CCPP中蒸汽旁路和鍋爐給水泵技術的研究

徐迎超，樊泳，閻波，范曉明，寇彥德

熱電

CCPP中蒸汽旁路和鍋爐給水泵技術的研究

徐迎超1，樊泳1，閻波2，范曉明2，寇彥德1

（1.北京首鋼國際工程技術有限公司，北京，100043;2.首鋼股份公司遷安鋼鐵公司，河北邯鄲，064404）

首鋼遷鋼公司2×50 MW燃氣—蒸汽聯合循環（CCPP）發電工程結合國內機組運行情況，對燃氣—蒸汽聯合循環發電機組系統做了以下改進：蒸汽系統增加蒸汽旁路，凝汽器設置為帶旁路的凝汽器；余熱鍋爐給水泵采用高低壓雙輸出給水泵技術。解決了機組在啟停機時蒸汽放散的問題，同時回收了除鹽水，降低了給水泵的電耗，年增加凈利潤94萬元。

CCPP；蒸汽旁路；凝汽器；給水泵

1 前言

燃氣蒸汽聯合循環(Combined Cycle Power Plant)發電機組，簡稱CCPP。燃氣輪機自身的發電效率不算很高，一般在30%～35%，但是其產生的廢熱煙氣溫度高達450℃～550℃，可以通過余熱鍋爐再次回收熱能轉換成蒸汽，驅動蒸汽輪機再發一次電，從而形成燃氣輪機—蒸汽輪機聯合循環發電，發電效率可以達到58%～60%，一些大型機組甚至可以超過60%。同時，還具有開、停機快，運行負荷調節幅度大速度快等特點，該技術在鋼鐵行業中得到快速應用，用于回收其高爐、焦爐生產過程中產生的大量氣體燃料副產品（高爐煤氣、焦爐煤氣）進行發電，提高了發電效率，又能很好地滿足鋼鐵企業煤氣動態平衡的需要，減少放散[1，3]。

CCPP中的鍋爐和汽機都可以外供蒸汽,聯合循環可以靈活組成熱電聯產工廠。在CCPP系統中有一個煤氣壓縮機(GC)單元,特別在低熱值煤氣發電中,煤氣壓縮機比較大。眾所周知,余熱鍋爐加蒸汽輪機發電是常規技術,CCPP的技術核心是燃氣輪機,燃氣輪機一般是透平空壓機、燃燒器與燃氣透平機組合的總稱。電力工業采用的CCPP常用天然氣、重油等高熱值燃料,鋼鐵廠CCPP以燃高爐煤氣為主,有的工廠有可能摻入少量焦爐煤氣,用于發電的煤氣熱值(800～1350)×4.18 kJ/m3,只是天然氣的1/10～1/6。低熱值煤氣燃燒不易穩定,煤氣體積龐大,煤氣壓縮功增加,增加了低熱值CCPP技術的難度。低熱值煤氣的燃燒技術主要有兩種技術流派:一種是采用單筒燃燒器的燃氣輪機,使用的煤氣熱值可在800×4.18 kJ/m3左右,如ABB、新比隆公司的產品；另外一種是多筒燃燒器的燃機,多用于煤氣化聯合循環發電(IGCC),煤氣熱值1334×4.18 kJ/m3,煤氣含H2量10%左右,如GE公司與三菱公司的產品，通鋼、馬鋼采用了這種機組[2]。CCPP從設備布置方面分為兩種：一種為單軸布置，即煤氣壓縮機、汽輪機、發電機、燃氣輪機在同一軸上，單軸布置工作效率高，布置緊湊，占地面積??；另一種為雙軸布置，即煤氣壓縮機、燃氣輪機、發電機共軸，蒸汽輪機、發電機共軸，這種設備布置方式需要2臺發電機，分軸布置工作效率較低，占地大，但可以分開建設。

2 CCPP發電機組的選擇及工藝流程

遷鋼50 MWCCPP電站采用日本三菱重工公司生產的M251S型分軸布置機組，CCPP發電機組主要設備為：M251S型燃氣輪機（含空氣壓縮機）、29 MW燃氣輪機發電機、余熱鍋爐、煤氣壓縮機、煤氣電除塵器、煤氣冷卻器、蒸汽輪機、25.0 MW蒸汽輪發電機。

日本三菱重工公司的CCPP發電機組工藝主要系統為：燃機發電系統、余熱鍋爐系統及蒸汽輪機發電系統，工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

2.1 燃機發電系統

燃機發電系統包括煤氣系統、潤滑油系統、控制油系統、閉式冷卻水系統、CO2滅火保護系統、空氣系統及葉片清洗系統。

2.2 余熱鍋爐系統

燃氣輪機燃燒完排出的500～600℃的高溫煙氣，通過省煤器、蒸發器、過熱器將鍋爐中的高壓水和低壓水加熱成高壓高溫蒸汽和低壓蒸汽。這個過程屬于常規的余熱回收利用。

2.3 蒸汽輪機發電系統

蒸汽輪機發電機組分別設主蒸汽系統、抽汽系統、潤滑油系統、控制油系統、凝結水系統、真空系統、軸封系統、凝結水系統、疏放水系統。

3 蒸汽旁路技術的研究

3.1 國內技術現狀

50 MW級別CCPP發電機組目前國內配套的汽輪機凝汽器均為普通凝汽器，在燃氣輪機啟動時，余熱鍋爐產汽參數達不到汽輪機進汽參數要求，只能對空放散，同樣在汽輪機跳機時，余熱鍋爐產汽也只能對空放散。這樣既產生了白色污染，同時造成熱損失及除鹽水損失。

