一種高溫超高壓高爐煤氣機組的應用與研究

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一種高溫超高壓高爐煤氣機組的應用與研究

李學軍,謝毅,袁建德

(中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司,湖南長沙410007)

【摘要】目前我國鋼鐵行業用于高爐煤氣發電的機組大多為12耀30 MW中溫中壓參數機組，機組的熱效率低。有必要對高爐煤氣發電機組進行升級改造，以便提高鋼廠能源使用效率。這里介紹一種135MW高溫超高壓燃煤氣鍋爐汽輪發電機組在鋼鐵工業中的設計應用研究。

【關鍵詞】高溫；超高壓；高爐煤氣；發電機組；應用研究

1　引言

近年來鋼鐵工業產能的不斷增加，以及鋼鐵工業節能措施的逐步推進，鋼廠煤氣富余量將進一步提升，煤氣需求與價格波動也將會擴大，而現有煤氣電廠能力不能滿足需要，致使富余煤氣的放散增多，浪費能源并污染環境。

一方面，國家節能減排的環保要求越來越高，而另一方面，鋼廠富余煤氣量隨著產能的增加與節能的措施不斷改進大幅度增加，煤氣放散控制成本同時增加，因此對原有高爐煤氣發電機組進行升級改造尤其顯得十分重要與必要。因此，湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司(以下簡稱華菱湘鋼)規劃在公司原設備總庫區域建設一批高熱效率的汽輪發電機組機組，以達到節能減排，解決鋼廠自身能源需求，促進企業利益最大化。

2　高溫超高壓機組現狀

目前我國鋼鐵行業用于富余煤氣鍋爐發電的機組大多為12 MW耀30 MW中溫中壓參數機組，機組的熱效率很低，目前已在逐漸淘汰中。近年來，國內鋼鐵行業新建的燃煤氣汽輪發電機組已有向高溫超高壓的參數發展的趨勢。據不完全統計，現已建成的65 MW耀93 MW高溫超高壓機組有唐山建龍鋼鐵、唐山東海特鋼二期、營口京華鋼鐵等8臺機組，在建的65 MW耀93 MW高溫超高壓機組有天津達億鋼鐵、唐山港陸鋼鐵、唐山東海特鋼三期等12臺機組。更大容量的高溫超高壓機組也逐步在推廣應用之中。此前，國內雖建設有兩臺135 MW容量的發電機組，但成功的經驗不足，需要我們不斷研發與應用。

3　方案分析比較與研究

3.1燃料及燃燒特性分析

鋼鐵生產過程中副產大量煤氣，除滿足鋼鐵生產的煤氣供應需要外，還有許多富余的高爐煤氣、焦爐煤氣可供電廠利用消化。華菱湘鋼一期工程燃料為高爐煤氣和焦爐煤氣摻燒，其中焦爐煤氣的量5000耀15000 m3/h，其余為高爐煤氣；點火燃料為焦爐煤氣。

3.1.1華菱湘鋼燃料成分分析資料，見表1。

表1　高爐煤氣和焦爐煤氣成分分析表

注:調節門前高爐煤氣壓力：4000耀9000 Pa,焦爐煤氣壓力：2000耀5000 Pa,焦爐煤氣中的H2S含量為2000耀3000 mg/m3。

從表1可知，華菱湘鋼高爐煤氣的主要化學成分為：N2、CO、CO2和含量很少的O2、CH4、H2，其中主要可燃介質CO含量不高，占25.84豫，其發熱值較低，約12636 kJ/m3，因此，高爐煤氣是一種超低發熱量的氣體燃料，其發熱量約為3140耀3560 kJ/m3。

高爐煤氣密度大于空氣，其中CO易引起人中毒，因此高爐煤氣輸送管道系統設計、運行時應嚴格遵照國家相關規定。

3.1.2華菱湘鋼燃料燃燒特性分析

華菱湘鋼高爐煤氣燃料及燃燒特性與其它高熱值的固體和氣體燃料有顯著的區別。其燃燒系統計算成果見表2。

表2　燃燒系統計算成果表

(1）從表2可知，入爐空氣量比等容量燃煤鍋爐的空氣量少，約為燃煤鍋爐的0.72倍；每1 m3高爐煤氣完全燃燒時僅需0.623 m3空氣，但鍋爐出口每1 m3高爐煤氣產生的煙氣量達1.504 m3；高爐煤氣產生的煙氣量是等容量燃煤鍋爐的煙氣量1.55倍左右，使配套的引風機出力大幅提高。

