燃氣輪機聯合循環發電系統的設計優化與實踐

王 博，禮 響

（本鋼板材股份有限公司能源管控中心，遼寧本溪 117000）

引言

截至2021年底，本鋼板材股份有限公司高爐煤氣發電還是以高溫高壓參數的BTG 發電模式為主。老舊BTG 發電機組經過十幾年運行后，效率低下，客觀上有優化的需求，加上國家環保和能耗要求的提高，因此本鋼引進燃氣輪機聯合循環發電工藝。

在全國多地限電的政策背景下，本鋼集團投資建設CCPP 燃氣輪機聯合循環發電項目。該項目利用煉鐵工藝副產物（高、焦爐煤氣）發電，具有發電效率高、環境污染小等特點。平均發電效率45%，與常規高溫高壓鍋爐發電機組相比，提高50%以上，廢氣排放滿足國家超低排放標準。

該發電項目主要新增設備包括1 臺AE94.2KS型燃氣輪機、1 臺蒸汽輪機、1 臺余熱鍋爐、2 臺發電機。燃機采用低位布置，汽機采用高位布置。蒸汽輪機為三壓、再熱、雙缸、向下排汽、單軸凝汽濕冷汽輪機。余熱鍋爐為臥式、自然循環、三壓、再熱、無補燃、全封閉布置結構。

該項目投產后，為本鋼提供大量電能，既增加了公司用電量的自給率，緩解電網的供電壓力，也符合國家有關鋼鐵企業余能回收利用的要求。該項目的建成，在進一步提升高爐煤氣綜合利用效率、增加發電量的同時，也提高了本鋼高爐煤氣的回收率，減少了煤氣放散對周邊環境的污染。

1 國內鋼鐵企業CCPP發展概況

當前鋼鐵行業高爐煤氣的綜合利用率已經超過95%。由于鋼鐵產量與高爐煤氣產生量是正相關的，按照鋼鐵行業數據，每噸生鐵約產生1 500 m3高爐煤氣，按照7 億t 鋼產量推算，每年約產生100 000 億m3高爐煤氣，扣除高爐熱風爐和鋼廠其他工藝需要，約有5 000 億m3～7 000 億m3高爐煤氣可用于發電。按照平均熱值3.5 MJ∕m3，行業平均25%～30%的熱電轉換效率估算，總的高爐煤氣發電市場容量約為5 000～8 400 MW。目前高爐煤氣發電市場還是以各種參數的BTG 發電模式為主，但大量鋼鐵企業老舊的BTG 發電機組經過十幾年運行后，效率低下，客觀上有優化的需求，加上國家環保和能耗要求的提高，部分鋼鐵企業會考慮以高效的CCPP 機組替代原有BTG 機組。此外，還有鋼廠異地搬遷帶來的新項目需求，所以高爐煤氣低熱值燃機CCPP發電模式未來具有很大的市場潛力。

2 BTG發電與CCPP發電效率對比

在CCPP 模式應用到鋼鐵行業發電領域之前，鋼鐵廠高爐煤氣發電方式通常為傳統的BTG 發電模式（見圖1），參數和裝機容量由小到大逐漸增加，效率因此也不斷增加。目前國內主要鋼鐵廠普遍采用的高爐煤氣發電機組有50～80 MW 和135 MW兩種等級。

圖1 鋼鐵廠BTG發電流程示意圖

用于高爐煤氣發電135 MW 等級的汽輪機，汽輪機效率約為43.9%，燃氣鍋爐效率約為88%，整個發電系統的總效率約為38.6%。BTG 模式具有投資小、運行穩定、可純燒高爐煤氣、技術成熟等特點，近年來仍然是部分鋼廠首選的方案，如湘鋼、沙鋼、中天鋼鐵、韶鋼等，選擇了超高壓參數135 MW 機組。但從鋼廠長遠投資回報來看，BTG 發電模式效率無法突破40%，相比CCPP 模式45%～47%的效率要低很多。

