燃用低热值煤气的燃气轮机联合循环发电.pdf

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1、山东大学硕士学位论文燃用低热值煤气的燃气轮机联合循环发电姓名：高永芬申请学位级别：硕士专业：动力工程指导教师：潘继红20040510中文摘要大型炼钢厂在生产过程中产生大量的废煤气。传统的作法是将这些废煤气排放到大气，闪烧或者将其送入锅炉进行燃烧，产生蒸汽，用于工艺流程或驱动汽轮机发电机组。这种处置方式的缺点是，废煤气所含的能量不能获得充分利用，而且对环境产生有害的影响。随着燃气轮机技术的发展，以燃气轮机联合循环利用废煤气，可以显著地提高电功率输出和增加蒸汽产量，同时还可减少N O x 的排放量。本文结合济南钢铁集团工程实际，重点分析利用燃气轮机燃用低热值废煤气发电的工程设计。此项目是济钢集团“

2、十五”发展规划的重点建设项目之，是济钢集团继续实施低成本战略的重要举措。通过此项目的实施，将对济钢集团节约和合理利用能源、降低全公司生产成本、增强企业产品的市场竞争力、减少煤气排放对周围环境的污染、以及促进国家高新技术产业化发展都具有十分重要的意义，已被列入第二批国家重点技术改造“双高一优”(高新技术产业化、高新技术改造传统产业、优化重点产品和技术结构)项目导向计划。本文共分7 章。其中第1 章和第2 章概述目前国内外燃气轮机联合循环机组的发展现状；第3 章到第5 章，主要结合济南钢铁集团的工程，介绍和分析燃气轮机联合循环机组系统设计的各个组成部分的特点和工作性能，如煤气的净化和输送、煤气压缩

3、机及其各个系统、燃气轮机及其各个系统、蒸汽轮机及其各个系统等；第6 章对整个济钢工程的主厂房区域的布置进行介绍；第7 章对论文进行总结，并给出论文的主要结论。关键词：燃气一蒸汽联合循环，燃气轮机，煤气，热力循环G a s t u r b i n ec o m b i n e dc y c l ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nu s i n gc o a lg a so fl o wh e a t i n gv a l u eA B S T R A C TAs i g n i f i c a n tq u a n t i t yo fc o a

4、lg a so fl o wh e a t i n gv a l u ei sg e n e r a t e dd u r i n gt h ep r o c e s s e si nl a r g es c a l eo fi r o na n ds t e e lp l a n t s G e n e r a l l y,t h ec o a lg a si se m i t t e dd i r e c t l yi n t ot h ea i rt Ob u mo u to rf e di n t oab o i l e rt og e n e r a t es t e a mf o

5、ru s ei nap r o c e s so rf o rd r i v i n gas t e a mt u r b i n eg e n e r a t o rt op r o d u c ee l e c t r i c i t y A sar e s u l t，t h es h o r t c o m i n gr e g a r d i n gt h et r a d i t i o n a lu s eo fc o a lg a si st h a tt h et h e r m a le n e r g yo ft h ec o a lg a si sn o tr e a

6、s o n a b l yu s e da n dt h er e s u l t e dp o l l u t i o nt Ot h ee n v i r o n m e n t T h eu s eo fw a s t i n gc o a lg a st h r o u g hag a st u r b i n ec o m b i n e dc y c l ec a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h ee l e c t r i cp o w e ra n ds t e a mo u t p u t sa n dc a na l

7、 s or e d u c et h eN O xe m i s s i o n B a s e do nt h ep r o j e c to fJ i n a ni r o na n ds t e e lp l a n t，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ee n g i n e e r i n gd e s i g no fap r a c t i c a ls y s t e mg e n e r a t i n ge l e c t r i c a lg e n e r a t i o nt h r o u g hg a st u r b i

8、 n ec y c l e sf u e l e dw i t ht h ew a s t i n gc o a lg a s T h i si so n eo f t h ek e yp r o j e c t sd u r i n gt h ep l a n t St e n f i v e d e v e l o p m e n tp l a na n di sa l li m p o r t a n tn l e a s u r ei ni m p l e m e n t i n gt h el o w p r o d u c tc o s ts t r a t e g y T h e

9、p r o j e c ti so fs i g n i f i c a n ti m p o r t a n c et Ot h ep l a n ti nu s i n gt h ee n e r g yr e s o u r c e se f f i c i e n t l y,r e d u c i n gt h eo v e r a l lp r o d u c t i o nc o s t，e n h a n c i n gt h ec o m p e t i t i v ec a p a b i l i t yi nt h em a r k e t，a n dl o w e r

