燃用低热值煤气燃气蒸汽联合循环在钢铁行业的应用研究.pdf

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1、重庆大学硕士学位论文燃用低热值煤气燃气-蒸汽联合循环在钢铁行业的应用研究姓名：胡祥东申请学位级别：硕士专业：动力工程指导教师：李隆键;黄龙强20070604重庆大学工程硕士学位论文中文摘要摘要钢铁冶金行业是高能耗部门之一。由于技术陈旧、设备老化等原因，目前钢铁企业生产过程中作为二次能源的副产品如高、焦炉煤气以及转炉煤气的利用率较低，此外，这些产品燃烧和排放产物中含有大量的有害气体，对环境污染严重。本课题研究在重钢利用富余高焦炉煤气为燃料进行燃气蒸汽联合循环发电系统的开发和应用，这对于钢铁企业节能和环境保护具有重要的工程实际意义。论文首先进行了循环发电项目的可行性论证，站址方案论证，项目规模论证

2、，工艺方案论证和设备选型；然后对富余高焦炉煤气作为稳定而可行的循环发电系统的燃料处理过程进行了分析研究。在此基础上对各子系统，如净化处理系统、加压处理系统、低氮燃烧系统、燃气轮机系统、蒸汽轮机系统、余热锅炉系统等进行了分析和方案优化。最后，对建成后项目的系统运行进行了调试和改造。主要涉及基于燃机油气切换，实现不同燃烧方式而对氮气清吹系统的改造；煤气系统中放散系统的改造，基于煤气管网压力波动过大等对煤气系统的改造：基于实际煤气配比偏差对煤气配比的系统的改造；另外还对煤气净化系统作了改造，并提出了热值自动控制方案。最后本课题还对整个项目做了经济性和社会效益的综合性分析。目前我国大部分钢铁厂都存在富

3、余煤气剩余现象，直接排入大气不仅不能实现经济回收利用，还对环境造成空气污染，因次开发利用钢厂富余煤气实现发电的钢厂C C P P(c o m b i n e dc y c l ep o w e rp l a n l)系统有着巨大的经济效益和社会效益。由于钢厂煤气往往存在压力不稳定、含尘量大、热值低等等一些列问题，因此该项目的开发和应用成功标志着钢厂C C P P 技术的突破，为同行提供了很好的范例。关键词：低热值煤气，燃气蒸气联合循环，煤气净化，调试与改造重庆大学工程硕士学位论文英文摘要A B S T R A C TS t e e la n dm e t a l l u r g i c a l

4、i n d u s l z yi so mo f t h el a i g h-e n e r g y-e o n s u m i n gs e c t o r s F o rt h er e a s o no ft h ed r a g g l i n gt e c h n o l o g ya n da g i n ge q u i p m e n ta n dS Oo n,p r e s e n t l yt h eu t i l i z a t i o no f t h eb y-p r o d u c tf r o mt h es t e e lp r o d u c t i o n

5、p r o c e s s,C O G，B F Ga n dc o n v e r t e rg a sa sas e c o n d a r ye n e r g y i sl o w e r I na d d i t i o n,t h ep r o d u c t sc a m ef r o mt h ep r o c e s so fc o m b u s t i o na n de m i s s i o no f t h et h eg a se o n t a i ml a r g ea m o u n t so f h a r m f u lg a s e s，m a k i

6、n gs e r i o u s l yp o l l u t i o nt oe n v i r o n m e n t I nt h i sp a p e r,t h eu s i n go f B l a s tF u r n a c eG a s(B F G)a n dC o k e-O v e nG a s(C O G)a saf u e lf o rg a s-s t e a mc o m b i n e dc y c l ep o w e ri nC h o n gQ i n gI r o na n dS t e e lM mh a sb e e nd e v e l o p e

7、 da n da p p l i e d,i th a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ee n e r g y-s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf o rt h es t e e le n t e r p r i s e sF i r s t l y，t h ed e m o n s t r a t i n gf o rt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep o w e r

8、g e n e r a t i o np r o j e c t,t h er e a s o n i n gf o rt h es i t ea n dt h es c a l eo ft h ep r o j e c ta n dt h es e l e c t i o nf o rt h eP r o c e s sa n de q u i p m e n to ft h er e c y c l ep o w e rp l a n th a v eb e e nc o n c l u d e di nt h i sp a p e r I ta l s oh a si n c l u d

