低熱值煤氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組蒸汽旁路的應(yīng)用研究

龐 森，麻藝煒，谷延良，王 濤，徐迎超

（1.北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，北京 100043；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)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(jù)首鋼京唐公司建設(shè)規(guī)模，對(duì)全廠煤氣、蒸汽、電力和水進(jìn)行平衡后，建設(shè)的燃熱電水一體化裝備（CCPP機(jī)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?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電工程，燃?xì)廨啓C(jī)采用某公司生產(chǎn)的低熱值燃料燃?xì)廨啓C(jī)，機(jī)組型號(hào)：M701S（DA）X，為M701S（DA）的改進(jìn)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(jī)，一套軸流式煤氣壓縮機(jī)及一套發(fā)電機(jī)。余熱鍋爐采用臥式雙壓自然循環(huán)形式，高壓蒸汽壓力9.91 MPa，溫度503 ℃，流量214 t/h；低參數(shù)蒸汽壓力1.1 MPa，溫度232 ℃，流量37 t/h。蒸汽輪機(jī)采用額定功率60 MW 的全周進(jìn)汽快速啟動(dòng)型補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)，排汽壓力35 kPa，排汽溫度75 ℃；工程配套建設(shè)3.5 萬(wàn)t/d 熱法海水淡化系統(tǒng)，利用汽輪機(jī)的排汽余熱進(jìn)行海水淡化。京唐二期150 MW CCPP和海水淡化工程保證了廠區(qū)電力和淡化水供應(yīng)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(chǎn)量，降低海水淡化水成本。

2 低熱值煤氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組帶海水淡化裝置系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.1 采用低熱值燃?xì)廨啓C(jī)

低熱值煤氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)、煤壓機(jī)、空壓機(jī)和發(fā)電機(jī)同軸布置，汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)分軸布置，在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，燃?xì)廨啓C(jī)帶動(dòng)煤壓機(jī)和空壓機(jī)旋轉(zhuǎn)，煤壓機(jī)和空壓機(jī)消耗了大量的軸功率。在氣輪機(jī)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前，燃?xì)廨啓C(jī)消耗大量的煤氣，產(chǎn)生的軸功率幾乎全部用于煤壓機(jī)和空壓機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)的排煙進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量，經(jīng)測(cè)算大概是30% 的額定負(fù)荷蒸汽量。見(jiàn)表1。

表1 燃機(jī)啟動(dòng)時(shí)負(fù)荷與余熱鍋爐蒸發(fā)量對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 鍋爐為雙壓自除氧形式

與常規(guī)帶一次再熱系統(tǒng)的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠不同，首鋼京唐公司二期CCPP 項(xiàng)目余熱鍋爐采用臥式雙壓自然循環(huán)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(jī)組為提高機(jī)組的熱利用率，余熱鍋爐采用雙壓自除氧形式，汽輪機(jī)后置海水淡化裝置，汽輪機(jī)排汽壓力35 kPa，排汽溫度75 ℃。海水淡化裝置要求的進(jìn)汽溫度不能超過(guò)75 ℃；汽輪機(jī)排汽裝置的抽真空設(shè)備設(shè)置在后置的海水淡化裝置上，正常運(yùn)行時(shí)由海水淡化裝置控制汽輪機(jī)的真空。當(dāng)海水淡化裝置進(jìn)汽超溫后會(huì)導(dǎo)致海水側(cè)結(jié)垢，堵管和應(yīng)力超限導(dǎo)致泄漏真空。所以必須控制進(jìn)入海水淡化裝置的蒸汽溫度不超溫。

在項(xiàng)目建設(shè)初期只在鍋爐出口高低壓集汽集箱上和汽機(jī)進(jìn)汽主蒸汽閥前的管道上各設(shè)置一處對(duì)空放散，以滿足汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)冷熱態(tài)啟動(dòng)使用。使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，蒸汽放散量大、噪音大、鍋爐補(bǔ)水瞬時(shí)量大，浪費(fèi)大量的除鹽水，不經(jīng)濟(jì)。

3 CCPP旁路系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)置方式

主蒸汽旁路系統(tǒng)是低熱值煤氣-蒸汽聯(lián)合機(jī)組的重要組成部分，它決定了機(jī)組能否安全可靠高效運(yùn)行和啟停，是整個(gè)機(jī)組主體設(shè)備的重要安全保障。因此，對(duì)于燃?xì)怆姀S而言，旁路系統(tǒng)的重要地位不言而喻。低熱值煤氣-蒸汽聯(lián)合機(jī)組冷熱態(tài)起動(dòng)初期，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽尚未達(dá)到汽輪機(jī)的啟動(dòng)條件，此時(shí)主蒸汽經(jīng)旁路系統(tǒng)減溫減壓至排汽裝置，以汽輪機(jī)配合燃?xì)廨啓C(jī)快速啟動(dòng)。當(dāng)汽輪機(jī)出現(xiàn)甩負(fù)荷時(shí)，主蒸汽旁路系統(tǒng)可使主蒸汽減溫減壓至排汽裝置，以配合燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐的快速降負(fù)荷，以防止余熱鍋爐主蒸汽系統(tǒng)超壓[1]。