10、i n gt h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n T h i sp r o j e c th a sb e e nl i s t e di nt h eg u i d i n gp l a no ft h es e c o n d p h a s en a t i o n a lk e yt e c h n i c a lt e n o v a t i o np r o j e c t s T h i sp a p e ri sd i v i d e di n t os e v e nc h a p t e r s T h ec h a

11、p t e r s1a n d2a r ed e v o t e dt ob r i e f l yr e v i e wt h eb a c k g r o u n da n ds t a t u so f t h eg a st u r b i n ec o m b i n e dc y c l et e c h n o l o g yb o t hi nc h i n aa n da b r o a d T h ec h a p t e r s3t h r o u g h o u t5d i s c u s st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d

12、w o r k i n gp e r f o r m a n c e so ft h ed i f f e r e n tc o m p o n e n t so ft h eg a st u r b i n ec o m b i n e dc y c l es y s t e m T h ee n t i r e l ya r r a n g e m e n to ft h em a i np l a n tz o n ei sp r e s e n t e di nc h a p t e r6 A tl a s t，c h a p t e r7s u m m a r i z e st h

13、ep a p e rw i t ht h ec o n c l u s i o n sd e r i v e d，K e yW o r d s：G a s s t e a mc o m b i n e dc i r c l e，g a st u r b i n e s，c o a lg a s，t h e n n a lp o w e rc y c l e s5-附件一原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明

14、确方式标明。本声明的法律责任由本人承捐。论文作者签名日期：2 0 0 4 5 2关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：避导师签名：日期：2 Q Q 璺：堇=1 绪论1 1 前言大型炼钢厂在生产过程中产生大量的废煤气，包括高炉煤气、焦炉煤气及转炉煤气等。传统的作法是将这些废煤气排放到大气闪烧或者将其送入锅

15、炉进行燃烧产生蒸汽，用于工艺流程或驱动汽轮机发电机组。这种处置方式的缺点是，废煤气所含的能量不能获得充分利用，而胃对环境产生有害的影响。随着燃气轮机技术的发展，人们找到了有效解决这个问题的方法。以燃气轮机联合循环去利用废煤气，可以显著地提高电功率输出和增加蒸汽产量，同时还可减少N O。的排放量。本文结合济南钢铁集团燃气蒸汽联合循环发电工程的工程实践，从设备选型、系统设计及布置等方面说明利用废煤气发电的工程设计。1 2 国内外研究概况燃气轮机发电问世半个多世纪，就像一切先进的科学技术一样，初生时就显示其生命力而为人注目，经几代人精心培育，这一技术日趋完善，并得到了高度发展和广泛应用。1 2 1

16、国外燃气轮机的发展概况m 1目前就世界范围而言，燃气轮机发电已是电力结构中的重要部分，而在新增发电容量中更占主要成份。各主要燃气轮机制造厂家争相推出容量更大和效率更高的产品，目前实际投入运行的5 0 H z 特大型燃气轮机，如G E、S i e m e n s、A l s t o m(原A B B)和M H I等公司的产品都是2 0 0 M W 以上的，而“一拖一”配置(一台燃气轮机配一台汽轮机)的容量等级是4 0 0 M W。以1 9 9 6 年6 月至1 9 9 7 年5 月为例，世界燃气轮机订货量达8 9 2台，总功率2 8，5 5 2 M W。美国能源部能源信息中心(D O E E I

17、 A)的最新统计资料表明，截止到1 9 9 8 年1 月1 日止，美国U t i l i t y 燃气轮机及联合循环的装机容量达7 9，3 5 5M W，机组共1，7 5 1 台(套)，占美国U t i l i t y 总装机容量7 5 4，9 2 5M w 的1 0 5。又据统计，发达国家每年新增的联合循环总装机容量约占火电新增容量的4 0 5 0。表1 2 1 为当代最新技术水平的燃气轮机制造商。表1 2 1 当代最新技术水平的燃气轮机国外主要公司G EA B BS i e m e n s(k w u)西屋三菱机型M S 9 0 0 I F AM S 9 0 0 1 C,G T 2 6V

