高温超高压发电四机组系统设计优化与改进.pdf
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1、2024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER高温超高压发电四机组系统设计优化与改进王怀军1,王伟明1,张俊1,王高丰1,杜建太2,唐家毅2(1.河南安钢周口钢铁有限责任公司,河南周口 466000;2.重庆赛迪热工环保工程技术有限公司,重庆 401120)【摘要】随着清洁型热回收焦炉的推广应用,焦炉装机规模持续变大,烟气余热资源愈加丰富且回收迫切,针对余热锅炉单体容量小、数量多、参数低、发电效率不高等问题,设计并实施国内首台清洁型热回收焦炉的高温超高压母管制四机组发电项目,论述全系统总图优化布置、工艺系统方案确定、四大管道及循环冷却水系统优化设计
2、、安装调试和吹管方案的制定及实施,阐述调试及实施过程的问题。实践证明,该类型的高温超高压发电四机组系统属于高效、节能发电技术,值得广泛推广应用。【关键词】清洁型热回收焦炉;高温超高压;母管制;余热发电;设计优化【中图分类号】TM31 【文献标志码】B【文章编号】1006-6764(2024)02-0031-06 【开放科学(资源服务)标识码(OSID)】Design Optimization and Improvement of High-Temperature and Ultrahigh-Pressure Four-Unit Power Generation SystemWANG Huaij
3、un1,WANG Weiming1,ZHANG Jun1,WANG Gaofeng1,DU Jiantai2,TANG Jiayi2(1.Henan Angang Zhoukou Iron and Steel Co.,Ltd.,Zhoukou,Henan 466000;2.CISDI Thermal and Environment Engineering Technology Co.Ltd,Chongqing 401120,China)【Abstract】With the popularization and application of clean heat recovery coke ov
4、ens,the installed scale of coke ovens continues to become larger,and the flue gas waste heat resources become more and more abundant and urgent to recover.Aiming at the problems of small capacity,high quantity,low parameters and low power generation efficiency of waste heat boilers,the first high-te
5、mperature and ultra-high-pressure with common header four-unit power generation project for clean-type heat-recovery coke oven was designed and implemented in China.This article discusses the optimized layout of the general plan,the determination of the process system scheme,the optimized design of
6、the four major pipelines and the circulating cooling water system,the development and implementation of the installation and commissioning and pipe blowing scheme,and elaborates the problems of the commissioning and implementation process.Practice has proved that this type of high-temperature and ul
7、tra-high-voltage four-unit power generation system belongs to high-efficiency and energy-saving power generation technology,which is worthy of wide popularization and application.【Keywords】clean heat recovery coke oven;high temperature and ultra-high pressure;common header;waste heat power generatio
8、n;design optimization前言炼焦单元作为钢铁行业的耗能大户,高效回收利用炼焦过程中产生的余热已成为提高焦炉效率的主要途径之一1。清洁型热回收焦炉属于环保型炼焦新技术,具有工艺流程短、操作简单、微负压运行、不外泄颗粒物和VOCs等有害物质的优点2,且其单位产品综合能耗约90 kgce/t,远低于国家标准单位产品综合能耗先进值115 kgce/t,因此属于节能型炼焦新技术。随国家环保政策的日渐趋紧及常规焦炉存在的环保、回收效益偏低等多重因素,清洁型热回收焦炉在近几年的钢铁企业升级改造中得到较快的发展与应用。清洁型热回收焦炉显著312024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动
