探討提升煤氣發(fā)電熱效率的措施

賀泓銘

(重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶 401122)

傳統(tǒng)鋼鐵廠能源消耗巨大，節(jié)能措施對(duì)企業(yè)效益影響深遠(yuǎn)。高爐煤氣是高爐煉鐵生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品之一，其主要的可燃燒成分為一氧化碳[1]。該煤氣除供應(yīng)煉鐵熱風(fēng)爐和軋鋼加熱爐用之外，還存在部分富余煤氣可回收利用?；厥绽檬Ｓ嗟拿簹?，輸送至自備電廠轉(zhuǎn)換成電能，對(duì)鋼鐵企業(yè)的能耗和經(jīng)濟(jì)效益影響深遠(yuǎn)。

1 現(xiàn)階段常見煤氣發(fā)電模式

目前，鋼鐵廠主要存在兩種煤氣發(fā)電方式，一種是煤氣鍋爐+蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，另一種為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組+三壓余熱鍋爐+蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電模式，即CCPP。

1.1 燃?xì)忮仩t+蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組

大多數(shù)鋼鐵企業(yè)為全燒高爐煤氣或者轉(zhuǎn)爐煤氣+高爐煤氣混合氣模式，配置高溫超高壓或者超高溫超高壓中間一次再熱發(fā)電機(jī)組。高爐煤氣在鍋爐中燃燒生成高溫?zé)煔饨?jīng)換熱后產(chǎn)生的過熱蒸汽經(jīng)管道輸送至蒸汽輪機(jī)高壓缸、低壓缸進(jìn)行做功，然后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。此外還可以配置背壓式汽輪機(jī)或者是抽凝式汽輪機(jī)，利用蒸汽輪機(jī)低壓缸的排汽或抽汽供應(yīng)工業(yè)蒸汽或采暖蒸汽，提高其熱效率。如圖1所示。

1-汽輪機(jī) 2-凝汽器 3-凝結(jié)水泵 4、5-低壓加熱器 6-除氧器 7-給水泵 8、9-高壓加熱器 10-鍋爐

1.2 CCPP機(jī)組

鋼鐵廠的燃汽輪機(jī)以純燒高爐煤氣為主，主要設(shè)備有燃?xì)廨啓C(jī)+發(fā)電機(jī)組、三壓余熱鍋爐配置純凝或背壓式蒸汽輪機(jī)+發(fā)電機(jī)組，大多數(shù)為多軸布置。其工藝流程為：冷空氣經(jīng)進(jìn)氣管道進(jìn)入壓氣機(jī)室，壓縮后的空氣進(jìn)入燃燒室與噴入的高爐煤氣混合后燃燒。高爐煤氣燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入透平機(jī)膨脹做功，同時(shí)煙氣的熱能在透平機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，推動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。做功后的剩余煙氣經(jīng)煙道進(jìn)入三壓余熱鍋爐，在鍋爐內(nèi)換熱產(chǎn)生的過熱蒸汽進(jìn)入蒸汽輪機(jī)推動(dòng)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)，把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔躘2]。如圖2所示。

1-壓氣機(jī) 2-燃燒室 3-渦輪 4-燃?xì)獍l(fā)電機(jī) 5-三壓余熱鍋爐 6-汽輪機(jī) 7-汽機(jī)發(fā)電機(jī) 8-凝汽器 9-低壓水泵 10-凝結(jié)水加熱器 11-除氧器 12-高壓給水泵

2 煤氣發(fā)電目前存在的問題

高爐煤氣是高爐煉鐵過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，高爐運(yùn)行狀況對(duì)煤氣熱值和壓力有很大的影響。當(dāng)高爐的爐況發(fā)生波動(dòng)時(shí)，高爐煤氣熱值、壓力也隨即跟著波動(dòng)[3]。在實(shí)際生產(chǎn)中，高爐煤氣熱值和壓力的波動(dòng)經(jīng)常發(fā)生，有時(shí)其熱值最大波動(dòng)幅度可達(dá)31%以上，從而會(huì)影響燃?xì)忮仩t的穩(wěn)定燃燒，影響爐膛溫度和熱強(qiáng)度，造成鍋爐過熱器內(nèi)蒸汽壓力和溫度不穩(wěn)定，影響汽機(jī)發(fā)電效率。高爐煤氣熱值的波動(dòng)也影響煤氣在燃汽輪機(jī)內(nèi)的燃燒效果，導(dǎo)致排煙溫度波動(dòng)，從而降低了余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽的壓力和溫度，降低燃汽輪機(jī)的發(fā)電效率[3]。

