一种高温超高压高炉煤气机组的应用与研究



一种高温超高压高炉煤气机组的应用与研究

李学军,谢毅,袁建德

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司,湖南长沙410007)

【摘要】目前我国钢铁行业用于高炉煤气发电的机组大多为12耀30 MW中温中压参数机组，机组的热效率低。有必要对高炉煤气发电机组进行升级改造，以便提高钢厂能源使用效率。这里介绍一种135MW高温超高压燃煤气锅炉汽轮发电机组在钢铁工业中的设计应用研究。

【关键词】高温；超高压；高炉煤气；发电机组；应用研究

1　引言

近年来钢铁工业产能的不断增加，以及钢铁工业节能措施的逐步推进，钢厂煤气富余量将进一步提升，煤气需求与价格波动也将会扩大，而现有煤气电厂能力不能满足需要，致使富余煤气的放散增多，浪费能源并污染环境。

一方面，国家节能减排的环保要求越来越高，而另一方面，钢厂富余煤气量随着产能的增加与节能的措施不断改进大幅度增加，煤气放散控制成本同时增加，因此对原有高炉煤气发电机组进行升级改造尤其显得十分重要与必要。因此，湖南华菱湘潭钢铁有限公司(以下简称华菱湘钢)规划在公司原设备总库区域建设一批高热效率的汽轮发电机组机组，以达到节能减排，解决钢厂自身能源需求，促进企业利益最大化。

2　高温超高压机组现状

目前我国钢铁行业用于富余煤气锅炉发电的机组大多为12 MW耀30 MW中温中压参数机组，机组的热效率很低，目前已在逐渐淘汰中。近年来，国内钢铁行业新建的燃煤气汽轮发电机组已有向高温超高压的参数发展的趋势。据不完全统计，现已建成的65 MW耀93 MW高温超高压机组有唐山建龙钢铁、唐山东海特钢二期、营口京华钢铁等8台机组，在建的65 MW耀93 MW高温超高压机组有天津达亿钢铁、唐山港陆钢铁、唐山东海特钢三期等12台机组。更大容量的高温超高压机组也逐步在推广应用之中。此前，国内虽建设有两台135 MW容量的发电机组，但成功的经验不足，需要我们不断研发与应用。

3　方案分析比较与研究

3.1燃料及燃烧特性分析

钢铁生产过程中副产大量煤气，除满足钢铁生产的煤气供应需要外，还有许多富余的高炉煤气、焦炉煤气可供电厂利用消化。华菱湘钢一期工程燃料为高炉煤气和焦炉煤气掺烧，其中焦炉煤气的量5000耀15000 m3/h，其余为高炉煤气；点火燃料为焦炉煤气。

3.1.1华菱湘钢燃料成分分析资料，见表1。

表1　高炉煤气和焦炉煤气成分分析表

注:调节门前高炉煤气压力：4000耀9000 Pa,焦炉煤气压力：2000耀5000 Pa,焦炉煤气中的H2S含量为2000耀3000 mg/m3。

从表1可知，华菱湘钢高炉煤气的主要化学成分为：N2、CO、CO2和含量很少的O2、CH4、H2，其中主要可燃介质CO含量不高，占25.84豫，其发热值较低，约12636 kJ/m3，因此，高炉煤气是一种超低发热量的气体燃料，其发热量约为3140耀3560 kJ/m3。

高炉煤气密度大于空气，其中CO易引起人中毒，因此高炉煤气输送管道系统设计、运行时应严格遵照国家相关规定。

3.1.2华菱湘钢燃料燃烧特性分析

华菱湘钢高炉煤气燃料及燃烧特性与其它高热值的固体和气体燃料有显著的区别。其燃烧系统计算成果见表2。

表2　燃烧系统计算成果表

(1）从表2可知，入炉空气量比等容量燃煤锅炉的空气量少，约为燃煤锅炉的0.72倍；每1 m3高炉煤气完全燃烧时仅需0.623 m3空气，但锅炉出口每1 m3高炉煤气产生的烟气量达1.504 m3；高炉煤气产生的烟气量是等容量燃煤锅炉的烟气量1.55倍左右，使配套的引风机出力大幅提高。

