钢铁厂燃用低热值煤气燃气蒸汽联合循环发电装置探讨Word格式文档下载.docx
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在常规蒸汽发电中，锅炉产生蒸汽用来发电是利用蒸汽朗肯热力循环来作功，作功发电是利用蒸汽的状态变化来完成的。
燃料燃烧产生的高温烟气（1200～1600℃）只用于加热蒸汽（蒸汽一般加热到450～560℃），然后由蒸汽驱动汽轮机来发电。
此时，高温烟气的作功能力（温度差和压力能）（即燃气勃莱敦热力循环的作功能力）被浪费掉了。
在CCPP装置中，有燃气－蒸汽两个热力循环，即：
燃气勃莱敦热力循环和蒸汽朗肯热力循环（见图1燃气－蒸汽联合循环焓熵图）。
图1燃气－蒸汽联合循环焓熵图
1～2为空气在压气机中的压缩过程；
2～3为空气和燃料在燃烧室内的燃烧过程（工质吸热）；
3～4为燃气在燃气透平中的膨胀做功过程；
4～1为燃气轮机排气放热过程。
在燃气勃莱敦热力循环中，燃料燃烧产生的高温高压烟气在状态变化时可以作功发电。
而燃气勃莱敦循环排出的较高温度烟气（500～600℃）仍然可以用来加热蒸汽至450～540℃用于发电。
因此，将燃气勃莱敦热力循环和蒸汽朗肯热力循环叠加组合起来，先用高温高压烟气驱动燃气轮机发电；
再将排出的500～600℃的烟气用于余热锅炉产生蒸汽，产生的蒸汽驱动汽轮机发电。
这就组成了燃气蒸汽联合循环发电。
这样，燃料的热能，既参与了燃气轮机的勃莱敦循环又参与了蒸汽轮机和锅炉组成的郎肯循环，既利用了烟气的作功能力发电，又利用了蒸汽的作功能力发电。
使之达到很高的热电转换效率。
目前，世界上最高的CCPP热电转换效率达58％以上。
从图1中可见，燃气勃莱敦循环和蒸汽郎肯循环分别围成的面积即是两个循环分别作的功，燃气－蒸汽联合循环所作的功，是这两块面积之和。
可见，它远大于蒸汽郎肯循环（蒸汽发电）所作的功。
CCPP的工艺流程为：
燃料（油或天然气）经净化后进入加压机加压至1.5～2.4MPa。
燃烧用的空气也经空气过滤器净化至含尘量≤1mg/m3然后进入压气机加压至1.5～2.4MPa。
加压后的燃料和空气进入燃气轮机的燃烧室内混合燃烧。
燃烧产生的1.5～2.4MPa，1000～1500℃的高温高压烟气进入燃气轮机的涡轮机冲动涡轮机发电。
涡轮机排出的5000～6000Pa，500～600℃烟气进入余热锅炉产生3.82～6.5MPa，450～520℃的蒸汽，蒸汽再送入汽轮机发电。
余热锅炉排出的～130℃烟气经烟囱排入大气。
现在，我国已有几十座燃气轮机电站在运行。
由于起停速度快负荷适应能力强，主要用于经济快速发展电力供应不足的地区和调峰电站。
但在钢铁行业，目前只有宝钢145MWCCPP在运行。
通化钢铁公司正在建设的56MWCCPP机组非常适合于国内大多数钢铁企业（主要是剩余副产煤气量来决定机组容量的），带来的经济效益和社会效益是非常显着的。
1.2钢铁厂CCPP特点
钢铁厂CCPP与常规CCPP主要区别是：
它采用钢铁厂大量放散的低热值高炉煤气为主要燃料。
而常规CCPP的主要燃料是轻油和天然气。
高炉煤气热值低，一般为3140－3559kJ/m3，仅为同体积天然气热值的1/10。
目前，用于钢铁厂CCPP发电装置的燃气轮机品种较少，给选择燃气轮机带来了一定的困难。
为此，为了选择到适合于某一个钢铁厂的燃机，需要在二个方面作一些详细的工作：
1）副产煤气燃料配置；
2）燃气轮机的改造。
