宝钢150 MW 高炉煤气燃气-蒸汽联合循环热电机组.docx

宝钢150 MW 高炉煤气燃气-蒸汽联合循环热电机组朱基木1, 赵林凤1, 李守玉2, 陈健2(1. 上海宝山钢铁股份有限公司电厂, 上海200941 2.上海发电设备成套设计研究所, 上海200240)【摘要】宝钢建造的一套150MW 专烧高炉煤气燃气轮机联合循环热电装置，这台目前世界上最大的全部燃 烧高炉煤气的联合循环装置为宝钢能源平衡，高炉煤气的高效利用，节能降耗和解决环保问题做出了贡献，也将促 进这项先进技术在我国钢铁企业中的应用和推广。本文还介绍了该热电装置的有关调试情况以及有关运行维修情况。-摘要:钢铁企业在炼铁过程中，要产生大量的副产品高炉煤气,高效回收利用高炉煤气将有利于节能降耗,减少环 境污染。介绍了宝钢建造的一套150MW 专烧高炉煤气燃气轮机联合循环热电装置，这台目前世界上最大的全部燃 烧高炉煤气的联合循环装置为宝钢能源平衡，高炉煤气的高效利用，节能降耗和解决环保问题做出了贡献，也将促 进这项先进技术在我国钢铁企业中的应用和推广。该机组由GT11N2-LBTU 型燃气轮机，煤气压缩机，齿轮箱，三 压蒸汽轮机，三压余热锅炉，发电机和励磁机等组成。机组采用单轴系列布置，煤气压缩机直接由机组驱动，利用 老厂蒸汽带动蒸汽轮机启动机组，系统简单，自动化程度高。该装置由日本川崎重工总成套，GT11N2-LBTU 燃气 轮机，发电机及励磁机由原ABB 公司制造配套，煤气压缩机由SULZER 公司提供。机组的额定出力为149.6MW， 最大供汽量为180t/h，联合循环效率为45.52%。本文还介绍了该热电装置的有关调试情况以及有关运行维修情况。 关键词： 高炉煤气； 联合循环； 热电联供 钢铁企业在炼铁过程中，要产生大量的副产品高炉煤气（简称BFG）。一般情况下，BFG 除了在热风炉中自用和供炼焦炉加热外，还用于锅炉燃烧产生蒸汽发电和供汽，以及利用BFG 本身 的压力，通过膨胀透平拖动发电机发电（TRT）等。但还有一部分多余的BFG 未能回收利用而排放， 造成能源的浪费和环境污染。 宝钢是一个大型钢铁企业，自1985 年第一座高炉建设以来，BFG 的高效利用、整个钢厂能源 平衡及环保的改善被列为一项重要的研究课题。 回收利用剩余的BFG 的途径很多，除上述的几种形式外，燃气-蒸汽联合循环形式，具有热效 率高，可以电力、蒸汽并供，启动迅速，操作方便，调节灵活，占地少，建设周期短等优点，是最 有前途的方案。因此，BFG 燃气轮机及其组成的燃气-蒸汽联合循环电站得到了较快的发展。 1.1 国外BFG 燃气轮机的发展概况 从1945 年瑞士BBC 公司接受西班牙Baracado 钢铁厂的第一台BFG 燃气轮机订货开始，经过半 个多世纪的努力，逐步解决了BFG 热值低，燃烧稳定性差、含灰量大、调节控制系统复杂等一系列 技术难题，目前BFG 燃气轮机的单机容量已达144 MW（毛功率），组成燃气-蒸汽联合循环的出力为 149.6 MW（净功率），热效率45%以上。用户遍及西欧、前苏联、日本、美洲各国和我国。制造厂中 瑞士的原BBC 公司和日本三菱重工的经验最为丰富，绝大部分BFG 燃气轮机都是由他们生产的。 BBC 公司从1949 年到1976 年间共制造了25 台BFG 燃气轮机，其中有4 台机组发展成为燃气- 蒸汽联合循环。 日本三菱重工1958 年开始研制首台BFG 燃气轮机，功率850 kW，用来驱动鼓风机，安装于新日 铁八幡工厂。