燃气—蒸汽联合循环（CCPP）发电技术的研究与应用
2014-10-09 19:59 来源：钢联资讯 作者：徐迎超
1 技术研发背景
燃气-蒸汽联合循环(Combined Cycle Power Plant)发电机组，简称CCPP。燃气轮机是从飞机喷气式发动机的技术演变而来的，它通过压气机涡轮将空气压缩，高压空气在燃烧室与燃料混合燃烧，使空气急剧膨胀做功，推动动力涡轮旋转做功驱动发电机发电。燃气轮机自身的发电效率不算很高，一般在30%-35%，但是其产生的废热烟气温度高达450-550℃，可以通过余热锅炉再次回收热能转换成蒸汽，驱动蒸汽轮机再发一次电，从而形成燃气轮机—蒸汽轮机联合循环发电，发电效率可以达到58%-60%，一些大型机组甚至可以超过60%。因为燃气轮机为旋转持续做功，可以利用热值比较低的燃料气体，同时，还具有开、停机快，运行负荷调节幅度大、速度快等特点，该技术在钢铁行业中得到快速应用，用于回收其高炉、焦炉生产过程中产生的大量气体燃料副产品（高炉煤气、焦炉煤气）进行发电，提高了发电效率，又能很好地满足钢铁企业煤气动态平衡的需要，减少放散。
CCPP中的锅炉和汽机都可以外供蒸汽，联合循环可以灵活组成热电联产工厂。在CCPP系统中有一个煤气压缩机(GC)单元，特别在低热值煤气发电中，煤气压缩机比较大。众所周知，余热锅炉加蒸汽轮机发电是常规技术，CCPP的技术核心是燃气轮机，燃气轮机一般是透平空压机、燃烧器与燃气透平机组合的总称。电力工业采用的CCPP常用天然气、重油等高热值燃料，钢铁厂CCPP以燃高炉煤气为主，有的工厂有可能掺入少量焦炉煤气，用于发电的煤气热值(800-1350)×4.18kJ/m3，只是天然气的1/10-1/6。低热值煤气燃烧不易稳定，煤气体积庞大，煤气压缩功增加，增加了低热值CCPP技术的难度。
低热值煤气的燃烧技术主要有两种技术流派: 一种是采用单筒燃烧器的燃气轮机，使用的煤气热值可在800×4.18kJ/m3左右, 如ABB、新比隆公司的产品；另外一种是多筒燃烧器的燃机，多用于煤气化联合循环发电(IGCC)，煤气热值1334×4.18kJ/m3，煤气H2含量10%左右，如GE公司与三菱公司的产品，通钢、马钢采用了这种机组。
CCPP从设备布置方面分为两种：一种为单轴布置，即煤气压缩机、汽轮机、发电机、燃气轮机在同一轴上，单轴布置工作效率高，布置紧凑，占地面积小；另一种为双轴布置，即煤气压缩机、燃气轮机、发电机共轴，蒸汽轮机、发电机共轴，这种设备布置方式需要2台发电机，分轴布置工作效率较低，占地大，但可以分开建设。
2 CCPP技术在迁钢工程中的应用
随着首钢迁钢公司4000m3高炉及配套设施的建设，在钢铁厂生产时产生大量的高炉煤气和焦炉煤气，进行煤气平衡后，高炉煤气富余26万m3/h（低位热值为3050kJ/Nm3），焦炉煤气富余3.0万m3/h（低位热值为16410 kJ/Nm3）。为响应国家节能减排，低碳生产的政策号召，同时提高经济效益，这部分能源必须充分利用。
目前国内对高炉煤气的利用方式主要有两种：一种是以高炉煤气作为锅炉燃料，产生蒸汽来驱动汽轮机发电，其热效率只能达25 %左右；另一种是建燃气－蒸汽联合循环电站（简称CCPP），这项技术目前在国内大型钢厂中均已采用，其主要优点如下：
