純?nèi)几郀t煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電熱力系統(tǒng)優(yōu)化探討

崔合群

（首鋼股份公司遷安鋼鐵公司，河北遷安 064404）

純?nèi)几郀t煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電熱力系統(tǒng)優(yōu)化探討

崔合群

（首鋼股份公司遷安鋼鐵公司，河北遷安 064404）

介紹首鋼股份遷安鋼鐵公司M251S型純?nèi)几郀t煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電熱力系統(tǒng)，優(yōu)化熱力系統(tǒng)參數(shù)，提高了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（CCPP）的連續(xù)最大出力，為鋼鐵廠建設(shè)高效聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組提供借鑒。

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電;熱力系統(tǒng);參數(shù);優(yōu)化

1 前言

近年來(lái)，鋼鐵企業(yè)陸續(xù)建設(shè)了高效節(jié)能的燃高爐煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組(CCPP)，以提高自發(fā)電量，減少外購(gòu)電量，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

遷安鋼鐵公司自2009年2月投產(chǎn)1×150 MW M701S（DA）CCPP,2013年10月及12月連續(xù)投產(chǎn)M251S 2×50 MW CCPP,截至目前，總裝機(jī)容量37 MW，自發(fā)電穩(wěn)定在29.95 MW/h,外購(gòu)電量11.87 MW/h，總用電量41.8 MW/h,自發(fā)電率達(dá)到了71.65%。

遷安鋼鐵公司后投產(chǎn)的M251S CCPP,充分借鑒其他兄弟單位同類型機(jī)組熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)創(chuàng)新，進(jìn)一步優(yōu)化了熱力系統(tǒng)參數(shù)，在使用相同高爐煤氣量的前提下，燃機(jī)+汽機(jī)聯(lián)合循環(huán)出力能夠連續(xù)穩(wěn)定在51 MW運(yùn)行，平均超出現(xiàn)有同類型機(jī)組聯(lián)合出力約4 MW。

2 M251S CCPP熱力循環(huán)系統(tǒng)

M251S CCPP燃機(jī)已是三菱公司經(jīng)過(guò)逐步設(shè)計(jì)優(yōu)化后，國(guó)內(nèi)組裝，關(guān)鍵熱部件進(jìn)口的相對(duì)固定成熟的機(jī)型，逐步實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，通過(guò)優(yōu)化燃燒方式，使燃機(jī)適應(yīng)了更廣泛的煤氣熱值范圍，能夠穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)全燃高爐煤氣的零值班運(yùn)行方式，運(yùn)行方式多樣，啟停機(jī)靈活，能夠較快速調(diào)整鋼鐵廠煤氣以保證煤氣動(dòng)態(tài)平衡，節(jié)約了大量的優(yōu)質(zhì)焦?fàn)t煤氣能源，由于燃機(jī)熱力系統(tǒng)相對(duì)固定，燃機(jī)出力已相對(duì)固定，為追求聯(lián)合出力最大化，圍繞燃機(jī)啟動(dòng)后排煙變化使余熱鍋爐安全快速高效產(chǎn)汽，汽輪機(jī)安全快速適應(yīng)余熱鍋爐的產(chǎn)氣能力帶負(fù)荷及高出力是CCPP熱力系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。

3 燃機(jī)與余熱鍋爐的熱力系統(tǒng)匹配

為保證M251S CCPP的燃機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)聯(lián)合出力最優(yōu)，需依據(jù)煤氣、氮?dú)狻⑸a(chǎn)水、氣候條件對(duì)M251S CCPP熱力循環(huán)系統(tǒng)燃機(jī)發(fā)電及排煙情況進(jìn)行計(jì)算，從而依據(jù)燃機(jī)運(yùn)行的各工況對(duì)余熱鍋爐進(jìn)行熱力計(jì)算，以選出優(yōu)化的蒸汽參數(shù)。

經(jīng)過(guò)對(duì)燃機(jī)各工況下的燃燒計(jì)算，測(cè)定出燃機(jī)在各工況下排煙參數(shù)見(jiàn)表1，依據(jù)表1，考慮排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)燃機(jī)排氣溫度變化 ±5%，燃機(jī)排氣流量變化 ±3%，給出余熱鍋爐的性能保證用排煙參數(shù)見(jiàn)表2及圖1。.

