钢厂CCPP 发电机组提升负荷的研究与应用

2024-02-27郑振海张元华张明扬薛贵洋

鞍钢技术 2024年1期

郑振海，张元华，张明扬，薛贵洋

（鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁营口 115007）

鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司（以下简称“鲅鱼圈”）CCPP 联合循环发电机组2009 年投产至今一直运行良好，但由于夏季环境温度高、冬季环境温度低以及厂区高炉煤气工况的不稳定，造成该发电机组不能高负荷运行，带来一定的经济损失。因此，针对此现象，研究了CCPP 发电机组煤气热值的调整、空气冷却器的投入及喷水量的调节使用，以有效地利用钢厂现有的煤气和水资源，提升机组的负荷，满足生产要求。

1 CCPP 发电机组工艺流程

CCPP 发电机组将炼铁和炼焦过程中产生的高炉和焦炉煤气混合气送至煤压机，加压后送至燃气轮机，在燃气轮机燃烧室内与经过空压机压缩后的空气混合燃烧产生高温高压气体，带动燃气轮机做功。燃气轮机排出的高温烟气经余热锅炉产生高温、高压蒸汽，进入蒸汽轮机做功，燃气轮机和蒸汽轮机同时带动发电机发电。

鲅鱼圈CCPP 发电机组燃气轮机、蒸气轮机额定输出功率分别为13.3 万kW·h 和6.2 万kW·h，煤压机额定轴输入功率4.2 万kW·h，发电机额定输出功率150.6 MW，该机组每小时可燃烧高炉煤气28 万m3、焦炉煤气2 万m3，机组热效率为45%。图1 为CCPP 机组系统示意图。

图1 CCPP 机组系统示意图Fig.1 Schematic Diagram for CCPP Electric Generating Set System

2 影响CCPP 发电机组负荷的主要因素

2.1 空压机入口空气温度

当空压机入口空气温度降低时，气体密度增大，入口进气量随之提高，机组的输出功率也提高。也就是说，气体温度越低，达到同样压比节省压缩功。而当环境温度升高时，进入空压机的气体密度减小，质量流量下降，压比也随之下降。所以空气温度对燃气轮机的负荷和效率都有影响。

2.2 煤气温度

理论上来说，煤气温度越高，煤气燃烧温度越高，燃气轮机组的循环效率越高。但是当煤气温度过高后，煤压机效率下降，压比下降，燃气轮机入口煤气温度升高，燃气轮机的效率与负荷会随之下降，燃气轮机的燃烧温度随之上升，温度过高会对燃气轮机的燃烧室和透平叶片造成无法恢复的损坏。

2.3 煤气热值

高炉煤气为炼铁过程中产生的副产品，由于高炉工况的影响，高炉煤气的着火点不高，燃烧稳定性不好，煤气成分的变化可能导致燃气轮机燃烧异常，甚至发生事故。因此，应对煤气成分在线持续监测，计算出煤气热值，衡量机组发电效率。

2.4 温控模式

CCPP 发电机组的温控模式分为5 种，即调速器控制模式（GVCSO）、负荷限制器控制模式（LDCSO）、排烟温度及叶片通道温度控制模式（EXCSO、BPCSO）、燃料限制控制模式（FLCSO）、煤压机喘振控制模式（SLCSO）。

① GVCSO 控制指令以额定转速为控制目标，负责机组到达额定转速后并网前这一阶段的转速控制。

②LDCSO 是并网后参与控制，根据负荷设定进行燃料调整。

③EXCSO、BPCSO 主要对燃气轮机排气温度和叶片通道温度进行监控，防止燃气轮机超温损害热部件。

④FLCSO 主要作用是控制启动升速过程中机组燃料的配比。

⑤SLCSO 只有在煤压机出现喘振信号时才参与控制。

当发电机组运行时，机组会计算5 种控制指令的数值，选取最小的数字指令作为机组CSO（燃料总量控制信号指令），进而调整机组需要的空气和煤气量。当发电机组进入排烟温度或叶片通道温度控制模式，就会限制发电机组的负荷。

3 采取的措施

3.1 调整机组动态热值

按煤气高、低两种热值模式运行，以CCPP 发电机组原设计的热值4 396 kJ/m3为高低热值的分界点。

3.1.1 煤气高热值运行

鲅鱼圈两座高炉中任意一台休风时，CCPP 发电机组都有可能降到最低负荷。高炉故障时，高炉煤气无法保证，机组会被迫停机。同时，在环境温度低于8 ℃时，燃气轮机负荷下降，随着气温缓慢下降，机组负荷也缓慢下降。

因为高热值会影响燃烧温度及燃气轮机高温部件的耐热情况，因此高炉煤气缺少或焦炉煤气放散较多的情况下，机组可以采取高热值运行模式。结合实际经验，根据环境温度设定高热值：5 ℃以下热值设定为4 605 kJ/m3；5～10 ℃热值设定为4 500 kJ/m3；10 ℃以上热值设定为4 396 kJ/m3。

