钢厂300 MW CCPP机组燃气轮机低热值运行技术

汪 新，原 超，霍兆义

（1.鞍山钢铁集团公司第二发电厂，辽宁 鞍山 114012；2.辽宁科技大学 材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051）

钢厂300 MW CCPP机组燃气轮机低热值运行技术

汪 新1，原 超1，霍兆义2

（1.鞍山钢铁集团公司第二发电厂，辽宁 鞍山 114012；2.辽宁科技大学 材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051）

为了减少焦炉煤气用量，对300 MW的M701S（F）型燃气蒸汽联合循环发电机组进行高炉煤气和焦炉煤气掺烧调整试验。通过燃气轮机进口燃料热值自动控制，在保证机组运行稳定的条件下，分析燃料热值与机组负荷之间的关系，改进控制策略，从而实现减少焦炉煤气掺混量，降低发/供电燃料成本，提高机组创效能力。实际运行结果表明，通过采取切实有效的控制策略和技术措施，减少焦炉煤气掺混量降低发电燃料成本的方案可行。

燃气蒸汽联合循环；高炉煤气；焦炉煤气；控制策略

燃用副产煤气的燃气-蒸汽联合循环发电技术（Combined cycle power plant，CCPP）具有二次能源利用发电成本低，有效减少煤气放散，热效率高，建设周期短，单位容量投资费用低，用地和用水少，污染物排放量少等优点，自21世纪以来，在我国各大钢铁企业得到了广泛应用［1-3］。

根据发热量将钢厂副产煤气分为三类，即发热量高于15 070 kJ/m3的高热值煤气，如焦炉煤气，主要成分为H2和CH4，燃烧稳定，适用于做工业炉燃料和城市煤气；发热量介于6 280～15 070 kJ/m3的中热值煤气，如COREX煤气；发热量低于6 280 kJ/m3的低热值煤气，如高炉煤气，很难独立燃烧。目前国内钢厂CCPP机组的燃料多采用以高炉煤气为主，同时掺烧部分高热值的焦炉煤气或转炉煤气，提高燃气热值以稳定燃烧［4］。与常规天然气CCPP机组相比，采用低热值煤气燃料的机组具有其特殊性，工艺及控制系统更加复杂，需要保证热值控制的稳定度和灵敏度［5-6］。煤气热值是煤气掺烧后的最终体现，是CCPP机组负荷和效率的主要影响因素，混合煤气热值的合理设定对提高CCPP机组运行的经济性和稳定性非常重要。一旦运行热值偏离设定值太多，尤其是在焦炉煤气供应不足导致混合煤气热值降低的情况下，不仅会导致机组出力降低、效率下降，甚至会导致机组自动停机。因此，扩展燃气轮机运行热值范围，研究机组低热值运行技术，在保证燃烧稳定和机组总出力的前提下，充分发挥设备潜能，从而减少焦炉煤气掺混量具有重要的实际应用价值。马鸣太对宝钢COREX煤气系统的热值调节稳定方法和控制策略进行了研究，并在宝钢电厂1号CCPP机组运行中完成了现场调试［7］。雍一正以燃烧稳定性控制为中心，分析和探讨了M701SDA高炉煤气燃气轮机低热值工况运行的可行性，扩展了M701SDA机型的煤气热值运行范围［8］。

本文以300 MW的M701S（F）型燃气轮机CCPP机组为实验平台进行低热值运行试验，收集不同热值、不同负荷下燃气轮机的运行参数，研究机组的热值控制策略和低热值运行技术。300 MW CCPP机组是目前国内最大的高炉煤气联合循环发电项目，低热值运行技术的实现将可以有效降低机组发/供电燃料成本，提高机组创效能力。

1 混合煤气热值控制系统

高炉煤气是高炉炼铁时产生的副产品，其可燃范围窄、燃烧速度低、发热量低、含尘量大、有毒。燃气轮机以低热值的高炉煤气作为燃料时，为保证燃烧的稳定性、避免熄火、控制CO排放，提高燃烧效率，需要掺混入高热值的焦炉煤气。保持混合后的煤气热值合适，就可以保证机组在各种工况下实现安全稳定运行。