1.2.1副产煤气燃料配置
1.2.1.1副产煤气
从节能和环保来看，应尽可能地将副产煤气使用完，使副产煤气放散量很少。
由于钢铁厂副产煤气产销量是随机变化的，波动很大，其变化规律近似符合统计学的正态分布规律。
为了适应这种煤气波动，需要设置副产煤气的缓冲用户，它的副产煤气用量可以根据钢铁厂煤气余缺情况进行调整，还允许副产煤气的配比和发热量有一定范围的变化。
而钢铁厂副产煤气缓冲用户的主要代表有高效率的燃气轮机（联合循环发电装置）、利用效率稍低的工业锅炉或电站锅炉，目前国内设有高效率的CCPP装置与利用效率稍低的锅炉设备相结合方式来利用副产煤气时副产煤气的放散率是非常低的，如宝钢放散率仅为0.2%左右，而只设有锅炉作为缓冲用户的钢铁厂其副产煤气放散率均较大通常在5%以上。
在选择缓冲用户时，需要注意缓冲用户对副产煤气频繁波动的适应能力，从目前国内外钢铁厂的情况来看，燃气轮机对副产煤气波动适应非常强，对一些短时间的煤气波动仍然能适应，宝钢CCPP热电装置运行实绩可以从设计时的燃用高炉煤气量36×
104m3/h到现在可燃用42×
104m3/h，代替了部分煤气柜的容量。
而锅炉对副产煤气波动变化的适应能力较慢，只能燃用稳定的副产煤气量。
1.2.1.2CCPP容量的确定
从钢铁厂副产煤气利用的高效化、煤气利用优先顺序上，应优先考虑将副产剩余煤气用于热转换效率高的热电装置，剩余部分再用于热效率低的锅炉，最终使副产煤气的放散量接近于零，达到煤气无放散。
在钢铁厂内确定CCPP装置的容量主要根据剩余煤气量为基准的。
1）综合煤气利用率
采用综合煤气利用率的概念来确定钢铁厂建设CCPP装置的最佳容量：
综合煤气利用率=
当上式综合利用率达到最高值时，即为CCPP最佳容量。
2）剩余副产煤气按正态分布计算
现列举通化钢铁公司煤气发电工程钢铁厂煤气产销的正态分布规律。
根据煤气平衡经正态分布统计计算，副产煤气使用平均值u和标准偏差σ（离差值）见表1
表1通钢供发电与锅炉煤气正态分布特性值
燃料种类
单位
铁产量148×
104t/a
铁产量165×
BFG
u（m3/h）
73010
95890
σ（m3/h）
9600
9900
COG
23580
2500
根据正态分布特性表绘制副产煤气产销正态分布曲线示意图2。
从正态分布特性来看，因为CCPP装置燃用副产煤气的机组功率越大，燃用副产煤气就越多，而有充足剩余副产煤气可资利用的时间就越小，CCPP利用率就越低，因此，应根据剩余煤气量的变化特点，选
择合适的功率，既保证剩余煤气的合理利用，又做到CCPP装置有高的运行率（也叫年作业时间）。
图2煤气产销正态分布曲线示意图
1.2.1.3燃料配置
1）100%全燃高炉煤气。
该种燃机（GT）很少，目前只有日本三菱公司的MW-151S、MW-251和川崎ABBGT11N2机（宝钢使用的机型）。
该种燃料方式是钢铁厂最好的燃料配置方式，但对高炉煤气量及发电机容量的配比比较困难。
2）高炉煤气（BFG）增热值方式（即混合煤气），日本三菱公司的MW-501D、MW-701DA机型是在BFG煤气中增加6%的焦炉煤气（COG）（体积百分比），焦炉煤气的需要量较大约23000m3/h（对于701DA机），混合煤气热值为4019kJ/m3；
通钢使用的是GE公司的PG6561B-L机型，混合煤气热值约为5577kJ/m3，在低热值高炉煤气中也可以添加其它高热值燃料（如天然气、石油液化气等）来进行增热，主要是从燃烧器中燃烧稳定性来考虑的，在混合煤气中要求氢的含量通常在6～10%以上。
