低负荷下燃气‒蒸汽联合循环机组与煤气发电机组经济效益分析.pdf

2024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER低负荷下燃气蒸汽联合循环机组与煤气发电机组经济效益分析高峰（马钢股份有限公司能环部，安徽马鞍山 243000）【摘要】马钢北区拥有1台燃气蒸汽联合循环发电机组和1台全烧煤气锅炉发电机组，用于平衡马钢北区高、焦、转炉煤气。为提高煤气综合利用效率，采集2台机组不同负荷下煤气消耗数据并进行分析，根据分析结果对2台机组的煤气资源进行最优分配，优化生产运行组织方式，最大可能实现有限煤气资源多发电。【关键词】煤气；燃气-蒸汽联合循环发电机组；煤气锅炉；综合利用【中图分类号】TM611 【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2024）02-0037-03 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Economic Benefit Analysis of Gas-Steam Combined Cycle Unit and Gas Power Generator at Low LoadGAO Feng(Energy and Environmental Protection Department of Maanshan Iron and Steel Co.,Ltd.,Maanshan,Anhui 243000,China)【Abstract】The north area of Masteel has a gas-steam combined cycle generator set and a gas boiler generator set,which are used for balancing the blast,coke and converter gas in the area.In order to improve the comprehensive utilization efficiency of gas,the gas consumption data under different loads of the two units are collected and analyzed,and based on the results of the analysis,the gas resources of the two units are optimally allocated,and the production and operation modes are optimized,so as to maximize the possibility of generating more power from limited gas resources.【Keywords】gas;gas-steam combined cycle generating unit;gas boiler;comprehensive utilization引言马钢北区于 2004 年和 2011 年分别投产 1 台153 MW燃气-蒸汽联合循环发电机组（以下简称燃机）和1台60 MW煤气锅炉发电机组（以下简称煤气机组），根据2台机组的产品说明书和实际运行工况数据，在额定工况下，燃机发电标煤耗远低于煤气机组，燃机的效率达到42%以上，煤气机组在纯凝工况下效率仅为32%左右1。燃机和煤气机组均符合国家节能减排的产业政策，燃机发电效率比煤气机组更优，但在煤气供应不充分，2台机组低负荷运行时，煤气机组的标煤耗反而低于燃机，效率高于燃机。本文分析的重点是在低负荷下如何提高能源利用率，煤气应该优先满足燃机还是优先满足煤气机组的供应，才能更好地发挥机组经济效益。1 燃机和煤气机组发电标煤耗的数据整理为了验证该运行方式的科学性，对2台机组近3年的运行数据进行统计、计算、比对和验证。1.1 燃机在不同负荷下的发电标煤耗燃机具有代表性的4种负荷状态分别为40 WM（燃机最低负荷）、58 MW、77 MW（燃机的 50%负荷）、150 MW（燃机的 100%负荷）。筛选出 20102012年这4种负荷状态下3天的运行数据，计算得出发电标煤耗（见表1）。1.2 煤气机组在不同负荷下的发电标煤耗为了在同一标准下进行比较，我们选择煤气机组纯凝、高温加热器投入、锅炉给水温度不变的工况下煤气耗量与电负荷关系，调阅历史曲线，分别找出 2012 年 12 月煤气机组在 30 MW 和 60 MW372024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER（100%负荷）左右负荷状态下3天的运行数据，计算得出发电标煤耗和平均煤耗（见表2）。1.3 煤气机组平均发电标煤耗为了进一步验证数据准确性，根据2012年煤气机组电负荷与煤气量统计数据，计算出该机组全年在不供热状态下平均负荷 44 MW 的发电标煤耗（见表3）。1.4 燃机和煤气机组不同电负荷下发电标煤耗汇总根据表1表3的数据，得到燃机4种代表性负荷状态及煤气机组3种代表性负荷状态发电标煤耗汇总分析图（见图1、图2）。