图1 热值控制流程Fig.1 Calorific control diagram

混合煤气热值控制流程如图1所示。通过控制焦炉煤气流量调节阀A、B、C的开度来控制掺混的焦炉煤气流量，进而控制进入燃机的混合煤气热值恒定。焦炉煤气流量调节阀A、B、C的开度命令值是通过焦炉煤气与混合煤气燃料的体积流量比所确定的控制信号输出CSO所确定的。焦炉煤气的混合比率一定就可保证混合煤气的热值一定，可以避免由于燃料消耗量的快速变化而引起燃烧不稳定发生。热值控制包括以下三部分：

（1）热值前馈控制。焦炉煤气与混合煤气燃料的体积流量比计算式

式中：FC为焦炉煤气流量；F为混合煤气流量；C为混合煤气热值；CB为高炉煤气热值；CC为焦炉煤气热值。

（2）热值反馈补偿控制。将热值仪的测量值与热值设定值做比较，通过反馈调节使测量值与设定值相等。

（3）焦炉煤气流量调节阀压差补偿控制。由热值前馈控制和反馈补偿控制计算所确定的焦炉煤气混合比率乘以控制信号输出CSO得到需要的焦炉煤气流量。焦炉煤气流量调节阀A、B、C的位置要求要通过压差补偿计算而得，目的是使实际的焦炉煤气流量与需要的流量相等。

2 低热值运行优化

M701S（F）型燃气轮机热值控制为自动控制，即从点火升速、定速，到并网、接带负荷及各个运行工况，热值控制均由逻辑控制自动实现，运行操作人员只需要监视其他相关参数，无法人为操作调整。燃气轮机混合煤气热值最初是基于4 400 kJ/m3设计，除了在点火升速阶段，运行热值根据煤气热值的波动，通过混合煤气热值控制系统，增加或减少焦炉煤气的掺混量以维持混合煤气的设计热值。为实现减烧焦炉煤气，在维持机组出力稳定和效率不下降的前提下，降低混合煤气热值，采取了以下技术改进措施：

（1）在DCS控制画面中增加热值手动调节器。在启机和150 MW负荷段以下，仍采用热值自动控制。当启机完成，机组150 MW负荷段以上，可以通过操作热值手动调节器，实现热值手动加、减调整控制。

（2）依据燃机压缩机入口温度，限定热值手动调整安全范围，并增加燃烧室车室压力高报警限制。降低热值，减少焦炉煤气耗量，为保证机组出力不变，高炉煤气耗增量相比于焦炉煤气削减量要大，总燃料量增加，燃烧室车室压力增大。为防止燃烧室超压损坏，保证设备安全运行，增加燃烧室车室压力高报警保护（1.765 MPa）。因为大气温度不同，燃烧室车室压力不同。根据运行数据，满负荷运转条件下，当大气温度为15℃时，燃烧室车室压力达到峰值1.726 MPa。当大气温度高于或低于15℃时，燃烧室车室压力则小于1.726 MPa。因此可依据燃机压缩机入口温度对热值分别设定下限，以保证在燃烧室车室压力不超压的前提下，合理降低混合煤气热值。燃机压缩机入口温度为-5，5，15，25，30℃时，热值设定下限分别为4 200，4 200，4 250，4 250，4 250 kJ/Nm3。

（3）增大燃机压缩机入口导叶开度设定。低热值运行时，削减焦炉煤气投入量后导致进入燃烧室的煤气量增加，燃烧室车室压力随之上升，燃机压缩机可能会达到喘振界限。为了防止燃机压缩机发生喘振，需要增大燃机压缩机入口导叶开度，增大空气流量。其逻辑设定修改如图2所示。

图2 逻辑修改前、后压缩机入口温度与入口导叶开度的关系Fig.2 Relationship between gas temperature and inletguidevanes opening of gas compressor

（4）在90～150 MW负荷范围内，热值自动控制值降低150 kJ/m3。正常运行时，机组负荷范围为90～300 MW，150 MW以上，热值可以手动调节。150MW以下，热值为自动控制，其逻辑设定修改如图3所示。

图3 逻辑修改前、后热值随燃机负荷的设定曲线Fig.3 Thecomparison of calorific set curve before and after logic control modification

