燃气轮机联合循环发电系统的设计优化与实践.pdf
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1、2024 年第 1 期总 第 269 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER燃气轮机联合循环发电系统的设计优化与实践王博,礼响(本钢板材股份有限公司能源管控中心,辽宁本溪 117000)【摘要】本钢集团投资建设CCPP燃气轮机联合循环发电项目,主机引进上海电气安萨尔多AE94.2KS燃气轮机,这是该机型首次应用在钢铁企业低热值联合循环发电项目,安萨尔多设计理念与国内用户需求存在很大差异,在项目实施过程中对系统设计进行了优化,提升功能的完整性、运行维护的可行性,同时对热力系统进行了优化,采用燃气轮机复杂循环,提高联合循环效率。【关键词】低热值燃气轮机;联合循环发电;系统设计优化【
2、中图分类号】M311 【文献标志码】B【文章编号】1006-6764(2024)01-0031-05 【开放科学(资源服务)标识码(OSID)】Design Optimization and Practice of Gas Turbine Combined Cycle Power Generation SystemWANG Bo,LI Xiang(Energy Control Center of Bensteel Sheet Co.,Ltd.,Benxi,Liaoning 117000,China)【Abstract】Bensteel Group invested in the constru
3、ction of CCPP gas turbine combined cycle power generation project,and the main engine was introduced into Shanghai Electric Ansaldo AE94.2KS gas turbine,which is the first time that this model is applied in low calorific value combined cycle power generation project of iron and steel enterprises.The
4、 Ansaldo design concept is very different from the domestic users needs.During the project implementation,the system design was optimized to improve the functional integrity,operation and maintenance feasibility.At the same time,the thermal system was optimized with a gas turbine complex cycle to im
5、prove the efficiency of the combined cycle.【Keywords】low calorific value gas turbine;combined cycle power generation;system design optimization引言截至2021年底,本钢板材股份有限公司高炉煤气发电还是以高温高压参数的BTG发电模式为主。老旧BTG发电机组经过十几年运行后,效率低下,客观上有优化的需求,加上国家环保和能耗要求的提高,因此本钢引进燃气轮机联合循环发电工艺。在全国多地限电的政策背景下,本钢集团投资建设CCPP燃气轮机联合循环发电项目。该项目利
6、用炼铁工艺副产物(高、焦炉煤气)发电,具有发电效率高、环境污染小等特点。平均发电效率 45%,与常规高温高压锅炉发电机组相比,提高 50%以上,废气排放满足国家超低排放标准。该发电项目主要新增设备包括 1台 AE94.2KS型燃气轮机、1台蒸汽轮机、1台余热锅炉、2台发电机。燃机采用低位布置,汽机采用高位布置。蒸汽轮机为三压、再热、双缸、向下排汽、单轴凝汽湿冷汽轮机。余热锅炉为卧式、自然循环、三压、再热、无补燃、全封闭布置结构。该项目投产后,为本钢提供大量电能,既增加了公司用电量的自给率,缓解电网的供电压力,也符合国家有关钢铁企业余能回收利用的要求。该项目的建成,在进一步提升高炉煤气综合利用效