18、9 43 A7 0 1 F7 0 1 G输出功率2 2 6 52 8 2 02 6 52 4 02 4 63 1 0(M W)压比1 472 321 6 6透平前燃气温度1，2 8 81，4 3 0l，2 6 0l，1 9 01，2 9 01，4 1 5(。C)简一热效率3 5 73 9 53 8 53 83 73 9萤l()循高温一级D sG T D1 1 l(同向结晶)动叶材料环 口涂层G T 一2 9 I NP L u sT M(涂层)高温一级动叶的冷空气冷却却技术排放量控 2 5制(P P M)工艺流程特点M G A1 4 0 0M G A2 4 0 0空气冷气膜冷却空气冷却却 2 5

19、 2 5两段燃烧技术2 2 5机型s 1 0 9 F AS 1 0 9 GK A 2 6 一lG U D I S 9 4 3 A联。联合循环。输出功率3 4 8 51 旧砑、(M w)联合循环5 6 3效率()4 2 03 9 6 03 5 95 85 8 55 8 14 2 05 8在燃用低热值高炉煤气上，。“。从1 9 4 5 年瑞士B B C 公司接受西班牙B a r a c a d o 钢铁厂的第一台高炉煤气燃气轮机订货开始，经过半个多世纪的努力，逐步解决了高炉煤气热值低，燃烧稳定性差、含灰量大、调节控制系统复杂等一系列技术难题。目前燃高炉煤气燃气轮机的单机容量已达1 4 4M W(毛

20、功率)，组成燃气一蒸汽联合循环的出力为1 4 9 6M w(净功率)，热效率为4 5 以上。用户遍及两欧、前苏联、日本、美洲各国和我国。制造厂中瑞士的原B B C 公司和日本三菱重工的经验最为丰富，绝大部分高炉煤气燃气轮机都是由他们生产的。B B C 公司从1 9 4 9 年到1 9 7 6 年间共制造了2 5 台高炉煤气燃气轮机，其中有4 台机组发展成为燃气蒸汽联合循环。日本三菱重工1 9 5 8 年开始研制首台高炉煤气燃气轮机，功率8 5 0k W，用来驱动鼓风机，安装于新日铁八幡工厂。其后不断发展，现已研制出M W 一7 0 1 D 高炉煤气燃气轮机，功率为1 2 4M W，组威联合循环

21、的功率为1 4 5M W，是三菱生产的最大的高炉煤气燃气轮机组，联合循环热效率高于4 5 6，1 9 8 7 年投入运行。1 世界上第一座1 2 0 M W 整体煤气化C o o lW a t e r 联合循环电站于1 9 8 4 年在美国投入运行。1 9 9 6 年1 0 月 3 1 ，意大利达兰多的I L V A 钢铁厂由I S E 运行的5 1 5M W 发电厂的第一台高炉煤气与天然气混烧的燃气轮机组投入运行，I S E 发电厂以N u o v oP i g n o n e公司制造的3 台M S 9 0 0 1 E 燃气轮机为基础。N u o v oP i g n o n e 公司供应了

22、燃气轮机和煤气压缩机，A n s a l d o 供应了发电机、蒸汽轮机和余热锅炉。该电厂机组的输出功率和热效率水平都超过了预期值，也显示出了良好的可靠性。1 2 2 国内在高炉煤气燃气轮机方面的情况我国燃气轮机发电近年来有所发展，建国初期，我国在努力发展电力工业的同时，就注意到燃气轮机这一有前途的发电技术。5 0 年代末6 0 年代初，我国就开始引进燃气轮机发电机组。先后测绘仿制或自行设计制造过多种机型。这时我国发展燃气轮机属探索性的第一时期。最早引进的瑞典s T A L L A V A L 轴燃气轮机发电机组因设计、制造上不很成熟，没有能很好投入运行。我国仿制或自制的机组功率等级都在几千千

23、瓦以内，燃气初温一般为6 0 0。C 7 0 0。C，热效率仅为1 6 -2 5。虽然这些机组由于使用上或技术上的问题没有长期运行下去，也没有形成批量生产，但也取得了一些研究和制造经验，造就了我国最早燃气轮机设计制造人才。其中，上海汽轮机厂仿制成功6 2 M W燃气轮机列车发电站，南京汽轮电机厂自行设计制造1 5 M W 带回热的燃气轮机并在四川五通桥电厂试运行，哈尔滨汽轮机厂自行设计制造的3，0 0 0 马力船用燃气轮机又改成发电机组在天津并网运行。他们都能称得上是我国燃气轮机发电的开拓者。自7 0 年代后期到8 0 年代初期，基于国外燃气轮机发电技术已有很大进步，国内石油和天然气的开发也有