圖2顯示了燃機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中排煙溫度變化過(guò)程，從圖2看出，在燃機(jī)點(diǎn)火至定速并網(wǎng)近1600 s內(nèi)（實(shí)際約2400 s），排煙溫度迅速由130℃左右升高至500℃穩(wěn)定在430℃左右，余熱鍋爐只要具備

啟動(dòng)條件，余熱鍋爐結(jié)構(gòu)及熱應(yīng)力設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮排煙邊界條件，溫升速率，做好熱應(yīng)力計(jì)算，從實(shí)際運(yùn)行看余熱鍋爐是可以隨著燃機(jī)點(diǎn)火、定速實(shí)現(xiàn)伴隨啟動(dòng)，逐步產(chǎn)汽進(jìn)行暖管的，可不用煙道旁路煙囪調(diào)節(jié)煙氣流量，以配合余熱鍋爐啟動(dòng)，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，節(jié)省投資，因此可不考慮設(shè)計(jì)燃機(jī)旁路煙囪，見(jiàn)圖1。 依據(jù)表2及圖1，余熱鍋爐各工況計(jì)算結(jié)果，選定余熱鍋爐的鍋爐形式為雙壓、無(wú)補(bǔ)燃、自然循環(huán)，帶除氧器的雙壓余熱鍋爐，除氧器為壓力式除氧器，除氧蒸汽由余熱鍋爐自帶的除氧蒸發(fā)受熱面產(chǎn)生，給水經(jīng)過(guò)凝結(jié)水換熱器尾部煙氣換熱，提高給水溫度，降低排煙溫度，余熱鍋爐熱效率得以提高，相關(guān)熱力參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 燃機(jī)各工況燃燒計(jì)算

圖1 燃機(jī)與余熱鍋爐熱力系統(tǒng)圖匹配

圖2 燃機(jī)啟動(dòng)與排煙溫升

表2 余熱鍋爐各工況熱力測(cè)算

表3 余熱鍋爐熱力參數(shù)

4 余熱鍋爐與汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)匹配

在聯(lián)合循環(huán)中，汽輪機(jī)的出力直接影響到整個(gè)循環(huán)的效率，在燃機(jī)功率一定的情況下，最大限度提高汽輪機(jī)的出力及快速帶負(fù)荷能力就能得到最高的循環(huán)效率。

在其它條件不變的情況下，汽輪機(jī)的出力主要取決于進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)及汽輪機(jī)的內(nèi)效率。進(jìn)汽溫度決定于燃機(jī)功率。一般不會(huì)有大的變化，但進(jìn)氣壓力可以通過(guò)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高蒸汽壓力使單位蒸汽量的做工能力增加，由于受燃機(jī)排煙溫度及排煙量的限制，余熱鍋爐的產(chǎn)汽量將因蒸汽壓力提高而降低，因而最大的汽輪機(jī)出力取決于和進(jìn)氣壓力之間的最佳匹配，因此汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)效率是最高的。

燃機(jī)快速啟動(dòng)與余熱鍋爐的快速產(chǎn)汽，客觀上要求聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)也能快速啟動(dòng)。

因此，對(duì)聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)在熱力系統(tǒng)及參數(shù)匹配上提出了如下要求。

(1)燃機(jī)的快速啟動(dòng)（見(jiàn)圖2），相應(yīng)要求汽輪機(jī)快速啟動(dòng)，以縮短啟聯(lián)合循環(huán)啟動(dòng)時(shí)間，要求汽機(jī)對(duì)通流及本體設(shè)計(jì)時(shí)考慮全周進(jìn)汽，上下缸均勻?qū)ΨQ，加大疏水等措施。

(2)汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行，以提高整個(gè)聯(lián)合循環(huán)效率。

(3)燃機(jī)余熱鍋爐及汽機(jī)啟動(dòng)時(shí)間的不同步（見(jiàn)圖2圖3），要求汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)能夠帶有旁路系統(tǒng)。

聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)與余熱鍋爐熱力系統(tǒng)優(yōu)化見(jiàn)圖4所示。

4.1 聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)參數(shù)

依據(jù)燃機(jī)、余熱鍋爐及當(dāng)?shù)貧庀髼l件分別對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行冬夏季及額定、正常、最大高低壓進(jìn)汽工況點(diǎn)計(jì)算如表4。

結(jié)合熱力條件及參考汽輪機(jī)廠現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型，選定聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)參數(shù)如下：

圖3 汽輪機(jī)冷溫?zé)釕B(tài)升速曲線

圖4 汽輪機(jī)與余熱鍋爐熱力系統(tǒng)圖匹配

表4 汽輪機(jī)各工況熱力計(jì)算

型號(hào)：C25-5.68/1.0

額定功率：25 MW

額定轉(zhuǎn)速：3000 r/min

額定進(jìn)汽壓力：5.68（5.876～5.386）MPa(a)

額定進(jìn)汽溫度：525（510～535）℃

主蒸汽流量：72（額定），85（最大）t/h

額定補(bǔ)汽壓力：0.6 MPa(a)

補(bǔ)汽流量:9（額定），15（最大）t/h

額定排汽壓力:0.008 MPa(a)

4.2 凝汽器及旁通主要熱力參數(shù)

