低热值煤气-蒸汽联合循环发电机组蒸汽旁路的应用研究

庞 森，麻艺炜，谷延良，王 涛，徐迎超

（1.北京首钢国际工程技术有限公司，北京 100043；2.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

引言

京唐二期150 MW CCPP 和海水淡化工程是根据首钢京唐公司建设规模，对全厂煤气、蒸汽、电力和水进行平衡后，建设的燃热电水一体化装备（CCPP机组与海水淡化直接耦合集成）。

1 工程概况

首钢京唐钢铁厂新建150 MW 燃气蒸汽联合循环发电工程，燃气轮机采用某公司生产的低热值燃料燃气轮机，机组型号：M701S（DA）X，为M701S（DA）的改进型，额定燃用煤气量为318 600 m3/h（混合煤气），轴功率112 200 kW，配一套轴流式空压机，一套轴流式煤气压缩机及一套发电机。余热锅炉采用卧式双压自然循环形式，高压蒸汽压力9.91 MPa，温度503 ℃，流量214 t/h；低参数蒸汽压力1.1 MPa，温度232 ℃，流量37 t/h。蒸汽轮机采用额定功率60 MW 的全周进汽快速启动型补汽凝汽式汽轮机，排汽压力35 kPa，排汽温度75 ℃；工程配套建设3.5 万t/d 热法海水淡化系统，利用汽轮机的排汽余热进行海水淡化。京唐二期150 MW CCPP和海水淡化工程保证了厂区电力和淡化水供应安全，提高二次能源的回收和资源的再利用率，增加海水淡化水产量，降低海水淡化水成本。

2 低热值煤气-蒸汽联合循环发电机组带海水淡化装置系统的特点

2.1 采用低热值燃气轮机

低热值煤气-蒸汽联合循环发电机组燃气轮机、煤压机、空压机和发电机同轴布置，汽轮机和发电机分轴布置，在机组启动过程中，燃气轮机带动煤压机和空压机旋转，煤压机和空压机消耗了大量的轴功率。在气轮机发电机并网前，燃气轮机消耗大量的煤气，产生的轴功率几乎全部用于煤压机和空压机。燃气轮机的排烟进入余热锅炉产生的蒸汽量，经测算大概是30% 的额定负荷蒸汽量。见表1。

表1 燃机启动时负荷与余热锅炉蒸发量对应关系

2.2 锅炉为双压自除氧形式

与常规带一次再热系统的燃气-蒸汽联合循环电厂不同，首钢京唐公司二期CCPP 项目余热锅炉采用卧式双压自然循环形式。

2.3 后置带海水淡化装置

首钢京唐公司低热值煤气CCPP 机组为提高机组的热利用率，余热锅炉采用双压自除氧形式，汽轮机后置海水淡化装置，汽轮机排汽压力35 kPa，排汽温度75 ℃。海水淡化装置要求的进汽温度不能超过75 ℃；汽轮机排汽装置的抽真空设备设置在后置的海水淡化装置上，正常运行时由海水淡化装置控制汽轮机的真空。当海水淡化装置进汽超温后会导致海水侧结垢，堵管和应力超限导致泄漏真空。所以必须控制进入海水淡化装置的蒸汽温度不超温。

在项目建设初期只在锅炉出口高低压集汽集箱上和汽机进汽主蒸汽阀前的管道上各设置一处对空放散，以满足汽轮机和燃气轮机冷热态启动使用。使用过程中发现，蒸汽放散量大、噪音大、锅炉补水瞬时量大，浪费大量的除盐水，不经济。

3 CCPP旁路系统的常规设置方式

主蒸汽旁路系统是低热值煤气-蒸汽联合机组的重要组成部分，它决定了机组能否安全可靠高效运行和启停，是整个机组主体设备的重要安全保障。因此，对于燃气电厂而言，旁路系统的重要地位不言而喻。低热值煤气-蒸汽联合机组冷热态起动初期，余热锅炉产生的蒸汽尚未达到汽轮机的启动条件，此时主蒸汽经旁路系统减温减压至排汽装置，以汽轮机配合燃气轮机快速启动。当汽轮机出现甩负荷时，主蒸汽旁路系统可使主蒸汽减温减压至排汽装置，以配合燃气轮机和余热锅炉的快速降负荷，以防止余热锅炉主蒸汽系统超压[1]。

