燃气—蒸汽联合循环发电技术及在鞍钢的应用

田永华

（中冶焦耐（大连）工程技术有限公司，辽宁 大连 116000）

一、研究背景

我国是能源消费大国，近年来，随着我国经济的持续快速增长，能源需求不断增加。钢铁工业是高能耗行业，在国民经济总能耗中占很大比重。钢铁企业在生产过程中产生大量的富余煤气，包括高炉煤气、焦炉煤气及转炉煤气，其中高炉煤气含有有毒成份而且热值较低，但产量极大，如果能合理利用可以为钢铁企业节约能源，降低能耗；大量放散则会造成极大的能源浪费，还会严重污染环境。

钢铁企业产生的富余煤气，传统的作法是将这些富余煤气排放到大气闪烧或者将其送入锅炉进行燃烧产生蒸汽，用于供热或驱动汽轮机发电。煤气燃烧产生蒸汽带动蒸汽轮机发电，能量转换率低，投资相对较大，水消耗量较大，效率低，富余煤气所含的能量不能获得充分利用，而且对环境产生有害的影响。

随着燃气轮机技术的发展，人们找到了有效解决这个问题的方法。以燃气—蒸汽联合循环去利用富余煤气，可回收低热值煤气用于发电、供热，且热电转换效率可达到40%～58%以上，同时还可减少NOx的排放量，为钢铁企业带来良好的经济效益和环境效益，因此研究钢铁企业燃用低热值煤气燃气—蒸汽联合循环发电装置有着广阔的前景，同时也有着重大的能源战备意义。

二、技术原理及设备组成

CCPP（Combined Cycle Power Plant）即燃气—蒸汽联合循环发电。联合循环是把两个使用不同工质的独立的动力循环，通过能量交换联合在一起的循环。

钢铁企业CCPP以燃高炉煤气为主，有的企业掺入少量焦炉煤气，用于发电的煤气热值3000～3800kJ/m3，只是天然气的1/10～1/6。净化后的高炉煤气经煤气压缩机压缩与被压缩过的空气（1.5～2.2MPa）在压力燃烧室内燃烧，高温高压烟气直接在燃气透平内膨胀做功并带动空气压缩机与发电机完成燃机的单循环发电；燃气透平排出的烟气（温度一般在500℃以上）通过余热锅炉生产中压蒸汽，进入蒸汽轮机发电，温度120℃左右的尾气通过烟囱排放，蒸汽轮机发电是燃机发电的补充，并完成联合循环。CCPP的锅炉和汽机都可以外供蒸汽，联合循环可以灵活组成热电联产工厂。

燃气—蒸汽联合循环装置的主要设备有燃气轮机（包括空气压缩机、燃烧室和燃气膨胀透平）、余热锅炉、蒸汽轮机等。对于高炉煤气燃气轮机联合循环系统，由于高炉煤气热值低、容积流量大，煤气增压机消耗功率较大，因而也是联合循环系统中的主要设备之一。

三、主要特点

燃气—蒸汽联合循环作为一种先进高效的动力装置，具有以下特点：

（1）具有提高供电效率的最大潜在能力。目前，燃气—蒸汽联合循环净效率达到60%以上，热效率远远超过现有燃煤蒸汽轮机电厂。

（2）建设费用低。配置燃气轮机按燃气—蒸汽联合循环发电，不但可以提高电厂电力，还可以降低建设费用，联合循环发电建设成本比燃煤电厂下降约10%。

（3）耗水量比较少。燃气—蒸汽联合循环电厂不需要大量冷却水，可减少冷却水的供应，一般只有常规电站耗水量的50%～70%，这对于干旱缺水地区建电厂尤为重要。

（4）对环境污染极小。在各种型式的发电装置中，联合循环电厂的另一个主要优点是能适应环保要求，被称为“清洁电厂”。它一般采用气体燃料，燃烧产物无灰渣排放；燃烧效率高，燃烧产物CO2少。NOx排放量也下降约10%。

（5）调峰性能好，操作便捷。燃机从启动到带满负荷运行，一般不到20min，快速启动时，时间更短，因而联合循环电厂是城市备用或调峰机组的最佳选择。

四、经济性评价

根据热力学原理，热源温度越高，冷源温度越低，则循环效率越高。燃气—蒸汽联合循环中的热源温度高达1100～1300℃，远远高于一般蒸汽循环采用的主蒸汽温度（540～566℃），其冷源温度（凝汽器温度）29～32℃远远低于一般燃气单循环的排气温度（450～640℃），也就是燃气—蒸汽联合循环从高温热源吸热，向低温的冷源放热，因此联合循环的热效率比组成它的任何一个循环的热效率要高。这样，增加了机组的总输出功率，使整个循环的热效率提高。

燃气—蒸汽联合循环发电系统按照热量梯级利用的原则，将燃气轮机与蒸汽轮机结合起来，同时利用了高品质和低品质的热量，实现了按质用能、梯级利用，从而获得较高的循环效率。

五、应用

2006年7月，国内第一台30万kW的燃气—蒸汽联合循环发电机组（CCPP）在鞍钢正式投入运行，该机组是目前世界功率最大、最先进的燃烧低热值高炉煤气的联合循环发电机组，该机组以高炉产生的副产品——高炉煤气为主要燃料，辅以少量焦炉煤气，在燃气—蒸汽联合循环发电机组中发电，每小时可燃烧高炉煤气46万立方米、焦炉煤气4万立方米，于是，往日放散的高炉煤气被顷刻间消耗，取而代之的则是源源不断地释放的清洁的电能。通过该发电机组，鞍钢用电自给率大幅提高，具有显著的经济效益和环境效益。

联合循环机组的装机容量为30万kW，其中燃气轮机功率为18.3万kW，燃气温度达到1300℃，压力1.52 MPa，燃气轮机排烟温度557℃，压力2.73 kPa；汽轮机功率为11.7万kW，余热锅炉蒸汽生产能力340t/h。联合循环效率达到51%，满负荷运行时，发电煤耗仅为253gce/kWh，属于世界领先水平。

六、结论

目前国内各大钢铁企业尚未做到煤气零放散，CCPP技术可以实现热电联产，灵活平衡蒸汽、煤气、电之间的关系，做到能源利用的最优化，在各大钢铁公司对现有能源优化利用中，应优先考虑采用以CCPP技术为主的联合循环发电技术。

随着低热值燃气轮机运行经验的不断丰富，燃料条件和燃机性能的不断改善，燃气—蒸汽联合循环技术与装置在钢铁企业必将得到越来越广泛的应用，为企业带来更大的经济效益和社会效益。