9、 e dh o wt ot a k et h es u r p l u sC O Ga n dB F G，a sas t a b l ef u e l,t oa c h i e v et h ep r o c e s so fp o w e rg e n e r a t i o n,i nd e t a i lr e l a t i n gt ot h eo p t i m i z i n gf o rt h ep u r i f i c a t i o na n dp r e s s u r es y s t e m sf o r t h eg a s，l o wn i t r o g e

10、nc o m b u s t i o ns y s t e m s，g a st u r b i n e sa n ds t e a mt u r b i n es y s t e m sa n dH R S Gs y s t e m T h ed e b u g g i n ga n dt h er e c o n s t r u c t i o nf o r t h ea c c o m p l i s h e dp r o j e c th a v ea l s ob e e ni n c l u d e di nt h i sp a p e r,p r i m a r i l yi n

11、 v o l v i n gi nt h er e f o r m a t i o nt Ot h en i t r o g e np u r g es y s t e m,t oa c h i e v ed i f f e r e n tf o r m so f c o m b u s t i o n,t h er e b u i l d i n gt ot h ed i m,s i n gs y s t e mb e l o n g e dg a ss y s t e m,t h ea l t e r a t i o nt ot h eg a ss y s t e mb a s i n g

12、u p o nt h ee x c e s s i v ef l u c t u a t i o n si nt h es y s t e ma n dt h er e f o r m a t i o nt ot h eg a sp u r i f i c a t i o ns y s t e m T h ea u t o m a t i c a le o n l r o l l e ds c h e m ef o rh e a ti n d e xi sa l s og a v e F i n a l l y，t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s

13、 i sa b o u te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t st ot h i sp r o j e c th a sb e e nd o n e A tp r e s e n t,t h ep h e n o m e n o no fs u r p l u sg a se x i s t si nm o s to fo u rs t e e lm i l l s B e s i d e st h ea i rp o l l u t i o nb r o u g h tb yt h ed i r e c t l yd i s c h a

14、r g ei n t ot h ea l a-n o s p h e r e，t h ee c o n o m i c a lc o s ti si g n o r e d S oi t so b v i o u s l yt h a tp u t t i n gt h ec y c l ep o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mu s i n gs t e e ls u r p l u sg a so f s t e e lm i l li n t oe f f e c tc o u l db r i n gO nh u g ee c o n o m i

15、 ca n ds o c i a lb e n e f i t s T h es u c c e s so ft h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h i sp r o j e c ti n d i c a t e st h et e c h n o l o g yb r e a k t h r o u g h,p r o v i d i n gaq u i t eg o o de x a m p l et oe r a t tb r o t h e r K e y w o r d s：l o wh e a t i n

16、 gv a l u eg a s，g a s-s t e a mc o m b i n e dc y c l e，C C P P，g a sp u r i f i c a t i o n,d e b u ga n dr e e o m m m i o n重庆大学工程硕士学位论文主要符号表主要符号表分子量(g m 0 1)混合气体中某一成份的分子量(g t 0 0 1)混合气体中某一成分所占的体积百分比()气体的密度(k g m 3)气体或容器的压力(M P a)流阻(肝a)气体的扬程或压头(m)体积流量(m 3 s)直径(m)长度(m)直径差(m)湿度(K)绝热指数管壁厚度(m)容器容积C m

17、 3)燃气轮机热效率()蒸汽轮机热效率()余热锅炉的熟效率()联合循环的熟效率()流阻局部系数线性阻力系数当量商度(m)VM BpP 卯HQDL 如TKov 巩仇；比独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。靴做储群。嘲叩，辩嗍一棚帅学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留

18、并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密()，在一年解密后适用本授权书。本学位论文属于，不保密(y)。(请只在上述一个括号内打“”)学位论文作者签名：乇踊狮写，签字日期：弘7 年名月垆E l卜浇月，：o膳年尚叼孙肌签唱彬字瓢签重庆大学工程硕士学位论文1 绪论1 绪论1 1 课题背景及研究意义1 1 1 课题的提出随着国民经济的快速发展，我国已成为主要的石化资源(煤、石油、天然气)的消费大国。钢铁、化工、建材等高耗能行业在近几年的高速发展中愈