(2）高爐煤氣可燃成分主要是CO，占可燃成分的96.1%，所以，高爐煤氣的著火溫度的高低主要取決于CO含量及著火環境，以及是否充分混合與完全燃燒。提高高爐煤氣與空氣混合物溫度是一個十分有效的措施，所以，華菱湘鋼項目需要設置煤氣加熱器和空氣預熱器。

(3）由于高爐煤氣的熱值低，并且含有大量不可燃氣體，易導致燃燒不穩定、脫火等現象，因此鍋爐燃燒器的選型尤為重要，華菱湘鋼一期的燃燒器為雙旋流式燃燒器。

3.2方案比較

根據華菱湘鋼的高爐煤氣特性與排量，以及原有常規中溫中壓參數機組等參數情況，我們初步擬定采用135 MW高溫超高壓再熱機組進行方案比較與研究。鍋爐為超高壓、自然循環、平衡通風、一次再熱、露天布置、燃氣(高爐煤氣、焦爐煤氣)汽包鍋爐，最大連續蒸發量(B—MCR工況)440 t/h，鍋爐效率(THA工況保證值) 90%，鍋爐配立式管式空氣預熱器，同時配套供應一臺煤氣加熱器。汽輪機為高溫超高壓、一次中間再熱、雙缸(高中壓合缸、低壓缸)雙排汽、單軸、凝汽式汽輪機，額定功率135 MW。發電機采用空冷汽輪發電機。

3.2.1中溫中壓機組與高溫超高壓機組比較

早期，國內鋼廠基本上都為中溫中壓低容量的燃煤氣發電機組，與高溫超高壓帶一次中間再熱的機組的熱效率完全沒有可比性。現將中溫中壓機組與高溫超高壓再熱機組的主要經濟性數據對比如下，見表3。

表3　25MW機組與135MW機組參數對照表

表3中數據表明，135 MW高溫超高壓機組各方面的參數都大大優于25 MW中溫中壓機組，使機組發電標煤耗降低了108.7 g/kW·h，以華菱湘鋼一期項目的額定裝機容量135 MW做對比，年利用小時按8000 h計算，理論上年可以節約標準煤11.74萬t。

按發電單位煤氣耗計，135 MW高溫超高壓機組比25 MW中溫中壓機組低1.13 m3/kW·h，按年利用8000 h計算，每年可少用煤氣量約1.22伊109m3/ a，按2.77 m3/kW·h，可多發電約4.41伊108kW·h/a，理論上可產生直接經濟效益約29547萬元/年（電價水平按2013年當地的0.67元/kW·h）。

3.2.2兩種不同容量高溫超高壓機組比較

在建或已建的高溫超高壓機組中多為65 MW級或80 MW級的單機容量機組，雖然與早期中溫中壓的機組比，對煤氣資料的利用率已大大提高，但這種機組的汽輪機為近年研制出來，其運行可靠性和各項經濟指標都還遜于135 MW高溫超高壓的汽輪機，現將相同裝機容量下的78 MW機型的高溫超高壓再熱機組與135 MW機型的高溫超高壓再熱機組的主要經濟性數據對比如下，見表4。

表4　78MW機組與135MW機組參數對照表

表4中數據對比可知，135 MW機組比78 MW機組的單位發電量下標準煤耗減少了7.06 g/kW· h，以額定裝機容量135 MW做對比，年利用小時按8000 h計算，年可以節約標準煤7624.8 t。

按發電單位煤氣耗計，135 MW高溫超高壓機組比78 MW高溫超高壓機組低0.07 m3/kW·h，按年利用小時8000 h計算，每年可少用煤氣量約7.56伊107m3/a，按2.67 m3/kW·h，可多發電2.83伊107kW·h/a，產生經濟效益約每年多1896.1萬元（電價水平按0.67元/kW·h）。因此新建機組在煤氣資源充足的情況下，直接建設135 MW容量的機組經濟效益明顯優于78 MW容量的機組。

3.3效益分析

華菱湘鋼已分兩期建成了2臺135 MW配套燃煤氣鍋爐的高溫超高壓發電機組，一期工程解決了華菱湘鋼發電裝機容量低、發電機組無備用、煤氣放散量大、中溫中壓發電機組效率低的問題；二期工程通過高爐汽動風機改電動風機，停運部分中溫中壓發電機組，置換煤氣用于超高壓機組發電。自2014年12月二期項目投產以來，產生的效益十分顯著。

