邯钢富余煤气发电效益最大化的探索与实践

供稿|张永波，弭远志 / ZHANG Yong-bo, MI Yuan-zhi

钢铁联合企业在生产钢铁产品的同时也产生大量的副产煤气，副产煤气是钢铁企业中最重要的二次能源，占企业总能耗的30%左右[1]。副产煤气首先要满足钢铁生产的加热需要，在满足生产加热需要之后的煤气称之为富余煤气[2]。目前，我国多数大、中型钢铁企业基本实现了富余煤气的全部回收，主要途径是通过自备电厂利用煤气进行发电和供热。这样既可以消耗本厂的富余煤气，又可以降低用电成本，非常符合“节能减排、发展循环经济、可持续发展”的要求。

近年来，邯钢不断深入管理煤气能源，通过优化生产工艺，最大限度地利用富余煤气能源，不断探索和实践富余煤气发电并逐步实现效益最大化，在减少污染物排放的同时，更创造了显著的经济效益和社会效益。

邯钢富余煤气发电历程

邯钢富余煤气发电项目于2004年8月正式启动，引进国际先进的燃烧低热值高炉煤气的燃气蒸汽联合循环发电(Combined Cycle Power Plant—简称CCPP)节能环保技术，主要设备是M251型燃气轮机、余热锅炉和汽轮机组各2台套，总装机容量达90 MW。2006年12月15日邯钢CCPP 1#燃机发电机组并网发电成功[3]，这是河北省首家利用燃气蒸汽联合循环发电技术建设的富余煤气发电项目，年可回收高炉煤气21亿m3，年发电量达到7亿kW.h。2009年4月至9月，总装机容量达180 MW的邯钢西区自备电厂富余煤气发电机组相继并网发电，年发电量能力又增加13.2亿kW.h。此为河北省省级重点节能减排项目，被写入2009年河北省政府工作报告。

随着“节能减排、发展循环经济”工作不断深入，邯钢陆续建设富余煤气发电电站。目前，邯钢共有3套CCPP和5套常规燃煤气锅炉汽轮机发电机组，总装机容量为540 MW(参见表1)，年发电量可达42亿kW.h。

邯钢富余煤气发电可充分利用富余煤气能源，实现煤气零放散。这不仅使邯钢在富余煤气的利用上走在了同行业的前列，更以其环保节能的优点成为邯钢发展循环经济浓墨重彩的一笔。同时，可使邯钢大力挖潜增效，节约型降成本与开发型降成本并举，在新型工业化道路上迈出坚实的一步[2]。

影响发电的因素

机组热效率

常规燃煤气锅炉汽轮机发电机组热效率比较低，基本在18%~26%，加之余热回收的不足和汽轮机抽汽而影响发电负荷，发电量相对较少。而燃气轮机是第三代动力机械，热效率比常规电厂高10%~20%，已成为当今世界发电用的核心装置，可大大提高发电量。

表1 邯钢富余煤气发电机组概况表

煤气产量波动

邯钢可利用的富余煤气有高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。实际生产中，由于炼铁、焦化、炼钢、轧钢各系统生产的波动导致富余煤气的产量有较大的阶段性波动，从而造成发电机组的负荷波动，影响发电机组的稳定运行。

煤气热值波动

由于炼铁、焦化、炼钢各系统的生产波动，将导致产生的煤气成分发生变化(参见表2)，进而造成煤气的热值发生变化。例如，高炉操作、原料、喷煤及富氧造成高炉煤气的热值波动，焦炉煤气和转炉煤气也有热值波动的问题。煤气热值的波动势必造成发电机组不能稳定工况运行，为保安全而被迫减负荷或低负荷运行，当煤气热值波动剧烈时造成机组甩负荷甚至停机，严重影响发电机组的安全和发电效益。

表2 邯钢煤气成分表(体积分数)

生产实践

只有根据机组效率优化配置，才能充分利用煤气资源。同时，消除煤气波动对发电负荷的影响，最终实现富余煤气发电效益最大化。邯钢通过多年来的探索，结合邯钢实际制定改进措施，消除影响发电的不利因素，确保富余煤气发电效益最大化，主要有以下几方面:

优化煤气平衡

通过几年的探索，邯钢总结出“以煤气平衡为中心的检修模式”，即制定静态煤气平衡方案，合理安排发电机组与其它生产系统的启停和检修，避免富余煤气的阶段性紧缺或过剩，保证煤气供应和消耗的稳定。

同时，优化煤气动态平衡，加强与炼铁、焦化、炼钢、轧钢的协调联系，全面掌握煤气产销情况。利用各煤气柜缓冲调控作用回收轧钢换辊、临时检修、高炉热风炉换炉等富余煤气。此外，还通过煤气管网使邯钢新老两区煤气平衡互补，最大限度地保证各发电机组满负荷运行时所需煤气用量。

实时能源管控

2011年3月，邯钢能源管控中心建成投运，有效地提高了富余煤气资源的回收利用，实现了煤气“零放散”。实时能源管控通过以自动化控制技术和计算机网络技术为基础的监管控制，提高煤气系统安全稳定运行水平；通过煤气系统优化，实现能源调度扁平化高效执行力；通过集中高效运作，提升煤气资源管理水平及综合利用效率。

