80 MW高溫超高壓發電機組在鋼廠的實踐

王 印，丁勇山，黨 楠，王艷紅，張保明

（1.中冶京誠工程技術有限公司，北京100176；2.濟源鋼鐵（集團）有限公司，河南459000）

0 引言

鋼鐵企業是能源消耗大戶，在各種工藝流程的正常生產情況下也會帶來一些副產品，比如高爐煤氣，利用這種煤氣發電，可使其化廢為寶，不但可以提高經濟效益，還可以減少煤氣放散造成的環境污染。目前國內各鋼鐵企業非常重視資源利用和環境保護工作，而高爐煤氣發電是屬于國家鼓勵發展的節能減排項目。

高爐煤氣發電是將煉鐵廠高爐產生的煤氣作為動力鍋爐燃料來生產蒸汽，不同參數的鍋爐，可以產生不同參數的蒸汽，將蒸汽通過管道引到汽輪機進行發電。高溫超高壓煤氣發電機組目前在國內鋼廠的自備電站中占有越來越大的比重，處于行業內主流技術，該技術通過提高鍋爐出口蒸汽的初始參數，同時對汽機高壓缸做功后的排汽引回到鍋爐進行再熱，再送入汽輪機做功，從而減少熱耗，提高機組效率[1]。本文以濟源新建80MW高溫超高壓發電機組進行具體介紹。

1 方案選型與對比

1.1 高爐發電機組選型和設計原則

充分、合理、高效地利用現有煤氣資源,在機組選型上,選擇高溫超高壓的高效發電機組，提高電廠熱效率。在設備選型上要采用先進、實用、可靠的工藝設備，保證建成后正常、高效的生產。要充分利用公司現有條件和設施,除新建主廠房和必要的輔助生產、生活設施外，公司現有公用設施可利用的不再重建或新建。總平面布置力求緊湊、布局合理，減少占地，提高建筑系數。

1.2 根據年煤氣發電效率確定裝機方案

目前濟源鋼廠自備電廠現有30 MW一臺、25 MW兩臺中溫中壓煤氣發電機組，另有一臺已建成的80 MW高溫超高壓煤氣發電機組。全廠可用于發電的高爐煤氣量在30～34萬Nm3/h之間。4臺發電機組年可向廠內部供電約3.5×108 kWh。原三臺中溫中壓煤氣發電機組發電效率低、煤氣利用率低，屬于淘汰型機組，為了提高現有煤氣利用率，增加經濟效益和社會效益，有必要對全廠煤氣發電機組進行升級改造。國內目前主要常見機組的發電效率見表1[2]。

表1 國內目前主要常見機組的發電效率表

參照表1提供的數據和公司現有可供發電的高爐煤氣量，以及現有發電機組的裝機情況，決定拆除兩臺25 MW中溫中壓煤氣發電機組，保留一臺30 MW中溫中壓煤氣發電機組作為檢修備機，新建50 MW機組、65 MW機組、80 MW機組其中之一。

考慮到高爐擴容，產能提高，機組容量需有一定富裕等情況，以及設備通用性和運行安全等方面因素，決定新建的高爐煤氣發電機組采用已投產的原有80 MW發電機組同型號機組。該機組目前運行穩定可靠，相對于運行人員也較為熟悉。新建高溫超高壓機組在技術指標上，比原有中溫中壓機組的發電效率相對提高60%以上。該工程通過拆除現有自備電站的兩臺25 MW中溫中壓發電機組，新建一臺80 MW高溫超高壓煤氣發電機組，可實現年發電量6.4×108kWh，去除工程自耗電后，機組可向廠內部供電約5.98×108kWh，比原電廠機組可多提供2.48×108kWh的供電量。發電煤氣消耗及三種裝機方案情況分析對比見表2。

表2 發電煤氣消耗及三種運行方案情況分析

1.3 新建80MW煤氣發電機工藝流程

80 MW高溫超高壓煤氣發電機組工藝流程見圖1[3]。

圖1 高溫超高壓煤氣發電機組工藝流程圖

2 新建80 MW機組主要設備參數

2.1 鍋爐主要參數

鍋爐形式：超高壓、平衡通風、一次再熱、燃氣（高爐煤氣）汽包鍋爐。

鍋爐的主要參數見表3

2.2 汽輪機主要參數

型式：高溫超高壓、一次中間再熱、單軸、單缸單排汽、凝汽式

汽輪機額定參數見表4

2.3 發電機主要參數

發電機主要參數見表5

3 本發電項目設計、建設主要內容

3.1 煤氣系統

高爐煤氣、焦爐煤氣由廠區煤氣管網管道送到發電區域。再由煤氣干管接入鍋爐，通過各支管接入鍋爐燃燒器。煤氣管道設計根據國家規范設置切斷閥、流量計、快速切斷閥、調節閥、檢查人孔、空氣氮氣吹掃管路、放散管路等安全附件。

高爐煤氣主管閥門依次設計電動蝶閥、敞開式電動插板閥、液動快切閥。高爐煤氣燃燒器前支管設電動三偏心蝶閥、電動調節閥、兩道氣動快切閥。

焦爐煤氣主管依次設計為電動蝶閥、電動扇形盲板閥、氣動快切閥。焦爐煤氣燃燒器前支管設電動閘閥、電動調節閥、兩道氣動快切閥。

煤氣系統在建設過程中根據業主需要合理更改放散點的位置，采用氣動放散閥門，減少后期運行人員的工作量，并在所有需要人工操作閥門的地方增加平臺，充分滿足一線人員的工作需求。