3.3.1社會效益

隨著國家能源政策及環境保護政策的加強，企業的節能減排壓力增大，鋼廠作為高能耗高排放的企業，節能減排的壓力更大。華菱湘鋼135 MW燃煤氣發電機組項目的實施，按理論計算每年每臺機組可以節約標準煤11.74萬t，對于節約能源、降低排放以及保護當地的環境起到了巨大的作用。

3.3.2經濟效益

2臺135 MW燃煤氣鍋爐的高溫超高壓高效發電機組的建成投產，使鋼廠的全廠熱力系統熱效率提高約16個百分點，相對效率增加60%。2015年1耀4月發電總量、外購電量、電費支出與2013年1耀4月份同期相比，發電總量增加42338萬kW·h，增幅90.2%（單煤氣發電量增加37673萬kW·h，提升幅度為133%）；外購電總量減少29466萬kW·h，降幅50.4%；電費支出減少18627萬元，降幅45%。兩臺機組連續滿負荷運行時，每年可多發電8.82億kW·h，理論上可產生直接經濟效益約59094萬元/年。因此，2臺135 MW發電機組投運后帶來的經濟效益顯著。華菱湘鋼一期總投資約4億元（包括配套的煤氣柜），在不到一年時間里可以收回成本（無燃料采購成本）。鑒于如此良好的經濟效益，可以在鋼鐵行業全面推廣，已有多家鋼鐵企業到華菱湘鋼考察本項目并考慮在本企業推廣。

4　結論

華菱湘鋼135 MW高溫超高壓高效機組一期工程于2012年9月開工至2013年7月10日并網發電，在不到10個月的時間內圓滿完成工程的設計、施工安裝、調試等工作。自并網發電以來機組一直滿負荷運行，其負荷一直穩定在140 MW左右的“超”負荷狀態，機組各項技術及性能指標均達到了設計要求，創造了良好的經濟效益。華菱湘鋼一期項目的成功實施后，在巨大的經濟效益和良好的社會效益的刺激下，華菱湘鋼已經建成了第二臺機組。

（1）高溫超高壓高爐煤氣發電機組系統簡單，相對于燃煤電廠，節約了輸煤系統、除灰除渣系統、脫硫系統、燃油系統等，該項目燃燒的是華菱湘鋼高爐、焦爐的尾氣（煤氣CO），煙氣中無雜質，屬于典型的環保型、節約型電廠。

（2）華菱湘鋼135 MW高溫超高壓機組項目通過對鋼廠分散的煤氣資源集中起來，建設大容量高參數的發電機組，提高了能源利用率，增加了每標立方煤氣的發電量，從而降低了鋼鐵廠的能耗，為鋼廠的節能減排做出了巨大的貢獻。該項目的成功，對于配套燃煤氣鍋爐的大容量汽輪發電機組在鋼鐵工業中的應用起到了良好的示范作用。

（3）華菱湘鋼135 MW高溫超高壓高效機組項目為目前國內鋼鐵行業利用煤氣發電項目中能長期連續、穩定、滿負荷運行的最大容量的機組，機組熱耗、耗煤氣量、機組穩定性等各項指標在同類型的發電機組中具有國內領先水平，應積極推廣應用。在節能減排的大浪潮中，135 MW高溫超高壓機組將會在國內外鋼鐵行業中逐步推廣開來。

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CO排放濃度顯著增加，這將使爐內還原性腐蝕和結焦傾向加重，水冷壁的還原性腐蝕會使其管壁變薄、強度降低，容易造成爆管和泄漏，給鍋爐運行造成了安全隱患。

Application Research of a High Temperature Ultrahigh Pressure BFG Generator Unit

Li Xuejun, Xie Yi, Yuan Jiande

(Hunan Electric Power Design Institute Co., Ltd., China Energy Construction Group, Changsha, Hunan 410007, China)

[Abstract]Currently most of the power generators using blast furnace gas (BFG) are 12 MW-30 MW medium temperature medium voltage units in domestic steel industry, with poor thermal efficiency. It is necessary to upgrade these BFG generators in order to improve the energy efficiency of steelmakers. The design and application research of a high temperature

ultrahigh pressure BFG boiler for 135 MW turbine generator units are introduced.

[Keywords]high temperature; ultrahigh pressure; BFG; generator set; application research

作者簡介:李學軍（1971-)，男，大學本科學歷，高級工程師，主要從事電力設計研究與科技管理。

收稿日期:2015-09-02

【文章編號】1006-6764（2015）12-0035-04

【文獻標識碼】B

【中圖分類號】TM61