燃气轮机机型（用于IGCC的机型）比较多，容易选择。
3）BFG中只增加5%（总热量百分比）左右的高热值煤气。
高热值煤气直接进入燃烧器作为稳定燃烧之用，但在煤气系统配置上必需增加高热值煤气的压缩机才能实现，目前，该种类型的机型在太钢CCPP工程中与外商进行技术交流和谈判。
4）采用变压吸附（VPSA）来提高BFG的热值。
BFG煤气通过变压吸附装置（VPSA）脱除其中的二氧化碳和部分氮气，使BFG煤气低位发热值提高为7568.5kJ/m3,体积流量由100000m3/h变为38700m3/h，在变压吸附过程中煤气热量的有效成分损失约为17.33％,但其中氢气含量仅3.05％。
氢气含量仍然很低，也必需在其中增加高热值的煤气，才能选择适合的燃气轮机机型。
1.2.2燃气轮机的改造
由于高炉煤气作燃料热值低，带来燃烧不稳定，易熄火。
因此，钢铁厂用低热值燃气轮机需在标准燃料（轻油或天然气）燃气轮机基础上进行一系列改造以适用这种低热值煤气燃料。
其主要改造为：
·
燃烧器改造以适应燃烧不稳定的高炉煤气；
燃用低热值煤气的燃烧室有两个方案，①采用大管径的单或双圆筒型燃烧室；
②采用多个小管型或环管型燃烧室；
燃料压缩机（即煤气压缩机）的功率增大8－10倍左右；
燃气轮机的压气机流量和功率减少；
燃料净化和燃料系统的改变。
由于BFG中含有较多的毒性气体CO，必须严防泄漏。
为此，在BFG加压机上采用先进的轴封装置；
在调节系统的阀体上也要采取气密性措施。
一般，选用N2气体为密封介质。
通常改造是在燃气轮机制造厂或专业的燃气轮机改装厂来进行的。
1.2.3钢铁厂CCPP的工艺流程
钢铁厂CCPP的工艺流程为：
煤气从管网送来后经湿式电除尘器净化至含尘量≤1mg/m3然后进入煤气压缩机加压至1.5MPa～2.15MPa。
其余流程同常规CCPP。
1.3钢铁厂CCPP的优点
与常规蒸汽发电相比CCPP有以下特点：
⑴CCPP发电效率高，成本低，经济效益好
CCPP发电效率高，目前最高可达58％以上，并且还可以进一步提高。
以钢铁厂50MW规模机组为例，CCPP发电效率可达40～46％，而同规模锅炉蒸汽发电效率为23～30％左右，CCPP的热效率高出80％以上。
CCPP的供电成本低，一般钢铁厂CCPP在回收的高炉煤气不计费时，供电成本仅为0.07-0.08元/kW·
CCPP的项目投资收益率在25％以上，投资回收期一般为3～5年，经济效益良好。
⑵CCPP发电工程的造价不高
对于烧低热值高炉煤气的CCPP发电装置，投资为～800美元/kW。
在国内，50MW以油或天然气为燃料的燃气轮机发电厂工程造价为人民币1.9～2.6亿元人民币，约为4000～5200元/kW。
以高炉煤气为燃料的燃气轮机，因低热值煤气容积流量的加大，煤气清洁和压缩的费用比燃油机组大，投资有所增加。
如：
通钢56MW机组大多为国产设备,总投资约为2.6亿元，单位投资为4643元/kW。
⑶燃气轮机负荷调节范围大
燃气轮机负荷调节范围可达30～100％，而常规蒸汽发电厂负荷调节范围70～100％。
调节灵活，负荷适应能力强。
⑷燃气轮机发电的安全性好，运行可靠性高
燃气轮机运行可靠性高。
目前，GE公司的燃气轮机的年工作小时为8000小时以上（设计年作业率95％，即8322小时）。
一般来讲，CCPP发电设计年运行时间为7800－8000小时。