1）供电效率远远超过燃煤的蒸汽轮机电站；
2）运行高度自动化，每天都能启停；
3）单位投资低；
4）占地少，用水少；
5）建厂周期短，且可分期投产，一年内可发电运行；
6）运行的可用率高达85%-95%；
7）燃气—蒸汽联合循环发电机组在空负荷到满负荷范围内可连续运行，因此很容易适应高炉煤气的变化等优点。
首钢迁钢公司为更大地提高高炉煤气和焦炉煤气的利用率，降低钢厂运行成本，决定建1套150 MW燃气－蒸汽联合循环发电机组。
3 CCPP发电机组的选择及工艺流程设计
迁钢工程CCPP电站一次建成，而且根据《火力发电厂设计技术规程》规定，当采用联合循环机组，且燃机与蒸汽轮机同期建设时，宜优先采用同轴布置方式。所以本工程采用日本三菱重工公司生产的M701S（DA）型单轴布置机组，CCPP发电机组主要设备为：M701S(DA)型燃气轮机（含空气压缩机）、154MW燃气轮机和蒸汽轮机的发电机、蒸汽轮机，杭锅生产的余热锅炉、煤气压缩机、煤气电除尘器、煤气冷却器。
日本三菱重工公司的CCPP发电机组工艺主要系统为：煤气系统、烟气系统、空气系统及蒸汽系统。
3.1煤气系统
高炉煤气和焦炉煤气在煤气混合器中混合，混合热值达到4187-4605 kJ/ Nm3,以保证燃气轮机的稳定燃烧。煤气混合后进入电除尘器，含有灰尘的煤气通过静电除尘器，悬浮在煤气中的灰尘和液体颗粒带上电荷并在强电场的作用下向集电极移动，使煤气含尘量降至1mg/m3以下，满足煤气压缩机入口含尘浓度的要求，并经过煤气管道进入煤气压缩机。高温高压煤气经煤气管道进入燃气轮机，煤气与空气混合在燃气轮机中燃烧，燃烧后的高压高温烟气推动叶轮驱动发动机发电。
为保护燃气轮机和煤气压缩机叶片，在压缩机高压侧、中压侧和低压侧设有回气管，回流煤气经过煤气冷却器降温和减压后返回电除尘器入口。
燃气轮机在部分负荷运行，或甩负荷，或燃气轮机跳闸时，煤气压缩机出口的高压煤气通过旁通阀组，进入煤气冷却器降温、减压后返回电除尘器入口，返回管网。
3.2烟气系统
燃气轮机燃烧完排出的500-600℃的高温烟气，通过省煤器、蒸发器、过热器将锅炉中的高压水和低压水加热成高温高压蒸汽和低压蒸汽。这个过程属于常规的余热回收利用。
3.3空气系统
燃气轮机为单循环、单轴和重负载型。燃气轮机主要包括轴流型压缩机、多筒型燃烧室及轴流式燃机。安装在一个基础底板上，机壳为水平剖分式。空气压缩机转子和燃机转子联接在一根轴上。空气压缩机是通过燃机的转动将过滤后的压缩空气送入燃烧室，与煤气混合燃烧。空气压缩机产生的大部分压缩空气与煤气混合燃烧，小部分压缩空气经过滤器，由凝结水冷却对燃气轮机叶片进行冷却，防止燃气轮机叶片温度超过其材料允许的温度。
3.4蒸汽系统
余热锅炉送出两种参数蒸汽，一种为压力7.39MPa，温度543℃的高压蒸汽，另一种为压力0.81MPa，温度265℃的低压蒸汽。由余热锅炉高压过热器送出的高压蒸汽出口通过管道送至汽轮机高压蒸汽入口，高压蒸汽管道在与汽轮机入口前装有电动主汽阀，并装有高压蒸汽调节阀，用来调节汽轮机负荷。由余热锅炉低压过热器送出的低压蒸汽通过管道送至汽轮机低压蒸汽入口，低压蒸汽通过管道在与汽轮机入口前装有电动主汽阀，并装有低压蒸汽调节阀，用来调节汽轮机负荷。蒸汽进入汽轮机后推动汽轮机叶片做功，通过汽轮机最后级的蒸汽做功后排入凝汽器冷却，排汽在恒压下被冷却，比容很大的蒸汽冷凝成水，经抽气器作用，在汽轮机排汽口和凝汽器蒸汽空间形成真空，冷却水带走蒸汽冷凝放出的热量，将蒸汽凝结为水。
