優化煤氣調配挖掘發電潛力的實踐探討

史志杰，王志峰，宋亞非

（安陽鋼鐵股份有限公司動力廠，河南 安陽 455000）

鋼鐵廠冶煉生產中產生大量的副產煤氣，這些副產煤氣除供應煉鐵、煉焦、煉鋼等鋼鐵廠自身主要工藝生產需求外，剩余部分通常供給燃氣發電機組使用，將煤氣燃燒產生的化學能轉化為電能。這樣既減少了煤氣排放帶來的環境污染，又降低了鋼鐵廠外購電的總量，給企業帶來不菲的經濟效益。安陽鋼鐵股份有限公司動力廠（全文簡稱安鋼動力廠）在煤氣管網和燃氣發電機組的運行過程中，現有調節模式忽視了發電機組的效率高低，以及分時電價對發電效益的影響這兩個因素，在煤氣調配使用的生產實際中存在一些問題。本文通過優化煤氣調配，采取錯峰發電措施，解決煤氣調配問題，從而創造了更多的經濟效益。

1 安鋼動力廠概況

1.1 煤氣

安鋼動力廠接收的副產煤氣主要為焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣。正常生產中必須保障的主要工藝設備有煉鐵高爐熱風爐、焦爐、軋鋼加熱爐以及帶動高爐汽輪鼓風機的燃氣鍋爐，這些也是安鋼動力廠的主要煤氣用戶。這些主要煤氣用戶中，每個用戶需要的煤氣種類也各有區別。其中，高爐熱風爐和焦爐主要使用高爐煤氣；軋鋼加熱爐主要使用焦爐煤氣、高爐煤氣、部分轉爐煤氣混合后的混合煤氣；而燃氣鍋爐主要燃燒高爐煤氣和轉爐煤氣，輔助焦爐煤氣。在安鋼焦化廠拆除5 號、6 號焦爐后，焦爐煤氣發生量供應軋鋼全部用戶生產尚顯不足，因此可供燃氣發電機組使用的煤氣大部分為高爐煤氣和轉爐煤氣。表1 反映了安鋼動力廠正常生產時3 種副產煤氣的主要接收、分配情況。

表1 安鋼動力廠副產煤氣的性質及分配情況

1.2 燃氣發電機組

安鋼動力廠現有4 臺燃煤氣發電機組，分別是：1 臺30 MW 汽輪發電機組、1 臺50 MW 汽輪發電機組、1 臺60 MW 汽輪發電機組和1 臺65 MW 汽輪發電機組。其中30 MW 機組和3 臺鼓風機一起由3 臺中壓燃煤氣鍋爐并聯帶動，50 MW 機組、60 MW機組和2 臺鼓風機一起由2 臺高壓鍋爐并聯帶動，65 MW 機組單獨由1 臺超高壓鍋爐帶動，所有鍋爐均可燃燒高、焦、轉3 種副產煤氣。其中，焦爐煤氣在正常生產中只是輔助燃燒，僅在有軋鋼機組檢修、焦爐煤氣大量富裕時，才會增加焦爐煤氣燃燒量以阻止放散。表2 列出了安鋼動力廠各汽輪發電機組的主要性能參數。

表2 安鋼動力廠各汽輪發電機組的主要性能參數

1.3 煤氣柜

安鋼動力廠現有1 座30 萬m3稀油密封圓形高爐煤氣柜，1 座10 萬m3維金斯型轉爐煤氣柜，1 座8 萬m3維金斯型轉爐煤氣柜和1 座10 萬m3曼型焦爐煤氣柜。煤氣柜的主要性能參數如表3 所示。

表3 安鋼煤氣柜的主要性能參數

2 煤氣使用和調配問題分析

2.1 煤氣發電機組效率

安鋼動力廠接收多種副產煤氣，副產煤氣在滿足主要工藝用戶的生產需求后，富裕煤氣用于燃氣發電機組。在煤氣情況發生變化時，發電機組的負荷往往要跟隨生產用戶的變化進行頻繁調整。在這種調整過程中，煤氣調度決定發電機的運行數量和調整幅度。同時，由于安鋼動力廠現有的4 臺燃氣發電機組投運時間、大小容量都有不同，相應的發電效率也有高低，但原來的調整模式，并沒有考慮到這一點。

燃氣發電機組由燃氣鍋爐、凝氣式汽輪機和發電機組成。副產煤氣在鍋爐爐膛內燃燒加熱，使水產生蒸汽，煤氣中的化學能經過鍋爐轉化為蒸汽的內能和壓力能；蒸汽進入凝氣式汽輪機膨脹做功，釋放熱量，帶動汽輪機旋轉，蒸汽則凝結成水，經處理后重新進入鍋爐循環，這一過程中蒸汽的壓力能和內能轉化為汽輪機的機械能；汽輪機帶動發電機發電，機械能最終轉化為電能。燃氣發電機組在煤氣轉化為電能的過程中必然存在能量損失，能量損失少的機組轉化效率高，能量損失多的機組轉化效率就低。衡量第一個轉化步驟效率高低的標志是鍋爐的熱效率，衡量第二個轉化步驟效率高低的標志是汽輪機發電機的汽耗量，即發11 kW·h 電所消耗的蒸汽量。

