亞臨界超高溫煤氣發(fā)電技術(shù)應(yīng)用和研究

王 毅,李 斌,杜文亞,王方明,譚 山,李 虎

1　概述

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)用煤炭的能值有約34%會(huì)轉(zhuǎn)換入副產(chǎn)品煤氣中，包括焦化廠產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣COG（低位熱值～4000 kcal/m3），高爐產(chǎn)生的高爐煤氣BFG（低位熱值～800 kcal/m3），轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐煤氣LDG（低位熱值～1600 kcal/m3）。充分利用二次能源，高效回收利用富余煤氣發(fā)電，盡量提高自發(fā)電比例，在當(dāng)前鋼鐵企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇的形式下，對(duì)提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

2　煤氣發(fā)電技術(shù)的發(fā)展歷程

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在2001年以前，鋼廠煤氣發(fā)電技術(shù)主機(jī)參數(shù)仍為中溫中壓（3.43MPa/435℃）或更低，發(fā)電效率≤25%，定義為第一代煤氣發(fā)電技術(shù)。從2002年至2010年，煤氣電廠主機(jī)參數(shù)發(fā)展成高溫高壓（8.83MPa/535℃），發(fā)電效率29%～31%，定義為第二代煤氣發(fā)電技術(shù)。自2011年開始出現(xiàn)高溫超高壓煤氣發(fā)電技術(shù)，主機(jī)參數(shù)（13.2MPa/535℃），發(fā)電效率35%～38%，定義為第三代煤氣發(fā)電技術(shù)。在2016年出現(xiàn)超高溫超高壓煤氣發(fā)電技術(shù)，主機(jī)參數(shù)（13.2MPa/566℃），發(fā)電效率37%～39%，目前邯鄲縱橫鋼鐵在建的煤氣發(fā)電使用此參數(shù)的發(fā)電機(jī)組。但隨著亞臨界超高溫技術(shù)的提出和發(fā)展，此主機(jī)參數(shù)可能很快被取代，所以我們把亞臨界超高溫煤氣發(fā)電技術(shù)定義為第四代煤氣發(fā)電技術(shù)，主機(jī)參數(shù)（16.7MPa/566℃），發(fā)電效率40%～42%。這已經(jīng)是目前在煤氣發(fā)電領(lǐng)域的最高主機(jī)參數(shù)。

3　第四代煤氣發(fā)電技術(shù)—亞臨界超高溫

亞臨界超高溫煤氣發(fā)電技術(shù)與高溫超高壓煤氣發(fā)電技術(shù)在工藝流程系統(tǒng)上基本一致，主要變化在于鍋爐、汽輪機(jī)為適應(yīng)主汽參數(shù)的提高，對(duì)原設(shè)備結(jié)構(gòu)做了較大的調(diào)整，特別是汽輪機(jī)；另外配套高加、給水泵、凝結(jié)水泵、除氧器等輔機(jī)設(shè)備也需要進(jìn)行高參數(shù)、小型化的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

3.1　鍋爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和優(yōu)化措施

3.1.1循環(huán)倍率變低，需特別關(guān)注鍋爐水循環(huán)設(shè)計(jì)

鍋爐水冷壁在受熱時(shí)，靠近管內(nèi)壁處的工質(zhì)首先開始蒸發(fā)產(chǎn)生大量小氣泡，當(dāng)循環(huán)倍率高時(shí)，氣泡被及時(shí)帶走；亞臨界鍋爐循環(huán)倍率低，蒸發(fā)受熱面熱負(fù)荷和管內(nèi)含汽率的增加，易使管內(nèi)壁產(chǎn)生氣泡的速度遠(yuǎn)大于氣泡被帶走的速度，氣泡就會(huì)在管內(nèi)壁聚集起來形成所謂的“蒸汽墊”，使管壁得不到及時(shí)冷卻，產(chǎn)生膜態(tài)沸騰，危及鍋爐安全運(yùn)行。

表1　超高壓和亞臨界鍋爐循環(huán)倍率比較

循環(huán)倍率K：進(jìn)入上升管的循環(huán)水量與上升管中產(chǎn)生的蒸汽量之比

由表1可知，亞臨界鍋爐飽和汽水密度比小，循環(huán)倍率K值低，為保證鍋爐的安全運(yùn)行，需采取各種措施以增大循環(huán)倍率K。

3.1.2飽和水、汽密度差變小，需保證汽水分離效果

亞臨界鍋爐飽和水和飽和蒸汽密度差變小，需采用比超高壓鍋爐更先進(jìn)、高效的汽包內(nèi)件分離技術(shù)，以確保鍋爐水循環(huán)安全，確保鍋爐飽和蒸汽的汽水品質(zhì)。