目前，邯钢将3套CCPP作为发电的“主力军”，辅以常规发电机组。当富余煤气充足时，可以让所有的发电机组都满负荷生产。但是，当富余煤气紧缺时，就要遵循效率优先原则，让热效率高的CCPP发电机组持续满负荷运行，让效率低的常规发电机组根据剩余煤气情况调整负荷运行。

与此同时，邯钢还实行“增峰降谷最优化发电”，即在“谷段”(每日22:00分至次日6:00分用电低谷期间)根据富余煤气情况控制常规发电机组的负荷，让各煤气柜进行充柜至较高柜位，以便在次日“峰段”(每日8:00~11:00分、16:00~21:00分用电高峰期间)通过降低煤气柜以满足发电机组的煤气需要，降低用电高峰时的外购用电成本，实现发电效益的最大化。

煤气相互替代

当炼铁、焦化、炼钢、轧钢各系统生产正常时，煤气成分比较稳定，发电机组都可正常运行。但是，当煤气成分发生变化导致煤气热值波动时，造成发电机组被迫降负荷运行以保安全，严重时还会造成发电机组甩负荷或停机。

经过多年技术攻关，在确保安全的前提下，通过煤气之间的相互替代手段，即将发电机组所用的煤气通过不同煤气管网的阀门开度来控制煤气流量，保证所替代的煤气总热量不低于运行要求。同时，加入各煤气柜的实时调节，保证发电机组所用煤气压力和热值的稳定。当热值波动剧烈时，一方面通过煤气管网调整，另一方面通过混合煤气压力热值调整站来稳定煤气压力和热值的供应(参见图1)。经过多年生产实践观察，发电机组运行基本平稳，成效显著。

图1 邯钢发电用煤气相互替代示意图

另外，针对富余煤气紧缺时，大型燃气发电机组焦炉煤气用量大的问题，对炼钢、轧钢等使用高热值煤气的单位进行煤气配比实验，找到满足其生产的最小热值点，从而减少焦炉煤气的消耗，为发电机组多提供焦炉煤气。同时，加大转炉煤气回收利用，在满足轧钢厂生产的前提下，增加轧钢系统转炉煤气的配比，最大限度地替代出焦炉煤气，为发电机组所用。

增加余热回收

众所周知，常规燃煤气锅炉的热效率比较低。但是，增加余热回收可使其效率有所提高。经过多年探索实践，可根据锅炉负荷实时调整锅炉烟气含氧量，使锅炉不完全燃烧热损失与排烟热损失之和最小。在确保安全的前提下，适当降低锅炉的排烟温度，可提高锅炉的热效率。还可根据锅炉负荷实时调整锅炉炉膛负压，以防止燃烧不稳定而降低锅炉效率。此外，将汽轮机的低压加热器和锅炉定排连排的余热回收装置全部投运，降低锅炉度电的煤气气耗，提高发电量。

另外，可在保证各蒸汽用户压力和热量的基础上，根据季节和每日气温的变化情况，适时调整蒸汽管网压力，合理分配各发电机组抽汽量，实现抽汽总热量最少。同时，加强炼钢转炉、热轧加热炉余热蒸汽的回收，并利用烧结工艺中主抽废气和环冷机废气余热资源产生余热蒸汽[4]，减少发电机组抽汽量提高发电量，并加强对蒸汽管网疏水器进行日常检查，杜绝蒸汽浪费。随着余热回收不断深入，聚少成多的发电效益也硕果累累，通过生产实践，常规燃煤气锅炉汽机发电量比前期增加约2.68%。

结语

邯钢通过不断的探索和实践，优化生产工艺，最大限度地利用富余煤气，实现富余煤气发电效益的最大化。目前，邯钢富余煤气发电站日发电量在1250万kW.h，自发电比例达到61%。在取得巨大经济效益的同时，也收获了更多的环境效益和社会效益。通过对多年来的生产实践进行总结，摸索了一套较好的运行管理方法，取得了几点成功的经验，主要有：

(1) 利用能源管控信息化平台，实时能源管控可以提高煤气系统安全稳定运行水平，实现能源调度扁平化高效执行力，提升煤气资源管理水平及综合利用效率。

(2) 以煤气平衡为中心的检修模式，确保实现富余煤气综合利用效率最优化。深度优化煤气平衡，合理安排发电设备启停(检修)的时间，是富余煤气发电效益最大化的必要前期工作。

(3) 遵循效率优先的原则，根据不同发电设备的热效率分配煤气资源，确保实现煤气综合利用效率最优化和效益最大化。

(4) 富余煤气紧缺时，通过煤气相互替代手段，结合煤气热值配比实验，在满足钢铁生产加热的前提下尽可能减少煤气消耗，将节省出的煤气为发电所用。

(5) 增加余热回收可降低发电机组的度电煤气气耗，提高发电量。

[1] 张琦，蔡九菊，王建军. 钢铁联合企业煤气综合利用研究//中国金属学会. 中国钢铁年会论文集，2005：535

[2] 弭远志，李强. 邯钢低热值煤气燃气轮机联合循环发电技术的开发应用//中国金属学会. 中国钢铁年会论文集，2005：570

[3] 弭远志，解滨，赵新建. 邯钢燃气蒸汽联合循环电站生产实践//河北省冶金学会. 河北冶金学会炼铁技术暨学术年会论文集，2007：334

[4] 张卫亮，马忠民，周海平，等. 烧结工艺余热回收利用技术研究.有色冶金节能，2011(1)：47