其后不断发展，现已研制出MW-701D BFG 燃气轮机，功率为124 MW，组成联合循环的 功率为145 MW 是三菱生产的最大的BFG 燃气轮机组，联合循环热效率高于45.6%，1987 年投入运 行。 1996 年10 月，意大利达兰多的ILVA 钢铁厂由ISE 运行的515 MW 发电厂的第一台BFG 与天然 气混烧的燃气轮机组投入运行，ISE 发电厂以Nuovo Pignone 公司制造的3 台MS9001E 燃气轮机为 基础。Nuovo Pignone 公司供应了燃气轮机和煤气压缩机，Ansaldo 供应了发电机、蒸汽轮机和余 热锅炉。该电厂机组的输出功率和热效率水平都超过了预期值，在可靠性方面也显示出优异的成绩。 1.2 国内在BFG 燃气轮机方面的情况 BFG 燃气轮机联合循环热电装置是钢铁工业中，合理利用能源，节能降耗，解决环境污染问题 的首选方案。我国对此项目一直十分重视，早在1979 年10 月就在太原市召开了“高炉煤气燃气轮 机发电技术座谈会”，山西省计委、北京钢铁设计研究总院、部分钢铁厂及有关科研院所和制造厂 参加了会议，会议对BFG 燃气轮机发电的科学性和经济性予以肯定，并提出钢铁企业应把BFG 燃气 轮机的应用早日提上议事日程。宝钢也十分重视BFG 的高效利用问题，在1994 年计划建造一台容 量为150 MW 专烧热值仅为3 2653 516 kJ/Nm3 的BFG 燃气-蒸汽轮机联合循环热电装置。当时， ABB 在原GT11N2 的基础上开发出了燃烧低热值BFG 的燃气轮机。1995 年宝钢和日本川奇重工开 始在宝钢电厂建造第一台由ABB 开发的燃烧低热值BFG 的燃气-蒸汽联合循环热电装置（以下简称 0#机组）。该机组于1997 年11 月通过性能验收后投入商业运行。这台目前是世界上最大的全部燃烧 BFG 的联合循环机组，为宝钢能源平衡，BFG 的高效利用，节能降耗和解决环保问题做出了贡献， 也将促进这项先进技术在我国钢铁企业中的应用和推广。 目前，上钢五厂已着手筹建BFG 燃气轮机燃气-蒸汽联合循环电站，首都钢铁公司、鞍山钢铁 公司、通化钢铁(集团)有限责任公司等国内大中型钢铁企业都有建造联合循环电站、更新改造、提 高BFG 利用水平的要求。 2 燃气轮机燃烧BFG 的改造 BFG 的主要可燃成分是CO 和少量的H2，大部分是不可燃的惰性气体CO2 和N2，还有少量的水蒸 气。发热量一般为2 5144 190 kJ/Nm3。BFG 还含有大量的灰尘。由于BFG 具有可燃范围窄、燃烧 速度低、发热量低、含尘量大以及有毒等特点，所以燃用天然气和液体燃料的常规燃气轮机改烧BFG 时，对燃气轮机有关部件和系统均需进行改造，宝钢专烧BFG 的GT11N2-LBTU 燃气轮机主要经过以 下几个方面的改造才获得成功。 2.1 增设湿式电除尘器 由于BFG 中含有大量的灰尘，直接进入压缩机和燃气轮机将磨损通道及叶片，从而破坏了叶型， 导致机组效率下降，发展到严重时还会影响机组的安全运行。本机组增设了湿式电除尘器，可将BFG 的含尘量降至1 mg/Nm3 以下，满足机组的运行要求。 2.2 增设煤气压缩机 煤气压缩机是煤气的增压设备，本机组采用二级压缩，第一级为全静叶可调轴流式低压压气机， 第二级为离心式高压压缩机。两级串联压比可达16。 