2 燃机和煤气机组发电标煤耗数据分析2.1 燃机和煤气机组发电标煤耗与电负荷的关系由图1可见，燃机的发电标煤耗随着负荷的升高逐渐下降，且下降幅度较大，100%负荷和最低负荷的标煤耗分别为 281.5 g/kWh 和 538.6 g/kWh，此时，机组效率分别为 43.64%和 22.8%，发电标煤耗相差250260 g/kWh。由图2可见，煤气机组发电标煤耗随着负荷的升高缓慢下降，60 MW和30 MW负荷的标煤耗分别为 388 g/kWh和 432 g/kWh，此时，机组效率分别为31.66%和28.4%，发电标煤耗仅相差44 g/kWh左右。2.2 燃机和煤气机组发电标煤耗与电负荷的比较从图1、图2可看出，煤气机组电负荷在44 MW时和燃机电负荷在 58 MW 时，发电标煤耗开始接近，这意味着机组效率接近。随着燃机电负荷上升，燃机发电标煤耗大大低于煤气机组，随着燃机电负荷下降，燃机发电标煤耗大大高于煤气机组。由此可见，燃机在4058 MW之间运行、煤气机组在44 MW以下运行时，如外界煤气供应开始好转，单从发电标煤耗看，应当优先满足煤气机组的煤气供应，这样更符合效率优先的运行方式。2.3 燃机和煤气机组电负荷与混合煤气量的关系整理2007年燃机投产以来的运行数据，进一步分析后得出燃机混合煤气和发电量的对应关系（见图3）。由图 3 可见，燃机并网后，在使用燃料热值约 表1 燃机在4种负荷状态下的发电标煤耗负荷/MW405877150发电标煤耗/(g/kWh)4月7日536.49422.18359.01290.476月29日550.02431.43370.23284.488月27日529.3420.43339.11269.63平均值538.62424.80356.02281.54表2 煤气机组2种负荷下发电标煤耗负荷/MW3060发电标煤耗/(g/kWh)12月27日437.82385.7612月28日437.83393.0112月29日423.13385.47平均值432.85388.10表3 2012年煤气机组全年平均发电标煤耗负荷/MW44煤气总量/（m3/h）高炉97 800焦炉6 900转炉9 300煤气热值/(kJ/m3)3 758.72高炉焦炉15 639.25转炉8 252.86热值总量/MJ552 274.1发电标煤耗/(g/kWh)427.30图1 燃机4种负荷状态下发电标煤耗图图2 煤气机组3种负荷下发电标煤耗图382024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER4 396 kJ/m3的混合煤气情况下，单位燃气量与单位电负荷接近正比例关系。产生这一现象的原因是燃机的空压机和煤压机与汽轮机发电机在同轴上2，机组3大主要设备之间的耦合性较强，受环境条件的影响比较复杂3，当高压主蒸汽参数满足冲转条件后，执行汽机冲转程序，汽机带动发电机开始升速。空载并网前，煤压机、空压机、汽轮机消耗空载能量，仅仅煤压机消耗的额定功率就达到54.42 MW，并网后，煤压机和空压机自持转速负载基本不变，空载能量增量大幅下降，这时每发 10 MW的电量，需要增加1万m3热值约4 396 kJ/m3的混合煤气。根据2012年煤气机组电负荷与煤气统计数据，将所有消耗的混合煤气按照高、焦、转煤气热值的比例关系，折算成高炉煤气量，发现煤气机组每发10 MW的电，约需要热值3 758.48 kJ/m3的高炉煤气3.33 万 m3，等同于热值 4 396 kJ/m3的混合煤气约2.85万m3，即煤气机组每增加1万m3混合煤气，负荷仅增加约3.5 MW，煤气机组并网前只有汽轮机消耗空载能量，其自持转速负载大约消耗锅炉额定蒸发量5%8%，相当于4.8 MW左右，忽略自持转速的能量消耗，那么煤气机组在同样煤气增量下，负荷的增量也是远低于燃机的。2.4 燃机和煤气机组电负荷与混合煤气量的比较进一步分析可以得出结论：燃机和煤气机组各自自持空载负荷基本不变，燃机自持空载无用功的耗量远远大于煤气机组，但是一旦机组并网后，燃机效率上升的速度远远大于传统的煤气机组，即使外界有少量新增煤气供应时，新增的煤气量对燃机新增电负荷的增量远大于煤气机组。3 燃机和煤气机组煤气高效利用的结论机组并网后，一旦外界有新增煤气供应时，不应从发电标煤耗和机组效率考虑燃料的分配，而应从负荷净增量角度优化生产运行方式，优先满足燃机的煤气供应，然后再考虑煤气机组的煤气平衡。该结果对高效、经济利用煤气起到了很好的指导作用。根据马钢统计数据，2012年共出现47次燃机因煤气供应不足降负荷至40 MW运行的状态，在煤气供应略有好转时，优先满足燃机的负荷，2万m3/h、热值约4 396 kJ/m3的混合煤气给煤气机组多创造了13 MW左右发电量，经济效益较为显著。参 考 文 献 1 陶红卫，熊建文.135 MW超高压煤气锅炉与燃气蒸汽联合循环发电技术经济比较 J.锅炉技术，2014，45（4）：23-26+44.2 朱亚迪，蔡灿，郝建刚，等.燃气蒸汽联合循环机组能效分析及应用 J.发电设备，2022，36（5）：297-303.3 段昊极.M701DA型燃气-蒸汽联合循环机组冷态启动过程的经济性分析 J.电子技术，2023，52（8）：346-347.收稿日期：2023-12-11作者简介：高峰（1972），男，工程师，从事发电运行管理工作。图3 燃机混合煤气与发电量的对应关系39