CCPP 最大的特點(diǎn)是占地面積小，綜合熱效率高，能快速啟動(dòng)。目前，純燒高爐煤氣燃汽輪機(jī)配置三壓余熱鍋爐的發(fā)電機(jī)組，其熱效率可達(dá)50%以上，高于傳統(tǒng)高爐煤氣鍋爐+蒸汽輪機(jī)的熱效率。但由于燃汽輪機(jī)制造復(fù)雜，工藝技術(shù)要求高。目前重型燃機(jī)制造技術(shù)僅由國外西門子、三菱、GE等少數(shù)廠家掌握，主要設(shè)備購置成本較高，后期維修依賴性較強(qiáng)，維修費(fèi)用較高。同時(shí)設(shè)備折舊率相對(duì)較大，投資回收期變長，使得企業(yè)投資成本上升。

高爐煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是技術(shù)成熟、設(shè)備造價(jià)較低，三大主機(jī)國內(nèi)東方電氣集團(tuán)、上海電氣集團(tuán)、哈爾濱電氣集團(tuán)等均有生產(chǎn)。后期維修方便，費(fèi)用低，投資見效快，較短時(shí)間能回收投資成本。其主要缺點(diǎn)是占地面積大，熱效率較低，目前大多數(shù)鋼鐵廠煤氣鍋爐發(fā)電機(jī)組的熱效率在30%至39%之間，遠(yuǎn)低于CCPP的熱效率。

3 提高煤氣發(fā)電效率的有效措施

3.1 增大煤氣柜柜容及儲(chǔ)存壓力

在鋼鐵企業(yè)里面設(shè)置大型煤氣柜是調(diào)節(jié)高爐、焦?fàn)t煤氣供需不平衡、穩(wěn)定管網(wǎng)壓力、安全生產(chǎn)、保證穩(wěn)定煤氣供應(yīng)的最佳手段之一[4]。目前通常采用大型干式新型煤氣柜儲(chǔ)存高爐煤氣。此柜采用干油密封方式，其儲(chǔ)存壓力可高達(dá)15 kPa，容量可達(dá)30萬m3，對(duì)高爐正常生產(chǎn)時(shí)的煤氣波動(dòng)有很好的穩(wěn)定作用，可避免因高爐煤氣壓力的頻繁波動(dòng)而影響鍋爐正常燃燒，造成汽機(jī)出力不穩(wěn)定。同時(shí)，煤氣柜還可增加智能控制系統(tǒng)，根據(jù)全廠煤氣消耗及產(chǎn)生情況及時(shí)調(diào)整柜容，減少放散。

3.2 提高鍋爐出口蒸汽的參數(shù)

提高鍋爐出口蒸汽的參數(shù)，則汽機(jī)進(jìn)汽的焓值增加。在允許范圍內(nèi)，保持汽機(jī)的背壓不變的情況下，隨著蒸汽溫度的提高，其焓值隨著增加。在保持相對(duì)內(nèi)效率不變的情況下，汽機(jī)內(nèi)的理想焓降增大，蒸汽所做的有效功增加，發(fā)電機(jī)組的絕對(duì)電效率增加。若提高蒸汽的壓力，則蒸汽在汽機(jī)流道內(nèi)的膨脹度增加，蒸汽流速加快，則動(dòng)能增加。在汽機(jī)動(dòng)葉柵內(nèi)，蒸汽動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能推動(dòng)發(fā)電機(jī)做功，電功率增大。目前，鋼鐵企業(yè)內(nèi)自備電廠煤氣發(fā)電機(jī)組由以前的中溫中壓參數(shù)提高到目前超高溫亞臨界參數(shù)，其熱效率已大大提升。

