燃气蒸汽联合循环（CCPP）与亚临界煤气发电（BTG）在冶金行业的应用前景分析

王良忠，夏文静

（中冶华天南京工程技术有限公司，江苏 南京 210000）

1 概述

近年来，国内钢厂受产能置换政策驱动，整体搬迁所引发的新建煤气发电项目增多。同时，老钢厂的煤气替代，煤气发电“上大压小”已经逐步开展，使得国内钢铁企业煤气发电单机装机容量80MW及以上的项目逐渐增多。随着国家碳排放政策日渐明朗，各企业对煤气发电热效率关注度越来越高。燃气蒸汽联合循环发电（CCPP）和亚临界煤气发电（BTG）均具有技术成熟度高、国内应用案例多的特点，具有很大应用及研究价值。

2 煤气发电系统简介

CCPP机组如今被按照燃气轮机、蒸汽轮机的分布位置，划分为单轴和分轴两种，前者两机共轴而后者两机处于分轴。钢厂的低热值高炉煤气等被该机组燃烧发电，煤气混合之后开始的精除尘进行于煤气湿式电除尘器，除尘所产生的燃气能够为燃机提供发电动力，先将燃气运用煤气压缩机进行加压，将被压缩过后的燃气注入进燃机，燃机做工会产生出高温烟气，六百摄氏度左右的烟气进入到余热锅炉中产生蒸汽，而电能则通过运行的蒸汽轮机产生。图1为典型冶金煤气分轴系统联合循环（CCPP）示意图。

图1 典型冶金煤气分轴系统联合循环（CCPP）示意图

常规单循环煤气发电（BTG）通过燃气锅炉直接燃烧钢厂富余的煤气，其对煤气的热值的适应性更加广泛，煤气锅炉产生的蒸汽直接驱动蒸汽轮机发电，系统简单。在冶金行业中普遍情况下选取的机组都是一次再热、亚临界、超高温的。

3 CCPP与BTG发电效率对比

3.1 理论发电效率

本文的理论效率计算采用以发单机出口结合透平的热耗进行方向计算的方式进行，CCPP联合循环发电效率见式（3-1），BTG煤气发电的效率见式（3-2）。

式中：ηccpp-联合循环发电效率。

ηBTG-煤气发电效率。

G燃机-燃气轮机的发电热耗，kJ/Kw·h。

G汽机-蒸汽轮机的发电热耗，kJ/kW·h。

η1-为锅炉的热效率（BTG数值选取90.5%，煤气锅炉；CCPP取87%，余热锅炉）。

η2-锅炉至汽轮机管道的效率，取99%。

η3-燃机排汽至余热锅炉的热效率，经验值取97%。

3600-每度电的能量，3600kJ/kW·h。

各国主要由中国上海电气、日本三菱等公司进行燃机的供应，在供应厂家里面市场占有率高、低热值CCPP机组技术先进的是日本三菱公司，该公司M701SDA、M701SLDA以及其升级型号都较具有代表性[1]。下表为在建包头钢铁分轴式CCPP机组相关技术资料及由式（3-1）计算发电效率：

随着近年来高参数机组的小型化，国内冶金行业投产的80MW至135MW的亚临界机组日渐成熟，普遍采用主蒸汽参数为17.5MPa、571C，目前65MW级别的单钢亚临界机组上汽、哈汽均已有在建项目。下表为永锋钢铁100MW亚临界BTG机组相关技术资料及由式（3-2）计算的发电效率：

3.2 国内钢厂运行效率与理论效率对比

因受到煤气热值的波动和流量变化、运行水平的差异、设备运行工况和设计工况的不同等主客观因素的影响，导致CCPP和BTG的运行效率和理论效率均存在一定的差距，下表列举了国内已经投产的CCPP项目和亚临界BTG项目的阶段性实际发电效率。

以上数据均为短期阶段性数据，不代表长期运行数据，结合表1、表2、表3数据绘制曲线如下。

表1 包钢165MW CCPP联合循环发电项目计算效率

表2 永锋100MW亚临界煤气发电项目计算效率

表3 国内冶金行业联合循环及亚临界煤气发电阶段性运行效率

图2 理论及实际发电效率曲线

由上图我们可以看出CCPP联合循环实际发电效率为44.95%至47.2%，亚临界煤气发电机组从发电效率可以看出是40.1%至41.8%，两者之间相差的效率约为5%。下文经济分析以CCPP发电效率45.5%，并将其厂用电率设置为设计理论值3%；BTG亚临界煤气发电发电效率以41%计算，并将其厂用电率设置为设计理论值6%。

4 冶金行业CCPP与BTG发电的经济对比

下文选取目前国内CCPP发电项目和亚临界煤气发电项目各两个，通过表4.1可以看出CCPP单位装机约为6830元/ kW·h，亚临界煤气发电装机约为2350元/ kW·h。

表4 国内CCPP发电项目和亚临界煤气发电项目投资

以全年7800小时计，100MW亚临界煤气发电全年发电量为7.8×108kW·h，BTG煤气发电厂用电率以6%计时，全年供电量为7.33×108kW·h。以此为基数，CCPP发电效率45.5%，BTG亚临界煤气发电41%计，可以得出100MW级CCPP项目燃烧同样的燃料理论发电量为8.66×108kW·h，CCPP电厂以3%来对厂用电率进行计算时，该厂一年的供电则为8.4×108kW·h。

由上述计算知，以100MW为计算基数时，CCPP可以比BTG亚临界煤气发电供电量多约1.07×108kW·h。如果以0.38元/kW·h上网电价为基数进行计算，每年可以产出约4066万元，在不计两者物料消耗差异（循环水、工业水、压缩空气、氮气等物料消耗）的情况下，其投资差值回收期约为11.2年。

5 分析与展望

冶金行业将布莱顿、朗肯两种循环模式应用于CCPP，把两者相结合，具有许多优点，提升了整体发电效率[2],但是随着近几年来亚临界机组小型化及其较低的造价使得CCPP的技术优势逐渐被缩小。通过公开的消息可以看到广西盛隆冶金有限公司产业升级技术改造工程已开始使用145MW级别的超临界机组，建成后预计理论发电效率可超过43%，将进一步缩小和CCPP的发电效率差异。

朗肯循环被应用在很多不同发电模式当中，例如CCPP、BTG等发电模式，凝汽器部分造成了很多热损失，冷源损失约超60%[3]，减少冷源损失、增加全厂热效率可以通过热电联产来完美实现。包头钢铁2×165MW煤气发电二期（CCPP）通过汽机侧的自动同步离合器（SSS离合器）以实现背压和纯凝工况的切换。探索钢厂煤气发电供热是提高热效率的有效途径。

燃气轮机从冷却状态下最多只需要启动几十分钟即可达到满负荷状态，有着启动快、高自动化的特点。这一点亚临界煤气发电机组（BTG）尚无法完全实现，提高BTG机组的自动化程度以实现一键启停仍是今后需要继续努力的方向。

笔者认为，新建或改建钢厂应该根据本厂的煤气量、种类及热值情况，周边热用户情况等因素，结合本厂的经济状况和技术指标等综合测评，从而进行CCPP机组或者亚临界乃至超临界BTG机组的选择。