当汽轮机启动、停机、负荷变化时，主蒸汽系统设有旁路装置。余热锅炉送出的高压蒸汽及低压蒸汽全部由主蒸汽旁路管直接排入凝汽器冷却变为凝结水。旁路装置通过减温减压阀，将主蒸汽的温度和压力降低后进入凝汽器。减温所用冷却水分别由高压给水泵及低压给水泵供给。
4 首钢国际工程公司在CCPP工程中采用的先进技术
4.1 煤气混合技术
高炉煤气和焦炉煤气在煤气混合器中混合，混合热值达到4187-4605 kJ/ Nm3,以保证燃气轮机的稳定燃烧。
4.2 三压余热锅炉技术
余热锅炉回收燃气轮机排气余热，产生蒸汽推动汽轮机发电。余热锅炉是由除氧器、高压汽包、低压汽包、省煤器、蒸发器、过热器以及集箱等换热管簇和容器组成，构成由水变过热蒸汽的三个阶段，即水的加热、饱和水的蒸发、饱和蒸汽的过热。烟气进口温度为500-600 ℃。余热锅炉采用三压、自然循环、受热面布置方式为卧式。三压余热锅炉的选用，解决蒸汽轮机进汽参数要求高的问题。
4.3 环形真空泵和真空破坏阀技术
在余热发电和小型发电站中，多采用射水抽气器来维持凝汽器的真空状态；
在发电机组停机时采用电动阀破坏凝汽器的真空状态。射水抽气系统主要设备包括射水泵、射水箱、射水器，整套系统设备占地面积大，制造凝汽器真空状态所需时间长，环形真空泵占地面积小，建立凝汽器真空较快。真空破坏阀是在DCS系统中进行连锁的一个阀门，可以快速执行任何状态下的破真空命令。
4.4 管型离相封闭母线技术
110kV系统中采用了185MVA的大容量变压器，大容量变压器直接给电流传输带来困难。采用管型离相封闭母线技术既可以满足额定电流等技术方面的要求，又符合整个工程美观、节省占地的要求。
4.5 快速切换技术
厂用电系统在10kV与380V首次全面采用快速切换装置，确保了厂用电的可靠性与安全性。
4.6 变压器消防排油注氮技术
变压器消防采用排油注氮技术，确保电气消防的高水准、高安全性。
4.7 CO2消防技术
灭火剂（CO2）液态储存在高压钢瓶内，所需数量的CO2钢瓶集中在钢架内。火灾时，通过从引导控制钢瓶的引导控制气到延迟设施，钢瓶电池自动释放，灭火剂从主体流到保护区域的分配管。CO2火防护系统配备燃机罩壳和煤压机罩壳防护。
4.8 闭式循环冷却水技术
闭式循环冷却水系统由闭式循环水泵、定压罐、闭式循环冷却水冷却器等设备组成，闭式循环冷却水系统为CCPP发电机组的油冷却器、发电机冷却器、真空泵冷却器和锅炉给水泵的轴承冷却提供冷媒。闭式循环冷却水补充水为除盐水，避免了各设备所带换热器结垢和拥堵。闭式循环冷却水技术需要补充水量少。
4.9 循环冷却水增压技术
循环冷却水的主要用户为凝汽器冷却，凝汽器冷却所需水量大，其它用户所需循环冷却水量较小，这样存在大水量用户和小水量用户不匹配问题。针对小水量用户集中采用循环冷却水增压技术，可以解决大小水量用户的匹配问题。
4.10 水源热泵技术
CCPP发电机组的综合楼冬季采暖和夏季空调采用水源热泵机组，水源热泵技术通过少量高位电能输入，实现了循环冷却水中低位热能向高位热能转移。