19、来愈受到能源供应的制约，而大型钢铁厂在生产过程中，对于产生的可作为二次能源的副产品(主要是高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气等)的利用率并不高。传统的做法一般是将富余煤气用于风炉提高风温，炼焦炉加热以及高炉燃烧产生蒸汽发电，或则是直接通过放散装置排向大气。另一方面，由于煤气燃烧的产物中含有大量的c 0 2、S 0 2、N O x 等有害气体以及粉尘等，对大气的污染比较严重。作为大型钢铁厂之一的重钢目前所面I|缶的主要问题是煤气调节能力不足、煤气放散量大、热电转换效率低、外耗电及水量大和环境污染严重等。重钢的高焦炉煤气的平衡调节主要是通过以前所建的煤气柜和热力车间的一系列小型蒸汽轮机机组所调节。而各小

20、型机组的锅炉容量小、转化效率低且已达不到额定出力。因此，随着新项目的投产，现有的设施煤气调节能力己不足，同时产生的高焦炉煤气放散率高达5 以上，并且由于多采用小参数的传统蒸汽轮机，导致整个热电转化效率低。重钢目前的厂用电自供率约为2 0-2 5。另一方面，新型高效的燃气蒸汽联合循环发电技术的不断进步使得利用钢厂富余煤气进行燃气轮机发电成为可能。因此，本论文基于以上两方面研究在钢厂利用富余煤气实施燃气蒸汽联合循环发电(C C P P，c o m b i n e dc y c l ep o w e rp l a n t)。1 1 2 研究的意义本课题基于重钢厂热电转化效率低、富裕煤气浪费严重的特点

21、，提出在钢厂实施燃气蒸汽联合循环发电技术(C C P P)。所谓C C P P 技术既是指利用钢厂富裕煤气经过净化加压等处理后通过燃烧膨胀做功推动燃气轮机做功，即布雷顿循环。由于煤气进口温度高达1 2 0 0。C，所以其机组效率高。从燃气轮机排出的乏气温度高达5 0 0。c 以上，医此通入余热锅炉中产生蒸汽，蒸汽在蒸汽轮机中膨胀推动蒸汽轮机做功，即朗肯循环。(C C P P)技术结合了两个循环各自的优点。因此其总的热电转换效率高，预计重钢5 M W 燃气轮机机组投产后其总的热电转换效率高达3 4 左右。较常规蒸汽轮机发电机组发电量多约4 0 的电。从而可以部分解决钢铁企业的厂用电问题，降低了企

22、业的运行成本。另外，由于燃气轮机采用了低氮燃烧技术，并且在燃烧之前已经进行了净化处理，从而可改善钢厂周围的大气环境质量。重庆大学工程硕士学位论文1 绪论本课题的研究成果标志着重钢在利用富余煤气进行燃气蒸汽联合循环发电技术上的突破，标志着重钢在节能技术上进入了一个新的水平，为国内同行在综合节能上做出了贡献。同时也为钢厂用C C P P 技术提供了新的例证。1 2 国内外研究现状1 2 1 当前能源的利用情况目前，世界能源结构中石油所占比例最大，为3 7 1 4，其次是煤炭和天然气，见表1。水电和核能所占比例较小，但核能正在快速发展。作为工业发达国家的美国和日本，能源结构中均以石油为主。日本石油所

23、占比例接近5 0，核能也占有不小比例。中国的能源结构中煤炭占全国总能耗的6 5 1 6。我国各项能源政策和中近期的能源发展战略，都必须在这个基本事实的基础上制讲l。表1 12 0 0 2 年世界能源结构()里生!：!些婴竺型璧竺垒坚!坚竺坐!丝!丝!国别石油天然气煤炭水电和核电长期以来，我国单位G D P 能耗处于较高的状况。据有关机构研究，2 0 0 5 年每百万美元国内生产总值能耗，我国为1 2 7 4 吨标准煤，比世界平均水平高2 4 倍，比美国、欧盟、日本、印度分别高2 5 倍、4 9 倍、8 7 倍和O 4 3 倍【l】。2 0 0 5 年电力、钢铁、有色、石化、建材、化工、轻工、纺

24、织8 个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平高4 0，如火电供电煤耗高2 2 5，大中型钢铁企业吨钢可比能耗高2 1 4，铜冶炼综合能耗高6 5，水泥综合能耗高4 5 3，大型合成氨综合能耗高3 1 2，纸和纸板综合能耗高1 2 0。我国主要耗能设备能源效率偏低。2 0 0 5 年，燃煤工业锅炉平均运行效率6 5 左右，比国际先进水平低1 5-2 0 个百分点；中小电动机平均效率8 7，风机、水泵平均设计效率7 5，均比国际先进水平低5 个百分点，系统运行效率低近2 0 个百分点。国内总得能源效率比国际先进水平低1 0 个百分点。如火电机组平均效率3 3 8，比国际先进水平低6 7 个百分点