目前僅在150 MW及以上級別汽輪發電機組中使用100%主蒸汽旁路技術，并且主調節閥均為CCI或FRANK等進口設備，價格高昂。

3.2 改進方案

本技術研發應用帶高低壓蒸汽旁通裝置的凝汽器，在CCPP機組冷態、溫態、熱態啟動期間，通過蒸汽旁路裝置建立初級循環，并配合汽機調速系統完成定壓滑參數啟動，解決了在燃機升負荷期間的輕載待機問題，燃機按照獨立運行方式完成啟動、運行、升負荷，無需等待汽輪機組暖機啟動，冷態由啟動至滿負荷時間縮短4～6 h，啟動全過程無蒸汽放散。

（1）次高壓主蒸汽旁路

次高壓主蒸汽旁路采用氣動調節閥+兩級節流孔板減壓技術。氣動調節閥的作用是配合次高壓主汽閥及汽輪機工作狀態決定次高壓主蒸汽旁路是否投入；一級節流孔板安裝在氣動調節閥后，將蒸汽壓力減至0.5 MPa；二級節流孔板安裝在凝汽器喉部，將蒸汽壓力減至0.0625 MPa。一級噴水減溫安裝在一級節流孔板后，將蒸汽溫度減至152℃，二級噴水減溫采用凝汽器喉部噴淋，將蒸汽溫度降至102℃。

（2）低壓補汽旁路

低壓主蒸汽旁路采用氣動調節閥+一級節流孔板減壓技術。氣動調節閥的作用是配合低壓補汽閥及汽輪機工作狀態決定低壓主蒸汽旁路是否投入；一級節流孔板將蒸汽壓力減至0.0625 MPa。噴水減溫采用凝汽器喉部噴淋，將蒸汽溫度控制在102℃。

（3）自主開發研制雙鼠籠主蒸汽旁路調節閥

針對CCPP燃氣輪機的啟動、停機及變工況條件下的余熱鍋爐產汽特性，確定主蒸汽及旁路蒸汽調節閥的Cv曲線，結合調節閥快開、快關的工藝特點，自主研發汽缸式雙鼠籠形式調閥，實現旁路調節閥快速開閉時間小于1 s，泄漏率低于V級，性能達到進口設備標準，價格僅為進口設備的1/4。

4 鍋爐給水泵技術的研究

4.1 國內技術現狀

三壓余熱鍋爐需配套高壓給水泵和低壓給水泵，每臺給水泵均需要預留備用，造成燃氣-蒸汽聯合循環發電機組配備的泵種繁多，檢修維護量大，布置占地大，一次投資大，用電成本高。

4.2 改進方案

本工程采用高低壓雙輸出給水泵技術，由高壓給水泵同時輸出高低壓兩級給水，減少2臺低壓給水泵，降低了給水設施自用電量，同時減少一次投資及運行維護量。

高壓給水泵為多級給水泵，在滿足低壓給水參數的級上設置低壓給水抽頭，通過水泵的動態水力模型試驗，當低壓給水量小于高壓給水量的30%時，水泵軸功率僅需增加5%，小于高低壓雙泵同時運行時的電耗。

5 新技術應用效果

5.1 蒸汽旁路技術應用效果

（1）CCPP機組分啟動過程中無需燃機機組輕負荷待機配合汽輪機暖機啟動，冷態啟動時間縮短約4 h。

（2）在燃機機組負荷出現波動時，旁通裝置可配合調節汽輪機進汽量，從而實現汽輪機負荷快速調整。

（3）帶旁路的凝汽器技術使用后，在燃氣-蒸汽聯合循環發電機組啟動和停機時，蒸汽不在對空放散，這樣不僅解決了蒸汽的白色污染，也回收了優質的除鹽水，減少了發電系統的除鹽水補充。

5.2 鍋爐給水泵技術應用效果

雙輸出給水泵技術的應用，降低了工程階段的投資，減少了運行時的給水泵耗電量，減少了占地，方便運行人員的操作和維護。

6 結論

通過應用如上創新技術，首鋼遷鋼公司50 MW燃氣-蒸汽聯合循環發電解決了機組在啟停機時蒸汽放散問題，回收了除鹽水；降低了給水泵的投資和運行維護費用，年增加凈利潤94萬元。

[1]彭藝輝.燃氣蒸汽聯合循環（CCPP）發電技術[J].柳鋼科技，2011，1:57.

[2]劉海寧，陸明春.淺談鋼鐵公司自備電廠燃氣——蒸汽聯合循環發電技術（CCPP）[J].天津冶金，2007，5:56.

[3]徐迎超，閻波，樊泳，崔合群，周玉磊.燃氣——蒸汽聯合循環（CCPP）發電在首鋼遷鋼公司中的應用[J].冶金動力，2012,1：28.

A Study on the Steam Bypass and Boiler Water Feed Pum p Technology in CCPP

Xu Ying chao1,Fan Yong1,Yan Bo2,Fan Xiao min2,Kou Yan de1

The 2×50 MWgas-steam combined cycle power project of Shougang Qianan Steel made the following improvements on the CCPP system based on the actual operation conditions of domestic CCPP units:adding a steam bypass in the steam system,the condenser to be set up with a bypass and adopting high and loWpressure dual output technology in the HRSG feed water pump.This upgrading modification has solved the problem of steam bleeding at unit startup and shutdown,at the same time recovered desalted water and reduced the power consumption of the water pump,which increased net profit by 940,000 yuan annually.

CCPP;steam bypass;condenser;feed water pump

TM611

B

1006-6764（2015）09-0037-03

2015-06-09

徐迎超（1982-），男，工程師，現主要從事節能環保、余熱利用、發電項目的設計與研究工作。

(1.Beijing Shougang International Engineering Technology Co.,Ltd.,Beijing,100043; 2.Shougang Qianan Iron and Steel Company,Handan,Hebei 064404,China)