可隨時保證高效率機(jī)組運(yùn)行，特別是65 MW發(fā)電機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行，低效率機(jī)組優(yōu)先承擔(dān)調(diào)節(jié)煤氣的作用。

3.2 錯峰發(fā)電

根據(jù)電價分時原則，在電價高峰期來臨前，把30 萬m3高爐煤氣柜柜容調(diào)整在22 萬～25 萬m3之間，把10 萬m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜和10 萬m3煤氣柜柜容調(diào)整在6 萬～8 萬m3之間，8 萬m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜柜容調(diào)整在5 萬～6 萬m3之間。電價高峰段各煤氣柜進(jìn)入吐氣階段，煤氣發(fā)電機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行；在電價低谷段和高峰期之間的平段，各煤氣柜低柜容運(yùn)行，并進(jìn)入充柜階段，低效率發(fā)電機(jī)降負(fù)荷讓煤氣，以便迎接新的高峰段發(fā)電。

根據(jù)煤氣發(fā)電機(jī)組效率和分時電價因素，通過調(diào)整煤氣分配，增加了煤氣發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量，提高了高峰期煤氣發(fā)電的效益，挖掘了煤氣發(fā)電的潛力，實(shí)現(xiàn)了更多經(jīng)濟(jì)價值。

4 效果

通過改進(jìn)現(xiàn)有調(diào)節(jié)模式，優(yōu)化煤氣調(diào)配，采用錯峰發(fā)電模式，有助于企業(yè)二次能源的高效利用。65 MW發(fā)電機(jī)組小時平均負(fù)荷較改進(jìn)前增加了約1 萬kW·h，60 MW 發(fā)電機(jī)組小時平均負(fù)荷較之前增加約0.5 萬kW·h，30 MW 發(fā)電機(jī)組小時平均負(fù)荷降低了約0.8萬kW·h。則相當(dāng)于每日多發(fā)電24×（1+0.5-0.8）=16.8 萬kW·h。同時，改進(jìn)后電價高峰段較低谷段每日多發(fā)電約18.9 萬kW·h，按平均電價0.6 元/kWh 計(jì)算，相當(dāng)于每日增加經(jīng)濟(jì)效益18.9×（0.9-0.60）=5.67萬元，合計(jì)每年可增加經(jīng)濟(jì)效益（16.8×0.6+5.67）×300=4 725 萬元。