表3 鍋爐的主要參數

表4 汽輪機額定參數

表5 發電機主要參數

3.2 煙風系統

鍋爐正常燃燒采用高爐煤氣，點火使用焦爐煤氣，設自動點火裝置。鍋爐設置高溫燃燒尾氣與高爐煤氣、助燃空氣換熱裝置，經過換熱裝置的高爐煤氣、助燃空氣可有效提高鍋爐的燃燒溫度，同時可以降低鍋爐排煙溫度，提高了經濟性。煤氣、空氣預熱裝置為整體式水媒式熱管加熱器。

3.3 尾氣凈化系統

按目前國家對燒高爐煤氣鍋爐煙氣排放定額要求，鍋爐煙氣必須要經過脫硫排放。本工程采用石灰-石膏濕法脫硫工藝，煙塔合一，設置高效除霧器和濕式電除塵設備，脫硫后滿足SO2濃度≤35 mg/Nm3，粉塵濃度 ≤5 mg/Nm3的超凈排放要求，脫硫效率高達98%。煤氣發電與煙氣超低排放設施同步建成。

3.4 熱力系統

熱力系統包括四大管道系統、凝結水系統、抽汽系統、疏放水系統、循環冷卻水系統等等。

（1）主蒸汽、低再、高再系統

主蒸汽為單機單元制，從位于鍋爐爐頂的集汽集箱出來，經過熱力管網接至汽輪機主汽門，本系統管道材質采用12Cr1MoVG合金鋼，汽機前電動主汽閥門采用焊接閥門。

低再管道是把在汽機高壓缸做功后排出的蒸汽，接回到鍋爐的再熱器；高再管道是把再熱器再次加熱后的蒸汽送至汽機中壓缸，蒸汽入口設置有中壓聯合汽閥。本機組設有容量為BMCR30%的二級串聯旁路系統，以改善機組冷、熱態啟動條件，縮短啟動時間。旁路系統考慮熱備用。

主汽、再熱系統在建設過程中優化了原有疏水點的布置，并充分考慮了汽機啟動初期暖管的需要，防止管道產生振動。

（2）主給水系統

系統設置兩臺110%容量的電動給水泵，1用1備。均采用獨立變頻控制（帶旁路），給水泵油站設置雙路電源。主給水系統由三部分組成，低壓入口段、高壓出口段、經過高加后的高壓熱段。經過除氧器的水接到給水泵，經水泵升壓后送至高壓加熱器加熱，加壓、加熱后的水通過給水操作臺送人鍋爐省煤器。

給水泵的安裝是建設過程中需要特別注意的地方，要求安裝精度高，給水泵的安裝合格與否關系到整個鍋爐供水系統是否能夠正常安全的工作，需要特別注意。

（3）凝結水系統

汽輪機完全做功后的蒸汽，排到凝汽器進行冷卻，冷卻后的凝結水匯集到熱井，出來的凝結水再次送入汽封加熱器、低壓加熱器，最后進入除氧器。凝結水系統在汽封加熱器出口的凝結水管路設置旁路，可以接回凝汽器，這樣可以保證起動初期或者當機組低負荷期間有最小流量的凝結水通過凝結水泵，防止凝結水汽化發生氣蝕現象從而危害到水泵。

凝結水管道在建設過程中需要注意整個系統的閥門規格，該用真空閥門的時候一定不能裝錯，否則會影響汽機運行的真空。

抽汽系統

本工程的汽機設有6級抽汽，主要是用來給除氧器、1#高加、2#高加、4#低加、5#低加、6#低加。為了保證設備運行安全，抽汽裝置均設有隔離閥、止回閥，防止汽機進水和蒸汽回流導致汽機超速。

抽汽系統在建設過程需要注意閥門的安裝位置，此系統管道較大，閥門應裝在方便后期操作維護的地方。

（5）冷卻水系統

凝汽器冷卻用循環水，來自新建循環水泵站，并設膠球清洗系統一套。其他輔機設備，如發電機空冷器、水環真空泵、EH油站、雙聯濾油器設置兩路供水，一路工業水，一路循環水。

冷卻水管道建設過程中，雖然壓力較低，但要防止施工垃圾遺留在管道內，損壞過濾器，影響供水壓力，從而影響設備冷卻效果。

4 本發電項目設計的主要特點和優勢

本項目在設計過程采取BIM三維設計，尤其在改建、擴建工程中BIM三維設計的優勢更加明顯。

（1）在方案布置階段，通過BIM三維設計可以更好的優化項目占地空間，合理布置管網、設備，同時采納業主的意見和建議，更方便項目建成后運行人員的操作和檢修。

（2）在設計過程中，熱力、給排水、暖通、電氣、儀表、土建設計人在同一平臺，各自設計自己專業的內容，同時通過模型的可視化，減少管道與管道、管道與橋架、管道與梁柱的碰撞，在設計初期就最大化的減少后期施工過程可能出現的問題。

（3）項目建設階段，采用三維模型提前把施工難點和技術要點對施工單位進行技術交底，相比傳統的二維CAD圖紙，非常直觀易懂，比過去減少了大量的溝通等待時間，提高了整個項目的建設效率。

實踐證明本工程采用BIM三維設計，大大縮短了項目建設工期，項目比原計劃早投產三個月，為業主創造了更多的經濟效益。

5 結語

新建的發電機組，在技術指標上，比該廠原有機組的發電效率相對提高60%以上，年外供電量比原機組可多提供2.48×108kWh，每年可以為用戶多帶來發電收益約1.24億元，經濟效益非常突出，并且充分利用了廠區的富裕煤氣，單位發電量的能耗、水耗均達到了清潔生產的先進水平，煙氣的排放指標符合國家對鋼鐵企業環保、節能減排的政策要求。本項目在設計過程采取BIM三維設計，可以優化占地空間，合理布置管網、設備，避免各種管道與鋼結構的碰撞，可有效減少后期施工過程可能出現的問題，尤其在改建、擴建工程優勢更加明顯。