24、进展，我国再次热衷于燃气轮机的制造和应用，我国发展燃气轮机进入第二时期。我国水电部先后从英国J B 公司、日本日立公司和法国阿尔斯通公司引进了共l O 套M S S 0 0 0 系列，单台功率为2 1 7 2 3 M W 燃气轮机发电机组，又从加拿大奥伦达公司引进2 套O T 一2 l O o，单台功率为9 M W 的燃气轮机列车电站，从而使我国燃气轮机发电装机容量达到3 0 0 M W 左右，这些机组大部分都经长期运行，有些机组几经搬迁还在服役。在此期间，国家重点投资了南京汽轮电机厂和燃气轮机研究所，列为国家燃气轮机的专业厂和研究所，并引进了美国G E 公司的生产设备和部分制造技术。对引进的

25、M S 5 0 0 0 系列燃气轮机进行测绘仿制，并成功通4过国家验收，相继生产三台。南京汽轮电机厂又和美国G E 公司合作生产M S 6 0 0 0 系列机组，目前已有7 套机组供国内电厂生产使用。高炉煤气燃气轮机联合循环热电装置是钢铁工业中合理利用能源、节能降耗和解决环境污染问题的首选方案。我国对此项目一直十分重视，早在1 9 7 9 年1 0 月就在太原市召开了“高炉煤气燃气轮机发电技术座谈会”，山西省计委、北京钢铁设计研究总院、部分钢铁厂及有关科研院所和制造厂参加了会议，会议对高炉煤气燃气轮机发电的科学性和经济性予以肯定，并提出钢铁企业应把高炉煤气燃气轮机的应用早日提上议事日程。目前宝

26、钢已于1 9 9 7 年1 1 月建成投产一台容量为1 5 0M W 专烧低热值高炉煤气的燃气一蒸汽轮机联合循环热电装置。通化钢铁(集团)有限责任公司已建成燃高炉煤气焦炉煤气燃气轮机燃气一蒸汽联合循环电站，首都钢铁公司和鞍山钢铁公司等国内大中型钢铁企业都有建造联合循环电站、更新改造和提高高炉煤气利用水平的计划。济南钢铁股份有限公司正在建造燃高炉煤气焦炉煤气燃气轮机燃气一蒸汽联合循环电站。2 理论分析燃气轮机利用燃烧产生的燃气直接做功在温熵图上完成的是布雷顿循环。1图2 1。见图2 1其中1 2 为压气机中的绝热压缩过程，2 3 为燃烧室中的定压加热过程，3 4为燃机透平中的膨胀做功过程。1 2

27、 3 4 所包围的面积s。为循环所做的功，4 4 l 一1 所包围的面积s。为热机排放的热，S+S：为燃机从燃料吸收的热，燃机的热效率n=S,(S。+S。)，温熵图上1 为燃机压气机入口处空气状态，4 为燃机排气状态，2 为压气机出口空气状态，压气机出口压力与入口压力之比称为压比。燃气轮机不同于常规蒸汽轮机由燃烧加热产生蒸汽，蒸汽做功完成朗肯(R a n k i n e)循环，蒸汽循环参数的提高受到限制，蒸汽轮机发电效率也受到限制。燃气轮机可提高燃气初温来提高效率。因此，燃气轮机可以做到效率高、重量轻、结构紧凑。燃气轮机分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机，轻型燃气轮机为航空发动机的转型，如L M

28、6 0 0 0 P C 和F T 8 燃气轮机，其优势在于装机快、体积小、启动快和简单循环效率高。重型燃气轮机为工业型燃机，如G T 2 6 和P G 6 5 6 1 B 等燃气轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高和联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电和热电联产。图2 2 给出了在燃气一蒸汽联合循环中，当采用单压蒸汽循环时的温熵图”1。6、，：一。、一，一一一雀一lj o c，j，i；j一7 7。，歹二髫，么兰兰立图2 2 单压蒸汽循环温熵图图中的面积1 1 是表示燃气轮机做功的热当量，面积1 2 是指蒸汽轮机做功的热当量，面积(2 1+2 2)则表示联合循环对外界冷源损失的热能。因此，联合

