低熱值煤氣-蒸汽聯合循環發電機組蒸汽旁路的應用研究

龐 森，麻藝煒，谷延良，王 濤，徐迎超

（1.北京首鋼國際工程技術有限公司，北京 100043；2.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

引言

京唐二期150 MW CCPP 和海水淡化工程是根據首鋼京唐公司建設規模，對全廠煤氣、蒸汽、電力和水進行平衡后，建設的燃熱電水一體化裝備（CCPP機組與海水淡化直接耦合集成）。

1 工程概況

首鋼京唐鋼鐵廠新建150 MW 燃氣蒸汽聯合循環發電工程，燃氣輪機采用某公司生產的低熱值燃料燃氣輪機，機組型號：M701S（DA）X，為M701S（DA）的改進型，額定燃用煤氣量為318 600 m3/h（混合煤氣），軸功率112 200 kW，配一套軸流式空壓機，一套軸流式煤氣壓縮機及一套發電機。余熱鍋爐采用臥式雙壓自然循環形式，高壓蒸汽壓力9.91 MPa，溫度503 ℃，流量214 t/h；低參數蒸汽壓力1.1 MPa，溫度232 ℃，流量37 t/h。蒸汽輪機采用額定功率60 MW 的全周進汽快速啟動型補汽凝汽式汽輪機，排汽壓力35 kPa，排汽溫度75 ℃；工程配套建設3.5 萬t/d 熱法海水淡化系統，利用汽輪機的排汽余熱進行海水淡化。京唐二期150 MW CCPP和海水淡化工程保證了廠區電力和淡化水供應安全，提高二次能源的回收和資源的再利用率，增加海水淡化水產量，降低海水淡化水成本。

2 低熱值煤氣-蒸汽聯合循環發電機組帶海水淡化裝置系統的特點

2.1 采用低熱值燃氣輪機

低熱值煤氣-蒸汽聯合循環發電機組燃氣輪機、煤壓機、空壓機和發電機同軸布置，汽輪機和發電機分軸布置，在機組啟動過程中，燃氣輪機帶動煤壓機和空壓機旋轉，煤壓機和空壓機消耗了大量的軸功率。在氣輪機發電機并網前，燃氣輪機消耗大量的煤氣，產生的軸功率幾乎全部用于煤壓機和空壓機。燃氣輪機的排煙進入余熱鍋爐產生的蒸汽量，經測算大概是30% 的額定負荷蒸汽量。見表1。

表1 燃機啟動時負荷與余熱鍋爐蒸發量對應關系

2.2 鍋爐為雙壓自除氧形式

與常規帶一次再熱系統的燃氣-蒸汽聯合循環電廠不同，首鋼京唐公司二期CCPP 項目余熱鍋爐采用臥式雙壓自然循環形式。

2.3 后置帶海水淡化裝置

首鋼京唐公司低熱值煤氣CCPP 機組為提高機組的熱利用率，余熱鍋爐采用雙壓自除氧形式，汽輪機后置海水淡化裝置，汽輪機排汽壓力35 kPa，排汽溫度75 ℃。海水淡化裝置要求的進汽溫度不能超過75 ℃；汽輪機排汽裝置的抽真空設備設置在后置的海水淡化裝置上，正常運行時由海水淡化裝置控制汽輪機的真空。當海水淡化裝置進汽超溫后會導致海水側結垢，堵管和應力超限導致泄漏真空。所以必須控制進入海水淡化裝置的蒸汽溫度不超溫。

在項目建設初期只在鍋爐出口高低壓集汽集箱上和汽機進汽主蒸汽閥前的管道上各設置一處對空放散，以滿足汽輪機和燃氣輪機冷熱態啟動使用。使用過程中發現，蒸汽放散量大、噪音大、鍋爐補水瞬時量大，浪費大量的除鹽水，不經濟。

3 CCPP旁路系統的常規設置方式

主蒸汽旁路系統是低熱值煤氣-蒸汽聯合機組的重要組成部分，它決定了機組能否安全可靠高效運行和啟停，是整個機組主體設備的重要安全保障。因此，對于燃氣電廠而言，旁路系統的重要地位不言而喻。低熱值煤氣-蒸汽聯合機組冷熱態起動初期，余熱鍋爐產生的蒸汽尚未達到汽輪機的啟動條件，此時主蒸汽經旁路系統減溫減壓至排汽裝置，以汽輪機配合燃氣輪機快速啟動。當汽輪機出現甩負荷時，主蒸汽旁路系統可使主蒸汽減溫減壓至排汽裝置，以配合燃氣輪機和余熱鍋爐的快速降負荷，以防止余熱鍋爐主蒸汽系統超壓[1]。

