燃气轮机在冶金行业的应用概况及某 CCPP 项目方案设计

杨天

（1.成都成发科能动力工程有限公司；2.中航动力科技工程有限责任公司，四川 成都 610500）

燃气轮机在冶金行业的应用概况及某 CCPP 项目方案设计

杨天1，2

（1.成都成发科能动力工程有限公司；2.中航动力科技工程有限责任公司，四川 成都 610500）

相较于传统的天然气、石油行业，在冶金行业中炼焦、炼铁、炼钢所产生的煤气热值要低得多，这些中低热值的煤气之前更多的是直接放散，随着国家对环保排放要求越来越严格和工厂对于用电和生产成本的需求，新建的燃气—蒸汽联合循环发电装置越来越多。本文介绍了在冶金行业对于焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气这几种常见煤气的燃气—蒸汽联合循环发电的应用工艺和主要应用燃气轮机的设备参数，同时针对具体的CCPP 项目参数详细介绍了方案设计。

燃气轮机；燃气—蒸汽联合循环发电装置；CCPP；冶金行业；方案设计

1 概述

燃 气— 蒸 汽 联合 循 环发 电 装置（Combined Cycle Power Plant）是由燃气轮机发电机组热力循环系统和蒸汽轮机发电机组热力循环系统组合起来的一套联合循环发电装置。在燃气勃莱敦热力循环中，燃料燃烧后，产生的高温高压烟气，可以在燃气轮机中直接做功发电。目前，常规的焦炉煤气联合循环发电热电转换效率达 45% 以上，高炉煤气联合循环发电的热电转换效率达到 40% 以上。而常规燃气锅炉发电的热电转换效率一般只有 28% 左右。现在，我国已有几十座燃气—蒸汽联合循环电站在运行。由于燃气轮机启停速度快，负荷适应能力强，主要应用于经济快速发展且电力供应不足的地区和调峰电站，但在钢铁行业，燃气—蒸汽联合循环电站能带来非常显著的经济效益和社会效益，具有很大的应用价值和发展前景。

燃气—蒸汽联合循环焓—熵图见图1。

图1 燃气—蒸汽联合循环焓—熵图

在冶金行业焦炉煤气或高炉煤气采用CCPP 的方式相对于传统的燃烧发电不但标方煤气发电量高，而且对成本的回收较好，创造的价值更大。

2 冶金行业常见煤气介绍

2.1 高炉煤气

典型高炉煤气成分见表1。

表1 典型高炉煤气成分表

热值范围为：700 ～ 900kcal/Nm3（2930.9 ～3768.3kJ/Nm3）。

特点：含尘量大，流量大，含硫和金属成分较多，热值较低。

2.2 焦炉煤气

典型焦炉煤气成分见表2。

表2 典型焦炉煤气成分表

热值范围为：4000 ～ 4300kcal/Nm3（16748 ～18004.1kJ/Nm3）。

特点：存在大量的焦油和硫，煤气量较小，热值较高。

2.3 转炉煤气

热值范围为：1800 ～ 2300kcal/Nm3（7536.6 ～9630.1kJ/Nm3）。

特点：煤气量较小，气源有波动，热值中等。

3 燃气—蒸汽联合循环发电装置在冶金行业的应用工艺简介

3.1 纯高炉煤气燃气—蒸汽联合循环发电工艺

高炉煤气经过干法除尘和 TRT 余压发电装置后进入了煤气柜，煤气经煤气柜出来后的压力约为 10 ～ 25kPa，通过静电除尘、气水分离装置后进入轴流式煤气压缩机，经过压缩机的多级压缩后压力升高到约 2.3MPa，进入燃气轮机的燃烧室。空气经过空气过滤器进入到燃气轮机的压气机，通过压气机的压缩，空气压力升高到约 2.3MPa，进入燃烧室同高炉煤气进行混合燃烧，燃烧产生的高温、高压气体来推动动力涡轮给发电机输出功率。经过动力涡轮后的大量烟气通过换热锅炉产生了大量的中温中压蒸汽，这些蒸汽可以进入汽轮机进行发电，也可以直接供给厂内生产使用，整个工艺过程实现高炉煤气从燃烧能转化为机械能再转化为电能。