25、。能源利用中间环节(加工、转换和贮运)损失量大，浪费严重。我国能源利用效率与国外的差距表明，节能潜力巨大。根据有关单位研究，按2重庆大学工程硕士学位论文1 绪论单位产品能耗和终端用能设备能耗与国际先进水平比较，目前我国的节能潜力约为3 亿吨标准煤。1 2 2 冶金行业能源利用状况2 0 0 5 年，我国粗钢产量达到近2 7 3 亿t，约占全球钢产量的2 5 9。2 0 0 5 年，全国粗钢产量预计达3 3 亿t 左右，比2 0 0 5 年增长约2 1。今后几年是我国由钢铁大国向钢铁强国迈进的关键时期。在努力实现设备大型化、工艺现代化、产品专业化的过程中，依靠现代钢铁生产技术，节约能源、降低消耗

26、是不可忽视的重要环节。钢铁企业要想继续保持较好的利润水平，就要大力应用先进技术，在节约能源、降低消耗上下功夫，走可持续发展道路。我国钢铁工业能耗概况我国钢铁工业每年能耗约占全国总能耗的1 0，其中电力消耗占工业电耗的1 1 左右，新水消耗占全国工业水耗的9 0,4 左右；粉尘排放量约占工业粉尘排放总量的1 3 左右。我国钢铁工业能耗高、二次能源和固体废物利用率低等三方面问题比世界其它钢铁强国更加突出。从现实来看，我国节能降耗的潜力非常大。钢铁工业能源消耗结构中，煤炭占主导地位，其次是电力，其它能源占的份额很少。根据统计资料，截至2 0 0 5 年，全国重点大中型钢铁企业吨钢综合能耗呈持续下降趋

27、势，2 0 0 5年吨钢综合能耗达到7 6 1 k g 标煤。鞍钢、宝钢、首钢、太钢等企业在钢年产量不断提高的同时，年总能耗量却在逐年降低。在全国总能耗逐年上升的同时，钢铁工业总体用能也呈上升趋势。全国吨钢综合能耗一直呈下降趋势，炼钢工序能耗逐年下降的同时，炼铁工序能耗近年略有上升。大型企业如宝钢、鞍钢、武钢等，由于注重炼铁、炼钢工序的二次能源利用，已经取得较好的能耗指标【。我国钢铁工业能耗存在的主要差距。能耗高是我国钢铁工业发展过程中一直存在的问题，尽管近年来能耗指标不断降低，但是与国外先进指标相比，还存在很大差距。炼铁工序和转炉工序的能耗指标与国外的差距为i 国外先进企业的高炉焦比已达到3

28、 0 0 k g t 以下，燃料比小于5 0 0 k g t：我国重点钢铁企业的入炉焦比4 2 6 k g t，其它企业为4 8 8 k g t，燃料比在5 6 0 k g t 左右。高炉工艺的能耗比世界先进水平高5 0 l O O k g t。国外大部分先进钢铁企业均实现了“负能炼钢郴】；我国只有宝钢、武钢、鞍钢、马钢、莱钢等少数企业已实现转炉工序弘负能炼钢”。日本君滓钢厂转炉工序能耗为6 2 7 k g 标煤t，而我国转炉工序能耗平均水平仍高达2 3 5 6 蚝标煤，t。比较国内大中型企业年总能耗大于1 0 0 万t 标煤的4 8 家企业中，综合能耗高于宝钢的有4 2 家。这4 2 家企业

29、的综合能耗在总体上呈逐年下降的态势，但2 0 0 5 年的平均水平与宝钢仍存在1 3 2 k g 标煤A的差距；全国7 0 家大中型企业的吨钢综合能耗介于宝钢与4 2 家大型企业之间，原因是其中有部分企业还在进行电炉钢生产。而没有统计的国内其它中、小型钢铁企重庆大学工程硕士学位论文1 绪论业的综合能耗指标基本上高于4 2 家的指标，说明节能潜力很大。如果以宝钢的先进指标为基准，我国大型企业仍然存在很大的节能空间。二次能源中，各种副产品煤气占比例最大，总计约为5 9 4。目前，对高炉渣、钢渣的显热尚无有效的回收利用技术；由于工艺操作原因，高炉煤气显热、烧结和焦化废烟气显热尚未进行回收利用。这几部