(2）高炉煤气可燃成分主要是CO，占可燃成分的96.1%，所以，高炉煤气的着火温度的高低主要取决于CO含量及着火环境，以及是否充分混合与完全燃烧。提高高炉煤气与空气混合物温度是一个十分有效的措施，所以，华菱湘钢项目需要设置煤气加热器和空气预热器。

(3）由于高炉煤气的热值低，并且含有大量不可燃气体，易导致燃烧不稳定、脱火等现象，因此锅炉燃烧器的选型尤为重要，华菱湘钢一期的燃烧器为双旋流式燃烧器。

3.2方案比较

根据华菱湘钢的高炉煤气特性与排量，以及原有常规中温中压参数机组等参数情况，我们初步拟定采用135 MW高温超高压再热机组进行方案比较与研究。锅炉为超高压、自然循环、平衡通风、一次再热、露天布置、燃气(高炉煤气、焦炉煤气)汽包锅炉，最大连续蒸发量(B—MCR工况)440 t/h，锅炉效率(THA工况保证值) 90%，锅炉配立式管式空气预热器，同时配套供应一台煤气加热器。汽轮机为高温超高压、一次中间再热、双缸(高中压合缸、低压缸)双排汽、单轴、凝汽式汽轮机，额定功率135 MW。发电机采用空冷汽轮发电机。

3.2.1中温中压机组与高温超高压机组比较

早期，国内钢厂基本上都为中温中压低容量的燃煤气发电机组，与高温超高压带一次中间再热的机组的热效率完全没有可比性。现将中温中压机组与高温超高压再热机组的主要经济性数据对比如下，见表3。

表3　25MW机组与135MW机组参数对照表

表3中数据表明，135 MW高温超高压机组各方面的参数都大大优于25 MW中温中压机组，使机组发电标煤耗降低了108.7 g/kW·h，以华菱湘钢一期项目的额定装机容量135 MW做对比，年利用小时按8000 h计算，理论上年可以节约标准煤11.74万t。

按发电单位煤气耗计，135 MW高温超高压机组比25 MW中温中压机组低1.13 m3/kW·h，按年利用8000 h计算，每年可少用煤气量约1.22伊109m3/ a，按2.77 m3/kW·h，可多发电约4.41伊108kW·h/a，理论上可产生直接经济效益约29547万元/年（电价水平按2013年当地的0.67元/kW·h）。

3.2.2两种不同容量高温超高压机组比较

在建或已建的高温超高压机组中多为65 MW级或80 MW级的单机容量机组，虽然与早期中温中压的机组比，对煤气资料的利用率已大大提高，但这种机组的汽轮机为近年研制出来，其运行可靠性和各项经济指标都还逊于135 MW高温超高压的汽轮机，现将相同装机容量下的78 MW机型的高温超高压再热机组与135 MW机型的高温超高压再热机组的主要经济性数据对比如下，见表4。

表4　78MW机组与135MW机组参数对照表

表4中数据对比可知，135 MW机组比78 MW机组的单位发电量下标准煤耗减少了7.06 g/kW· h，以额定装机容量135 MW做对比，年利用小时按8000 h计算，年可以节约标准煤7624.8 t。

按发电单位煤气耗计，135 MW高温超高压机组比78 MW高温超高压机组低0.07 m3/kW·h，按年利用小时8000 h计算，每年可少用煤气量约7.56伊107m3/a，按2.67 m3/kW·h，可多发电2.83伊107kW·h/a，产生经济效益约每年多1896.1万元（电价水平按0.67元/kW·h）。因此新建机组在煤气资源充足的情况下，直接建设135 MW容量的机组经济效益明显优于78 MW容量的机组。

3.3效益分析

华菱湘钢已分两期建成了2台135 MW配套燃煤气锅炉的高温超高压发电机组，一期工程解决了华菱湘钢发电装机容量低、发电机组无备用、煤气放散量大、中温中压发电机组效率低的问题；二期工程通过高炉汽动风机改电动风机，停运部分中温中压发电机组，置换煤气用于超高压机组发电。自2014年12月二期项目投产以来，产生的效益十分显著。

3.3.1社会效益

随着国家能源政策及环境保护政策的加强，企业的节能减排压力增大，钢厂作为高能耗高排放的企业，节能减排的压力更大。华菱湘钢135 MW燃煤气发电机组项目的实施，按理论计算每年每台机组可以节约标准煤11.74万t，对于节约能源、降低排放以及保护当地的环境起到了巨大的作用。

