鋼廠CCPP 發(fā)電機組提升負荷的研究與應(yīng)用

鄭振海，張元華，張明揚，薛貴洋

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司 （以下簡稱“鲅魚圈”）CCPP 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組2009 年投產(chǎn)至今一直運行良好，但由于夏季環(huán)境溫度高、冬季環(huán)境溫度低以及廠區(qū)高爐煤氣工況的不穩(wěn)定，造成該發(fā)電機組不能高負荷運行，帶來一定的經(jīng)濟損失。因此，針對此現(xiàn)象，研究了CCPP 發(fā)電機組煤氣熱值的調(diào)整、空氣冷卻器的投入及噴水量的調(diào)節(jié)使用，以有效地利用鋼廠現(xiàn)有的煤氣和水資源，提升機組的負荷，滿足生產(chǎn)要求。

1 CCPP 發(fā)電機組工藝流程

CCPP 發(fā)電機組將煉鐵和煉焦過程中產(chǎn)生的高爐和焦?fàn)t煤氣混合氣送至煤壓機，加壓后送至燃氣輪機，在燃氣輪機燃燒室內(nèi)與經(jīng)過空壓機壓縮后的空氣混合燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體，帶動燃氣輪機做功。燃氣輪機排出的高溫?zé)煔饨?jīng)余熱鍋爐產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽，進入蒸汽輪機做功，燃氣輪機和蒸汽輪機同時帶動發(fā)電機發(fā)電。

鲅魚圈CCPP 發(fā)電機組燃氣輪機、蒸氣輪機額定輸出功率分別為13.3 萬kW·h 和6.2 萬kW·h，煤壓機額定軸輸入功率4.2 萬kW·h，發(fā)電機額定輸出功率150.6 MW，該機組每小時可燃燒高爐煤氣28 萬m3、焦?fàn)t煤氣2 萬m3，機組熱效率為45%。圖1 為CCPP 機組系統(tǒng)示意圖。

圖1 CCPP 機組系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic Diagram for CCPP Electric Generating Set System

2 影響CCPP 發(fā)電機組負荷的主要因素

2.1 空壓機入口空氣溫度

當(dāng)空壓機入口空氣溫度降低時，氣體密度增大，入口進氣量隨之提高，機組的輸出功率也提高。也就是說，氣體溫度越低，達到同樣壓比節(jié)省壓縮功。而當(dāng)環(huán)境溫度升高時，進入空壓機的氣體密度減小，質(zhì)量流量下降，壓比也隨之下降。所以空氣溫度對燃氣輪機的負荷和效率都有影響。

2.2 煤氣溫度

理論上來說，煤氣溫度越高，煤氣燃燒溫度越高，燃氣輪機組的循環(huán)效率越高。但是當(dāng)煤氣溫度過高后，煤壓機效率下降，壓比下降，燃氣輪機入口煤氣溫度升高，燃氣輪機的效率與負荷會隨之下降，燃氣輪機的燃燒溫度隨之上升，溫度過高會對燃氣輪機的燃燒室和透平葉片造成無法恢復(fù)的損壞。

2.3 煤氣熱值

高爐煤氣為煉鐵過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，由于高爐工況的影響，高爐煤氣的著火點不高，燃燒穩(wěn)定性不好，煤氣成分的變化可能導(dǎo)致燃氣輪機燃燒異常，甚至發(fā)生事故。因此，應(yīng)對煤氣成分在線持續(xù)監(jiān)測，計算出煤氣熱值，衡量機組發(fā)電效率。

2.4 溫控模式

CCPP 發(fā)電機組的溫控模式分為5 種，即調(diào)速器控制模式 （GVCSO）、負荷限制器控制模式（LDCSO）、排煙溫度及葉片通道溫度控制模式（EXCSO、BPCSO）、燃料限制控制模式（FLCSO）、煤壓機喘振控制模式（SLCSO）。

① GVCSO 控制指令以額定轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)，負責(zé)機組到達額定轉(zhuǎn)速后并網(wǎng)前這一階段的轉(zhuǎn)速控制。