29、循环的效率qC C 可以表示为面积r l|1 _ r 1 2)nC C 2 面积(1 1+1 2)+面积(2 1+2 2)燃气轮机以空气为工作介质，空气的温度和比重随厂址条件而变化，国际上规定环境温度为1 5 0 C，大气压力为1 0 1 3k P a，相对湿度6 0 为I S O 工况(即标准工况)，制造厂按I S O 工况设计制造燃气轮机。当大气温度和大气压力超过I S O 工况时，燃气轮机的发电出力和效率都要下降，其中发电出力的降幅较大。当机组不在环境温度1 5 0 C，大气压力i 0 1 3k P a 的条件下运行时，性能参数的修正曲线见附录中的图l 至图7”1。燃气轮机利用压气机进气

30、导叶的开度来调节空气进气量，调节范围为1 0 0 7 0。当负荷小于7 0，只能通过控制燃料来控制燃气轮机的出力。所以燃气轮机低负荷运行时，效率大幅度下降，带5 0 负荷时效率下降5 7 个百分点，故燃气轮机不适宣于带部分负荷运行。燃气轮机的起动时间很短，一般从起动到带满负荷不到3 0m i n。如果加上联合循环的蒸汽部分，在热态下起动，也不超过7 0m i n。所以在停机后采取保温措施，机组可以迅速起动带负荷。燃气轮机的燃料主要为天然气、轻柴油、重柴油与重油、低热值煤气。高炉煤气是炼铁过程产生的伴生气。它的主要成份是c O，C O z，N 2，C H 2 等。C O 约占2 2 2 6，H!

31、约占1 4，N：要占5 8 o 6 0。由于各钢铁企业炼铁煤焦比不同，其高炉煤气的可燃成份多少也不相同。大型企业工艺先进，设备精良、其焦比低，高炉煤气的热值也低，中小企业炉容小、能耗高，所以N t h 煤气的热值也高。钢铁企业的高炉煤气热值一一般在3 1 2 j 3 5 4 2 k J N m 3 左右。高炉煤气为低热值气体燃料，属于二次能源。与高热值燃料相比燃烧温度虽不算高，但它仍能产生对目前热机而言已足够高的燃气或蒸汽温度。从能源品位来看，目前仍属于高品位能源。为了更合理地利用这部分能源，尽量用来多发电以获得高品位能。而其排出的无法在热机上应用的余热，是低品位能量，可作为供应较低温度的蒸汽

32、或热水用。燃气轮机作为高效率的热机其燃烧温度达1 2 0 0。C 以上，排气温度在5 0 0。C 以上，就能满足高温段出功的要求。其排气产生蒸汽来发电，汽轮机的排汽可作供热使用，这一能量使用的梯级原则显然也是适用于高炉煤气的利用。2 1 基本构成燃气轮机装置是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机，它的结构与飞机喷气式发动机一致，也类似蒸汽轮机。主要结构有三部分：l、燃气轮机(透平或动力涡轮)；2、压气机(空气压缩机)；3、燃烧室。其工作原理为：叶轮式压缩机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料(气体或液体燃料)也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧。生成的高温高压烟气进入燃气

33、轮机膨胀做功，推动动力叶片高速旋转，乏气排入大气中或再加利用。燃气轮机排出的废烟气温度还很高(一般为4 0 0 6 0 0)，还有相当大的热能可以利用(占燃料总热能的6 3 6 6)，将它送入余热回收锅炉(H R S G)，产生蒸汽推动汽轮机带动发电机发电。这就是蒸汽循环系统，它主要由H R S G 和汽轮机组成。把燃气轮机循环系统与H R S G 及蒸汽轮机循环系统综合在一起的发电系统称为联合循环发电系统。联合循环发电系统的净效率超过5 0，现在最高可达5 6 5 7，远远超过常规电厂的热效率。在联合循环发电系统中，燃气轮机与汽轮机的容量配合比例，一般为2：1。例如，l 台2 5 0M w

34、的燃气轮机可配l 台1 2 5M w 的汽轮机组成l 套3 7 5M W 的联合循环机组，或者2 台2 5 0M W 燃气轮机可配l 台2 5 0M W 的汽轮机组成一套7 5 0M W 的联合循环机组。2 2 燃气轮机用于发电的主要形式2 2 1 简单循环发电由燃气轮机和发电机独立组成的循环系统称为简单循环，也称为开式循环。其优点是装机快和起停灵活，多用于电网调峰、交通和工业动力系统。目前的最高效率的开式循环系统是G E 公司L M 6 0 0 0 P C 轻型燃气轮机，效率为4 3。2 2 2 前置循环热电联产或发电由燃气轮机及发电机与余热锅炉共同组成的循环系统称为前置循环，它将燃气轮机排