因此從效率角度來比較，CCPP 模式優于BTG模式。

3 本鋼CCPP發電項目關鍵技術和創新點

3.1 燃氣輪機排氣余熱階梯性的充分利用［1］

為了減少由于不等溫傳熱帶來的?損失，對燃氣輪機排氣余熱進行階梯利用，對煙氣側與水側平均溫差大的過程進行分段布置，設計為三壓再熱汽水系統，其中設置了兩級高壓省煤器、兩級高壓蒸發器、兩級高壓過熱器；同時將受熱面合理布置在煙氣側，保持各受熱面最小節點溫差，而不是將受熱面由低壓到高壓依次排列。同時系統設計了再熱蒸汽循環，可有效提高汽輪機循環熱效率。

本系統優化了受熱面布置，煙氣側高溫段至低溫段依次為：2 級高壓過熱器、2 級再熱器、1 級再熱器、1 級高壓過熱器、2 級高壓蒸發器、1 級高壓蒸發器、中壓過熱器、第二級高壓省煤器、中壓蒸發器、低壓過熱器、中壓省煤器、第一級高壓省煤器、低壓蒸發器、低壓省煤器。

3.2 中間冷卻器冷卻水系統優化設計

煤壓機中間冷卻器冷卻方案（優化前見圖2、優化后見圖3），由于原設計方提出凝結水需經過煤壓機中間冷卻器進行加熱，而凝結水量不足以滿足中間冷卻器的冷卻水流量，所以原設計中間冷器的冷卻需要依靠閉式水和凝結水系統共同完成，采用的方案為凝結水與閉式水混合后一同進入間冷器。由于間冷器出水總水量為660 t∕h，去余熱鍋爐的水量僅為240 t∕h，有420 t∕h 的水量是再循環狀態，系統運行調控較復雜，原設計不利于系統運行的穩定性和可靠性。本次方案優化為：凝結水與閉式水不混合，另外設置一套高溫閉式水系統，煤壓機的冷卻全部靠閉式水進行冷卻；煤壓機出口的高溫閉式水一部分靠凝結水進行冷卻，一部分靠燃機預熱器進行加熱，剩余的全部利用開式水進行冷卻；凝結水與開式水分別設置自身系統的板式換熱器，通過增加兩套板換系統使系統調節變得清晰簡單，系統運行更加安全可靠。

圖2 間冷器冷卻水系統優化前

圖3 間冷器冷卻水系統優化后

3.3 燃機進氣加熱系統回收

為進一步提升單燃機和聯合循環效率，提高能源利用率，在空氣進氣系統中增加進氣加熱系統。

進氣加熱系統通過在進氣系統中增加氣水換熱系統，提升壓氣機入口溫度來提升名義負荷率，以達到提升部分負荷工況下燃機效率的目的。提升進氣溫度會使燃機排煙溫度上升，從而進一步提升汽機出力，達到提高聯合循環機組整體熱效率的目的，即通過控制壓氣機進氣溫度實現機組運行時效率最優。

進氣加熱給水取自間冷器的出口熱水，氣水換熱器設置在進氣過濾系統之前。

3.4 凝結水系統優化設計

原設計中凝結水系統只設一級升壓泵，即從凝汽器送出的凝結水經凝結水泵一級升壓后就達到滿足余熱鍋爐進水的壓力。凝結水系統采用一級升壓造成凝結水壓力過高，冷卻水的板換承壓能力也需要提高，而換熱設備無法滿足承壓要求，所以現階段將凝結水升壓分為二級，中間冷卻器之間的凝結水壓力按冷卻水壓力選擇，經過間冷器換熱后的凝結水再進行二次升壓，壓力升至滿足余熱鍋爐壓力需求，表1為兩種方案主要設備的對比。

表1 方案優化對比表

3.5 煤壓機級間冷卻再壓縮［2］

本鋼CCPP 煤氣系統包括煤氣導入系統及煤氣加壓系統。

煤氣導入系統為煤壓機系統提供具有合格壓力、溫度、純度與熱值的煤氣，以滿足煤氣壓縮機的穩定與連續運行，主要包括天然氣加壓、焦爐煤氣加壓、高焦煤氣混合、混合煤氣加壓4個主要工藝單元。焦爐煤氣先經加壓，再與高爐煤氣混合，混合煤氣經電除塵器后送去煤壓機系統。

煤氣在煤壓機系統通過加壓、冷卻、再加壓后進入合成氣模塊，通過燃料噴嘴噴入燃燒室后燃燒，燃燒后的高溫煙氣進入燃氣輪機膨脹做功，帶動燃氣輪機轉子轉動，拖動發電機發電。