②LDCSO 是并網(wǎng)后參與控制，根據(jù)負荷設(shè)定進行燃料調(diào)整。

③EXCSO、BPCSO 主要對燃氣輪機排氣溫度和葉片通道溫度進行監(jiān)控，防止燃氣輪機超溫損害熱部件。

④FLCSO 主要作用是控制啟動升速過程中機組燃料的配比。

⑤SLCSO 只有在煤壓機出現(xiàn)喘振信號時才參與控制。

當(dāng)發(fā)電機組運行時，機組會計算5 種控制指令的數(shù)值，選取最小的數(shù)字指令作為機組CSO（燃料總量控制信號指令），進而調(diào)整機組需要的空氣和煤氣量。當(dāng)發(fā)電機組進入排煙溫度或葉片通道溫度控制模式，就會限制發(fā)電機組的負荷。

3 采取的措施

3.1 調(diào)整機組動態(tài)熱值

按煤氣高、低兩種熱值模式運行，以CCPP 發(fā)電機組原設(shè)計的熱值4 396 kJ/m3為高低熱值的分界點。

3.1.1 煤氣高熱值運行

鲅魚圈兩座高爐中任意一臺休風(fēng)時，CCPP 發(fā)電機組都有可能降到最低負荷。高爐故障時，高爐煤氣無法保證，機組會被迫停機。同時，在環(huán)境溫度低于8 ℃時，燃氣輪機負荷下降，隨著氣溫緩慢下降，機組負荷也緩慢下降。

因為高熱值會影響燃燒溫度及燃氣輪機高溫部件的耐熱情況，因此高爐煤氣缺少或焦?fàn)t煤氣放散較多的情況下，機組可以采取高熱值運行模式。結(jié)合實際經(jīng)驗，根據(jù)環(huán)境溫度設(shè)定高熱值：5 ℃以下熱值設(shè)定為4 605 kJ/m3；5～10 ℃熱值設(shè)定為4 500 kJ/m3；10 ℃以上熱值設(shè)定為4 396 kJ/m3。

通過調(diào)整熱值指令來調(diào)整焦?fàn)t煤氣A、B 閥門的開度，進而調(diào)整高爐與焦?fàn)t煤氣的比例，調(diào)整混合煤氣的熱值，以提高冬季氣溫低時的發(fā)電負荷。圖2 為高、焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)示意圖。

圖2 高、焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic Diagram for Blast Furnace Gas System and Coke Oven Gas System

機組最大運行熱值由4 396 kJ/m3提高至4 605 kJ/m3，而相應(yīng)的煤壓機和燃氣輪機負荷控制限制需要根據(jù)熱值進行邏輯計算，所以要對其邏輯進行優(yōu)化。機組邏輯優(yōu)化前后指標(biāo)對比見表1。優(yōu)化后，CCPP 發(fā)電機組的最大負荷提高4 MW，高熱值快速減負荷限制提高250 kJ/m3，燃燒室壓力波動監(jiān)視系統(tǒng)（CPMF）預(yù)報警鎖定高熱值提高209 kJ/m3。

表1 機組邏輯優(yōu)化前后指標(biāo)對比Table 1 Comparison of Indexes before and after Logic Optimization of Electric Generating Set

熱值升高后，燃燒溫度提高，燃燒更加穩(wěn)定，排煙溫度得到提高，更多熱量的高溫?zé)煔饬飨蛴酂徨仩t，提升了余熱鍋爐的熱負荷，空壓機壓比增加，使燃氣輪機負荷得到提升。同時由于排煙溫度升高、煙氣量增大的雙重作用，使得蒸汽輪機負荷得到提升。