通过调整热值指令来调整焦炉煤气A、B 阀门的开度，进而调整高炉与焦炉煤气的比例，调整混合煤气的热值，以提高冬季气温低时的发电负荷。图2 为高、焦炉煤气系统示意图。

图2 高、焦炉煤气系统示意图Fig.2 Schematic Diagram for Blast Furnace Gas System and Coke Oven Gas System

机组最大运行热值由4 396 kJ/m3提高至4 605 kJ/m3，而相应的煤压机和燃气轮机负荷控制限制需要根据热值进行逻辑计算，所以要对其逻辑进行优化。机组逻辑优化前后指标对比见表1。优化后，CCPP 发电机组的最大负荷提高4 MW，高热值快速减负荷限制提高250 kJ/m3，燃烧室压力波动监视系统（CPMF）预报警锁定高热值提高209 kJ/m3。

表1 机组逻辑优化前后指标对比Table 1 Comparison of Indexes before and after Logic Optimization of Electric Generating Set

热值升高后，燃烧温度提高，燃烧更加稳定，排烟温度得到提高，更多热量的高温烟气流向余热锅炉，提升了余热锅炉的热负荷，空压机压比增加，使燃气轮机负荷得到提升。同时由于排烟温度升高、烟气量增大的双重作用，使得蒸汽轮机负荷得到提升。

表2 为环境温度4.5 ℃时两种热值情况下主要参数的对比。由表2 得出，与正常热值相比，高热值运行时，机组负荷提升4 MW，高炉煤气量增加了1 万m3/h，焦炉煤气量增加0.5 万m3/h，空压机导叶开度增大8%，空压机压比增加0.5。实际生产中，环境温度-15～10 ℃时，燃气轮机燃烧筒均能够稳定运行，未发生超温、偏差大等异常问题，燃气轮机转子冷却系统运行正常，能够保证燃气轮机各位置高温部件的稳定运行。

表2 环境温度为4.5 ℃时两种热值情况下主要参数的对比Table 2 Comparison of Main Parameters of Two Kinds of Calorific Values at 4.5 ℃Ambient Temperature

3.1.2 煤气低热值运行

进入夏季后，机组发电量较冬季明显降低。分析认为是由于夏季气温高，进入燃气轮机的煤气和空气温度较高，按照设计的煤气热值4 396 kJ/m3燃烧后，燃烧温度升高，引起排烟温度升高，机组进入温度控制模式降低发电负荷。

根据设备本身特性要求，温度升高造成设备性能降低，影响设备使用寿命，甚至造成燃烧室或叶片损坏。因此机组控制程序设定排烟温度的基准值，当实测值超过基准值后，排烟温度CSO 降低，当降至最低时，机组控制模式自动转换为排烟温度控制模式。由于该模式会减小进入燃气轮机的煤气量，降低负荷，从而降低燃烧温度，所以排烟温度及叶片通道温度也随之降低。

降低燃烧温度可以降低煤气热值，而改变高炉、焦炉煤气的混合比可以实现燃烧温度的降低。燃烧温度降低后，排烟温度降低，机组负荷升高。但煤气热值改变后，为满足同样的负荷，焦炉煤气消耗降低，高炉煤气消耗增加，总煤气量增加，导致燃烧器壳体压力升高，排烟温度基准值反而降低。因此，只有排烟温度实测值降低幅度比基准值降低幅度大才能提高机组负荷；同时排烟温度降低影响锅炉负荷，但总煤气量增加后进入锅炉的烟气量增加，因此还需要检测排烟温度降低和烟气增加对锅炉负荷的影响。应根据不同环境温度不断改变煤气热值，得到不同温度发电负荷最高时的煤气热值。

优化措施如下：环境温度≤21 ℃时，热值设定4 396 kJ/m3；22～26 ℃时，热值设定4 296 kJ/m3；27 ℃以上热值设定为4 196 kJ/m3。表3 为采用低热值前后主要数据对比。由表3 可以看出，采用低热值后，煤气总流量增加了1.3 万m3/h，排烟温度实测值降低5 ℃，发电机负荷提高2.5 MW。

表3 采用低热值前后主要数据对比Table 3 Comparison of Main Data before and after Applying Low Calorific Values

3.2 应用水喷射系统

3.2.1 水喷射系统的功能

因为煤气温度影响燃烧温度，并且影响设备正常运行，所以对压缩后的高温高压燃料进行降温加湿，在机组煤压机之后的高压煤气管道内喷入除盐水，对燃气轮机入口燃料进行降温，以达到降低燃烧温度，提高机组负荷的目的。

具体措施为，机组处于温控方式下，即地区气温5 ℃以上时，机组进入BPCSO 或EXCSO 模式，通过布置在煤压机出口高温高压煤气管道上的16 个喷嘴向燃料内喷入4～8 t/h 除盐水，将进入燃气轮机的煤气温度从400 ℃降至350 ℃，进而降低燃气轮机燃烧室温度，增加燃气轮机可燃烧煤气量。喷入的雾化除盐水也能做功提高机组负荷。