在常規帶一次再熱系統的燃氣-蒸汽聯合循環電廠中，主蒸汽旁路系統是指與汽輪機并聯所形成的減溫減壓系統。其主要功能是將余熱鍋爐產生的蒸汽排至再熱冷段或排汽裝置，而不經過蒸汽輪機做功。旁路系統根據實現功能的不同主要包含蒸汽旁路閥門、旁路閥門控制系統、旁路噴水減溫系統等。為適應機組頻繁的啟停，將汽輪機旁路系統分成高壓、中壓和低壓旁路系統，其容量均為100% 聯合循環機組余熱鍋爐最大產汽量。

機組的高壓旁路系統從高壓主蒸汽管路接出經高壓旁路閥減壓減溫后，接至再熱冷段管路；中壓旁路系統從再熱熱段管路接出，經中壓旁路閥減溫減壓后接至凝汽器；低壓旁路系統從低壓主蒸汽管路接出，經低壓旁路閥減溫減壓后接至凝汽器[2]。

4 高低壓主蒸汽旁路設置的探討

余熱鍋爐為雙壓自除氧形式，生產2 種參數的蒸汽，汽輪機為補汽凝汽式，主蒸汽設置旁路的同時，低壓主蒸汽也應該設置旁路，整個系統旁路的設置有兩種方式。

4.1 高低壓主蒸汽旁路的串聯形式

串并聯形式即將高壓主蒸汽壓力降低到低壓主蒸汽的壓力和溫度，然后與低壓主蒸汽匯合經過二級旁路再進入設置在排汽裝置上的三級減溫減壓器，經進一步的減壓和減溫后送入海水淡化裝置。見圖1。

圖1 串聯方式的旁路設置

優點是可以減少一個二級旁路，造價低廉。

缺點是減溫減壓后的蒸汽壓力控制不夠靈敏，容易出現超溫超壓和低壓主蒸汽壓力升高的現象。

4.2 高低壓主蒸汽旁路的串并聯混合方式

采用高低壓主蒸汽串并聯混合方式的旁路的方法，增加一個低壓旁路，同時在排汽管道上設置4級減溫水，以防止超溫對海水淡化裝置造成影響。正常運行時，高壓主蒸汽通過高壓旁路減溫減壓到一定壓力后，與經過獨立的低壓旁路減溫減壓器減溫減壓后的低壓主蒸汽匯合，匯合后的蒸汽經過二級旁路再次減溫減壓后送入設置在排汽裝置上的3級減溫減壓器。見圖2。

圖2 串并聯混合方式的旁路設置

優點是可以減少高壓主蒸汽對低壓主蒸汽的影響，做到調節靈活、準確，同時設置在排汽管道上的四級減溫水可以充分地防止進入排汽裝置的蒸汽超溫，從而保護海水淡化裝置。

缺點是造價成本較高，增加工程的一次性投資。

4.3 主蒸汽旁路的容量選擇計算

傳統的CCPP 機組旁路設置一般都是100%旁路，在實際運行中，冷態啟動鍋爐負荷較小時，旁路閥后蒸汽壓力較難控制，而火電機組的旁路設置一般為30%～40%機組額定蒸發量，這種旁路容量較小，旁路閥后壓力較好控制，然而用在低熱值煤氣-蒸汽聯合循環發電機組上就不太合適。在熱態啟動時，燃機的負荷在30%～40%，余熱鍋爐的蒸發量為180 t/h，余熱鍋爐額定蒸發量為220 t/h，如果使低熱值煤氣-蒸汽聯合循環發電機組能給正常熱態啟動，旁路裝置的設置應為80%鍋爐額定蒸發量為宜[3]。

5 結論

低熱值煤氣-蒸汽聯合循環發電機組帶海水淡化裝置系統有其特殊的特點，為配合CCPP 機組的冷態和熱態啟機，必須設置主蒸汽旁路，同時又必須保護后置海水淡化裝置的安全穩定運行。

在機組啟動和停機時主蒸汽旁路系統可以收集凝結水，減少水資源浪費、減少廠區噪音，同時保護發電設備安全運行。設置旁路系統后，可避免停機后余熱鍋爐蒸汽直接排放所產生的浪費。

另外設置汽輪機旁路系統后，可實現余熱發電系統和旁路系統之間的快捷切換，優化余熱機組的應急預案，增強整個系統運行調節的靈活性與可靠性。汽輪機旁路系統的工藝流程清晰，安全性高。