3.2 焦炉煤气燃气—蒸汽联合循环发电工艺

焦炉煤气经过脱硫、脱萘、脱焦油等化产处理及气水分离后经往复式煤气压缩机加压，煤气压力约为 2.6MPa，通过燃机的多级经除尘后进入燃气轮机的燃烧室。空气经过空气过滤器进入到燃气轮机的压气机，通过压气机的压缩，空气压力升高到约2.6MPa，进入燃烧室同焦炉煤气进行混合燃烧，燃烧产生的高温、高压气体推动动力涡轮给发电机输出功率。经过动力涡轮后的大量烟气通过换热锅炉产生了大量的中温中压蒸汽，这些蒸汽可以进入汽轮机进行发电，也可以直接供给厂内生产使用，从而是实现热电联产，整个工艺过程实现焦炉煤气从燃烧能转化为机械能再转化为电能。

3.3 高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气混合燃气—蒸汽联合循环发电工艺

高炉煤气和转炉煤气进入煤气柜后经过除尘、气水分离后进入气体混合装置，焦炉煤气经过脱硫、脱萘、脱焦油、脱水后一部分进入气体混合装置，一部分经过压缩机进入到燃气轮机的燃烧室。三种气体在气体混合装置中进行按照热值需求和氮气进行一定比例的混合，混合气体通过静电除尘装置和煤气压缩机进入燃气轮机燃烧室。在燃烧室中同燃气轮机压缩机中进来的空气进行混合燃烧，燃烧产生的高温、高压气体来推动动力涡轮给发电机输出功率。经过动力涡轮后的大量烟气通过换热锅炉产生了大量的中温中压蒸汽，这些蒸汽可以进入汽轮机进行发电，也可以直接供给厂内生产使用，从而实现热电联产，整个工艺过程实现焦炉煤气从燃烧能转化为机械能再转化为电能。

4 适用于冶金行业的燃气轮机简介

4.1 焦炉煤气用燃气轮机介绍

（1）索拉公司燃气轮机。美国索拉燃机其主要机组为中小功率的天然气和焦炉煤气机组，其焦炉煤气机型目前有两款：金牛 60 和大力神 130 燃气轮机机组。这两种机组在国内焦化行业已经拥有40多台套的业绩，客户认可度较高。机组可以选择室外布置或室内布置，能够实现热电冷三联产，对煤气的适应性较好。我公司的山西立恒钢铁燃气轮机项目、诚宇焦化项目、豫龙焦化项目、中煤旭阳项目采用的都是大力神 130 机组。

（2）GE 公司燃气轮机。GE燃气轮机应用于焦炉煤气的主要是LM2500系列燃气轮机，机组为航改燃机，热端输出，16 级轴向压缩压比为 20:1，6 级动力涡轮。单机输出功率大，单机装机容量在 20～30MW。其目前在国内焦化行业的业绩有4台套机组。

（3）西门子公司燃气轮机。西门子燃气轮机在国内市场主要同中航株洲南方燃气轮机工程有限公司采用股份制合作，在国内生产销售西门子中低热值的燃气轮机，目前应用于焦化行业的燃机做功出力较小。

4.2 高炉煤气及混合煤气用燃气轮机介绍

三菱公司燃气轮机。M251S 燃气轮机的功率为30MW，其机组的正常运行需要焦炉煤气作为驻燃燃料，2011 年 11 月经过技术改造后目前其仅启动时需要焦炉煤气，正常运行时不再需要焦炉煤气作为驻燃燃料，做到了纯烧高炉煤气。因高炉煤气的流量和热值波动较大，所以高炉煤气的燃气-蒸汽联合循环必须要配套煤气柜和热值调节装置。因需要的高炉煤气气量较大，在使的过程中选用轴流式煤气压缩机组。

4.3 混合煤气联合循环

南京汽轮机公司燃气轮机。PG6561B-L 是由南京汽轮电机（集团）有限责任公司与美国GE公司长期合作生产、消化吸收 6B型燃气轮机的基础上，采用联合设计方式完成的（GE提供核心部件，南汽在国内组装销售），该型燃气轮机适应于冶金行业低热值混合煤气利用领域（主要为高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气的混合气，混合气的热值为1300kcal/Nm3左右）。

5 结语

燃气轮机的发电效率高、自耗电低、烟气排放环保等优点使得燃气轮机发电装置在冶金行业的应用越来越得到了认可，越来越多的企业在逐步的新建燃气—蒸汽联合循环发电装置。

[1]焦树建 . 燃气—蒸汽联合循环 [M]. 机械工业出版社，2000.

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1671-0711（2017）03（下）-0129-02