本項目煤氣壓縮機采用級間冷卻再壓縮的技術，降低了煤壓機功耗，提升了聯合循環出力及效率。壓縮機介質為可壓縮性流體時，全壓必須要考慮流體密度、比容的影響。壓縮過程中，流體的溫度升高，密度降低，壓縮機全壓能頭降低。因此將一級壓縮改為兩級壓縮，并對中間過程流體進行冷卻，提升流體密度，可有效提高全壓、降低能耗，同時可回收壓縮過程中產生的熱量，提升循環熱效率。

低壓煤氣壓縮機為靜葉可調軸流式壓縮機，效率高、能耗低、調節范圍寬。氣缸和轉子結構、軸承系統和葉片裝置或葉輪是成熟的設計。高壓煤氣壓縮機是離心型，采用氣缸和轉子結構。二者在最大和最小的環境溫度下，以規定的轉速運行時，低壓煤氣壓縮機能在任何負荷條件下運行而沒有喘振或不穩定流動。

在煤氣加壓流程中，壓力為0.1 MPa、溫度為45 ℃、流量為328 000～384 000 m3∕h 的干態混合煤氣，先經低壓煤壓機加壓至0.6 MPa、257 ℃，經中間冷卻器定壓冷卻至55 ℃，再經高壓煤壓機加壓至1.9 MPa、197 ℃。

3.6 靜電除塵器廢水處理系統有效降低廢水排放［3］

靜電除塵器用水由生產凈水經泵加壓后提供，供水壓力為0.50 MPa，水量為32 m3∕h，使用后水溫升高并含有酚、氰等有毒物質，回水自流至EP 電除塵器排水坑，經泵加壓后送至焦化廠處理。廢水總水量約32 m3∕h，廢水中主要污染物為SS、COD、酚、氰，其濃度分別為400 mg∕L、40 mg∕L、0.03 mg∕L、0.07 mg∕L。本項目在通過竣工驗收后的1年運營期內，要求EP（濕式電除塵器）送至本鋼板材焦化廠的平均廢水排放量≤10 t∕h、峰值排放量≤15 t∕h。經用戶使用后的水含有少量灰，回水通過無壓排水進入給水池，再通過泵組加壓送電除塵器循環使用。系統運行后，循環水中的鹽分會不斷濃縮，為維持系統的正常運行，需要不定期地進行排污。為了保證循環水水質，在循環水系統中設有旁通過濾器，以去除水中懸浮物。旁濾水量為17 m3∕h，占循環水量的50%。旁通過濾器定時反洗，反洗水經收集排至反沖洗集水坑，由泵組送至焦化處理單元。在整個系統的正常運行過程中，由于系統排污，造成系統水量的減少，需要向系統補充新水。整個系統的補充水由凈環水系統供給。混合煤氣電除塵系統采用PLC+LCD 集中控制方式，在控制室集中操作，另設機旁手動操作按鈕，供就地調試、檢修時使用。EP廢水處理流程圖見圖4。

圖4 EP廢水處理流程圖

3.7 燃機氮氣吹掃系統優化

燃氣輪機每次以合成氣作為燃料運行后，需要用氮氣從合成氣控制閥到燃燒室管線進行吹掃，以避免合成氣管線有殘余煤氣，產生火災風險，該操作稱為氮氣吹掃，在合成氣緊急關斷閥關閉時自動啟動，當燃氣輪機處于待機狀態時，也可通過操作員命令啟動吹掃。如果合成氣管線未工作，則每個合成氣控制閥和相關緊急關斷閥之間的管道部分可填充氮氣，作為氮氣隔離，以避免燃氣輪機待機時合成氣泄漏至燃燒室，該操作稱為氮氣隔離。

燃機氮氣吹掃對氮氣的需求量為6 kg∕s，吹掃時間為100 s，用氣壓力為1.8～2.1 MPa。

系統配置2 套活塞式氮壓機，用來將氮氣由0.4 MPa 加壓至4.5 MPa。氮壓機采用活塞式，額定供氣流量1 000 m3∕h，入口氮氣壓力0.4 MPa，入口氮氣溫度≤45 ℃，出口氮氣壓力4.5 MPa，電壓等級380 V。出口處高壓氮氣的含油量≤0.1 mg∕m3，壓力露點≤-55 ℃，固體顆粒物尺寸≤1 μm，固體雜質含量≤1 mg∕m3。