9、 力METALLURGICAL POWER特点是产焦过程中的可燃挥发分均在四联拱燃烧室内完全燃烧,不再产生外供的焦炉煤气,产生的9001 200 的高温烟气经上升火道、集气管送至余热烟气锅炉,通过余热锅炉换热,产生高温超高压蒸汽,与干熄焦产生的蒸汽并网送至汽轮发电机组,锅炉排出的低温烟气送至干法脱硫脱硝处理,达标后排放3。1 工程概述安钢周口钢铁基地一期配套168 万t热回收炼焦项目,主要包括320孔焦炉、3台130 t/h干熄焦装置、8台80 t/h高温超高压余热锅炉,4台65 MW高温超高压发电系统、2套活性炭干法脱硫脱硝系统和对应公辅系统。焦炉为第四代JNHR4.2型清洁环保节能智能热回
10、收捣固焦炉,项目于2021年8月开工建设,2023年5月份建成投产,运行效果良好,实测吨焦发电量达到1 045 kWh以上。安钢周口钢铁基地热回收焦炉余热发电相较于传统单炉单机发电系统形式差别极大。一是热回收焦炉发电系统复杂,涉及到焦炉、干熄炉、余热锅炉(包括干熄焦余热锅炉)、汽轮发电机组及脱硫脱硝系统,上下游多道工序联系紧密,生产联动性强,同时由于焦炉不能停炉,一旦焦炉热负荷减少或锅炉、汽轮发电机组出现故障,需要及时调整锅炉、汽轮机组的运行参数或切换运行模式,确保焦炉正常生产4。二是从汽水平衡角度来说,锅炉与汽轮机的汽水系统是联动的,锅炉属于焦炉的一部分,需要综合考虑各台锅炉与汽轮机的汽水平
11、衡与需求。三是焦炉余热锅炉采用高温超高压带一次再热,干熄焦锅炉不带一次再热。相较于国内目前已建或在建同类工程而言5,安钢周口基地热回收焦炉余热发电系统采用4台机组一体化布置,属于国内外首创布置形式,热力系统极为复杂,在设计及实际运行过程中存在极大的挑战与困难。2 系统布置安钢周口基地168万t热回收炼焦及配套系统分东、西2个区域,2个区域中间布置有3套干熄焦装置。西区分为A、B区,焦炉自西向东两排布置,分别为1#4#焦炉及5#8#焦炉,与1#4#余热锅炉相对应布置。东区分为C、D区,焦炉、锅炉布置方式与西区A、B区保持一致,分别为9#12#焦炉及13#16#焦炉,与5#8#余热锅炉相对应布置。
12、余热锅炉采用肩台下方式布置。4台汽轮发电机组布置在总图偏北侧中心位置,主厂房两侧分别布置双曲线冷却塔循环水泵站及机力塔循环水泵站,二者通过母管串联可实现联网供水,总图布置如图1所示。通过多次论证优化后的总图布置方式是在结合用地条件、流程优化、运维便捷、安保备用、经济性优、安全可靠等基础性条件上确定的,为4台汽轮机组四大管道母管制分段设计及机组优化选型配置提供了最佳基础条件,能够实现4台汽轮机组以及8台热回收焦炉余热锅炉的互备要求。3 热回收工艺系统方案为实现热回收焦炉高温烟气余热的全回收高效利用,经现场调研和详细核算高温烟气的流量和温度,考虑焦炉运行负荷变化造成的烟气波动,结合焦化生产工艺蒸汽
13、和凝结水等需求,通过多工况对比分析项目投资成本和收益,在保证四机组发电系统稳定安全可靠的前提下,确定了干熄焦余热锅炉、焦化烟气余热锅炉及发电机组的配置。3.1 干熄焦余热锅炉干熄焦余热载体是温度为900960 的熄焦惰性气体6。结合干熄焦工艺及运行特点,3套干熄焦配套3台干熄焦余热锅炉,干熄焦余热锅炉产汽参数最高为13.7 MPa、545,正常运行时锅炉蒸发量为 40 t/h,额定蒸发量为 60 t/h(60%110%可调),图1 全系统总图布置图322024 年第 2 期总 第 270 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER采用自然循环方式运行。干熄焦惰性高温烟气采用母管制,
14、当1台锅炉或干熄焦系统检修时,另2套干熄焦配套锅炉可通过母管增加负荷,按额定蒸发量运行,保证高温烟气无放散,且干熄焦余热锅炉总产汽量不变,共产蒸汽量120 t/h,不会对汽轮发电机组造成任何影响。干熄焦锅炉主要参数见表1。3.2 焦炉烟气余热锅炉安钢周口基地热回收焦炉数量共16组,考虑到焦炉布置方式和高温烟气量,每2组焦炉配套1台余热锅炉,共配套8台余热锅炉。热回收焦炉烟气温度高且波动小,可在烟气余热锅炉设置再热器,余热锅炉入口高温烟气温度为(1 20050),焦炉及余热锅炉正常负荷运行工况下,单台锅炉进口烟气流量为183 900 m3/h,焦炉正常运行且出现某台余热锅炉检修时,单台锅炉进口烟
15、气流量最大值可达到239 070 m3/h。经设计优化计算单台焦炉烟气余热锅炉正常运行的蒸发量约为78 t/h,最大进烟工况时,蒸发量可达105 t/h。综合考虑焦炉生产、高温烟气分散、热力设备制造、经济性等因素,本着安全、实用、稳定、可靠、高效原则,确定热回收焦炉烟气回收余热锅炉的炉型为高温超高压汽包锅炉,采用自然循环、一次中间再热这一较为成熟的技术。主蒸汽参数与干熄焦余热锅炉参数一致,实现了各路蒸汽均可并入主蒸汽,干熄焦余热蒸汽也可在热回收焦炉烟气余热锅炉再热。热回收焦炉烟气余热锅炉主要技术参数见表2。3.3 余热回收装机方案安钢周口基地清洁型热回收炼焦高温超高压多套发电四机组系统共包含3
16、台干熄焦余热锅炉和8台焦炉烟气余热锅炉,余热锅炉总蒸汽汇总参数见表3。汽轮机主要根据锅炉产汽量和运行状况进行选型,综合考虑以下因素。(1)干熄焦锅炉主蒸汽与热回收余热锅炉汇入主蒸汽母管后,再分流给4台汽轮机。(2)汽轮机高压缸排汽汇入低再母管后,分流到热回收余热锅炉进行再热。(3)再热后的高温蒸汽汇入高再母管后,分流到汽轮机低压缸。根据干熄焦余热锅炉和热回收焦炉烟气余热锅炉产汽量,核算4台机组总发电功率约256 MW,容量均分,则汽轮发电机装机方案为4台65 MW高温超高压中间一次再热汽轮机和 4台 75 MW 发电机。汽轮机主要技术参数见表4,发电机主要技术参数见表5。汽机主厂房长117.2
17、 m,宽42.5 m,主厂房内4台65 MW汽轮机为横向岛式布置,机头对辅跨,自西向东分别为1#、2#、3#、4#汽轮机组,每2台机组之间设置检修跨,1#、2#机组间和3#、4#机组间分别布置3台锅炉给水泵。汽机加热器层标高4.2 m,运转层标高8.0 m,管道层标高13.0 m,除氧层标高17.5 m。表1 干熄焦锅炉主要参数表参数名称正常蒸发量/(t/h)最大蒸发量/(t/h)蒸汽压力/MPa蒸汽温度/给水温度/入口循环气体温度/出口循环气体温度/2套运行时40.2343.0413.70.254551048009601083套运行时60.3464.5613.70.2545510480096
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