燃氣蒸汽聯合循環（CCPP）與亞臨界煤氣發電（BTG）在冶金行業的應用前景分析

王良忠，夏文靜

（中冶華天南京工程技術有限公司，江蘇 南京 210000）

1 概述

近年來，國內鋼廠受產能置換政策驅動，整體搬遷所引發的新建煤氣發電項目增多。同時，老鋼廠的煤氣替代，煤氣發電“上大壓小”已經逐步開展，使得國內鋼鐵企業煤氣發電單機裝機容量80MW及以上的項目逐漸增多。隨著國家碳排放政策日漸明朗，各企業對煤氣發電熱效率關注度越來越高。燃氣蒸汽聯合循環發電（CCPP）和亞臨界煤氣發電（BTG）均具有技術成熟度高、國內應用案例多的特點，具有很大應用及研究價值。

2 煤氣發電系統簡介

CCPP機組如今被按照燃氣輪機、蒸汽輪機的分布位置，劃分為單軸和分軸兩種，前者兩機共軸而后者兩機處于分軸。鋼廠的低熱值高爐煤氣等被該機組燃燒發電，煤氣混合之后開始的精除塵進行于煤氣濕式電除塵器，除塵所產生的燃氣能夠為燃機提供發電動力，先將燃氣運用煤氣壓縮機進行加壓，將被壓縮過后的燃氣注入進燃機，燃機做工會產生出高溫煙氣，六百攝氏度左右的煙氣進入到余熱鍋爐中產生蒸汽，而電能則通過運行的蒸汽輪機產生。圖1為典型冶金煤氣分軸系統聯合循環（CCPP）示意圖。

圖1 典型冶金煤氣分軸系統聯合循環（CCPP）示意圖

常規單循環煤氣發電（BTG）通過燃氣鍋爐直接燃燒鋼廠富余的煤氣，其對煤氣的熱值的適應性更加廣泛，煤氣鍋爐產生的蒸汽直接驅動蒸汽輪機發電，系統簡單。在冶金行業中普遍情況下選取的機組都是一次再熱、亞臨界、超高溫的。

3 CCPP與BTG發電效率對比

3.1 理論發電效率

本文的理論效率計算采用以發單機出口結合透平的熱耗進行方向計算的方式進行，CCPP聯合循環發電效率見式（3-1），BTG煤氣發電的效率見式（3-2）。

式中：ηccpp-聯合循環發電效率。

ηBTG-煤氣發電效率。

G燃機-燃氣輪機的發電熱耗，kJ/Kw·h。

G汽機-蒸汽輪機的發電熱耗，kJ/kW·h。

η1-為鍋爐的熱效率（BTG數值選取90.5%，煤氣鍋爐；CCPP取87%，余熱鍋爐）。

η2-鍋爐至汽輪機管道的效率，取99%。

η3-燃機排汽至余熱鍋爐的熱效率，經驗值取97%。

3600-每度電的能量，3600kJ/kW·h。

各國主要由中國上海電氣、日本三菱等公司進行燃機的供應，在供應廠家里面市場占有率高、低熱值CCPP機組技術先進的是日本三菱公司，該公司M701SDA、M701SLDA以及其升級型號都較具有代表性[1]。下表為在建包頭鋼鐵分軸式CCPP機組相關技術資料及由式（3-1）計算發電效率：

隨著近年來高參數機組的小型化，國內冶金行業投產的80MW至135MW的亞臨界機組日漸成熟，普遍采用主蒸汽參數為17.5MPa、571C，目前65MW級別的單鋼亞臨界機組上汽、哈汽均已有在建項目。下表為永鋒鋼鐵100MW亞臨界BTG機組相關技術資料及由式（3-2）計算的發電效率：