在常規(guī)帶一次再熱系統(tǒng)的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠中，主蒸汽旁路系統(tǒng)是指與汽輪機(jī)并聯(lián)所形成的減溫減壓系統(tǒng)。其主要功能是將余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽排至再熱冷段或排汽裝置，而不經(jīng)過(guò)蒸汽輪機(jī)做功。旁路系統(tǒng)根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同主要包含蒸汽旁路閥門、旁路閥門控制系統(tǒng)、旁路噴水減溫系統(tǒng)等。為適應(yīng)機(jī)組頻繁的啟停，將汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)分成高壓、中壓和低壓旁路系統(tǒng)，其容量均為100% 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐最大產(chǎn)汽量。

機(jī)組的高壓旁路系統(tǒng)從高壓主蒸汽管路接出經(jīng)高壓旁路閥減壓減溫后，接至再熱冷段管路；中壓旁路系統(tǒng)從再熱熱段管路接出，經(jīng)中壓旁路閥減溫減壓后接至凝汽器；低壓旁路系統(tǒng)從低壓主蒸汽管路接出，經(jīng)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(shè)置的探討

余熱鍋爐為雙壓自除氧形式，生產(chǎn)2 種參數(shù)的蒸汽，汽輪機(jī)為補(bǔ)汽凝汽式，主蒸汽設(shè)置旁路的同時(shí)，低壓主蒸汽也應(yīng)該設(shè)置旁路，整個(gè)系統(tǒng)旁路的設(shè)置有兩種方式。

4.1 高低壓主蒸汽旁路的串聯(lián)形式

串并聯(lián)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(jīng)過(guò)二級(jí)旁路再進(jìn)入設(shè)置在排汽裝置上的三級(jí)減溫減壓器，經(jīng)進(jìn)一步的減壓和減溫后送入海水淡化裝置。見(jiàn)圖1。

圖1 串聯(lián)方式的旁路設(shè)置

優(yōu)點(diǎn)是可以減少一個(gè)二級(jí)旁路，造價(jià)低廉。

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

4.2 高低壓主蒸汽旁路的串并聯(lián)混合方式

采用高低壓主蒸汽串并聯(lián)混合方式的旁路的方法，增加一個(gè)低壓旁路，同時(shí)在排汽管道上設(shè)置4級(jí)減溫水，以防止超溫對(duì)海水淡化裝置造成影響。正常運(yùn)行時(shí)，高壓主蒸汽通過(guò)高壓旁路減溫減壓到一定壓力后，與經(jīng)過(guò)獨(dú)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(jīng)過(guò)二級(jí)旁路再次減溫減壓后送入設(shè)置在排汽裝置上的3級(jí)減溫減壓器。見(jiàn)圖2。

圖2 串并聯(lián)混合方式的旁路設(shè)置

優(yōu)點(diǎn)是可以減少高壓主蒸汽對(duì)低壓主蒸汽的影響，做到調(diào)節(jié)靈活、準(zhǔn)確，同時(shí)設(shè)置在排汽管道上的四級(jí)減溫水可以充分地防止進(jìn)入排汽裝置的蒸汽超溫，從而保護(hù)海水淡化裝置。

缺點(diǎn)是造價(jià)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(jì)算

傳統(tǒng)的CCPP 機(jī)組旁路設(shè)置一般都是100%旁路，在實(shí)際運(yùn)行中，冷態(tài)啟動(dòng)鍋爐負(fù)荷較小時(shí)，旁路閥后蒸汽壓力較難控制，而火電機(jī)組的旁路設(shè)置一般為30%～40%機(jī)組額定蒸發(fā)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(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組上就不太合適。在熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，燃機(jī)的負(fù)荷在30%～40%，余熱鍋爐的蒸發(fā)量為180 t/h，余熱鍋爐額定蒸發(fā)量為220 t/h，如果使低熱值煤氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組能給正常熱態(tài)啟動(dòng)，旁路裝置的設(shè)置應(yīng)為80%鍋爐額定蒸發(fā)量為宜[3]。

5 結(jié)論

低熱值煤氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組帶海水淡化裝置系統(tǒng)有其特殊的特點(diǎn)，為配合CCPP 機(jī)組的冷態(tài)和熱態(tài)啟機(jī)，必須設(shè)置主蒸汽旁路，同時(shí)又必須保護(hù)后置海水淡化裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)主蒸汽旁路系統(tǒng)可以收集凝結(jié)水，減少水資源浪費(fèi)、減少?gòu)S區(qū)噪音，同時(shí)保護(hù)發(fā)電設(shè)備安全運(yùn)行。設(shè)置旁路系統(tǒng)后，可避免停機(jī)后余熱鍋爐蒸汽直接排放所產(chǎn)生的浪費(fèi)。

另外設(shè)置汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)后，可實(shí)現(xiàn)余熱發(fā)電系統(tǒng)和旁路系統(tǒng)之間的快捷切換，優(yōu)化余熱機(jī)組的應(yīng)急預(yù)案，增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的靈活性與可靠性。汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的工藝流程清晰，安全性高。