在常规带一次再热系统的燃气-蒸汽联合循环电厂中，主蒸汽旁路系统是指与汽轮机并联所形成的减温减压系统。其主要功能是将余热锅炉产生的蒸汽排至再热冷段或排汽装置，而不经过蒸汽轮机做功。旁路系统根据实现功能的不同主要包含蒸汽旁路阀门、旁路阀门控制系统、旁路喷水减温系统等。为适应机组频繁的启停，将汽轮机旁路系统分成高压、中压和低压旁路系统，其容量均为100% 联合循环机组余热锅炉最大产汽量。

机组的高压旁路系统从高压主蒸汽管路接出经高压旁路阀减压减温后，接至再热冷段管路；中压旁路系统从再热热段管路接出，经中压旁路阀减温减压后接至凝汽器；低压旁路系统从低压主蒸汽管路接出，经低压旁路阀减温减压后接至凝汽器[2]。

4 高低压主蒸汽旁路设置的探讨

余热锅炉为双压自除氧形式，生产2 种参数的蒸汽，汽轮机为补汽凝汽式，主蒸汽设置旁路的同时，低压主蒸汽也应该设置旁路，整个系统旁路的设置有两种方式。

4.1 高低压主蒸汽旁路的串联形式

串并联形式即将高压主蒸汽压力降低到低压主蒸汽的压力和温度，然后与低压主蒸汽汇合经过二级旁路再进入设置在排汽装置上的三级减温减压器，经进一步的减压和减温后送入海水淡化装置。见图1。

图1 串联方式的旁路设置

优点是可以减少一个二级旁路，造价低廉。

缺点是减温减压后的蒸汽压力控制不够灵敏，容易出现超温超压和低压主蒸汽压力升高的现象。

4.2 高低压主蒸汽旁路的串并联混合方式

采用高低压主蒸汽串并联混合方式的旁路的方法，增加一个低压旁路，同时在排汽管道上设置4级减温水，以防止超温对海水淡化装置造成影响。正常运行时，高压主蒸汽通过高压旁路减温减压到一定压力后，与经过独立的低压旁路减温减压器减温减压后的低压主蒸汽汇合，汇合后的蒸汽经过二级旁路再次减温减压后送入设置在排汽装置上的3级减温减压器。见图2。

图2 串并联混合方式的旁路设置

优点是可以减少高压主蒸汽对低压主蒸汽的影响，做到调节灵活、准确，同时设置在排汽管道上的四级减温水可以充分地防止进入排汽装置的蒸汽超温，从而保护海水淡化装置。

缺点是造价成本较高，增加工程的一次性投资。

4.3 主蒸汽旁路的容量选择计算

传统的CCPP 机组旁路设置一般都是100%旁路，在实际运行中，冷态启动锅炉负荷较小时，旁路阀后蒸汽压力较难控制，而火电机组的旁路设置一般为30%～40%机组额定蒸发量，这种旁路容量较小，旁路阀后压力较好控制，然而用在低热值煤气-蒸汽联合循环发电机组上就不太合适。在热态启动时，燃机的负荷在30%～40%，余热锅炉的蒸发量为180 t/h，余热锅炉额定蒸发量为220 t/h，如果使低热值煤气-蒸汽联合循环发电机组能给正常热态启动，旁路装置的设置应为80%锅炉额定蒸发量为宜[3]。

5 结论

低热值煤气-蒸汽联合循环发电机组带海水淡化装置系统有其特殊的特点，为配合CCPP 机组的冷态和热态启机，必须设置主蒸汽旁路，同时又必须保护后置海水淡化装置的安全稳定运行。

在机组启动和停机时主蒸汽旁路系统可以收集凝结水，减少水资源浪费、减少厂区噪音，同时保护发电设备安全运行。设置旁路系统后，可避免停机后余热锅炉蒸汽直接排放所产生的浪费。

另外设置汽轮机旁路系统后，可实现余热发电系统和旁路系统之间的快捷切换，优化余热机组的应急预案，增强整个系统运行调节的灵活性与可靠性。汽轮机旁路系统的工艺流程清晰，安全性高。