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高炉煤气的CCPP发电系统运行特性分析

2024-06-03 124 上传者：管理员

摘要：以燃用高炉煤气的燃气蒸汽联合循环发电系统为研究对象，分析了燃气轮机进气温度、负荷和排烟温度及汽轮机负荷之间的关系。当燃气轮机进气温度低于-16℃时，汽轮机负荷降低12 MW;当燃气轮机进气温度超过20℃时，燃气轮机最高负荷约105 MW,比额定负荷低4 MW。燃气轮机进气温度过高或过低均会使系统的经济性变差。采取加热或冷却的措施维持燃气轮机进气温度在合理范围，可实现燃气蒸汽联合循环发电系统经济运行。

关键词：
发电负荷
经济性
联合循环
进气温度
高炉煤气
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我国钢铁行业普遍采用“高炉—转炉”的长流程生产模式，采用电炉的短流程模式仅占总炼钢量的10% [1]。但是长流程模式的能源消耗和碳排放远高于短流程模式，钢铁行业产生的二氧化碳量占全国碳排放总量的15%以上，是典型的高能耗和高排放行业[2,3,4,5,6],其中高炉工序的能源消耗量和二氧化碳排放量分别占钢铁行业的75%和70%,节能降碳潜力巨大[7,8,9]。

高炉煤气是高炉炼铁的副产品，主要可燃成分是CO和少量的H2,大部分是不可燃的CO2和N2,低位发热值一般为3 076～3 596 kJ/m3,属低热值气体燃料。如何充分回收利用高炉煤气，提升能源利用效率，是当前钢铁行业节能减排的热点问题之一。

燃气蒸汽联合循环的原理是以燃气轮机的高温排气为热源加热余热锅炉，产生蒸汽驱动汽轮机做功，具有热效率高、污染低、成本低和运行灵活等优点[10],是实现高炉煤气回收利用的理想平台。随着技术升级进步，不同参数机组的发电效率由24%提升至40%左右。燃用低热值高炉煤气的燃气蒸汽联合循环发电机组的发电效率更高，按国内典型低热值燃气蒸汽联合循环发电机组效率统计[11,12,13],其发电效率可以达到45%以上，但经济性仍存在较大的上升空间。

文章基于国内某钢铁公司燃气蒸汽联合循环发电机组实际运行数据，对机组整体运行情况进行分析，提出提升机组发电能力的技术方案并分析其经济可行性。

1、燃气蒸汽联合循环发电机组概况

某钢铁公司燃气蒸汽联合循环发电机组的燃气轮机选用进口180 MW机型(150 MW改进型),煤气热值的适应范围为3 076～4 396 kJ/m3,配置国产次高压余热锅炉及汽轮机，发电机布置方式为分轴式，机组配置详见表1。

表1 燃气蒸汽联合循环发电机组配置表

图1 燃用高炉煤气的联合循环发电机组

燃用高炉煤气的联合循环发电机组如图1所示。高炉煤气与焦炉煤气在煤气混合器中充分混合，混合气经过电除尘器后进入煤气压缩机加压。经过压缩的混合气，一部分进入煤气冷却器冷却，除去其中的萘、氨和焦油等杂质后汇入煤气混合器出口处的混合气流；另一部分进入燃气轮机内燃烧做功。燃气轮机排出的高温烟气在余热锅炉内加热给水并产生蒸汽，蒸汽引入汽轮机内膨胀做功，进而驱动汽轮发电机组产生电力。

采用以高炉煤气为主燃料的燃气蒸汽联合循环发电机组，在ISO标准工况下(Pa=0.101 3 MPa, Ta=15 ℃,相对湿度=60%)机组额定功率为153.3 MW;在15 ℃实际工况运行时有功功率约135 MW;在7-8月份环境温度较高时，燃气轮机负荷控制自动切换至排烟温度控制以保护燃气轮机热部件不超温，但燃气轮机功率降低至115 MW,严重影响机组经济性。

2、燃气轮机进气温度对发电量的影响

为了降低企业用电成本，除检修期间外，发电机组全部满负荷运行，并不参与电网调峰。所以，针对联合循环发电机组在100%负荷工况下，燃气轮机进气温度对汽轮机负荷、燃气轮机的发电负荷和排烟温度等关键参数的影响进行分析并提出改进措施。

