燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)（CCPP）與亞臨界煤氣發(fā)電（BTG）在冶金行業(yè)的應(yīng)用前景分析

王良忠，夏文靜

（中冶華天南京工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000）

1 概述

近年來，國內(nèi)鋼廠受產(chǎn)能置換政策驅(qū)動，整體搬遷所引發(fā)的新建煤氣發(fā)電項(xiàng)目增多。同時，老鋼廠的煤氣替代，煤氣發(fā)電“上大壓小”已經(jīng)逐步開展，使得國內(nèi)鋼鐵企業(yè)煤氣發(fā)電單機(jī)裝機(jī)容量80MW及以上的項(xiàng)目逐漸增多。隨著國家碳排放政策日漸明朗，各企業(yè)對煤氣發(fā)電熱效率關(guān)注度越來越高。燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電（CCPP）和亞臨界煤氣發(fā)電（BTG）均具有技術(shù)成熟度高、國內(nèi)應(yīng)用案例多的特點(diǎn)，具有很大應(yīng)用及研究價值。

2 煤氣發(fā)電系統(tǒng)簡介

CCPP機(jī)組如今被按照燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)的分布位置，劃分為單軸和分軸兩種，前者兩機(jī)共軸而后者兩機(jī)處于分軸。鋼廠的低熱值高爐煤氣等被該機(jī)組燃燒發(fā)電，煤氣混合之后開始的精除塵進(jìn)行于煤氣濕式電除塵器，除塵所產(chǎn)生的燃?xì)饽軌驗(yàn)槿紮C(jī)提供發(fā)電動力，先將燃?xì)膺\(yùn)用煤氣壓縮機(jī)進(jìn)行加壓，將被壓縮過后的燃?xì)庾⑷脒M(jìn)燃機(jī)，燃機(jī)做工會產(chǎn)生出高溫?zé)煔猓贁z氏度左右的煙氣進(jìn)入到余熱鍋爐中產(chǎn)生蒸汽，而電能則通過運(yùn)行的蒸汽輪機(jī)產(chǎn)生。圖1為典型冶金煤氣分軸系統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)（CCPP）示意圖。

圖1 典型冶金煤氣分軸系統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)（CCPP）示意圖

常規(guī)單循環(huán)煤氣發(fā)電（BTG）通過燃?xì)忮仩t直接燃燒鋼廠富余的煤氣，其對煤氣的熱值的適應(yīng)性更加廣泛，煤氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽直接驅(qū)動蒸汽輪機(jī)發(fā)電，系統(tǒng)簡單。在冶金行業(yè)中普遍情況下選取的機(jī)組都是一次再熱、亞臨界、超高溫的。

3 CCPP與BTG發(fā)電效率對比

3.1 理論發(fā)電效率

本文的理論效率計算采用以發(fā)單機(jī)出口結(jié)合透平的熱耗進(jìn)行方向計算的方式進(jìn)行，CCPP聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率見式（3-1），BTG煤氣發(fā)電的效率見式（3-2）。

式中：ηccpp-聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率。

ηBTG-煤氣發(fā)電效率。

G燃機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電熱耗，kJ/Kw·h。

G汽機(jī)-蒸汽輪機(jī)的發(fā)電熱耗，kJ/kW·h。

η1-為鍋爐的熱效率（BTG數(shù)值選取90.5%，煤氣鍋爐；CCPP取87%，余熱鍋爐）。

η2-鍋爐至汽輪機(jī)管道的效率，取99%。

η3-燃機(jī)排汽至余熱鍋爐的熱效率，經(jīng)驗(yàn)值取97%。

3600-每度電的能量，3600kJ/kW·h。

各國主要由中國上海電氣、日本三菱等公司進(jìn)行燃機(jī)的供應(yīng)，在供應(yīng)廠家里面市場占有率高、低熱值CCPP機(jī)組技術(shù)先進(jìn)的是日本三菱公司，該公司M701SDA、M701SLDA以及其升級型號都較具有代表性[1]。下表為在建包頭鋼鐵分軸式CCPP機(jī)組相關(guān)技術(shù)資料及由式（3-1）計算發(fā)電效率：

隨著近年來高參數(shù)機(jī)組的小型化，國內(nèi)冶金行業(yè)投產(chǎn)的80MW至135MW的亞臨界機(jī)組日漸成熟，普遍采用主蒸汽參數(shù)為17.5MPa、571C，目前65MW級別的單鋼亞臨界機(jī)組上汽、哈汽均已有在建項(xiàng)目。下表為永鋒鋼鐵100MW亞臨界BTG機(jī)組相關(guān)技術(shù)資料及由式（3-2）計算的發(fā)電效率：

3.2 國內(nèi)鋼廠運(yùn)行效率與理論效率對比

因受到煤氣熱值的波動和流量變化、運(yùn)行水平的差異、設(shè)備運(yùn)行工況和設(shè)計工況的不同等主客觀因素的影響，導(dǎo)致CCPP和BTG的運(yùn)行效率和理論效率均存在一定的差距，下表列舉了國內(nèi)已經(jīng)投產(chǎn)的CCPP項(xiàng)目和亞臨界BTG項(xiàng)目的階段性實(shí)際發(fā)電效率。