表2 為環(huán)境溫度4.5 ℃時兩種熱值情況下主要參數(shù)的對比。由表2 得出，與正常熱值相比，高熱值運行時，機組負荷提升4 MW，高爐煤氣量增加了1 萬m3/h，焦?fàn)t煤氣量增加0.5 萬m3/h，空壓機導(dǎo)葉開度增大8%，空壓機壓比增加0.5。實際生產(chǎn)中，環(huán)境溫度-15～10 ℃時，燃氣輪機燃燒筒均能夠穩(wěn)定運行，未發(fā)生超溫、偏差大等異常問題，燃氣輪機轉(zhuǎn)子冷卻系統(tǒng)運行正常，能夠保證燃氣輪機各位置高溫部件的穩(wěn)定運行。

表2 環(huán)境溫度為4.5 ℃時兩種熱值情況下主要參數(shù)的對比Table 2 Comparison of Main Parameters of Two Kinds of Calorific Values at 4.5 ℃Ambient Temperature

3.1.2 煤氣低熱值運行

進入夏季后，機組發(fā)電量較冬季明顯降低。分析認(rèn)為是由于夏季氣溫高，進入燃氣輪機的煤氣和空氣溫度較高，按照設(shè)計的煤氣熱值4 396 kJ/m3燃燒后，燃燒溫度升高，引起排煙溫度升高，機組進入溫度控制模式降低發(fā)電負荷。

根據(jù)設(shè)備本身特性要求，溫度升高造成設(shè)備性能降低，影響設(shè)備使用壽命，甚至造成燃燒室或葉片損壞。因此機組控制程序設(shè)定排煙溫度的基準(zhǔn)值，當(dāng)實測值超過基準(zhǔn)值后，排煙溫度CSO 降低，當(dāng)降至最低時，機組控制模式自動轉(zhuǎn)換為排煙溫度控制模式。由于該模式會減小進入燃氣輪機的煤氣量，降低負荷，從而降低燃燒溫度，所以排煙溫度及葉片通道溫度也隨之降低。

降低燃燒溫度可以降低煤氣熱值，而改變高爐、焦?fàn)t煤氣的混合比可以實現(xiàn)燃燒溫度的降低。燃燒溫度降低后，排煙溫度降低，機組負荷升高。但煤氣熱值改變后，為滿足同樣的負荷，焦?fàn)t煤氣消耗降低，高爐煤氣消耗增加，總煤氣量增加，導(dǎo)致燃燒器殼體壓力升高，排煙溫度基準(zhǔn)值反而降低。因此，只有排煙溫度實測值降低幅度比基準(zhǔn)值降低幅度大才能提高機組負荷；同時排煙溫度降低影響鍋爐負荷，但總煤氣量增加后進入鍋爐的煙氣量增加，因此還需要檢測排煙溫度降低和煙氣增加對鍋爐負荷的影響。應(yīng)根據(jù)不同環(huán)境溫度不斷改變煤氣熱值，得到不同溫度發(fā)電負荷最高時的煤氣熱值。

優(yōu)化措施如下：環(huán)境溫度≤21 ℃時，熱值設(shè)定4 396 kJ/m3；22～26 ℃時，熱值設(shè)定4 296 kJ/m3；27 ℃以上熱值設(shè)定為4 196 kJ/m3。表3 為采用低熱值前后主要數(shù)據(jù)對比。由表3 可以看出，采用低熱值后，煤氣總流量增加了1.3 萬m3/h，排煙溫度實測值降低5 ℃，發(fā)電機負荷提高2.5 MW。

表3 采用低熱值前后主要數(shù)據(jù)對比Table 3 Comparison of Main Data before and after Applying Low Calorific Values

3.2 應(yīng)用水噴射系統(tǒng)

3.2.1 水噴射系統(tǒng)的功能

因為煤氣溫度影響燃燒溫度，并且影響設(shè)備正常運行，所以對壓縮后的高溫高壓燃料進行降溫加濕，在機組煤壓機之后的高壓煤氣管道內(nèi)噴入除鹽水，對燃氣輪機入口燃料進行降溫，以達到降低燃燒溫度，提高機組負荷的目的。