35、出的功后高温乏烟气通过余热锅炉回收，转换为蒸汽或热水加以利用。主要用于热电联产，也有将余热锅炉的蒸汽回注入燃气轮机提高燃气轮机出力和效率。最高效率的前置回注循环系统是G E 公司L M 5 0 0 0 一S T I G l 2 0 轻型燃气轮机，效率为4 3 3。前置循环热电联产时的总效率一般均超过8 0。为提高供热的灵活性，大多前置循环热电联产机组采用余热锅炉补燃技术，补燃时的总效率超过9 0。2 2 3 联合循环发电或热电联产燃气轮机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机或供热式蒸汽轮机(抽汽式或背压式)共同组成的循环系统，它将燃气轮机排出的功后高温乏烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽，再将蒸汽注入蒸汽

36、轮机发电，或将部分发电作功后的乏汽用于供热。形式有燃气轮机、蒸汽轮机同轴推动一台发电机的单轴联合循环，也有燃气轮机、蒸汽轮机各自推动各自发电机的多轴联合循环。主要用于发电和热电联产，发电时的最高效率的联合循环系统是A B B 公司G T 2 6 1，效率为j 85。燃气轮机发电的生产流程是从大气中抽取大量空气经过滤器过滤后，进入压气机进行压缩，压缩后的空气进入燃烧室与燃料混和燃烧，产生高温烟气推动燃气轮透平带动发电机发电。这就是燃气轮机循环系统。燃气轮机由空气进气系统、多级轴流式压气机和燃烧系统、燃气轮透平与排气室组成。2 2 4 整体化循环由煤气发生炉、燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机共同组成的

37、循环系统，也称为I G C C。主要解决使用低廉的固体化石燃料代替燃气轮机使用气体、液体燃料，提高煤炭利用效率，降低污染物排放。可作为城市煤气、电力、集中供热和集中制冷、以及建材、化工原料综合供应系统。目前，G E 公司使用M S 7 0 0 1 F 技术组成的整体循环系统发电效率可达到4 2。2 3 能量平衡与热效率计算由于目前的燃气一蒸汽联合循环大多以余热锅炉无补燃为基础，因此本文按无补燃余热锅炉型燃气一蒸汽联合循环作理论分析。图2 3 中给出了无补燃双压余热锅炉型燃气一蒸汽联合循环方案的典型系统图。爨源mr)n 燃斟“一1l 一【，t、，、r7T0：ljr 一1 一-h!“叫LI，：l；

38、，、-J 5 t；Tf，工u s t I、“一l、jr 一“、1 一：一Tb0 3j 一燃气轮柠令源2 余热锅炉j3 一蒸汽车2 反图2 3 无补燃双压余热锅炉型燃气一蒸汽联合循环方案典型系统图2 3 1 燃气轮机的能量平衡关系假如忽略燃料物理显热的微量影响，那么Q l+Q a r,n e tnrL=L g t+Q a 2+Q c l+Q c 2式中Q。相对于I k g h 燃料，吸入燃气轮机压气机的空气(其中包括燃气透平冷却空气和对外泄漏空气在内)所携带的热能；Q a r，n e t 燃料的收到基低位发热量nr 1 燃气轮机燃烧室的效率；L g t 燃气轮机轴端功率的热当量；Q a：燃气轮机

39、对外泄漏的空气所携带的热能；Q c，燃气轮机排入余热锅炉的燃气所携带的热能；Q c：燃气透平的冷却空气经空冷器冷却而对外散失的热能。可见，若以Q a r，n e t 为基准，燃气轮机的循环效率n 酣为ng t=L g t Q a r，n e t设燃气轮机部分的机械传动效率为ng t率ng t j 为ng t j=qg tng t lng t22 3 2 余热锅炉的能量平衡关系Q c l+Q w l=Q s h+Q s h+Q A 2式(2 3 2)电机效率为r lg t。，则燃气轮机的循环净效式中Q w-从蒸汽轮机的给水回热系统供入余热锅炉的给水所携带的热能Q s t 一在余热锅炉中产生的主蒸