燃機(jī)40 min后，余熱鍋爐開(kāi)始產(chǎn)汽，由于汽機(jī)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等原因造成燃機(jī)與汽機(jī)啟動(dòng)不同步，在冷態(tài)時(shí)更是如此（見(jiàn)圖2圖3），需要汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)能夠帶有旁路系統(tǒng)將多余的蒸汽凝結(jié)以減少外排污染和浪費(fèi)，同時(shí)達(dá)到快速暖管目的。

暖管結(jié)束，通過(guò)旁通控制蒸汽壓力達(dá)到2.0 MPa，汽輪機(jī)啟動(dòng)，由于汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)汽耗量較小（10 t/h），余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽除少部分進(jìn)入汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)外，其余部分經(jīng)旁路系統(tǒng)進(jìn)入凝汽器凝結(jié)再循環(huán)。

旁路系統(tǒng)一般在汽機(jī)主汽門前接管，目的是盡量暖管至主汽門前，然后通過(guò)一道主閘閥，調(diào)節(jié)閥和一級(jí)減溫減壓后再通入凝汽器，由于一級(jí)減溫減壓之后蒸汽參數(shù)仍然較高， 為此在設(shè)計(jì)冷凝器時(shí)在其喉部設(shè)計(jì)一個(gè)二級(jí)減溫減壓裝置，將一減溫減壓的蒸汽再次減壓減溫后排入冷凝器。

旁路系統(tǒng)維持汽輪機(jī)做到了滑參數(shù)啟停，并使得整個(gè)聯(lián)合循環(huán)啟動(dòng)時(shí)間大大縮短，同時(shí)考慮了聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行時(shí)，汽機(jī)故障短時(shí)間停機(jī)時(shí)，不停燃機(jī)和余熱鍋爐，蒸汽經(jīng)旁通排入凝汽器，以減少燃機(jī)停機(jī)次數(shù)。

聯(lián)合循環(huán)汽機(jī)用凝汽器的冷卻面積要根據(jù)汽機(jī)旁路的設(shè)計(jì)容量確定，常規(guī)旁通及凝汽器按照100%考慮。

4.2.1 凝汽器熱力參數(shù)

冷凝面積：2800 m2

進(jìn)入凝汽器蒸汽量：100 t/h

主蒸汽進(jìn)汽量：85 t/h補(bǔ)汽進(jìn)汽量：15 t/h

傳給冷卻水的凈熱負(fù)荷：68574.63 kJ/s

冷卻倍率：66

冷卻水量：6600 t/h

4.2.2 高壓主蒸汽旁通系統(tǒng)設(shè)備

一級(jí)旁通裝置入口蒸汽壓力：6.1 MPa（A）

一級(jí)旁通裝置入口蒸汽溫度：520℃

一級(jí)旁通裝置出口蒸汽壓力：0.4 MPa（A）

一級(jí)旁通裝置出口蒸汽溫度：152℃

二級(jí)旁通裝置入口蒸汽壓力：0.4 MPa（A）

二級(jí)旁通裝置入口蒸汽溫度：152℃

二級(jí)旁通裝置出口蒸汽壓力：0.04 MPa（A）

二級(jí)旁通裝置出口蒸汽溫度：75.9℃

4.2.3 低壓補(bǔ)汽旁通系統(tǒng)設(shè)備

旁通裝置入口蒸汽壓力：1.2 MPa（A）旁通裝置入口蒸汽溫度：214℃

旁通裝置出口蒸汽壓力：0.04 MPa（A）旁通裝置出口蒸汽溫度：75.9℃

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)M251S聯(lián)合循環(huán)發(fā)電熱力系統(tǒng)優(yōu)化，從實(shí)際運(yùn)行情況看聯(lián)合循環(huán)發(fā)電出力冬夏季能夠安全連續(xù)穩(wěn)定在50 MW工況下運(yùn)行，收到了很好的經(jīng)濟(jì)效益，希望對(duì)其他鋼鐵企業(yè)有借鑒意義。

A Discussion on Optimization of the Thermodynamic System for Combined Cycle Power Plant Using BF Gas

Cui Hequn

（Qianan Iron&Steel Company of Shougang Iron&Steel Co.,Ltd.,Qianan,Hebei 064404,China）

The thermodynamic system of M251S gas-steam combined cycle power generating plant (CCPP)using blast furnace gas is introduced.The parameters of thermodynamic system were optimized,which has increased the continuous maximum output of CCPP,providing reference for construction of high-efficiency CCPP in steel companies.

CCPP;thermodynamic system;parameter;optimization

TK229

B

1006-6764（2015）06-0035-05

2015-02-03

崔合群（1968-），男，大學(xué)本科學(xué)歷，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事燃機(jī)生產(chǎn)技術(shù)工作。