由于燃气轮机燃烧的是洁净燃料，设备工作条件好，由此，故障率低。
维修时间和工作量大大低于锅炉蒸汽发电。
⑸CCPP发电却水量少。
一套CCPP由一台燃气轮机和一台蒸汽轮机组成，燃气轮机发电占CCPP发电的60％，蒸汽轮机发电只占40％。
燃气轮机发电不需要冷却水。
因此，CCPP的冷却水量只有同规模锅炉蒸汽发电机组的40％。
⑹燃气轮机的发电环保性能好
燃气轮机排气污染小。
由于燃气和空气均净化至含尘量约1mg/m3进入燃气轮机，所以排气含尘量仅1mg/m3。
NOX含量为30PPM，远低于常规锅炉1000mg/m3以上的排气NOX含量。
此外，CCPP还具有安装周期短、启动快等特点。
1.4CCPP在钢铁厂的应用
目前,在钢铁厂最大的燃用高炉煤气的CCPP热电装置，是1997年投产的宝钢145MW燃气－蒸汽联合循环发电机组，由日本川崎－瑞士ABB公司制造。
该机组100％全烧高炉煤气，煤气热值3266kJ/m3，输出功率145MW，并可供应蒸汽180t/h，热电转换效率达46.52%。
世界上部分钢铁厂低热值CCPP发电业绩见表2。
表2部分钢铁厂低热值CCPP发电业绩表
名称
燃料
种类
热值
kcal/m3
机型
功率
MW
投产
时间
八幡制铁所
770
0.850
1958
4
1964
和歌山制铁所
750
MW171
15
1965
四国电力阪出
4700
MW-301
34/225
1970
新日铁制铁釜石
670
MW151
16
1982
川崎制铁千叶
BFG/COG
1000
MW-701D
88/145
1987
日新制钢
700
MW251
32/50*
1989
新日铁制铁户佃
LDG
1815
MW251*
30/50*
中山制钢船町
BFG/LDG
MW151
15/37
1991
水岛共同火力
BFG/MG
965
MW-501DA
87/145
1994
意大利ILVA
1700
3x9E
550
1996
中国宝钢
780
11N2
145
1997
中国通钢
1332
PG6561B-L
56
2002
1.5燃气轮机的发展前景
CCPP由于具有高效及环保的优越性，是最具发展前景的“绿色”发电方式之一。
燃气轮机有两个主要的发展方向：
即燃料的多元化和更高的效率。
（1）目前，随着燃气轮机单机容量的大型化（目前燃气轮机单循环最大单机容量已达334MW，由此组成的CCPP单套容量已达484MW），以及燃气轮机的环保优势。
燃气轮机已成为发达国家和地区优先选择的发电方式。
燃气轮机燃料的多元化的重点是利用煤作为燃气轮机的燃料（简称IGCC）。
由于IGCC为燃料的CCPP具有高效及环保的优越性，将成为最具发展前景的发电方式。
（2）燃气轮机的另一个主要发展方向是提高热效率。
燃气轮机的热效率的提高主要依赖于进入燃气轮机的燃气温度（初温）的提高。
燃气初温1100℃时，热效率可达45％；
燃气初温1350℃时，热效率可达55％；
燃气初温1500℃时，热效率可达58％。
目前世界上热效率最高的燃气轮机是日本三菱公司制造的701G型机。
其燃气初温为1500℃，CCPP热效率为58％。
从目前的统计数值表明，燃气轮机的入口温度每年平均提高10℃以上。
目前，GE公司和日本三菱公司正在研究H型的燃气轮机，其热效率将突破60％（在燃机第一级叶片采用蒸汽冷却时）。
随着材料科学和精密加工科学的发展，燃气轮机叶片和缸体所要求的新材料的面市，以及用于叶片冷却（利用余热锅炉产生的蒸汽，采用蒸汽冷却）的机械加工技术（精密加工，精密铸造）和热喷涂技术的发展，燃气轮机的燃气初温和热效率将进一步提高。