3.2 國內鋼廠運行效率與理論效率對比

因受到煤氣熱值的波動和流量變化、運行水平的差異、設備運行工況和設計工況的不同等主客觀因素的影響，導致CCPP和BTG的運行效率和理論效率均存在一定的差距，下表列舉了國內已經投產的CCPP項目和亞臨界BTG項目的階段性實際發電效率。

以上數據均為短期階段性數據，不代表長期運行數據，結合表1、表2、表3數據繪制曲線如下。

表1 包鋼165MW CCPP聯合循環發電項目計算效率

表2 永鋒100MW亞臨界煤氣發電項目計算效率

表3 國內冶金行業聯合循環及亞臨界煤氣發電階段性運行效率

圖2 理論及實際發電效率曲線

由上圖我們可以看出CCPP聯合循環實際發電效率為44.95%至47.2%，亞臨界煤氣發電機組從發電效率可以看出是40.1%至41.8%，兩者之間相差的效率約為5%。下文經濟分析以CCPP發電效率45.5%，并將其廠用電率設置為設計理論值3%；BTG亞臨界煤氣發電發電效率以41%計算，并將其廠用電率設置為設計理論值6%。

4 冶金行業CCPP與BTG發電的經濟對比

下文選取目前國內CCPP發電項目和亞臨界煤氣發電項目各兩個，通過表4.1可以看出CCPP單位裝機約為6830元/ kW·h，亞臨界煤氣發電裝機約為2350元/ kW·h。

表4 國內CCPP發電項目和亞臨界煤氣發電項目投資

以全年7800小時計，100MW亞臨界煤氣發電全年發電量為7.8×108kW·h，BTG煤氣發電廠用電率以6%計時，全年供電量為7.33×108kW·h。以此為基數，CCPP發電效率45.5%，BTG亞臨界煤氣發電41%計，可以得出100MW級CCPP項目燃燒同樣的燃料理論發電量為8.66×108kW·h，CCPP電廠以3%來對廠用電率進行計算時，該廠一年的供電則為8.4×108kW·h。

由上述計算知，以100MW為計算基數時，CCPP可以比BTG亞臨界煤氣發電供電量多約1.07×108kW·h。如果以0.38元/kW·h上網電價為基數進行計算，每年可以產出約4066萬元，在不計兩者物料消耗差異（循環水、工業水、壓縮空氣、氮氣等物料消耗）的情況下，其投資差值回收期約為11.2年。

5 分析與展望

冶金行業將布萊頓、朗肯兩種循環模式應用于CCPP，把兩者相結合，具有許多優點，提升了整體發電效率[2],但是隨著近幾年來亞臨界機組小型化及其較低的造價使得CCPP的技術優勢逐漸被縮小。通過公開的消息可以看到廣西盛隆冶金有限公司產業升級技術改造工程已開始使用145MW級別的超臨界機組，建成后預計理論發電效率可超過43%，將進一步縮小和CCPP的發電效率差異。

朗肯循環被應用在很多不同發電模式當中，例如CCPP、BTG等發電模式，凝汽器部分造成了很多熱損失，冷源損失約超60%[3]，減少冷源損失、增加全廠熱效率可以通過熱電聯產來完美實現。包頭鋼鐵2×165MW煤氣發電二期（CCPP）通過汽機側的自動同步離合器（SSS離合器）以實現背壓和純凝工況的切換。探索鋼廠煤氣發電供熱是提高熱效率的有效途徑。

燃氣輪機從冷卻狀態下最多只需要啟動幾十分鐘即可達到滿負荷狀態，有著啟動快、高自動化的特點。這一點亞臨界煤氣發電機組（BTG）尚無法完全實現，提高BTG機組的自動化程度以實現一鍵啟停仍是今后需要繼續努力的方向。

筆者認為，新建或改建鋼廠應該根據本廠的煤氣量、種類及熱值情況，周邊熱用戶情況等因素，結合本廠的經濟狀況和技術指標等綜合測評，從而進行CCPP機組或者亞臨界乃至超臨界BTG機組的選擇。