3.1.3改善汽水循環(huán)和汽水分離的措施

a改善汽水循環(huán)的措施

（1）采用內(nèi)螺紋水冷壁管（見圖1）：在爐膛高熱負(fù)荷區(qū)采用內(nèi)螺紋水冷壁管，增強(qiáng)水流擾動(dòng)能力，減少氣泡附著于管壁可能性，從而盡可能避免膜態(tài)沸騰產(chǎn)生。

圖1　鍋爐水冷壁內(nèi)螺紋管道

（2）給水直接注入下降管：做到省煤器出水為欠飽和水，省煤器引出管的給水不直接注入汽包下部，而是直接注入下降管，降低下降管水溫、增加管內(nèi)水的密度，提升水循環(huán)運(yùn)動(dòng)壓頭。

（3）加大下降管的管徑：選取較大的下降管直徑，布置較多的進(jìn)水管和引出管，減少水循環(huán)阻力，增加水冷壁管的介質(zhì)流速。

b改善汽水分離的措施

（1）汽包頂部V型百葉窗：增加二次汽水分離面積，降低入口蒸汽速度，有助于提高二次分離效率。

（2）斜向二次分離裝置：增強(qiáng)分離效果，便于疏水。

（3）加大汽包內(nèi)徑：超高壓鍋爐汽包內(nèi)徑1600 mm，亞臨界加大至1743～1800 mm，有較大的蒸汽上升空間，減少蒸汽帶水。參見圖2。

圖2　鍋爐汽包設(shè)計(jì)

（4）錐型筒汽水分離器：錐形筒汽水旋風(fēng)分離器較常規(guī)直筒型分離器效率更高，分離效果更好。

3.2　汽機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和優(yōu)化措施

高溫超高壓煤氣發(fā)電機(jī)組，汽機(jī)采用的型式是單缸、單軸、單排汽、一次再熱、沖動(dòng)式機(jī)組。而超高溫亞臨界機(jī)組擬采用雙缸、雙軸、單排汽、一次再熱、沖動(dòng)式機(jī)組。主要的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

（1）級(jí)數(shù)增加：采用雙缸雙軸三支撐方案.汽輪機(jī)流通長(zhǎng)度較單缸有所增加，級(jí)數(shù)相應(yīng)增加；級(jí)數(shù)更多，每級(jí)焓降更合理、葉片高度更合理、葉型損失大為減少、級(jí)間壓差低、減少漏汽，提高汽輪機(jī)效率。

（2）高、中低壓缸分離，轉(zhuǎn)子分段，降低調(diào)節(jié)級(jí)焓降：?jiǎn)胃讍屋S轉(zhuǎn)子要兼顧高溫和低溫性能，只能采用分段熱處理的轉(zhuǎn)子，其性能不及高溫轉(zhuǎn)子；為保證調(diào)節(jié)級(jí)強(qiáng)度，進(jìn)汽噴嘴后溫度必須控制在較低水平，導(dǎo)致只能加大調(diào)節(jié)級(jí)焓降。

（3）過橋汽封：出于臨界轉(zhuǎn)速考慮，采用單軸方案、出于轉(zhuǎn)子中間部分的過橋汽封段直徑勢(shì)必要設(shè)計(jì)得很大，以增加軸系穩(wěn)定性；但直徑加大，意味著漏汽量增加，會(huì)降低汽輪機(jī)效率。

（4）轉(zhuǎn)子擾度：相對(duì)于單根轉(zhuǎn)子的雙支撐結(jié)構(gòu)，雙轉(zhuǎn)子三支撐轉(zhuǎn)子撓度更小。撓度越小，意味著動(dòng)靜部件互相碰撞、摩擦的可能性更小，汽封間漏汽量更小，提高汽輪機(jī)效率。

（5）減少跨距，軸系穩(wěn)定性更好：相對(duì)于單軸雙支撐結(jié)構(gòu)，雙軸三支撐各轉(zhuǎn)子的跨距更短，臨界轉(zhuǎn)速避開率更高，軸系穩(wěn)定性更好。并且三支撐方案，可以做到三個(gè)軸承座均落地，這對(duì)于提高軸承座的支撐剛度，增加軸系熱態(tài)穩(wěn)定性具

有十分積極的意義

3.3　給水泵的選擇

在給水泵設(shè)計(jì)時(shí)面臨泵的型式的選擇，目前水泵廠家主要提供節(jié)段式多級(jí)給水泵和桶式給水泵這2種型式的泵以供設(shè)計(jì)選擇。下面對(duì)這2種泵在工程上的應(yīng)用做個(gè)綜合、系統(tǒng)的比較，見表2。