具體措施為，機組處于溫控方式下，即地區(qū)氣溫5 ℃以上時，機組進入BPCSO 或EXCSO 模式，通過布置在煤壓機出口高溫高壓煤氣管道上的16 個噴嘴向燃料內(nèi)噴入4～8 t/h 除鹽水，將進入燃氣輪機的煤氣溫度從400 ℃降至350 ℃，進而降低燃氣輪機燃燒室溫度，增加燃氣輪機可燃燒煤氣量。噴入的霧化除鹽水也能做功提高機組負荷。

3.2.2 水噴射系統(tǒng)的投入、退出

環(huán)境溫度高于5 ℃，機組負荷90%以上運行且處于BPCSO、EXCSO 溫控方式條件下，熱值設(shè)定在4 380～4 500 kJ/km3，可以隨時投入水噴射系統(tǒng)，以滿足機組提高負荷的需求。

當(dāng)機組處于90%負荷以下運行時，由于機組仍自動提升負荷，不需要水噴射系統(tǒng)的投入。當(dāng)機組由于水噴射運行異常、空壓機喘振報警且負荷小于90%時，或排煙溫度偏差＞7 ℃，水噴射系統(tǒng)會自動退出，但機組可以正常運行。五個選項有一項不滿足，水噴射系統(tǒng)就會退出。

3.2.3 噴水量的調(diào)整及保護

由于燃燒過程中機組受燃料波動影響，排煙溫度會隨之微量波動。為防止由于燃燒波動引發(fā)燃氣輪機滅火，在DCS （分散控制系統(tǒng)）水噴射控制系統(tǒng)中，每20 min 調(diào)整1 次噴水量，每次調(diào)整0.6 t/h。通過空氣壓縮機排氣殼體上的壓力，計算理論排煙溫度與燃氣輪機出口煙道上的實際排煙溫度，并進行比較，如果差值大于1 ℃，則減少噴水量，小于-1 ℃則增加噴水量。調(diào)整范圍為4～8 t/h。

由于熱值變化較大，噴水可能造成燃氣輪機異常滅火，因此設(shè)置了水噴射系統(tǒng)保護裝置，運行時要鎖定機組熱值區(qū)間，超限時自動停止水噴射系統(tǒng)的運行。

3.2.4 煤氣與空氣溫度變化對水噴射系統(tǒng)的影響

煤氣溫度達到42 ℃以上水噴射系統(tǒng)運行時，由于煤氣密度降低，同負荷下機組煤氣量增加，使得煤壓機導(dǎo)葉開度增加，機組CSO 輸出值增加，機組難以進入溫控模式，多處于GVCSO 或LDCSO控制模式。隨著煤氣溫度繼續(xù)升高，排煙溫度差值＞7 ℃后，容易發(fā)生水噴射系統(tǒng)退出現(xiàn)象。煤氣溫度25～40 ℃，空氣溫度13～16 ℃時，煤氣溫度影響水噴射效果，且噴水量多維持在8 t/h 穩(wěn)定運行；空氣溫度17～27 ℃時，噴水量調(diào)整比較頻繁，最低噴水量減至5.6 t/h；空氣溫度28～32 ℃時，水噴射系統(tǒng)退出。

3.2.5 水噴射系統(tǒng)的應(yīng)用效果

選取空壓機入口溫度25 ℃，煤氣溫度低于35 ℃時進行水噴射試驗，表4 為水噴射系統(tǒng)投入、退出情況下參數(shù)對比。如表4 所示，投運水噴射系統(tǒng)后，高爐煤氣增加1 萬m3/h，焦?fàn)t煤氣量增加800 m3/h，負荷提升明顯，較未投運時提升5 MW。

表4 水噴射系統(tǒng)投入、退出情況下的參數(shù)對比Table 4 Comparison of Parameters before and after Using Water Injection System

3.3 應(yīng)用空氣冷卻器

3.3.1 空氣冷卻器的功能

由于夏季環(huán)境溫度升高，空氣密度降低，進入空壓機的空氣質(zhì)量降低，壓比降低，燃氣輪機負荷降低，燃燒溫度升高，排氣溫度提高，使機組控制系統(tǒng)提前進入排煙溫度控制，影響機組負荷。所以利用空氣冷卻器對空壓機入口空氣降溫，降低煤氣燃燒溫度，提高機組負荷。