由燃機吹掃氮氣耗量可知，每秒燃機吹掃耗氣量大于氮壓機供氣量的18倍，因此燃機氮氣吹掃需要配置合理的儲罐容積及臺數。高壓氮氣供需對比情況見表2。

表2 高壓氮氣供需對比表

原設計采用2臺80 m3氮氣儲罐。根據表2中的對比數據，在4.5 MPa儲氣壓力下，水容積80 m3儲氣罐可儲存3 680 m3氮氣，不考慮儲氣罐放氣同時氮壓機的供氣量，1 臺80 m3儲氣罐儲存的氮氣可以滿足燃機起停約4次的氮氣耗量，2臺儲氣罐可在達到額定充氣壓力后滿足燃機起停約8 次的氮氣耗量，選用2 臺80 m3儲氣罐的方案，容積余量過大，不經濟適用。

計算過程如下：

（1）計算燃機吹掃一次氮氣用量Q：

式中：Q—吹掃一次氮氣總用量，kg；

q—單位時間氮氣耗量，kg∕s；

H—單次吹掃時間，h。

燃機氮氣吹掃一次的氮氣需求量6 kg∕s，吹掃時間100 s，Q=6×100=600 kg。

（2）計算4.5 MPa、80 m3、20 ℃儲罐條件下儲存氮氣質量M儲罐：

式中：M儲罐—儲存氮氣質量，kg；

n—物質的量，mol；

MN2—氮氣摩爾質量，g∕mol；

P—壓力，MPa；

V—體積，m3；

R—理想氣體常數，J∕（mol·K）；

T—熱力學溫度，K。

經查氮氣理想氣體常數為8.1345 J∕（mol·K），摩爾質量為28 g∕mol。

（3）計算4次吹掃后儲罐壓力P4：

式中：P4—4次吹掃后儲罐壓力，MPa；

P—儲氣罐注滿后儲罐壓力，MPa；

M4—吹掃4次后剩余的N2質量，kg。

吹掃第5次，壓力就無法滿足吹掃需求，即4.5 MPa，80 m3儲罐可滿足4次吹掃。

水容積80 m3儲氣罐的體積較大，從罐體布置角度考慮，目前廠區內找不到安裝2 臺2 m×22 m 儲氣罐的合適位置。選用80 m3儲氣罐，因罐體壁厚約32 mm，且為壓力容器，必須在制造廠制作為成品，考慮外包裝后，包裝外形可能達到24～25 m，給設備運輸造成很大困難。

因此將方案由2 臺80 m3的儲氣罐優化為3 臺20 m3氮氣儲罐。

水容積20 m3儲氣罐可儲存1 000 kg 氮氣，可以滿足燃機起停約1次的氮氣耗量，3臺達到額定充氣壓力后滿足燃機起停約3 次的氮氣耗量（不考慮儲氣罐放氣同時氮壓機的供氣量），同時可以將氮壓機出口壓力1.8 MPa 設置為自動啟動，滿足燃機連續多次啟動需求。

4 結論

本鋼CCPP 項目每年可發電約13 億kWh，能充分回收煉焦、煉鐵、煉鋼過程中產生的焦爐煤氣、高爐煤氣，有效降低大氣污染物排放，進一步提高生態環保水平，具有明顯的社會效益。

在降本增效方面，目前本鋼板材主要依賴東北電網系統供電，CCPP 發電項目投運后，可充分回收煤氣資源進行發電，有效提升了板材廠區自發電率，增加了用電量自給率，降低了本鋼外購電費的同時，緩解了東北電網的供電壓力。

在企業長遠發展方面，CCPP 發電項目的自發電量將部分輸送給220 kV 變電站，220 kV 變電站采用靈活的運行方式調整板材廠區用電負荷，將進一步推進本鋼集團產品結構調整和特鋼電爐升級改造，為產能置換和設備升級改造提供了有利支撐，對推動企業高質量發展具有重要戰略意義。