7、率、增加发电量的同时,也提高了本钢高炉煤气的回收率,减少了煤气放散对周边环境的污染。312024 年第 1 期总 第 269 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER1 国内钢铁企业CCPP发展概况当前钢铁行业高炉煤气的综合利用率已经超过 95%。由于钢铁产量与高炉煤气产生量是正相关的,按照钢铁行业数据,每吨生铁约产生1 500 m高炉煤气,按照 7 亿 t 钢产量推算,每年约产生 100 000 亿m高炉煤气,扣除高炉热风炉和钢厂其他工艺需要,约有5 000 亿m7 000 亿m高炉煤气可用于发电。按照平均热值 3.5 MJ/m,行业平均25%30%的热电转换效率估算,总的高炉
8、煤气发电市场容量约为5 0008 400 MW。目前高炉煤气发电市场还是以各种参数的BTG发电模式为主,但大量钢铁企业老旧的BTG发电机组经过十几年运行后,效率低下,客观上有优化的需求,加上国家环保和能耗要求的提高,部分钢铁企业会考虑以高效的CCPP机组替代原有BTG机组。此外,还有钢厂异地搬迁带来的新项目需求,所以高炉煤气低热值燃机CCPP发电模式未来具有很大的市场潜力。2 BTG发电与CCPP发电效率对比在CCPP模式应用到钢铁行业发电领域之前,钢铁厂高炉煤气发电方式通常为传统的BTG发电模式(见图1),参数和装机容量由小到大逐渐增加,效率因此也不断增加。目前国内主要钢铁厂普遍采用的高炉煤
9、气发电机组有5080 MW和135 MW两种等级。用于高炉煤气发电135 MW等级的汽轮机,汽轮机效率约为43.9%,燃气锅炉效率约为88%,整个发电系统的总效率约为38.6%。BTG模式具有投资小、运行稳定、可纯烧高炉煤气、技术成熟等特点,近年来仍然是部分钢厂首选的方案,如湘钢、沙钢、中天钢铁、韶钢等,选择了超高压参数 135 MW 机组。但从钢厂长远投资回报来看,BTG发电模式效率无法突破40%,相比CCPP模式45%47%的效率要低很多。因此从效率角度来比较,CCPP 模式优于 BTG模式。3 本钢CCPP发电项目关键技术和创新点3.1 燃气轮机排气余热阶梯性的充分利用1为了减少由于不等
10、温传热带来的损失,对燃气轮机排气余热进行阶梯利用,对烟气侧与水侧平均温差大的过程进行分段布置,设计为三压再热汽水系统,其中设置了两级高压省煤器、两级高压蒸发器、两级高压过热器;同时将受热面合理布置在烟气侧,保持各受热面最小节点温差,而不是将受热面由低压到高压依次排列。同时系统设计了再热蒸汽循环,可有效提高汽轮机循环热效率。本系统优化了受热面布置,烟气侧高温段至低温段依次为:2级高压过热器、2级再热器、1级再热器、1级高压过热器、2级高压蒸发器、1级高压蒸发器、中压过热器、第二级高压省煤器、中压蒸发器、低压过热器、中压省煤器、第一级高压省煤器、低压蒸发器、低压省煤器。3.2 中间冷却器冷却水系统
11、优化设计煤压机中间冷却器冷却方案(优化前见图2、优化后见图3),由于原设计方提出凝结水需经过煤压机中间冷却器进行加热,而凝结水量不足以满足中间冷却器的冷却水流量,所以原设计中间冷器的冷却需要依靠闭式水和凝结水系统共同完成,采用的方案为凝结水与闭式水混合后一同进入间冷器。由于间冷器出水总水量为660 t/h,去余热锅炉的水量仅为240 t/h,有420 t/h 的水量是再循环状态,系统运行调控较复杂,原设计不利于系统运行的稳定性和可靠性。本次方案优化为:凝结水与闭式水不混合,另外设置一套高温闭式水系统,煤压机的冷却全部靠闭式水进行冷却;煤压机出口的高温闭式水一部分靠凝结水进行冷却,一部分靠燃机预
12、热器进行加热,剩余的全部利用开式水进行冷却;凝结水与开式水分别设置自身系统的板式换热器,通过增加两套板换系统使系统调节变得清晰简单,系统运行更加安全可靠。3.3 燃机进气加热系统回收为进一步提升单燃机和联合循环效率,提高能源利用率,在空气进气系统中增加进气加热系统。进气加热系统通过在进气系统中增加气水换热系统,提升压气机入口温度来提升名义负荷率,以达到提升部分负荷工况下燃机效率的目的。提升进气温度会使燃机排烟温度上升,从而进一步提图1 钢铁厂BTG发电流程示意图322024 年第 1 期总 第 269 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER升汽机出力,达到提高联合循环机组整体热
13、效率的目的,即通过控制压气机进气温度实现机组运行时效率最优。进气加热给水取自间冷器的出口热水,气水换热器设置在进气过滤系统之前。3.4 凝结水系统优化设计原设计中凝结水系统只设一级升压泵,即从凝汽器送出的凝结水经凝结水泵一级升压后就达到满足余热锅炉进水的压力。凝结水系统采用一级升压造成凝结水压力过高,冷却水的板换承压能力也需要提高,而换热设备无法满足承压要求,所以现阶段将凝结水升压分为二级,中间冷却器之间的凝结水压力按冷却水压力选择,经过间冷器换热后的凝结水再进行二次升压,压力升至满足余热锅炉压力需求,表1为两种方案主要设备的对比。3.5 煤压机级间冷却再压缩2本钢CCPP煤气系统包括煤气导入
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