表2 顯示安鋼動力廠各燃氣發電機組的相關參數。從表2 我們可知，安鋼動力廠4 臺煤氣發電機組中，不同壓力和容量的鍋爐熱效率差別不大，但不同壓力和溫度的凝氣式汽輪機汽耗率差異明顯。發電效率由高到低依次是65 MW 發電機組、60 MW 發電機組、50 MW 發電機組和30 MW 發電機組，其中50 MW發電機組由于設備原因一般不參與負荷調整。

現有煤氣調節模式中，當可供發電的煤氣量發生變化，必須調整發電負荷時，由于忽視了各發電機組的效率因素，經常出現高效發電機組尚在低負荷讓煤氣運行時，低效發電機組卻大量使用煤氣帶著相當高的負荷運行的不合理現象。這種把不多的煤氣在高效和低效發電機組之間的錯配，顯然降低了煤氣利用率，而且頻繁調整發電機的負荷，也會對設備壽命產生不利。

2.2 分時電價

煤氣柜對煤氣管網壓力運行具有很強的調節緩沖作用，安鋼動力廠在投運30 萬m3高爐煤氣柜以后，煤氣管網運行壓力波動從以前的6～15 kPa 變到現在的10～12 kPa，這在動力廠運行中發揮了煤氣柜的緩沖調節作用。但安鋼動力廠原有的煤氣調節模式中，并未考慮到分時電價的因素來更好地發揮動力廠煤氣柜的煤氣儲存分配作用。

分時電價是指工業用電的電價在一天24 h 中分時段定價的現象。在分時電價中，電價最高的階段也是用電高峰段，電價最低的階段是用電低谷段，其余時段則為平均時段，也叫平段（見表4）。而煤氣柜的運行柜容也有高柜容運行和低柜容運行的區別。以安鋼動力廠30 萬m3高爐煤氣柜為例，煤氣柜在線運行時運行柜容區間為5 萬～25 萬m3，一般以10萬m3以下為低柜容，以20 萬m3以上為高柜容。在現有的調節模式中，高爐煤氣柜僅要求其長時間在線運行，也即柜容在5 萬～25 萬m3以內運行即可；同時，在保障主要工藝用戶用煤氣的前提下，柜容較高時，則通過升高發電機組負荷來消耗煤氣，使煤氣柜吐氣；在柜容較低時，則通過降低發電負荷來儲存煤氣，讓煤氣柜充柜，進而保持煤氣柜的在線平穩運行。在不考慮分時電價的因素下，發電機組負荷的高低變化往往不會與分時電價的變化相匹配，甚至經常相反，即在一天的電價高峰段，煤氣在調配中滿足主要工藝用戶生產需求的同時煤氣柜柜容卻較低，煤氣發電機組要降負荷讓煤氣；反之在電價低谷段，煤氣富裕，煤氣柜柜容和發電機負荷都較高。這樣下來，一天雖然也發了不少電，但煤氣發電的效益并不高，本來可以利用煤氣柜的儲存作用，儲存部分煤氣在電價高峰段增加發電，實際上并沒有得到合理利用。

表4 一天24 h 中不同時段的分時電價

3 解決措施

為了解決煤氣使用與調配的問題，安鋼動力廠采取一系列措施。

3.1 優化煤氣調配

根據機組發電效率的不同，制定相應的煤氣調配方案；各發電機組使用煤氣的優先順序為65 MW發電機組、60 MW 發電機組、50 MW 發電機組和30 MW 發電機組；在煤氣緊缺時，優先降低30 MW 發電機組的負荷，30 MW 發電機組負荷降至最低后，再降低60 MW 發電機組的負荷，最后再降低65 MW發電機組負荷；而當煤氣富裕，則優先升高65 MW發電機組的負荷，其后順序與煤氣緊缺時正好相反。這樣，可隨時保證高效率機組運行，特別是65 MW發電機組可以實現滿負荷運行，低效率機組優先承擔調節煤氣的作用。

3.2 錯峰發電

根據電價分時原則，在電價高峰期來臨前，把30 萬m3高爐煤氣柜柜容調整在22 萬～25 萬m3之間，把10 萬m3轉爐煤氣柜和10 萬m3煤氣柜柜容調整在6 萬～8 萬m3之間，8 萬m3轉爐煤氣柜柜容調整在5 萬～6 萬m3之間。電價高峰段各煤氣柜進入吐氣階段，煤氣發電機高負荷運行；在電價低谷段和高峰期之間的平段，各煤氣柜低柜容運行，并進入充柜階段，低效率發電機降負荷讓煤氣，以便迎接新的高峰段發電。

根據煤氣發電機組效率和分時電價因素，通過調整煤氣分配，增加了煤氣發電機組的發電量，提高了高峰期煤氣發電的效益，挖掘了煤氣發電的潛力，實現了更多經濟價值。

4 效果

通過改進現有調節模式，優化煤氣調配，采用錯峰發電模式，有助于企業二次能源的高效利用。65 MW發電機組小時平均負荷較改進前增加了約1 萬kW·h，60 MW 發電機組小時平均負荷較之前增加約0.5 萬kW·h，30 MW 發電機組小時平均負荷降低了約0.8萬kW·h。則相當于每日多發電24×（1+0.5-0.8）=16.8 萬kW·h。同時，改進后電價高峰段較低谷段每日多發電約18.9 萬kW·h，按平均電價0.6 元/kWh 計算，相當于每日增加經濟效益18.9×（0.9-0.60）=5.67萬元，合計每年可增加經濟效益（16.8×0.6+5.67）×300=4 725 萬元。