因此，大型燃气轮机组的高效化必须建立在联合循环基础上。
2.钢铁厂几种CCPP的工艺流程
2.1一轴式发电工艺流程
由于高炉煤气作燃料时其容积流量很大，一般每发电一度需2-3m3高炉煤气。
而高炉煤气压缩到1.5MPa～2.15MPa，其压缩耗功很大，约占到燃气轮机单循环机输出功率的1/3左右。
如50MW的CCPP，煤气压缩机功率约为15MW,如150MW的CCPP，煤气压缩机功率约为50MW。
如此大功率的煤气压缩机，其电机和电机的启动装置都非常昂贵。
因此,钢铁厂CCPP常采用一轴式，即：
将燃气轮机（包括压气机），煤气压缩机，蒸汽轮机，发电机串在一根轴上。
燃气轮机和蒸汽轮机发出的功率驱动煤气压缩机，压气机后剩余的功率驱动发电机。
整套机组只有一台发电机，节省了煤气压缩机的电动机和蒸汽轮机的发电机，同时还避免了能量的反复转换，使机组热效率提高，节省投资。
将钢铁厂的蒸汽引入一轴式CCPP的蒸汽轮机带动整机启动。
可节省CCPP的启动装置。
因此，钢铁厂采用CCPP联合循环其最佳的轴系组成方案是一轴式发电工艺流程，这样可以节省设备投资使设备构成简化，同时提高整个CCPP的热效率。
一轴式全燃高炉煤气联合循环发电装置流程图见图3。
基本工艺流程为：
管网中的高炉煤气经专用煤气管道送至湿式电除尘器除尘，然后进入煤气压缩机压缩（一般经两级压缩）至1.4MPa，350℃，进入燃气轮机燃烧器燃烧。
燃气轮机燃烧所需要的空气、冷却空气从大气吸入后经空气过滤器过滤，进入压气机压缩至1.4MPa、300℃进入燃烧器掺与燃烧和冷却。
燃烧后的高温烟气约1600℃再与压气机出口的空气混和（二次掺冷）使烟气温度降至～1100℃，压力～1.3MPa，然后进入燃气轮机启动涡轮机做功以带动压气机和煤气压缩机以及带动发电机发电。
做完功后的烟气温度～540℃，压力为5000～6000Pa进入余热锅炉生产蒸汽。
所产的蒸汽一般为两种参数，一种为中压或次高压蒸汽，压力为3.82～5.9MPa，温度为450～510℃；
第二种为低压蒸汽，其压力为0.25MPa（或0.5MPa），温度为饱和温度。
中压或次高压蒸汽送入汽轮机发电，低压蒸汽直接供除氧器使用，剩余部分进入双压或三压汽轮机。
一轴式CCPP在钢铁厂具有相当的优势，既节省投资（可节省燃气轮机启动电机，煤气压缩机电动机，蒸汽轮机发电机），又可以利用现有蒸汽对CCPP机组进行启动，机组布置更加紧凑，使主厂房占地少，因此一轴式发电工艺流程应是钢铁厂CCPP热电装置的首选工艺流程。
一轴式CCPP目前国内还不能生产，轴上主机需全套进口。
进口设备价格较高。
2.2多轴式发电工艺流程
多轴式CCPP分二轴式和三轴式。
二轴式，即：
蒸汽轮机独立设置，其余与一轴式相同。
与一轴式相比，燃气轮机需增加启动装置，蒸汽轮机独立设置增加了一台发电机。
三轴式，即：
燃气轮机，煤气压缩机，蒸汽轮机均独立设置。
与一轴式相比，燃气轮机需增加启动装置，煤气压缩机需增加电动机和启动装置，蒸汽轮机也增加一台发电机。
分轴式发电机组与一轴式发电机组相比，其工艺流程基本相同，仅在启动时不一样。
即：
启动时由启动电机装置带动燃气轮机、煤气压缩机转动，当转速达到1000转/分时，燃气轮机点燃燃料，并迅速提高转速达3000转/分，发电机也随着燃料量的增加而输出功率。