表2　節(jié)段式給水泵和桶式給水泵比較

通過上述比較，亞臨界超高溫煤氣發(fā)電給水系統(tǒng)，推薦采用節(jié)段式給水泵。

3.4　工廠設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

（1）水質(zhì)和蒸汽質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提高：凝結(jié)水和主蒸汽增加了鈉和二氧化硅的指標(biāo)控制；加藥的藥品（氨水或聯(lián)氨）要求氯離子含量 ＜40 mg/L，磷酸鹽或氫氧化鈉的純度為分析純。主蒸汽要求鈉含量≤3μg/kg,鐵含量≤10μg/kg，其它例如凝結(jié)水、鍋爐給水、汽包爐水指標(biāo)均有提高，可詳見規(guī)范GB/T12145-2016。

（2）凝結(jié)水精處理系統(tǒng)：根據(jù)《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》DL5068-2014“對(duì)由亞臨界汽包鍋爐供汽的汽輪機(jī)組，全部凝結(jié)水應(yīng)進(jìn)行精處理。”根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用，推薦采用管式過濾器+高速混床+高塔再生法精處理系統(tǒng)。

（3）四大管道設(shè)計(jì)

對(duì)添加8%硼砂后液相渣中各相的含量進(jìn)行分析，如圖4所示。在900 ℃時(shí)，MgO的百分含量達(dá)到100%，在1 200 ℃時(shí)，CaO的百分含量達(dá)到100%，SiO2的含量在1 000 ℃后急劇上升，在1 100 ℃后達(dá)到90%以上。Al2O3的百分含量則一直持續(xù)上升。各相含量在1 100 ℃時(shí)趨于穩(wěn)定。

(a)主蒸汽管道：90年代前亞臨界機(jī)組多選用A335P22材質(zhì)；90年代逐步推廣選用A335P91材質(zhì)。P91屬改良型9Cr--1Mo高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼，具有高溫強(qiáng)度高、高的抗氧化性能和抗高溫蒸汽腐蝕性能等特點(diǎn)。566℃時(shí)，P91管材強(qiáng)度比P22管材強(qiáng)度提高了146%，大大降低了管道壁厚、管道重量大幅降低，同時(shí)對(duì)設(shè)備接口的推力和力矩也可以減小。

(b)再熱熱段蒸汽管道：再熱熱段管道屬于大管徑薄壁管，采用P91管材，本就較薄的壁厚就會(huì)更薄。由于計(jì)算管壁太薄，從安全角度出發(fā)，壁厚的實(shí)際取值比計(jì)算值要大一些；加之P91管材價(jià)格昂貴，需與P22進(jìn)行綜合比較，選擇經(jīng)濟(jì)性高的管材。

(c)主給水管道：高壓給水管道通常使用20G管材，也可使用15Ni1MnMoNbCu（WB36）管材。二者的彈性模數(shù)及線膨脹系數(shù)十分相近，但15Ni1MnMoN－bCu的許用應(yīng)力遠(yuǎn)大于20G，管道壁厚可以減薄盡50%。管道本身金屬及支吊架材料用量可大為節(jié)約，可以有效的降低工程造價(jià)。

(d)再熱冷段蒸汽管道：直徑大于DN400的再熱冷段管道建議采用A672B70CL32（A62）電熔焊鋼管替代20G、A106B無縫鋼管。有縫焊接鋼管比無縫鋼管便宜很多，為無縫鋼管價(jià)格的1／3左右。有縫焊接鋼管的壁厚偏差小于無縫鋼管，其質(zhì)量不亞于無縫鋼管。

4　結(jié)論

(1）鋼廠煤氣發(fā)電自備電廠，未來發(fā)展趨勢(shì)是小機(jī)型高參數(shù)（＜150 MW）。目前為止，最高參數(shù)已經(jīng)做到亞臨界超高溫，發(fā)電熱效率達(dá)到40%，已經(jīng)達(dá)到參數(shù)級(jí)別煤電的熱效率水平。據(jù)行業(yè)內(nèi)了解，2018年可能會(huì)有該參數(shù)機(jī)型的發(fā)電工程投產(chǎn)。

(2）亞臨界超高溫煤氣發(fā)電機(jī)組，鍋爐的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于汽水循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)倍率必須在3.5～5之間，且越大越安全。

(3）亞臨界超高溫煤氣發(fā)電機(jī)組，汽機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于采用雙缸雙軸，提高流通效率，提高軸系穩(wěn)定性，提高機(jī)組的熱效率。

(4）亞臨界超高溫煤氣發(fā)電機(jī)組，給水泵采用節(jié)段式給水泵。

(5）較高溫超高壓煤氣發(fā)電機(jī)組，亞臨界超高溫機(jī)組需設(shè)置凝結(jié)水精處理系統(tǒng)。

(6）主蒸汽和再熱熱段蒸汽管道的材質(zhì)從原來的12Cr1MoVG提升為P91。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]李銳，熱力發(fā)電廠凝結(jié)水精處理現(xiàn)狀與探討[D]，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)，2008