（5）加强机组运行参数的监视与调整，尤其是燃烧室压力振动检测、煤压机入口导叶开度，煤压机推力平衡温度等与热值调整密切相关的参数，发现异常，及时采取措施，保证机组安全运行。

3 结果分析

实际运行效果表明，经过上述自动控制逻辑修改和手动调节相结合的方法，可以再保证机组稳定运行和输出功率不降低的情况下，降低混合煤气热值设定，从而降低高热值煤气的掺混量。鞍钢高炉煤气的热值平均值为3 700 kJ/m3，焦炉煤气的热值平均值为17 903 kJ/m3。由于混合煤气的热值变化，其混合煤气量也相应变化。

焦炉煤气耗量与混合煤气热值的对应关系如表1所示。降低混合煤气热值，可以有效的减少焦炉煤气耗量。当混合煤气热值由4 400 kJ/m3降到4 200 kJ/m3，每小时最多可减烧焦炉煤气6 282 m3/h，节省燃料成本3 486元/h，创效效果明显。

表1 焦炉煤气耗量与混合煤气热值的关系Tab.1 Relation between consumption of COG and calorific value of mixing gas

4 结论

（1）减少焦炉煤气掺混量，混合煤气热值降低，为保证燃烧稳定，保证机组顺利启动和安全运行，需要采用热值自动控制与手动控制相结合。在启机和150 MW负荷段以下，仍采用热值自动控制，热值自动控制值降低150 kJ/m3。当启机完成，机组150 MW负荷段以上，可以通过操作热值手动调节器，实现热值手动加、减调整控制。

（2）300 MW燃气—蒸汽联合循环发电机组采用低煤气热值方式运行，采取切实有效的技术措施，监控运行参数在正常范围内，完全可以保证机组安全稳定运行。通过热值的动态调整，不仅可以减烧焦炉煤气降低发电燃料成本，对平衡公司高、焦炉煤气管网用量也可以起到调节作用。

［1］刘旭，孙明庆.钢铁厂燃用低热值煤气燃气-蒸汽联合循环发电装置探讨［J］.钢铁技术，2003（7）：37-44.

［2］娄马宝.低热值气体燃料（包括高炉煤气）的利用［J］.燃气轮机技术，2000，13（3）：16-18.

［3］刘文和，杨若仪.低热值煤气燃气轮机联合循环发电在钢铁厂的应用［J］.燃气轮机技术，2004，17（1）：21-25.

［4］覃勇付.钢铁厂剩余煤气在CCPP上利用的配置优化研究［D］.昆明：昆明理工大学电力工程学院，2007.

［5］程敏，王中华.低热值煤气在燃气蒸汽联合循环发电中的控制应用［J］.冶金自动化，2013（S2）：642-645.

［6］李飞，马休，曹卫华，等.煤气混合过程热值与压力的模糊补偿解耦控制［J］.中南大学学报，2011，42（1）：94-99.

［7］马鸣太.以COREX煤气为燃料的联合循环发电机组控制策略研究与实现［D］.上海：上海交通大学电子信息与电气工程学院，2012.

［8］雍一正.M701SDA型高炉煤气燃气轮机低热值运行技术优化［D］.南京：东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室，2015.

Optimization of low calorific value operating technology on gas turbine of 300 MW CCPP in steel plant

WANG Xin1，YUAN Chao1，HUO Zhaoyi2

（1.The Second Power Plant of Anshan Steel Company，Anshan 114012，China；2.School of Materials and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；）

In order to reduce coke oven gas consumption，the adjustment of co-firing of blast furnace gas and cove oven gas in 300 MW CCPP is studied in this paper.The calorific value of mixing gas entering into the gas turbine is automatically controlled.Under steady operation conditions，the relation of the calorific value and operating load is analyzed，and the control strategy is improved to reduce the consumption of cove oven gas and save the operating cost.The practical operating results show that the proposed technical methods and control strategy are feasible and effective to save the operating cost.

CCPP；blast furnace gas；cove oven gas；control strategy

August 28，2016）

TF058

A

1674-1048（2017）01-0006-04

10.13988/j.ustl.2017.01.002

2016-08-28。

辽宁省教育厅科学技术研究一般项目（L2015257）。

汪新（1982—），男，辽宁鞍山人，工程师。