燃气轮机进气温度从-16 ℃提高到20 ℃,燃气轮机负荷基本保持在105 MW左右，这是因为机组采用负荷控制方式，如图2所示。燃气轮机排烟温度随进气温度的变化如图3所示。当燃气轮机进气温度在20 ℃以下时，随着燃气轮机进气温度提高，燃气轮机排烟温度升高，说明燃气轮机进气温度在20 ℃以下时燃气轮机具备升负荷能力，可以通过提高燃气轮机进气量来提高燃气轮机负荷。当燃气轮机进气温度在20 ℃以上时，为了防止因燃烧温度过高损坏燃气轮机叶片，燃气轮机已经进入排烟温度控制模式，燃气轮机负荷无法继续升高，此时的燃气轮机排烟温度556 ℃正是机组由负荷控制转向排烟温度控制的温度点。为了保持燃气轮机排烟温度不变，应该降低燃气轮机的进气温度或进气量。

图2 燃气轮机负荷随进气温度变化

图3 燃气轮机排烟温度随进气温度变化

图4 汽轮机负荷随燃气轮机排烟温度变化

图5 燃气轮机空气过滤器改造

汽轮机负荷与燃气轮机排烟温度呈正相关，如图4所示，即随着燃气轮机排烟温度的升高，汽轮机负荷增加。当燃气轮机排烟温度为490 ℃时(对应燃气轮机进气温度-16 ℃),汽轮机负荷约48 MW,当燃气轮机排烟温度达到556 ℃时(对应燃气轮机进气温度20 ℃),汽轮机负荷约58 MW,两者相差约10 MW。

通过上述分析，可以得出以下结论：

①当燃气轮机进气温度超过20 ℃时，燃气轮机控制将由负荷控制转至排烟温度控制，最高负荷约105 MW,比燃气轮机额定负荷(109 MW)低4 MW;

②当燃气轮机进气温度在-16 ℃时，燃气轮机排烟温度降至490 ℃左右，汽轮机负荷降至48 MW,比额定负荷(60 MW)低12 MW;

③当燃气轮机进气温度≥10 ℃时，燃气轮机负荷保持在105 MW以上，燃气轮机的排烟温度保持在540 ℃以上，汽轮机负荷保持在55 MW以上，整个机组的发电负荷为160 MW,发电经济性较好。

如果调节燃气轮机进气温度在10～20 ℃之间，燃气轮机发电机与汽轮发电机负荷都将处于较高水平，对运行经济性最为有利。因此，在运行过程中，要控制燃气轮机进气温度在合理范围内。

3、提高发电量的技术措施

利用钢铁厂余热资源对燃气轮机进气进行加热，或利用相关冷量资源对燃气轮机进气进行冷却，从而提升联合循环发电机组的发电量。图5为对原燃气轮机空气过滤器进行改造示意图(虚线部分为原空气过滤器),将原空气过滤器进气口延伸加宽，增加空气通流面积，并在空气入口增加螺旋鳍片换热器，与过流空气进行热量交换，实现加热或冷却进气的目的。

在夏季，对燃气轮机空气过滤器入口的高温空气冷却的过程中，空气的含湿量增加甚至会析出冷凝水，此时冷却介质需要带走的热负荷包括湿空气的焓差和冷凝水的凝结热两部分，冷却介质的热负荷Q为：

Q=GskCp(ta-t2)+GWr (1)

式中：Gsk为进入燃气轮机的空气流量，kg/h; Cp为湿空气的定压比热，kJ/(kg·℃);ta为大气温度，℃;t2为期望的燃气轮机进气温度，℃;GW为凝结水流量，kg/h; r为水蒸气的凝结热，kJ/kg。

在冬季，对燃气轮机空气过滤器入口的低温空气进行加热，可以降低空气湿度，需要投入的热量Q为：

Q=GskCp(t2-ta) (2)

式中：Gsk为进入燃气轮机的空气流量，kg/h; Cp为湿空气的定压比热，kJ/(kg·k);t2为期望的燃气轮机进气温度，℃;ta为大气温度，℃。

根据上述公式并结合实际分析结果，对燃气轮机进气进行加热工况和冷却工况的理论计算，结果见表2。

尽管加热/冷却水的流量较大，会增加水泵的电耗，但与系统增加的发电量相比可以忽略不计，经济效益明显。

表2 燃气轮机进气加热或冷却工况参数计算

4、机组经济性分析

某公司换热站同时装备有蒸汽换热式采暖机组和溴化锂式制冷机组，主要功能是冬季向公司各用户提供供暖水，夏季为各用户提供冷冻水，供暖水和冷冻水均具备供应余量，可以用于燃气轮机空气过滤器的加热和冷却。夏季冷却工况分为水喷雾直接冷却和间接换热两种方式。燃气轮机进气加热或冷却工况的经济性分析见表3。

由表3可知，冬季采用供暖水对燃气轮机进气进行加热，可以提高联合循环发电机组发电量约10 000 kWh, 投资回收期0.18 a, 经济性较好；夏季采用水喷雾直接降低燃气轮机进气温度的投资和运行费用低于间接换热冷却方式的，可提升机组发电量4 000 kWh, 投资回收期0.69 a, 经济性可行。