三菱M701S(DA)X型燃機在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王 濤 馮 冉 梁占林 谷延良 張庭鈺 王鐵民

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司能源與環(huán)境部 )

鋼鐵生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大量的高爐煤氣(BFG)和焦?fàn)t煤氣(COG)，其中高爐煤氣量大，熱值低，屬于劣質(zhì)燃料，主要用于熱風(fēng)爐加熱；焦?fàn)t煤氣量小，熱值高，屬于優(yōu)質(zhì)燃料，經(jīng)精制凈化后用于冷軋等工藝生產(chǎn)。鑒于上述特點，鋼鐵企業(yè)普遍存在高爐煤氣相對富裕、焦?fàn)t煤氣剛剛夠用甚至短缺的局面。在雙碳背景下，將低品質(zhì)的高爐煤氣高效利用，提高能源利用效率是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必須。

首鋼京唐公司在全國鋼鐵行業(yè)能源系統(tǒng)始終走在前列，2019年12月，其成功投產(chǎn)國內(nèi)首臺以三菱公司M701S(DA)X型燃機為主的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，經(jīng)第三方權(quán)威機構(gòu)測試，其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率達到48.5%。2020年，全年運行8 435 h，居于行業(yè)先進水平。

1 設(shè)備情況

三菱M701S(DA)X燃機在M701S(DA)基礎(chǔ)上，對煤氣壓縮機、空氣壓縮機及燃燒器進行了相關(guān)改進。改進型機組的所有備件可以在原機型上使用，但原機型上部分備件無法應(yīng)用到改進型機組，即“向下兼容”。M701S(DA)X與M701S(DA)設(shè)備兼容對比見表1。

2 運行實績

2.1 低熱值運行

隨著高爐爐況波動，高爐煤氣質(zhì)量有所波動，尤其在高爐休風(fēng)和復(fù)風(fēng)過程中，其熱值和壓力波動尤為明顯。雖然燃機熱值設(shè)定在標(biāo)準(zhǔn)混合熱值4 396 kJ/m3運行，但瞬間高爐煤氣熱值急劇降低，焦?fàn)t煤氣量無法快速補充，混合煤氣熱值將下降至3 700 kJ/m3。前期鋼鐵企業(yè)采用的MS-251S及M701S(DA)燃機機型，均不具備低熱值(<3 500 kJ/m3)燃燒功能，熱值急劇降低后將引發(fā)停機。

M701S(DA)X機型則增加了燃機的低熱值燃燒功能，燃氣熱值最低可降至3 176 kJ/m3，極大緩解了煤氣熱值突降造成的停機事故。燃氣低熱值和燃機負荷關(guān)系試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 燃氣低熱值和燃機負荷關(guān)系試驗結(jié)果

從圖1中可以看出，CCPP機組在0%～100%負荷下，煤氣熱值最低為3 500 kJ/m3(純高爐煤氣工況)仍可穩(wěn)定運行；在25%～75%負荷下，燃機負荷受熱值變化的影響很??；在100%負荷下，燃機負荷隨熱值升高而增大。

2.2 壓力波動適應(yīng)性

M701S(DA)X燃機設(shè)計高爐煤氣正常供應(yīng)壓力為8 kPa，最高壓力為11 kPa，最小供應(yīng)壓力為5 kPa。某日由于高爐休風(fēng)故障導(dǎo)致煤氣壓力突變，50 s內(nèi)煤壓機入口壓力由9 kPa突升至16 kPa隨后又降至9 kPa，燃機負荷基本平穩(wěn)，未發(fā)生快減負荷情況。

3 技術(shù)經(jīng)濟研究

首鋼京唐公司采用以M701S(DA)X型燃機為核心的聯(lián)合循環(huán)機組，機組采用分軸布置方式，機組配置詳見表2。其中，汽輪機設(shè)備不設(shè)置凝汽器，設(shè)計為高背壓模式，背壓參數(shù)為0.03～0.035 MPa、69～72 ℃；海水淡化裝置采用熱法工藝，設(shè)計產(chǎn)量35 000 t/d，汽輪機乏汽直接在海水淡化裝置中放熱冷凝后，返回余熱鍋爐循環(huán)利用，從而形成一套與傳統(tǒng)凝汽式發(fā)電系統(tǒng)不同的新工藝系統(tǒng)，屬世界首創(chuàng)。聯(lián)合循環(huán)機組與低溫多效海水淡化裝置系統(tǒng)見圖2。

圖2 聯(lián)合循環(huán)機組與低溫多效海水淡化裝置系統(tǒng)

表2 系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

3.1 海水淡化裝置替代凝汽器的經(jīng)濟性

熱法海水淡化裝置使用的是汽輪機乏汽，乏汽壓力0.030～0.035 MPa，溫度69～72 ℃。純凝汽式發(fā)電機組的汽輪機排汽參數(shù)為0.005 4 MPa、34.6 ℃，后者參數(shù)低于前者，相應(yīng)的排汽焓值也低于前者，說明汽輪機后置海水淡化后，機組的發(fā)電量將會降低，即每噸乏汽的價格就等于減少的發(fā)電量價格。

降低的發(fā)電量：

處于沿海地區(qū)的鋼鐵企業(yè)，如外購地表新水[1]，價格約4.8元/t，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)TDS≤5 000×10-6，如果處理成與熱法海水淡化水質(zhì)相同，需增加處理費用3元左右，兩者相比采用汽輪機乏汽進行熱法海水淡化生產(chǎn)，成本更低(表3)，是技術(shù)經(jīng)濟最優(yōu)的工藝路線。

表3 熱法海水淡化的全成本分析[2] 元/t

3.2 系統(tǒng)熱效率

提高系統(tǒng)的熱利用效率是節(jié)能減排的重要措施，對于純凝汽式聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，由于凝汽器的冷源損失，整個系統(tǒng)的熱利用效率無法得到較大提高，超超臨界機組最高也只能達到56%左右，加入熱法海水淡化裝置后，系統(tǒng)可以有效回收凝汽器的冷源損失，大幅度提高系統(tǒng)熱效率。

3.3 發(fā)電效率

發(fā)電效率的測定往往以純凝工況為基準(zhǔn)，該系統(tǒng)由于對接了熱法海水淡化裝置而與純凝工況不一致，為保證測算口徑統(tǒng)一，按3.1中損失的發(fā)電量折算至純凝工況(與具備資質(zhì)的電科院共同測定)并于同類型機組相比較，見表4。

表4 M701S(DA)X和M701S(DA)經(jīng)濟指標(biāo)比較

4 結(jié)論

從設(shè)備運行穩(wěn)定性、對極低熱值煤氣的適應(yīng)

性及發(fā)電熱耗率等方面考量，M701SDA(X)機組比M701SDA機組更據(jù)優(yōu)勢。同時也驗證了采用分軸布置方式的M701SDA(X)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組與低溫多效海水裝置具有很好的協(xié)調(diào)性，聯(lián)合循環(huán)效率高達87.2%，是沿海鋼鐵企業(yè)降低企業(yè)能耗解決淡水需求和電力供應(yīng)的好方法。