亞臨界超高溫煤氣發電技術應用和研究

王 毅,李 斌,杜文亞,王方明,譚 山,李 虎

1　概述

鋼鐵企業生產用煤炭的能值有約34%會轉換入副產品煤氣中，包括焦化廠產生的焦爐煤氣COG（低位熱值～4000 kcal/m3），高爐產生的高爐煤氣BFG（低位熱值～800 kcal/m3），轉爐產生的轉爐煤氣LDG（低位熱值～1600 kcal/m3）。充分利用二次能源，高效回收利用富余煤氣發電，盡量提高自發電比例，在當前鋼鐵企業競爭加劇的形式下，對提高企業競爭力具有重要意義。

2　煤氣發電技術的發展歷程

經統計，在2001年以前，鋼廠煤氣發電技術主機參數仍為中溫中壓（3.43MPa/435℃）或更低，發電效率≤25%，定義為第一代煤氣發電技術。從2002年至2010年，煤氣電廠主機參數發展成高溫高壓（8.83MPa/535℃），發電效率29%～31%，定義為第二代煤氣發電技術。自2011年開始出現高溫超高壓煤氣發電技術，主機參數（13.2MPa/535℃），發電效率35%～38%，定義為第三代煤氣發電技術。在2016年出現超高溫超高壓煤氣發電技術，主機參數（13.2MPa/566℃），發電效率37%～39%，目前邯鄲縱橫鋼鐵在建的煤氣發電使用此參數的發電機組。但隨著亞臨界超高溫技術的提出和發展，此主機參數可能很快被取代，所以我們把亞臨界超高溫煤氣發電技術定義為第四代煤氣發電技術，主機參數（16.7MPa/566℃），發電效率40%～42%。這已經是目前在煤氣發電領域的最高主機參數。

3　第四代煤氣發電技術—亞臨界超高溫

亞臨界超高溫煤氣發電技術與高溫超高壓煤氣發電技術在工藝流程系統上基本一致，主要變化在于鍋爐、汽輪機為適應主汽參數的提高，對原設備結構做了較大的調整，特別是汽輪機；另外配套高加、給水泵、凝結水泵、除氧器等輔機設備也需要進行高參數、小型化的設計改進。

3.1　鍋爐設計的關鍵點和優化措施

3.1.1循環倍率變低，需特別關注鍋爐水循環設計

鍋爐水冷壁在受熱時，靠近管內壁處的工質首先開始蒸發產生大量小氣泡，當循環倍率高時，氣泡被及時帶走；亞臨界鍋爐循環倍率低，蒸發受熱面熱負荷和管內含汽率的增加，易使管內壁產生氣泡的速度遠大于氣泡被帶走的速度，氣泡就會在管內壁聚集起來形成所謂的“蒸汽墊”，使管壁得不到及時冷卻，產生膜態沸騰，危及鍋爐安全運行。

表1　超高壓和亞臨界鍋爐循環倍率比較

循環倍率K：進入上升管的循環水量與上升管中產生的蒸汽量之比

由表1可知，亞臨界鍋爐飽和汽水密度比小，循環倍率K值低，為保證鍋爐的安全運行，需采取各種措施以增大循環倍率K。

3.1.2飽和水、汽密度差變小，需保證汽水分離效果

亞臨界鍋爐飽和水和飽和蒸汽密度差變小，需采用比超高壓鍋爐更先進、高效的汽包內件分離技術，以確保鍋爐水循環安全，確保鍋爐飽和蒸汽的汽水品質。

3.1.3改善汽水循環和汽水分離的措施

a改善汽水循環的措施

（1）采用內螺紋水冷壁管（見圖1）：在爐膛高熱負荷區采用內螺紋水冷壁管，增強水流擾動能力，減少氣泡附著于管壁可能性，從而盡可能避免膜態沸騰產生。

圖1　鍋爐水冷壁內螺紋管道

（2）給水直接注入下降管：做到省煤器出水為欠飽和水，省煤器引出管的給水不直接注入汽包下部，而是直接注入下降管，降低下降管水溫、增加管內水的密度，提升水循環運動壓頭。

（3）加大下降管的管徑：選取較大的下降管直徑，布置較多的進水管和引出管，減少水循環阻力，增加水冷壁管的介質流速。

b改善汽水分離的措施

（1）汽包頂部V型百葉窗：增加二次汽水分離面積，降低入口蒸汽速度，有助于提高二次分離效率。

（2）斜向二次分離裝置：增強分離效果，便于疏水。

（3）加大汽包內徑：超高壓鍋爐汽包內徑1600 mm，亞臨界加大至1743～1800 mm，有較大的蒸汽上升空間，減少蒸汽帶水。參見圖2。

圖2　鍋爐汽包設計

（4）錐型筒汽水分離器：錐形筒汽水旋風分離器較常規直筒型分離器效率更高，分離效果更好。

3.2　汽機設計的關鍵點和優化措施

高溫超高壓煤氣發電機組，汽機采用的型式是單缸、單軸、單排汽、一次再熱、沖動式機組。而超高溫亞臨界機組擬采用雙缸、雙軸、單排汽、一次再熱、沖動式機組。主要的優勢體現在如下幾個方面。

（1）級數增加：采用雙缸雙軸三支撐方案.汽輪機流通長度較單缸有所增加，級數相應增加；級數更多，每級焓降更合理、葉片高度更合理、葉型損失大為減少、級間壓差低、減少漏汽，提高汽輪機效率。