3.3 采用RCCS，降低凝汽器端差

RCCS,即凝汽器在線除垢及強(qiáng)化換熱系統(tǒng)。其主體結(jié)構(gòu)分為4部分，分別為高分子旋轉(zhuǎn)紐帶、不銹鋼連接件、全密封水下微型陶瓷軸承、帶轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)傳的檢測儀。其工作原理為在凝汽器換熱管束內(nèi)安裝的高分子旋轉(zhuǎn)紐帶，在循環(huán)水流的帶動(dòng)下，螺旋紐帶在管束內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)。管束內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)的紐帶會(huì)破壞現(xiàn)有水流的溫度分界，將原有流體的湍流程度加大，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱。同時(shí)通過紐帶的運(yùn)動(dòng)造成對(duì)管壁的不規(guī)則的刮掃，減少水垢附著管壁，有效防止管束內(nèi)壁結(jié)垢，可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)防垢除垢。

3.4 低加疏水泵的影響

目前，煤氣發(fā)電機(jī)組低壓加熱器疏水主要有兩種形式，一種是加熱器的疏水由上一級(jí)自流至下一級(jí)，最后一級(jí)低加疏水流入凝汽器熱井,如圖3所示。第二種是在某一級(jí)低壓加熱器之后增加低加疏水泵，然后利用疏水泵把加熱器凝結(jié)水打入主凝結(jié)水管道后送入除氧器,如圖4所示。

1-汽輪機(jī) 2-凝汽器 3-凝結(jié)水泵 4-汽封加熱器 5、6、7、8-低壓加熱器 9-除氧器

圖3所示的逐級(jí)自流方式，結(jié)構(gòu)簡單、可靠，管道耗量少，節(jié)省初期投資，運(yùn)行維護(hù)方便。但是由于最后一級(jí)的低壓加熱器疏水進(jìn)入凝汽器，這部分疏水也含有一定的熱量，存在冷源損失，同時(shí)，最后一級(jí)低加抽氣量有所增加，這些都會(huì)使機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性下降[5]。圖4所示為135 MW亞臨界汽輪機(jī)組低加疏水泵的形式，前面幾級(jí)低加也是采用逐級(jí)自流形式回收熱量，但在最后一級(jí)低加前其疏水進(jìn)入疏水泵，然后打入凝結(jié)水母管。這種形式熱量回收利用率高，但是系統(tǒng)復(fù)雜，初期投資增加，占地面積增加，后期運(yùn)行和維護(hù)復(fù)雜，對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員要求較高。

1-汽輪機(jī) 2-凝汽器 3-凝結(jié)水泵 4-汽封加熱器 5、6、7、8-低壓加熱器 9-低加疏水泵 10-除氧器

3.5 加強(qiáng)管理，落實(shí)計(jì)劃性操作檢修

目前，韶山鋼鐵、中天鋼鐵等鋼廠都建有集控中心或能源管控中心。通過全廠集控中心的能源管理平臺(tái)，可對(duì)全廠范圍內(nèi)的煤氣實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理。還可利用廠內(nèi)歷史數(shù)據(jù)結(jié)合大數(shù)據(jù)在線分析，對(duì)煤氣的使用進(jìn)行預(yù)判，提前采取措施，平衡煤氣用量，提高其利用率，減少煤氣放散。同時(shí)加強(qiáng)提前制定計(jì)劃性檢修預(yù)案，以及時(shí)向能控中心上報(bào)突發(fā)事故或臨時(shí)檢修，能控中心根據(jù)全廠范圍內(nèi)煤氣生產(chǎn)和使用情況進(jìn)行科學(xué)調(diào)度，及時(shí)調(diào)整機(jī)組負(fù)荷與管網(wǎng)壓力，平衡煤氣的使用與產(chǎn)出，可減少煤氣發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)頻率，盡量使機(jī)組在較高效率的范圍內(nèi)變化和波動(dòng)。

4 效果分析

4.1 煤氣壓力波動(dòng)變小，發(fā)電機(jī)組出力更加穩(wěn)定

新型干式煤氣柜存儲(chǔ)容量大，儲(chǔ)氣壓力高。在柜容不變的情況下，儲(chǔ)存壓力越高，儲(chǔ)氣量越大。煤氣柜吸收管網(wǎng)壓力波動(dòng)的能力越強(qiáng)，對(duì)發(fā)電廠而言鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)頻率會(huì)隨之減少，蒸汽參數(shù)更加穩(wěn)定，機(jī)組可長時(shí)間在額定負(fù)荷工況下運(yùn)行，汽機(jī)的平均出力增加，機(jī)組綜合熱效率提高。同時(shí)還可利用新型煤氣柜的智能控制系統(tǒng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)負(fù)荷變動(dòng)情況進(jìn)行預(yù)判，提前增加或減少柜容，也可減少煤氣管網(wǎng)壓力波動(dòng)對(duì)終端用戶的影響。