40、汽所携带的热能；Q s t 2 在双压式余热锅炉中产生的低压蒸汽所携带的热能；Q A 2 从余热锅炉排向大气的燃气所携带的热能。2 3 3 蒸汽轮机系统的能量平衡关系Q s h+Q s t 2=L s t+Q w l+Q A 3式中L s t 蒸汽轮机轴端的做功功率之热当量；e n 3 蒸汽轮机通过凝汽器排向外界冷源的热能。蒸汽轮机的循环效率r ts t 定义为ns t。Q S t l+Q S t 2 一Q w式(2 3 6)设蒸汽轮机部分的机械传动效率为ns t。，电机效率为ns t：，则蒸汽轮机的循环净效率ns tJ 为ns t J=ns tns t，ns t!式(2，3 7)2 3 4

41、联合循环的热效率显然，无补燃双压余热锅炉型燃气一蒸汽联合循环的热效率兀C CL g t+L s tQ a r，n e t3 工程实际3。1 概况济南钢铁股份有限公司(以下简称“济钢”)位于济南市东郊，始建于1 9 5 8 年，现年钢生产规模2 4 0 万吨，占地约5 平方公里。济南钢铁股份有限公司有4 座4 2 孔焦炉和1 座6 5 孔焦炉，焦炉煤气年富裕总量3 2 85】0“N m 3 a；可用于发电的稳定供气量，全年各季有3 1 6 0 0N m。h，5 9 月以外的月份有3 3 1 0 0N m 3 h。如果合理安排检修计划，使各工艺车间的计划检修时间不同时，还可有更多的稳定焦炉煤气量供

42、发电厂燃用。济南钢铁股份有限公司的炼铁厂现有3 5 0m 1 的高炉6 座，另一座在建的1 7 5 0m 3 高炉也将要投产。各工艺车间的高炉煤气可用于发电的富裕量为1 8 4 2 2 3N m 3 h。为了将上述这些废气利用起来，使其变废为宝，既减少环境污染又能发电，造福于民，开发采用高效率的燃气一蒸气联合循环发电机组实旋发电，即济钢燃气一蒸汽联合发电工程。发电燃料是利用济钢集团内自身冶金企业生产过程中所产生的副产品一焦炉煤气和高炉煤气，其中高炉煤气属低热值煤气。济钢燃气一蒸汽联合发电工程在济钢厂区内改造建设。其中主体工程位于济钢总厂区西北角，按照新增设施类别分别布置于不同位置，大致划分为发

43、电主厂区、高炉煤气柜区、高炉煤气净化及混台站区、焦炉煤气净化区四个区域。工程规模根据济钢煤气量平衡所富裕出来的供气量来确定，建设2 套P G 6 5 6 1 B L型燃气轮发电机组和余热锅炉、蒸汽轮发电机组，焦炉煤气耗量2 9 1 8 8N m 3 h，高炉煤气耗量1 3 0 0 8 0N m 3 h。每台燃机输出功率为4 9 3 5 M w，每台蒸汽轮机的额定功率为1 8 M W，总容量为6 7，3 5 M W，全厂共发电1 3 4 7 M w。图3 1 为济钢工程原则性系统图。二兰兰兰璺二三三亟至三至三E 三三垂!：i 三重曼i ；广将8”1i ii i坦毒：w 4r。一m ll 百I；缸

44、隧氧8 X 9 2 7 8lI!1 一等享封午；卜 广l 唾1 i _ j门I0 可中 1；l-帮寄囊i 照二一一I。：业-l IL _L U图3 1 济钢工程原则性系统图3 2 煤气净化及输送系统根据济钢总公司2 0 0 3 年度煤气平衡，焦炉煤气富余约3 0 0 8 0 N m 3 h，高炉煤气富余2 6 1 1 8 6 N m 3 h。为迸一步节能降耗，富余煤气考虑发电，发电采用混合煤气，在两种煤气混合前，必须对焦炉煤气，高炉煤气进行净化处理。建设两套燃气一蒸汽联合循环发电机组，焦炉煤气、高炉煤气净化后经二座混合站，与二台发电机组一对一匹配，单座混合站混合能力8 2 7 5 5 N m

45、3 h，热值5 7 6 4 K J N m 3，采用热值指数调节控制系统，热值波动范围为3。每台机组消耗混合煤气8 2 7 5 5 N m 3 h，其中焦炉煤气1 4 0 8 7 N m 3 h，高炉煤气6 8 6 6 8 N m。h。高一焦混合比为4 8 7：1，混合煤气质量指标如下：含尘量：1、绝缘箱温度小于7 0。C 或绝缘箱温度大于1 0 09 C，电捕自动断电，其余时间均处于工作状态。净化处理后的焦炉煤气通过o1 0 2 0 x 8 管道架空敷至新建混合站。高炉煤气自总厂区中2 0 0 0 高炉煤气主管来通过中1 8 0 0 管道架空送至发电区，一路至电除尘进口，进口煤气含尘约1 5