30、分的二次能源量约占总量的1 1 9 0 6，如果充分利用现有的先进技术和设备，二次能源回收利用率可以达到约7 2 6；如果进一步提高已有的余热(余能)回收利用技术的回收利用效率，贝t J-次能源回收利用率可望提高到8 0 左右。可见，二次资源回收利用差距较大，潜力也非常大。另外，我国钢铁生产传统的炼焦等长流程工艺造成了较大的粉尘、废渣、废气等的污染，仅固体废弃物每年就产生1 3 6 亿t。这些差距也为工业排放物的综合利用提供了巨大的潜力。1 2 3C C P P 在钢铁厂的应用目前，在钢铁厂最大的燃用高炉煤气的C C P P 热电装置，是1 9 9 7 年投产的宝钢1 4 5 M W 燃气一蒸

31、汽联合循环发电机组，由日本川崎一瑞士A B B 公司制造【l-9 1。该机组1 0 0 全烧高炉煤气，煤气热值3 2 6 6 k J m 3，输出功率1 4 5 M W，并可供应蒸汽1 8 0 t h，热电转换效率达4 6 5 2。投产后年发电量l l 亿k W h i 旧。世界上部分钢铁厂低热值C C P P 发电业绩见下表1 2 表1 2 部分钢铁厂低热值C C P P 发电业绩表名称燃料种类热值k c a l，m 3机型功率M W投产时间4重庆大学工程硕士学位论文1 绪论作为钢厂用循环发电项目独特的特点：1)必需设置除尘器净化煤气，否则压缩机和燃气轮机的通流通道和叶片会受到煤气中的杂质的

32、冲刷磨损，导致机组效率下降。2)煤气压缩机的叶片和叶轮必需选择合适的涂层材料，因为煤气含有腐蚀性污染物。3)整个联合循环机组要有严密的密封系统，防止C O 外泄，一般用高压氮气作密封工质。4)煤气压缩机和燃气轮机的流通截面需足够大，因为煤气的热值低，其所需的流量是同温下天然气流量的2 0 倍以上，导致压气机和透平的流量不匹配。5)需要一个能快速、安全而稳定燃烧煤气的燃烧室。所以燃烧室尺寸一般要比较大，现在通行的设计是采用多个燃烧室程环行布置。6)为了减少污染而设置的水喷射系统，这样可以降低火焰中心温度 2 4-3 2 1。钢铁厂几种C C P P 的工艺流程一轴式发电工艺流程由于高炉煤气作燃料

33、时其容积流量很大，一般每发电一度需2 3 m 3 高炉煤气。而高炉煤气压缩到1 S M P a 2 1 5 M P a，其压缩耗功很大，约占到燃气轮机单循环机输出功率的1 3 左右。如5 0 M W 的C C P P，煤气压缩机功率约为1 5 M W,如1 5 0 M W的C C P P，煤气压缩机功率约为5 0 M W。如此大功率的煤气压缩机，其电机和电机的启动装置都非常昂贵【幅9】。因此，钢铁厂C C P P 常采用一轴式，即：将燃气轮机(包括压气机)，煤气压缩机，蒸汽轮机，发电机串在一根轴上。燃气轮机和蒸汽轮机发出的功率驱动煤气压缩机，压气机后剩余的功率驱动发电机。整套机组只有一台发电机

34、，节省了煤气压缩机的电动机和蒸汽轮机的发电机，同时还避免了能量的反复转换，使机组热效率提高，节省投资。将钢铁厂的蒸汽引入一轴式C C P P 的蒸汽轮机带动整机启动。可节省C C P P 的启动装置。因此，钢铁厂采用C C P P 联合循环其最佳的轴系组成方案是一轴式发电工艺流程，这样可以节省设备投资使设备构成简化，同时提高整个C C P P 的热效率。一轴式C C P P 在钢铁厂具有相当的优势，既节省投资(可节省燃气轮机启动电机，煤气压缩机电动机，蒸汽轮机发电机)，又可以利用现有蒸汽对C C P P 机组进行启动，机组布置更加紧凑，使主厂房占地少，因此一轴式发电工艺流程应是钢铁厂C C P