4.2 蒸汽參數(shù)提高，發(fā)電機(jī)組熱效率上升

鋼鐵企業(yè)自備電廠的小型煤氣發(fā)電機(jī)組經(jīng)歷了早期熱效率24%左右的中溫中壓機(jī)組，逐步發(fā)展到熱效率為30%左右的高溫高壓機(jī)組，再到后來熱效率高達(dá)37%的高溫超高壓機(jī)組和熱效率為39%的超高溫超高壓中間再熱機(jī)組，發(fā)展到目前熱效率可達(dá)40.5%的超高溫亞臨界一次中間再熱機(jī)組[6]。在這一過程中，機(jī)組的發(fā)電效率得到了很大的提升，其企業(yè)的節(jié)能效果十分明顯。目前，已有最新的超臨界帶中間再熱發(fā)電機(jī)組在河北津西鋼鐵和廣西盛隆冶金實(shí)施，建成投產(chǎn)后其機(jī)組熱效率將進(jìn)一步提升。

4.3 投用RCCS裝置之后，凝汽器端差變小，換熱系數(shù)提高

RCCS裝置可較好解決凝汽器結(jié)垢問題，同時(shí)防止真空惡化。與傳統(tǒng)的膠球清洗裝置相比，可實(shí)現(xiàn)在線強(qiáng)化換熱，其在線除垢能力強(qiáng)，一般5年內(nèi)不需要酸洗。通過RCCS強(qiáng)化換熱后，凝汽器的換熱系數(shù)可提高20%以上，端差可降低1～2 ℃，最終發(fā)電機(jī)組綜合熱效率可提高2%以上。目前已在重慶鋼鐵、華宏特鋼等鋼廠投用。

4.4 增加低加疏水泵，機(jī)組熱效率略有增加，但運(yùn)行維護(hù)水平要求較高

以東汽135 MW亞臨界機(jī)組為例，分析有無低加疏水泵的區(qū)別。其數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 機(jī)組能耗及功率對(duì)照表

由表1可以看出，增加低加疏水泵后，其汽機(jī)熱耗降低了17 kJ/kW· h,汽耗降低了0.008 kg/kW·h，機(jī)組電功率增加17 kW。以年工作8000小時(shí)計(jì)算，其年發(fā)電量增加136 000 kW。因至除氧器的凝結(jié)水總量不變，低加疏水泵的耗電量可以抵消凝結(jié)水泵部分減少的耗電量，故機(jī)組自用電量基本保持不變，機(jī)組熱效率略有增加。

從目前低加疏水泵使用情況看，各家鋼鐵企業(yè)自備電廠運(yùn)行維護(hù)人員水平參差不齊，總體水平不如專業(yè)電廠。有部分鋼廠因低加疏水泵的調(diào)節(jié)控制不熟練，低壓加熱器水位控制難以掌控，波動(dòng)較大，造成有棄用低加疏水泵現(xiàn)象，仍采用旁路逐級(jí)自流方式回到凝汽器。

5 結(jié)語

鋼鐵廠一直以來都是能源消耗的大戶，節(jié)能對(duì)企業(yè)來說舉足輕重。其措施之一就是投建更高效率的煤氣發(fā)電機(jī)組，充分利用富余的煤氣資源增加自發(fā)電率，減少外購電量。在鋼鐵企業(yè)不斷追求提高發(fā)電效率的前提下，小型煤氣發(fā)電的技術(shù)也在不斷的向這個(gè)方向進(jìn)步。同時(shí)，隨著智慧鋼廠技術(shù)的發(fā)展，不少企業(yè)建有自己的全廠集控中心，統(tǒng)一調(diào)度和使用煤氣資源，自備電廠煤氣供應(yīng)狀況不良的情況將減少，其綜合熱效率也必然會(huì)有一定的提升。