4.11 凝汽器中旁路节流减压技术
CCPP发电机组采用高低压主蒸汽旁路技术，解决了机组在启停时蒸汽放散和凝结水回收，高低压主蒸汽在机组启停时经高低压主蒸汽旁路进入凝汽器，经循环冷却水冷却后回收凝结水。高压主蒸汽经一级减压和减温后，蒸汽压力仍然高于凝汽器负压状态，所以在凝汽器中需要设置二级减压和减温，采用凝汽器旁路节流减压技术，解决了高压主蒸汽减压、减温难的问题。
5 迁钢CCPP发电机组投产及经济效益
经过18个月的施工安装，首钢迁钢燃气—蒸汽联合循环发电机组在2011年2月9日顺利完成了满出力168h的运行试验。2011年2月26日正式投产，满负荷发电量为150MW。
150MW燃气—蒸汽联合循环发电机组总投资9.02亿元人民币，机组运行经济技术指标见表1。从表1可知，燃气—蒸汽联合循环发电机组年回收高炉煤气17.44亿m3，年回收焦炉煤气1.95亿m3，年发电量为10.57亿度，年利润约3.08亿元。发电站投资三年即可回收投资成本，经济效益可观。
表1 CCPP发电机组主要经济技术指标
|
序号
|
项 目
|
数 值
|
单价（元）
|
总价（万元）
|
备注
|
|
1
|
150MW燃气轮机组/套
|
1
|
|
|
|
|
2
|
年发电量/kWh
|
10.57×108
|
0.5
|
52850
|
|
|
3
|
年高炉煤气耗量/Nm3
|
17.44 ×108
|
0.057
|
9940.8
|
|
|
4
|
年焦炉煤气耗量/Nm3
|
1.953×108
|
0.531
|
10370.43
|
|
|
5
|
年除盐水耗量/t
|
6.3×104
|
6
|
37.8
|
|
|
6
|
年消耗水量/t
|
2.22×106
|
3
|
666
|
|
|
7
|
年自耗电量/ kWh
|
11.9×106
|
0.5
|
595
|
|
|
8
|
年压缩空气耗量/Nm3
|
8.4×106
|
0.068
|
57.12
|
|
|
9
|
年氮气耗量/Nm3
|
0.35×106
|
0.08
|
2.8
|
|
|
10
|
启动蒸汽耗量(2MPa(g))/t
|
40
|
120
|
|
机组启动时用
|
|
11
|
年管道吹扫蒸汽(0.5MPa(g))/t
|
2.1×104
|
100
|
210
|
|
|
12
|
定员/人
|
25
|
50000
|
125
|
年工资
|
|
13
|
年工作小时/h
|
7000
|
|
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|
（注：表中单价仅供参考）
6 结语
首钢国际工程公司设计的迁钢燃气—蒸汽联合循环发电投产后，每年为国家节省标准煤36.75万t，其发电能耗为0.292kg标准煤/kWh，效率达到45.5%。至此迁钢公司自备发电量占总用电量的50%以上，不仅降低了吨钢成本，提高公司的经济效益和竞争力，还使公司煤气达到零排放。CCPP的成功并网发电，标志着首钢迁钢在节能环保和发电行业上走在世界前列，实现了打造绿色钢厂的愿望。首钢国际工程公司技术团队将继续秉承“提升钢铁工业品质，引领绿色钢铁未来”的理念，竭诚为行业和广大客户服务，共同建设美丽中国。
（撰稿人 徐迎超）