3.2.2 水喷射系统的投入、退出

环境温度高于5 ℃，机组负荷90%以上运行且处于BPCSO、EXCSO 温控方式条件下，热值设定在4 380～4 500 kJ/km3，可以随时投入水喷射系统，以满足机组提高负荷的需求。

当机组处于90%负荷以下运行时，由于机组仍自动提升负荷，不需要水喷射系统的投入。当机组由于水喷射运行异常、空压机喘振报警且负荷小于90%时，或排烟温度偏差＞7 ℃，水喷射系统会自动退出，但机组可以正常运行。五个选项有一项不满足，水喷射系统就会退出。

3.2.3 喷水量的调整及保护

由于燃烧过程中机组受燃料波动影响，排烟温度会随之微量波动。为防止由于燃烧波动引发燃气轮机灭火，在DCS （分散控制系统）水喷射控制系统中，每20 min 调整1 次喷水量，每次调整0.6 t/h。通过空气压缩机排气壳体上的压力，计算理论排烟温度与燃气轮机出口烟道上的实际排烟温度，并进行比较，如果差值大于1 ℃，则减少喷水量，小于-1 ℃则增加喷水量。调整范围为4～8 t/h。

由于热值变化较大，喷水可能造成燃气轮机异常灭火，因此设置了水喷射系统保护装置，运行时要锁定机组热值区间，超限时自动停止水喷射系统的运行。

3.2.4 煤气与空气温度变化对水喷射系统的影响

煤气温度达到42 ℃以上水喷射系统运行时，由于煤气密度降低，同负荷下机组煤气量增加，使得煤压机导叶开度增加，机组CSO 输出值增加，机组难以进入温控模式，多处于GVCSO 或LDCSO控制模式。随着煤气温度继续升高，排烟温度差值＞7 ℃后，容易发生水喷射系统退出现象。煤气温度25～40 ℃，空气温度13～16 ℃时，煤气温度影响水喷射效果，且喷水量多维持在8 t/h 稳定运行；空气温度17～27 ℃时，喷水量调整比较频繁，最低喷水量减至5.6 t/h；空气温度28～32 ℃时，水喷射系统退出。

3.2.5 水喷射系统的应用效果

选取空压机入口温度25 ℃，煤气温度低于35 ℃时进行水喷射试验，表4 为水喷射系统投入、退出情况下参数对比。如表4 所示，投运水喷射系统后，高炉煤气增加1 万m3/h，焦炉煤气量增加800 m3/h，负荷提升明显，较未投运时提升5 MW。

表4 水喷射系统投入、退出情况下的参数对比Table 4 Comparison of Parameters before and after Using Water Injection System

3.3 应用空气冷却器

3.3.1 空气冷却器的功能

由于夏季环境温度升高，空气密度降低，进入空压机的空气质量降低，压比降低，燃气轮机负荷降低，燃烧温度升高，排气温度提高，使机组控制系统提前进入排烟温度控制，影响机组负荷。所以利用空气冷却器对空压机入口空气降温，降低煤气燃烧温度，提高机组负荷。

3.3.2 空气冷却方式的选择

空气冷却方式主要包括直接冷却和间接冷却。直接冷却投资小，但负荷增加绝对值小。间接冷却增加负荷较大，但初始投资大、维护成本高。根据鲅鱼圈的实际情况，采用间接冷却方式，利用现有厂区工业水对CCPP 机组入口空气进行降温，既利用了水资源，又节约了建设及铺设水管线的成本，实现发电负荷增加绝对值的最大化。厂区工业水总供水量为6 万m3，完全满足冷却水量的要求，而且原有的工业水对入口空气冷却后，再送入工业水回水管道，温度增加2～3 ℃，对整体工业水温度影响较小。同时修改机组DCS 控制系统逻辑，通过增加空压机IGV 开度改变夏季机组负荷控制限制条件，最大限度的降低空气阻力，使空压机入口空气阻力不大于194 Pa。空气冷却器使空压机入口温度在夏季达到23 ℃以下，降低环境因素对机组负荷的干扰。

3.3.3 空气冷却器的效果

空压机入口温度为15 ℃时投入入口空气冷却器。根据其凝结水情况和空气压缩机入口压力情况调整水量，空压机入口压力低于-3.3 kPa 时，减少冷却水量以保证入口压力的稳定，直至冷却水量减到300 t/h。空压机入口压力低于-3.6 kPa 时停止给水泵站冷却水泵（入口挡板门在-3.8 kPa 开启）。当空气湿度大导致冷却器结露，空气过滤器压差上升时，根据结露情况调整冷却水量最低至400 t/h。

图3 为不同环境温度下空气冷却器冷却效果。由图3 可见，环境温度越高，空气冷却器的冷却效果越好。空气冷却器投运后，以空压机入口温度平均值由28 ℃降至21 ℃为例，负荷由144 MW 提高到150 MW，提高了约4%。