46、 m g N m 3，经除尘后降至l m g N m 3。除尘后的煤气进入混合站。电除尘共设2 台板式电除尘，并联操作，每台处理煤气量约8 0 0 0 0 m 3 h，每台连续冲洗水量2 5 t h，冲洗水经沉淀过滤后循环使用，冲洗水悬浮物(5 0 p p m电除尘器采用多项安全措施，煤气设氧含量分析，当氧含量 0 8 时声光报警，1 时电除尘自动断电；当绝缘箱温度 9 0。C 时声光报警，7 0。C 电除尘自动断电；设安全自闭式泄爆阀，放散吹扫管：电气二区防爆；绝缘箱设防爆等。d 嵫未盏鎏菡喾垡垒未为保证电除尘器除尘效果，采用电磁振打；电晕极防火花放电；喷水方向可调。为保证电除尘器使用寿命，

47、沉淀极采用宝钢Q 2 3 5 一B 板，水系统、阴极线、阴极上、下框架采用不锈钢材质。电气采用先进的P L C(可编程控制器)控制系统，主控室设H M I(人机接口)工程师站，操作及控制在C R T(监视器)上进行。焦炉煤气和高炉煤气净化后进入混合站，混合后送入发电厂区。混合站设二座，单廖混合站基本参数如下：混合站类型：单座混合能力：混合煤气热值：焦炉煤气温度焦炉煤气压力(表压)焦炉煤气流量焦炉煤气允许压力降高炉煤气温度高炉煤气压力(表压)高炉煤气流量混合煤气压力三蝶阀热值指数调节系统。8 2 7 5 5 N m 3 h，波动范围7 9 5 6 6 9 1 9 6 0 N m 3 h。5 7

48、6 4 1 4 1 N m 3，波动范围3 0+5 0 4 0 0 0 P a，波动范围3 0 0 0 6 0 0 0 P a 1 4 0 8 7 N 3 h，管径D 8 2 0 x 8波动范围1 1 9 6 4 1 4 8 7 1 N m 3 h。小于5 0 0 P aO+5 0 8 0 0 0 P a，波动范围6 0 0 0 1 5 0 0 0 P a 6 8 6 6 8 N m 3 h，管径D 1 4 2 0 x 8波动范围6 4 6 9 5 7 9 9 9 6 N m Z h。大于3 5 0 0 P a 每立方米焦炉煤气含杂质：焦油(轻柴油)1 0 m g；荼4 0 m g：H 2 S

49、3 0 0 m g每立方米高炉煤气含杂质：尘l m g每立方米煤气含机械水：10 9混合站设流量、压力、热值控制检测，低压报警，混合后的煤气通过管道送至发电区。3 3 发电主要设备概况及特点济钢燃机电厂由P G 6 5 6 1 B L 型燃气轮机、高低压煤气压缩机、齿轮箱、蒸汽轮机、余热锅炉、发电机和励磁机等组成，采用多轴系列布置，即燃气轮机和蒸汽轮机各自拖动各自的电动机。燃气轮机及余热锅炉均为露天布置，煤气压缩机及蒸汽轮机为室内布置。由南京汽轮电机(集团)有限责任公司提供燃气轮机、蒸汽轮机、发电机和励磁机，由沈阳鼓风机厂提供煤气压缩机，由哈尔滨七零三所提供余热锅炉。3 3 1燃气轮机主要技术

50、规范供应商南京汽轮电机(集团)有限公司型号PG6561BL台数2在I S 0 状态下(大气温度1 5。C，大气压力1 0 1 3 1 0。P a)，进气压力损失为9 9 6 P a，排气压力损失6 2 3 P a，大气相对湿度6 0，无注水、无注汽的(简单循环)工况下的性能参数：燃机输出功率4 9 3 5 M w转速5 1 3 3r m i n运行方式基本负荷燃料低热值混合煤气(低热值：5 7 6 4k J N m 3)热耗率1 0 1 6 0 k J k w h排气温度5 2 5。C排气流量5 6 7 4 t h在大气温度1 5|。C，大气压力1 0 1 3 1 0 5 P a，迸气压力损失