3.3.2经济效益

2台135 MW燃煤气锅炉的高温超高压高效发电机组的建成投产，使钢厂的全厂热力系统热效率提高约16个百分点，相对效率增加60%。2015年1耀4月发电总量、外购电量、电费支出与2013年1耀4月份同期相比，发电总量增加42338万kW·h，增幅90.2%（单煤气发电量增加37673万kW·h，提升幅度为133%）；外购电总量减少29466万kW·h，降幅50.4%；电费支出减少18627万元，降幅45%。两台机组连续满负荷运行时，每年可多发电8.82亿kW·h，理论上可产生直接经济效益约59094万元/年。因此，2台135 MW发电机组投运后带来的经济效益显著。华菱湘钢一期总投资约4亿元（包括配套的煤气柜），在不到一年时间里可以收回成本（无燃料采购成本）。鉴于如此良好的经济效益，可以在钢铁行业全面推广，已有多家钢铁企业到华菱湘钢考察本项目并考虑在本企业推广。

4　结论

华菱湘钢135 MW高温超高压高效机组一期工程于2012年9月开工至2013年7月10日并网发电，在不到10个月的时间内圆满完成工程的设计、施工安装、调试等工作。自并网发电以来机组一直满负荷运行，其负荷一直稳定在140 MW左右的“超”负荷状态，机组各项技术及性能指标均达到了设计要求，创造了良好的经济效益。华菱湘钢一期项目的成功实施后，在巨大的经济效益和良好的社会效益的刺激下，华菱湘钢已经建成了第二台机组。

（1）高温超高压高炉煤气发电机组系统简单，相对于燃煤电厂，节约了输煤系统、除灰除渣系统、脱硫系统、燃油系统等，该项目燃烧的是华菱湘钢高炉、焦炉的尾气（煤气CO），烟气中无杂质，属于典型的环保型、节约型电厂。

（2）华菱湘钢135 MW高温超高压机组项目通过对钢厂分散的煤气资源集中起来，建设大容量高参数的发电机组，提高了能源利用率，增加了每标立方煤气的发电量，从而降低了钢铁厂的能耗，为钢厂的节能减排做出了巨大的贡献。该项目的成功，对于配套燃煤气锅炉的大容量汽轮发电机组在钢铁工业中的应用起到了良好的示范作用。

（3）华菱湘钢135 MW高温超高压高效机组项目为目前国内钢铁行业利用煤气发电项目中能长期连续、稳定、满负荷运行的最大容量的机组，机组热耗、耗煤气量、机组稳定性等各项指标在同类型的发电机组中具有国内领先水平，应积极推广应用。在节能减排的大浪潮中，135 MW高温超高压机组将会在国内外钢铁行业中逐步推广开来。

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[3]李屹立，廖可平，袁建德援工程总承包在湘钢燃气电厂项目建设中的应用[J]援冶金动力，2014，5援

CO排放浓度显著增加，这将使炉内还原性腐蚀和结焦倾向加重，水冷壁的还原性腐蚀会使其管壁变薄、强度降低，容易造成爆管和泄漏，给锅炉运行造成了安全隐患。

Application Research of a High Temperature Ultrahigh Pressure BFG Generator Unit

Li Xuejun, Xie Yi, Yuan Jiande

(Hunan Electric Power Design Institute Co., Ltd., China Energy Construction Group, Changsha, Hunan 410007, China)

[Abstract]Currently most of the power generators using blast furnace gas (BFG) are 12 MW-30 MW medium temperature medium voltage units in domestic steel industry, with poor thermal efficiency. It is necessary to upgrade these BFG generators in order to improve the energy efficiency of steelmakers. The design and application research of a high temperature

ultrahigh pressure BFG boiler for 135 MW turbine generator units are introduced.

[Keywords]high temperature; ultrahigh pressure; BFG; generator set; application research

作者简介:李学军（1971-)，男，大学本科学历，高级工程师，主要从事电力设计研究与科技管理。

收稿日期:2015-09-02

【文章编号】1006-6764（2015）12-0035-04

【文献标识码】B

【中图分类号】TM61