35、 P 热电装置的首选工艺流程【3 9 J。一轴式C C P P 目前国内还不能生产，轴上主机需全套进口。进口设备价格较高。多轴式发电工艺流程多轴式C C P P 分二轴式和三轴式。二轴式，即：蒸汽轮机独立设置，其余与一轴式相同。与一轴式相比，燃气轮重庆大学工程硕士学位论文1 绪论机需增加启动装置，蒸汽轮机独立设置增加了一台发电机。三轴式，即：燃气轮机，煤气压缩机，蒸汽轮机均独立设置。与一轴式相比，燃气轮机需增加启动装置，煤气压缩机需增加电动机和启动装置，蒸汽轮机也增加一台发电机。分轴式由于燃气轮机，煤气压缩机，蒸汽轮机分别独立设置，可以减少进口，提高设备国产化率。分轴式C C P P 的缺点：

36、一是汽轮机与燃气轮机分开布置，两台主机各自增加了发电机，燃气轮机及煤气压缩机必须加启动电机，因此增加了设备费用。二是在同容量下分轴式的主厂房占地要比一轴式的主厂房占地大田J。1 2 4 燃气轮机的发展前景燃气轮机发电技术经过几十年的发展己基本成熟，得到了广泛的应用。目前燃气轮机发电己占相当重要的部分，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5 0 以上，相信随着燃气轮机发电技术的普及，这一比列还会增加。燃气轮机主要的技术进步表现为：透平进口温度由早期的6 0 0-7 0 0 0 C，到现在一般已达到1 2 0 0-1 4 0 0 0 C。促使这一变化主要得益于燃气轮机高温部件(涡

37、轮喷嘴、动叶)的材料的改进，现在己广泛采用超级合金材料，出现了同向结晶或定向结晶的G T D I l l、D S G T D l l l，最新材料已使用单晶工艺1 2 3,4”。另外材料的表面还使用了涂层技术，增强了材料的耐腐蚀、耐高温和抗氧化性能。早期的涂层采用铂铝，后来发展到等离子保护G T-2 9 和G T-2 9 I N P L U ST M 等【l 刁。另外还得益于新的冷却技术，早期喷嘴和动叶采用对流、冲击等空气冷却。现在广泛采用气膜冷却、发散冷却或是封闭式蒸汽冷却技术1 4】。燃气轮机简单循环的热效率己提高到接近4 0。燃气轮机简单循环单机功率已发展到1 0 0 M W 以上级别，

38、3 0 0 M W 以上的机组已开始投入商业应用。燃气轮机发电已广泛采用能源综合利用，特别是燃气一蒸汽联合循环发电技术的完善，使得机组综合效率达到6 0。已经超过了超超临界蒸汽轮机机组的发电效率，体现出了超强的优势l l”4 J。今后燃气轮机有两个主要的发展方向1 1-3 1，即燃料的多元化和更高的效率：1)目前，随着燃气轮机单机容量的大型化(目前燃气轮机单循环最大单机容量已达3 3 4 M W，由此组成的C C P P 单套容量己达4 8 4 M W)，以及燃气轮机的环保优势。燃气轮机已成为发达国家和地区优先选择的发电方式。燃气轮机燃料的多元化的重点是利用煤作为燃气轮机的燃料(简称I O C

39、 C)。由于I G C C 为燃料的C C P P 具有高效及环保的优越性，将成为最具发展前景的发电方式。2)燃气轮机的另一个主要发展方向是提高热效率。闭燃气轮机的热效率的提高主要依赖于进入燃气轮机的燃气温度(初温)的提高。燃气初温1 1 0 0 C 时，热效率6重庆大学工程硕士学位论文1 绪论可达4 5：燃气初温1 3 5 0 时，热效率可达5 5；燃气初温1 5 0 0 时，热效率可达5 8。目前世界上热效率最高的燃气轮机是日本三菱公司制造的7 0 1 G 型机。其燃气初温为1 5 0 0，C C P P 热效率为5 8。从目前的统计数值表明，燃气轮机的入口温度每年平均提高1 0 以上。目