（2）高、中低壓缸分離，轉子分段，降低調節級焓降：單缸單軸轉子要兼顧高溫和低溫性能，只能采用分段熱處理的轉子，其性能不及高溫轉子；為保證調節級強度，進汽噴嘴后溫度必須控制在較低水平，導致只能加大調節級焓降。

（3）過橋汽封：出于臨界轉速考慮，采用單軸方案、出于轉子中間部分的過橋汽封段直徑勢必要設計得很大，以增加軸系穩定性；但直徑加大，意味著漏汽量增加，會降低汽輪機效率。

（4）轉子擾度：相對于單根轉子的雙支撐結構，雙轉子三支撐轉子撓度更小。撓度越小，意味著動靜部件互相碰撞、摩擦的可能性更小，汽封間漏汽量更小，提高汽輪機效率。

（5）減少跨距，軸系穩定性更好：相對于單軸雙支撐結構，雙軸三支撐各轉子的跨距更短，臨界轉速避開率更高，軸系穩定性更好。并且三支撐方案，可以做到三個軸承座均落地，這對于提高軸承座的支撐剛度，增加軸系熱態穩定性具

有十分積極的意義

3.3　給水泵的選擇

在給水泵設計時面臨泵的型式的選擇，目前水泵廠家主要提供節段式多級給水泵和桶式給水泵這2種型式的泵以供設計選擇。下面對這2種泵在工程上的應用做個綜合、系統的比較，見表2。

表2　節段式給水泵和桶式給水泵比較

通過上述比較，亞臨界超高溫煤氣發電給水系統，推薦采用節段式給水泵。

3.4　工廠設計的關鍵點

（1）水質和蒸汽質量標準提高：凝結水和主蒸汽增加了鈉和二氧化硅的指標控制；加藥的藥品（氨水或聯氨）要求氯離子含量 ＜40 mg/L，磷酸鹽或氫氧化鈉的純度為分析純。主蒸汽要求鈉含量≤3μg/kg,鐵含量≤10μg/kg，其它例如凝結水、鍋爐給水、汽包爐水指標均有提高，可詳見規范GB/T12145-2016。

（2）凝結水精處理系統：根據《發電廠化學設計規范》DL5068-2014“對由亞臨界汽包鍋爐供汽的汽輪機組，全部凝結水應進行精處理。”根據工程實際應用，推薦采用管式過濾器+高速混床+高塔再生法精處理系統。

（3）四大管道設計

對添加8%硼砂后液相渣中各相的含量進行分析，如圖4所示。在900 ℃時，MgO的百分含量達到100%，在1 200 ℃時，CaO的百分含量達到100%，SiO2的含量在1 000 ℃后急劇上升，在1 100 ℃后達到90%以上。Al2O3的百分含量則一直持續上升。各相含量在1 100 ℃時趨于穩定。

(a)主蒸汽管道：90年代前亞臨界機組多選用A335P22材質；90年代逐步推廣選用A335P91材質。P91屬改良型9Cr--1Mo高強度馬氏體耐熱鋼，具有高溫強度高、高的抗氧化性能和抗高溫蒸汽腐蝕性能等特點。566℃時，P91管材強度比P22管材強度提高了146%，大大降低了管道壁厚、管道重量大幅降低，同時對設備接口的推力和力矩也可以減小。

(b)再熱熱段蒸汽管道：再熱熱段管道屬于大管徑薄壁管，采用P91管材，本就較薄的壁厚就會更薄。由于計算管壁太薄，從安全角度出發，壁厚的實際取值比計算值要大一些；加之P91管材價格昂貴，需與P22進行綜合比較，選擇經濟性高的管材。

(c)主給水管道：高壓給水管道通常使用20G管材，也可使用15Ni1MnMoNbCu（WB36）管材。二者的彈性模數及線膨脹系數十分相近，但15Ni1MnMoN－bCu的許用應力遠大于20G，管道壁厚可以減薄盡50%。管道本身金屬及支吊架材料用量可大為節約，可以有效的降低工程造價。

(d)再熱冷段蒸汽管道：直徑大于DN400的再熱冷段管道建議采用A672B70CL32（A62）電熔焊鋼管替代20G、A106B無縫鋼管。有縫焊接鋼管比無縫鋼管便宜很多，為無縫鋼管價格的1／3左右。有縫焊接鋼管的壁厚偏差小于無縫鋼管，其質量不亞于無縫鋼管。

4　結論

(1）鋼廠煤氣發電自備電廠，未來發展趨勢是小機型高參數（＜150 MW）。目前為止，最高參數已經做到亞臨界超高溫，發電熱效率達到40%，已經達到參數級別煤電的熱效率水平。據行業內了解，2018年可能會有該參數機型的發電工程投產。

(2）亞臨界超高溫煤氣發電機組，鍋爐的設計關鍵在于汽水循環系統，循環倍率必須在3.5～5之間，且越大越安全。

(3）亞臨界超高溫煤氣發電機組，汽機的設計關鍵在于采用雙缸雙軸，提高流通效率，提高軸系穩定性，提高機組的熱效率。

(4）亞臨界超高溫煤氣發電機組，給水泵采用節段式給水泵。

(5）較高溫超高壓煤氣發電機組，亞臨界超高溫機組需設置凝結水精處理系統。

(6）主蒸汽和再熱熱段蒸汽管道的材質從原來的12Cr1MoVG提升為P91。

[參 考 文 獻]

[1]李銳，熱力發電廠凝結水精處理現狀與探討[D]，中國電機工程學會，2008