燃氣—蒸汽聯合循環發電技術及在鞍鋼的應用

田永華

（中冶焦耐（大連）工程技術有限公司，遼寧 大連 116000）

一、研究背景

我國是能源消費大國，近年來，隨著我國經濟的持續快速增長，能源需求不斷增加。鋼鐵工業是高能耗行業，在國民經濟總能耗中占很大比重。鋼鐵企業在生產過程中產生大量的富余煤氣，包括高爐煤氣、焦爐煤氣及轉爐煤氣，其中高爐煤氣含有有毒成份而且熱值較低，但產量極大，如果能合理利用可以為鋼鐵企業節約能源，降低能耗；大量放散則會造成極大的能源浪費，還會嚴重污染環境。

鋼鐵企業產生的富余煤氣，傳統的作法是將這些富余煤氣排放到大氣閃燒或者將其送入鍋爐進行燃燒產生蒸汽，用于供熱或驅動汽輪機發電。煤氣燃燒產生蒸汽帶動蒸汽輪機發電，能量轉換率低，投資相對較大，水消耗量較大，效率低，富余煤氣所含的能量不能獲得充分利用，而且對環境產生有害的影響。

隨著燃氣輪機技術的發展，人們找到了有效解決這個問題的方法。以燃氣—蒸汽聯合循環去利用富余煤氣，可回收低熱值煤氣用于發電、供熱，且熱電轉換效率可達到40%～58%以上，同時還可減少NOx的排放量，為鋼鐵企業帶來良好的經濟效益和環境效益，因此研究鋼鐵企業燃用低熱值煤氣燃氣—蒸汽聯合循環發電裝置有著廣闊的前景，同時也有著重大的能源戰備意義。

二、技術原理及設備組成

CCPP（Combined Cycle Power Plant）即燃氣—蒸汽聯合循環發電。聯合循環是把兩個使用不同工質的獨立的動力循環，通過能量交換聯合在一起的循環。

鋼鐵企業CCPP以燃高爐煤氣為主，有的企業摻入少量焦爐煤氣，用于發電的煤氣熱值3000～3800kJ/m3，只是天然氣的1/10～1/6。凈化后的高爐煤氣經煤氣壓縮機壓縮與被壓縮過的空氣（1.5～2.2MPa）在壓力燃燒室內燃燒，高溫高壓煙氣直接在燃氣透平內膨脹做功并帶動空氣壓縮機與發電機完成燃機的單循環發電；燃氣透平排出的煙氣（溫度一般在500℃以上）通過余熱鍋爐生產中壓蒸汽，進入蒸汽輪機發電，溫度120℃左右的尾氣通過煙囪排放，蒸汽輪機發電是燃機發電的補充，并完成聯合循環。CCPP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。

燃氣—蒸汽聯合循環裝置的主要設備有燃氣輪機（包括空氣壓縮機、燃燒室和燃氣膨脹透平）、余熱鍋爐、蒸汽輪機等。對于高爐煤氣燃氣輪機聯合循環系統，由于高爐煤氣熱值低、容積流量大，煤氣增壓機消耗功率較大，因而也是聯合循環系統中的主要設備之一。

三、主要特點

燃氣—蒸汽聯合循環作為一種先進高效的動力裝置，具有以下特點：

（1）具有提高供電效率的最大潛在能力。目前，燃氣—蒸汽聯合循環凈效率達到60%以上，熱效率遠遠超過現有燃煤蒸汽輪機電廠。

（2）建設費用低。配置燃氣輪機按燃氣—蒸汽聯合循環發電，不但可以提高電廠電力，還可以降低建設費用，聯合循環發電建設成本比燃煤電廠下降約10%。

（3）耗水量比較少。燃氣—蒸汽聯合循環電廠不需要大量冷卻水，可減少冷卻水的供應，一般只有常規電站耗水量的50%～70%，這對于干旱缺水地區建電廠尤為重要。

（4）對環境污染極小。在各種型式的發電裝置中，聯合循環電廠的另一個主要優點是能適應環保要求，被稱為“清潔電廠”。它一般采用氣體燃料，燃燒產物無灰渣排放；燃燒效率高，燃燒產物CO2少。NOx排放量也下降約10%。

（5）調峰性能好，操作便捷。燃機從啟動到帶滿負荷運行，一般不到20min，快速啟動時，時間更短，因而聯合循環電廠是城市備用或調峰機組的最佳選擇。

四、經濟性評價

根據熱力學原理，熱源溫度越高，冷源溫度越低，則循環效率越高。燃氣—蒸汽聯合循環中的熱源溫度高達1100～1300℃，遠遠高于一般蒸汽循環采用的主蒸汽溫度（540～566℃），其冷源溫度（凝汽器溫度）29～32℃遠遠低于一般燃氣單循環的排氣溫度（450～640℃），也就是燃氣—蒸汽聯合循環從高溫熱源吸熱，向低溫的冷源放熱，因此聯合循環的熱效率比組成它的任何一個循環的熱效率要高。這樣，增加了機組的總輸出功率，使整個循環的熱效率提高。

燃氣—蒸汽聯合循環發電系統按照熱量梯級利用的原則，將燃氣輪機與蒸汽輪機結合起來，同時利用了高品質和低品質的熱量，實現了按質用能、梯級利用，從而獲得較高的循環效率。

五、應用

2006年7月，國內第一臺30萬kW的燃氣—蒸汽聯合循環發電機組（CCPP）在鞍鋼正式投入運行，該機組是目前世界功率最大、最先進的燃燒低熱值高爐煤氣的聯合循環發電機組，該機組以高爐產生的副產品——高爐煤氣為主要燃料，輔以少量焦爐煤氣，在燃氣—蒸汽聯合循環發電機組中發電，每小時可燃燒高爐煤氣46萬立方米、焦爐煤氣4萬立方米，于是，往日放散的高爐煤氣被頃刻間消耗，取而代之的則是源源不斷地釋放的清潔的電能。通過該發電機組，鞍鋼用電自給率大幅提高，具有顯著的經濟效益和環境效益。

聯合循環機組的裝機容量為30萬kW，其中燃氣輪機功率為18.3萬kW，燃氣溫度達到1300℃，壓力1.52 MPa，燃氣輪機排煙溫度557℃，壓力2.73 kPa；汽輪機功率為11.7萬kW，余熱鍋爐蒸汽生產能力340t/h。聯合循環效率達到51%，滿負荷運行時，發電煤耗僅為253gce/kWh，屬于世界領先水平。

六、結論

目前國內各大鋼鐵企業尚未做到煤氣零放散，CCPP技術可以實現熱電聯產，靈活平衡蒸汽、煤氣、電之間的關系，做到能源利用的最優化，在各大鋼鐵公司對現有能源優化利用中，應優先考慮采用以CCPP技術為主的聯合循環發電技術。

隨著低熱值燃氣輪機運行經驗的不斷豐富，燃料條件和燃機性能的不斷改善，燃氣—蒸汽聯合循環技術與裝置在鋼鐵企業必將得到越來越廣泛的應用，為企業帶來更大的經濟效益和社會效益。