以上數(shù)據(jù)均為短期階段性數(shù)據(jù)，不代表長期運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合表1、表2、表3數(shù)據(jù)繪制曲線如下。

表1 包鋼165MW CCPP聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項(xiàng)目計算效率

表2 永鋒100MW亞臨界煤氣發(fā)電項(xiàng)目計算效率

表3 國內(nèi)冶金行業(yè)聯(lián)合循環(huán)及亞臨界煤氣發(fā)電階段性運(yùn)行效率

圖2 理論及實(shí)際發(fā)電效率曲線

由上圖我們可以看出CCPP聯(lián)合循環(huán)實(shí)際發(fā)電效率為44.95%至47.2%，亞臨界煤氣發(fā)電機(jī)組從發(fā)電效率可以看出是40.1%至41.8%，兩者之間相差的效率約為5%。下文經(jīng)濟(jì)分析以CCPP發(fā)電效率45.5%，并將其廠用電率設(shè)置為設(shè)計理論值3%；BTG亞臨界煤氣發(fā)電發(fā)電效率以41%計算，并將其廠用電率設(shè)置為設(shè)計理論值6%。

4 冶金行業(yè)CCPP與BTG發(fā)電的經(jīng)濟(jì)對比

下文選取目前國內(nèi)CCPP發(fā)電項(xiàng)目和亞臨界煤氣發(fā)電項(xiàng)目各兩個，通過表4.1可以看出CCPP單位裝機(jī)約為6830元/ kW·h，亞臨界煤氣發(fā)電裝機(jī)約為2350元/ kW·h。

表4 國內(nèi)CCPP發(fā)電項(xiàng)目和亞臨界煤氣發(fā)電項(xiàng)目投資

以全年7800小時計，100MW亞臨界煤氣發(fā)電全年發(fā)電量為7.8×108kW·h，BTG煤氣發(fā)電廠用電率以6%計時，全年供電量為7.33×108kW·h。以此為基數(shù)，CCPP發(fā)電效率45.5%，BTG亞臨界煤氣發(fā)電41%計，可以得出100MW級CCPP項(xiàng)目燃燒同樣的燃料理論發(fā)電量為8.66×108kW·h，CCPP電廠以3%來對廠用電率進(jìn)行計算時，該廠一年的供電則為8.4×108kW·h。

由上述計算知，以100MW為計算基數(shù)時，CCPP可以比BTG亞臨界煤氣發(fā)電供電量多約1.07×108kW·h。如果以0.38元/kW·h上網(wǎng)電價為基數(shù)進(jìn)行計算，每年可以產(chǎn)出約4066萬元，在不計兩者物料消耗差異（循環(huán)水、工業(yè)水、壓縮空氣、氮?dú)獾任锪舷模┑那闆r下，其投資差值回收期約為11.2年。

5 分析與展望

冶金行業(yè)將布萊頓、朗肯兩種循環(huán)模式應(yīng)用于CCPP，把兩者相結(jié)合，具有許多優(yōu)點(diǎn)，提升了整體發(fā)電效率[2],但是隨著近幾年來亞臨界機(jī)組小型化及其較低的造價使得CCPP的技術(shù)優(yōu)勢逐漸被縮小。通過公開的消息可以看到廣西盛隆冶金有限公司產(chǎn)業(yè)升級技術(shù)改造工程已開始使用145MW級別的超臨界機(jī)組，建成后預(yù)計理論發(fā)電效率可超過43%，將進(jìn)一步縮小和CCPP的發(fā)電效率差異。

朗肯循環(huán)被應(yīng)用在很多不同發(fā)電模式當(dāng)中，例如CCPP、BTG等發(fā)電模式，凝汽器部分造成了很多熱損失，冷源損失約超60%[3]，減少冷源損失、增加全廠熱效率可以通過熱電聯(lián)產(chǎn)來完美實(shí)現(xiàn)。包頭鋼鐵2×165MW煤氣發(fā)電二期（CCPP）通過汽機(jī)側(cè)的自動同步離合器（SSS離合器）以實(shí)現(xiàn)背壓和純凝工況的切換。探索鋼廠煤氣發(fā)電供熱是提高熱效率的有效途徑。

燃?xì)廨啓C(jī)從冷卻狀態(tài)下最多只需要啟動幾十分鐘即可達(dá)到滿負(fù)荷狀態(tài)，有著啟動快、高自動化的特點(diǎn)。這一點(diǎn)亞臨界煤氣發(fā)電機(jī)組（BTG）尚無法完全實(shí)現(xiàn)，提高BTG機(jī)組的自動化程度以實(shí)現(xiàn)一鍵啟停仍是今后需要繼續(xù)努力的方向。

筆者認(rèn)為，新建或改建鋼廠應(yīng)該根據(jù)本廠的煤氣量、種類及熱值情況，周邊熱用戶情況等因素，結(jié)合本廠的經(jīng)濟(jì)狀況和技術(shù)指標(biāo)等綜合測評，從而進(jìn)行CCPP機(jī)組或者亞臨界乃至超臨界BTG機(jī)組的選擇。