40、前，G E 公司和日本三菱公司正在研究H 型的燃气轮机，其热效率将突破6 0(在燃机第一级叶片采用蒸汽冷却时)。随着材料科学和精密加工科学的发展，燃气轮机叶片和缸体所要求的新材料的面市，以及用于叶片冷却(利用余热锅炉产生的蒸汽，采用蒸汽冷却)的机械加工技术(精密加工，精密铸造)和热喷涂技术的发展，燃气轮机的燃气初温和热效率将进一步提高。因此，大型燃气轮机组的高效化必须建立在联合循环基础上。四大燃气轮机供应商均能供应烧低热值煤气的C C P P，各有特点。美国G E 公司，德国西门子一美国西屋公司主要供应烧I G C C 的C C P P。对烧高炉煤气，煤气均要求掺烧1 0 以上的轻油或焦炉煤气

41、。混合煤气热值在5 0 2 4 1 d m 3 以上，且要求混合煤气中含H 2 量或其它燃烧反应程度类似H 2 的成分在1 0 以上。瑞士A B B 的I I N 2型燃气轮机，可适应1 0 0 全烧高炉煤气，煤气热值可低至2 9 3 1 k J m 3。日本三菱公司供应的燃气轮机，可适应9 5 以上的高炉煤气，煤气热值可低至2 9 3 1 3 7 6 8 l【J 脚，但需掺烧3 5 的轻油或焦炉煤气。1 3 本课题研究的内容和目的本课题研究在钢厂中利用富裕煤气实施燃气蒸汽联合循环发电技术。其主要的工艺流程为高焦炉煤气分别通过各自独立的净化处理后进入煤气压缩机加压。压缩后的混合煤气与高压空气一

42、起通入燃气轮机燃烧膨胀做功带动燃气轮机发电机组发电。排除的高温乏气通入余热锅炉加热除盐水产生蒸汽，换热后的烟气通过排气烟囱排入大气。蒸汽进入蒸汽轮机膨胀做功带动蒸汽轮机发电机组发电。排除的乏汽被冷凝以供蒸汽轮机发电机组循环使用。本课题的主要研究内容包括：在钢铁企业实施燃气蒸汽联合循环发电项目的可行性和项目方案设计；联合循环子系统方案设计和论证；系统调试及改造，针对调试中出现的问题，进行理论分析。提出改造方案，组织实施，分析效果；项目实施的技术经济性分析和效率评价。本课题的实施，使富余煤气压力能化学能得到转化，一方面实现了富余煤气的零排放环保标准，有助于大气质量的改善；另一方面联合循环发电技术的

43、应用使得热电转换效率高，部分解决了用电问题，实现了资源节约。7重庆大学工程硕士学位论文2 联合循环项目方案设计2 联合循环项目方案设计2 1 项目方案设计2 1 1 项目建设必要性及可行性项目建设必要性重钢公司在建的1 3 5 0 m 3 高炉投产后，3 座高炉、5 座焦炉、4 座8 0 吨转炉在生产过程中，将产生大量的煤气。重钢公司在主体工程实施的同时，实施清洁工厂及循环经济策略，对高炉煤气(B F G)、焦炉煤气(C O G)、转炉煤气(L D G)采取全部回收利用。3 座高炉可回收B F G6 1 2 7 7 1 0 4 m a h，4 座转炉可回收L D G3 6 3 6 x 1 0

44、4 m 3 h，4 座焦炉可回收C O G 6 8 2 2 x 1 0 4 m 3 h。高炉、焦炉、转炉产生的煤气除生产自用、供热能厂热电车间、热力车间燃气锅炉用气外，还将剩余大量的低热值煤气。即现有的煤气用户不足以消化增加的煤气量，将造成煤气的大量放散，既浪费了宝贵的二次能源，又将严重污染环境，有建设该项目的必要性。项目建设可行性1)利用二次能源降低电力成本重钢集团公司2 0 0 0 5 年全厂用电负荷1 5 x 1 0 4 k W，年用电量1 3 x 1 0 S k W h，外购电量1 0 x 1 0 8 k W h。钢铁厂建自备电厂其自发电成本较低，外购电价O 6 0 元l【W h，自发

45、电比外购电便宜5 0 以上。按重钢公司现有剩余煤气量，扩建l 套5 0M WC C P P，利用剩余煤气发电，每年可向重钢公司提供3 2 9 x 1 0 8 k w h 电能，其平均供电成本为0 3 0 4 5 元艰W h。可为重钢公司减少大量外购电力，有效降低生产成本，增强企业的市场竞争力，对重钢公司意义重大。2)C C P P 技术先进可靠，发电效率高。重钢公司热能厂热力车间现有的发电机组容量小，效率极低，已超期运行，达不到额定出力，仅为额定出力的3 4，且故障率高，备用容量低。对于中小型机组，在相同的煤气量及热值条件下，采用C C P P，热电转换效率高达3 4 左右，而常规的蒸汽轮发电