这时燃气轮机排出的高温烟气产生蒸汽供蒸汽轮机发电之用，从而达到联合循环。
二轴式全燃高炉煤气联合循环发电装置流程图见图4，
三轴式全燃高炉煤气联合循环发电装置流程图见图5。
钢铁厂采用分轴式CCPP，其主要的优点是可以不依靠外部启动蒸汽源，而启动采用自身的启动电机，因此启动快而灵活。
其次在于工程可以进行分步实施，即先上燃气轮机单循环，待有一定的经济效益后，再建设蒸汽轮机，最终实现联合循环，达到整体经济效益。
第三，采用分轴式可以与钢铁厂原旧有设施改造结合起来，即可以利用原有蒸汽轮机，通过增加燃气轮机单循环机组和增加余热锅炉而对原有蒸汽系统进行改造，从而实现整体最佳经济效益。
另外，分轴式由于燃气轮机，煤气压缩机，蒸汽轮机分别独立设置，可以减少进口，提高设备国产化率。
分轴式CCPP的缺点：
一是汽轮机与燃气轮机分开布置，两台主机各自增加了发电机，燃气轮机及煤气压缩机必须加启动电机，因此增加了设备费用。
二是在同容量下分轴式的主厂房占地要比一轴式的主厂房占地大。
3.钢铁厂CCPP主要设备
3.1燃气轮机
燃气轮机本体由涡轮机、燃烧器、压气机三大部分组成，其中涡轮机是燃气轮机的做功部分及输出功率的部分，燃烧器是组织燃料燃烧、将燃料转化为热能的部分，而压气机则是为燃气轮机燃烧器提供燃烧空气和为整个燃气轮机提供冷却空气的部分，三大设备通过大轴和缸体构成一个整体。
三大设备分别介绍如下：
〔1〕燃烧器
目前，燃气器的基本结构有两大类，即：
单筒式燃烧器和多筒式燃烧器。
a.单筒式燃烧器燃气轮机，一台燃气轮机只有一台燃烧器。
燃烧器布置在燃气轮机上部或侧面。
单筒式燃烧器体积大，长度也长，便于燃料的充分混合和燃烧。
较利于低热值煤气的燃烧。
宝钢145MW全烧高炉煤气CCPP就采用的单筒式燃烧器。
如ABB公司11N2型燃气轮机的单筒燃烧气器，其设计可100％全烧热值780kcal/m3的高炉煤气。
该燃烧器试验时，最低可100％全烧670kcal/m3的高炉煤气。
如西门子公司的双筒燃烧器的V64.3型燃气轮机，经适当改造可以燃用低热值煤气，目前，只能燃用热值约在1200kcal/m3左右的混合煤气。
b.多筒式燃烧器燃气轮机，一台燃气轮机有多台燃烧器。
燃烧器环状布置在燃气轮机入口。
多筒式燃烧器的单台燃烧器体积小，长度也短，便于燃烧高热值燃料。
多筒式燃烧器的燃气轮机用于高炉煤气作燃料时，通常需掺烧一部分高热值煤气（如焦炉煤气、和液化石油气或轻油）以增加混和煤气的热值和含H2量〔H2燃烧反应剧烈可稳定燃烧〕。
目前，世界上多筒式燃烧器燃气轮机100％全烧高炉煤气的机组还没有，都需掺烧一部分焦炉煤气、石油液化气、天然气或油。
日本三菱重工提供的烧高炉煤气燃气轮机（MW-701DA）就是掺入了焦炉煤气的多筒式燃烧器燃气轮机机组，其混合煤气最低热值为3768kJ/m3（900kCal/m3）。
〔2〕涡轮机
涡轮机是燃气轮机的做功部分，一般由4级动静叶组成。
从燃烧器出来的高温高压烟气（～1.3MPa或2.3MPa，1100℃～1350℃）沿涡轮机圆周均匀布置的第一级静叶（喷嘴）进入，将压力能和热能转化为高速动能以冲动涡轮机动叶做功输出动力。
涡轮机的静叶和动叶一般有4级，通过4级的叶轮的做功后，烟气压力和温度分别降低为5000～6000Pa，～540℃，最后排入余热锅炉。
〔3〕压气机
压气机即空气压缩机，主要为
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