3.3.2 空氣冷卻方式的選擇

空氣冷卻方式主要包括直接冷卻和間接冷卻。直接冷卻投資小，但負荷增加絕對值小。間接冷卻增加負荷較大，但初始投資大、維護成本高。根據(jù)鲅魚圈的實際情況，采用間接冷卻方式，利用現(xiàn)有廠區(qū)工業(yè)水對CCPP 機組入口空氣進行降溫，既利用了水資源，又節(jié)約了建設(shè)及鋪設(shè)水管線的成本，實現(xiàn)發(fā)電負荷增加絕對值的最大化。廠區(qū)工業(yè)水總供水量為6 萬m3，完全滿足冷卻水量的要求，而且原有的工業(yè)水對入口空氣冷卻后，再送入工業(yè)水回水管道，溫度增加2～3 ℃，對整體工業(yè)水溫度影響較小。同時修改機組DCS 控制系統(tǒng)邏輯，通過增加空壓機IGV 開度改變夏季機組負荷控制限制條件，最大限度的降低空氣阻力，使空壓機入口空氣阻力不大于194 Pa?？諝饫鋮s器使空壓機入口溫度在夏季達到23 ℃以下，降低環(huán)境因素對機組負荷的干擾。

3.3.3 空氣冷卻器的效果

空壓機入口溫度為15 ℃時投入入口空氣冷卻器。根據(jù)其凝結(jié)水情況和空氣壓縮機入口壓力情況調(diào)整水量，空壓機入口壓力低于-3.3 kPa 時，減少冷卻水量以保證入口壓力的穩(wěn)定，直至冷卻水量減到300 t/h?？諌簷C入口壓力低于-3.6 kPa 時停止給水泵站冷卻水泵（入口擋板門在-3.8 kPa 開啟）。當(dāng)空氣濕度大導(dǎo)致冷卻器結(jié)露，空氣過濾器壓差上升時，根據(jù)結(jié)露情況調(diào)整冷卻水量最低至400 t/h。

圖3 為不同環(huán)境溫度下空氣冷卻器冷卻效果。由圖3 可見，環(huán)境溫度越高，空氣冷卻器的冷卻效果越好。空氣冷卻器投運后，以空壓機入口溫度平均值由28 ℃降至21 ℃為例，負荷由144 MW 提高到150 MW，提高了約4%。

圖3 不同環(huán)境溫度下空氣冷卻器的冷卻效果Fig.3 Cooling Effect of Air Cooler at Different Ambient Temperatures

4 結(jié)論

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司為了提高CCPP 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組負荷，采取了如下措施：

（1） 根據(jù)不同的環(huán)境溫度采取不同的煤氣熱值，5 ℃以下設(shè)定為4 605 kJ/m3；5～10 ℃設(shè)定為4 500 kJ/m3；11～21 ℃設(shè)定為4 396 kJ/m3；22～26 ℃設(shè)定為4 296 kJ/m3；27 ℃以上設(shè)定為4 196 kJ/m3。

（2） 采用水噴射系統(tǒng)對燃氣輪機入口燃料進行降溫，避免了因燃氣輪機的燃燒溫度高而影響其熱部件，降低熱部件的損壞率，同時燃氣輪機因為燃燒溫度的降低增加了燃料的燃燒量，提高燃氣輪機負荷，噴入的除鹽水經(jīng)過汽化后的蒸汽也同樣增加燃氣輪機的負荷。

（3） 夏季利用空氣冷卻器對空壓機入口空氣降溫，利用廠區(qū)便捷的工業(yè)水進行間接換熱，使空壓機入口溫度在夏季達到23 ℃以下，降低環(huán)境因素對機組負荷的干擾。

（4） 采取上述措施后，實現(xiàn)了提高CCPP 發(fā)電機組負荷的目的。