46、机组热电转换效率约为1 5 2 3 左右，C C P P 要比常规的蒸汽轮发电机组多发出约4 0 的电。3)燃气轮机能快速适应煤气量变化钢铁厂的煤气量具有变化大和快的特点。热能厂热力车间现有的锅炉启动时间长，适应负荷变化慢，新、老热力车间的燃气锅炉机组容量小，效率极低，对调节煤气能力受到制约，做不到有效利用煤气，不宜作为适应煤气变化的机组。而燃气轮机具有启动时间短，适应负荷变化快、范围宽的性能。因此，在钢铁厂自8重庆大学工程硕士学位论文2 联合循环项目方案设计备热电厂中建设燃气轮机能利用设备不同的特点取长补短，适应钢铁厂煤气变化，从而达到最大限度地利用煤气。4)有利于煤气平衡及环境改善燃气轮机

47、采用清洁燃料，采用低氮燃烧技术，排放氮氧化物低，保护环境，对改善重钢公司所在地的大气环境质量具有积极作用。据重钢3 2 0 万吨钢煤气平衡表2 1 和2 2。，重钢现有富余高、焦煤炉气量能满足再建一套5 0 M W 燃气蒸汽联合循环发电机组的能力。表2 I 当前重钢煤气平衡表!丝：!生!翌曼!垡!丝!罂!垫!改!鹜!项目3 座高炉4 座转炉(m S h)5 座焦炉(m 3 h)(x 1 0 4 m 3 h)(x 1 0 4 m 3 h)(l O m h)表2 2 发电项目投运后重钢煤气平衡表型!：!卫!型磐!型罂i!塑鲤凹!堡!型坚3 座高炉(x 1 0 4 m 3 h)4 座转炉(1 0 4

48、 m 3 h)5 座焦炉(x 1 0 4 m 3 h)由此表可知，在重钢股份公司C C P P 电站建成后，将运行时间长、故障率低，可靠性高、效率高的燃气轮机作为高炉煤气稳定用户，以已建煤气锅炉作为缓冲用户，可望实现高、焦炉煤气的零排放，提高发电效率、且可缓解原中压锅炉对现实生产的压力。综上所述，重钢股份公司热能厂5 0 M W 燃气蒸汽联合循环电站项目的建成，将充分回收、清洁放散的自产煤气，并高效地将其转化电能。本项目属环保型节能增9重庆大学工程硕士学位论文2 联合循环项目方案设计效项目，既节省了能源，提高了企业设备效率，又改善了大气环境质量。既符合国家可持续发展的方针政策，又通过节能降耗降

49、成本，增强了企业在市场中的竞争能力。因此建设该项目是可行的。2 1 2 规模方案设计根据重钢股份公司自产煤气生产及消耗现状及规划的静态平衡及动态分析，在现阶段，高、焦、转炉煤气在供现有用户使用后，高炉煤气量放散率达5；同时根据重钢股份公司自产中压蒸汽生产及消耗现状及规划，与已有小型自备热电站的设备状况，结合重钢股份公司电力供应消耗的状况。对投资新建C C P P 的工程规模分析见表2 3。表2 3 规模比较表项目3 0 M W C C P P 5 0 M W C C P P1 0 0 M W C C P P1 4 9 M W备注单位造价$8 5 0 9 0 0$7 0 0 -7 5 0S 6

50、2 0 6 8 0$5 3 0 5 8 0燃料耗量高炉煤气：高炉煤气：高炉煤气：高炉煤气：8 4 0 0 0 N m，h7 4 0 0 0 N m，h1 9 6 0 0 0 N m 3 h2 4 5 0 0 0 N m 3 h焦炉煤气：焦炉煤气：焦炉煤气：焦炉煤气：1 0 0 0 N m 3 h1 3 0 0 0 N m 5 h1 0 0 0 0 N m h1 9 0 0 0 N m h调节重钢股份调节容量偏调节容量适调节容量偏调节容量过公司自产高、小宜，高、焦炉大，焦炉煤气大，焦炉煤气焦炉煤气状况煤气供应充量供应量不供应不足分。足。与已建中压锅适应，能发适应，能发挥使近半数中压9 0 的中压