由于BFG 含有有毒气体CO，且易爆，所以压缩机要有严密的密封系统，防止CO 外泄。 2.3 燃气轮机的改造 0#机组的GT11N2-LBTU 燃气轮机是在常规燃气轮机GT11N2 的基础上进行改造而成的。 2.3.1 由于BFG 的热值低，在燃气透平前的燃气初温不变的情况下，如以BFG 为燃料，所需要的燃 料体积流量比天然气的体积流量要大20 倍。这将使通过透平的燃气量大增，导致压气机和透平的 流量不匹配。GT11N2 压气机前三排导叶可调，利用这种可调方式可使压气机进口的空气流量从375 kg/s 减小到260 kg/s，实现了在不改变压气机和透平通道结构尺寸的情况下，解决了燃烧BFG 时， 压气机和透平流量的匹配问题。 2.3.2 BFG 具有热值低，可燃范围窄，燃烧速度低等特点，这就需要有一个能快速、完全而稳定地 燃烧BFG 的燃烧室。虽然GT11N2 采用单筒燃烧室，其具有燃烧室尺寸大、容积大、热容强度小、 易于组织燃烧等优点，但也必须加以改造才能达到烧BFG 的要求。 CO与碳氢气体燃料相比，其燃烧速度最慢，要使CO 能很好地燃烧，就需要在燃烧室中有足够 长的逗留时间，并能很好地与空气混合。 为了燃烧低热值煤气，ABB 公司把常规的燃烧室尺寸进行了放大，增加CO 的逗留时间，旋流 器的尺寸也增加到直径为1.5 m。包角旋流器的十二个通道分成上下两层，分别通空气和煤气，两 层通道又都分成内外两部分，煤气由上下二个管道，通过两个控制阀分别供向上层内外部分。以双 燃料喷嘴的天然气燃烧器作燃用BFG 的值班喷嘴，保证BFG 燃烧稳定。通过以上的改造，GT11N2-LBTU 燃气轮机专门燃烧BFG 获得了成功。 3 主要设备概况及特征 宝钢电厂0#机组由专烧BFG 的GT11N2LBTU 型燃气轮机、高低压煤气压缩机、齿轮箱、三 压蒸汽轮机、三压余热锅炉、发电机和励磁机等组成，采用单轴系列布置，轴系长度51.7 m。机组 通过利用老厂蒸汽带动蒸汽轮机来启动机组，系统简单，自动化程度高。该机组由日本川崎重总 承包，GT11N2LBTU 燃气轮机、发电机和励磁机由瑞士原ABB 公司制造配套，煤气压缩机由瑞 士SULZER 公司提供，三压蒸汽轮机、三压余热锅炉由日本川崎重工提供。0#机组的主要设备的性 能参数见表1。 最大传递功 减速齿轮箱3 型式卧式旋转无刷励磁空气冷 却发电机 额定出力144 MW（毛功率） 额定容量176 MVA 燃气轮机 转速3611 r/min 发电机 转速3000 r/min 型式抽汽凝汽式型式三压卧式自然循环 额定出力60.5 MW 高压蒸汽6.28 MPa 5l3 169 t/h 蒸汽轮机 转速3000 r/min 中压蒸汽1.86 MPa 265 22 t/h 高压离心式,5 级 余热锅炉 低压蒸汽0.13 MPa 107 19 t/h 低压静叶可调轴流式,15 级型式强制冷却,屋外型,2 绕组煤气压缩机 转速3611 r/min 额定容量180 MVA 型式双螺旋式 主变压器 额定电压15 kV/110 kV 100 MW 控制系统型式PROCONTROL-P 集散控 制系统 自动化控制系统把整个联合循环机组的主机（燃气轮机、煤气压缩机、蒸汽轮机、余热锅炉、 发电机）和辅机（循环水泵、煤气冷却水泵、润滑油泵、控制油泵等）作为一个有机的整体进行监 视和控制，具有较高的自动化水平。 以微机为基础的DCS 控制站实现整套机组的分散自动控制和联锁保护，主控制室取消常规仪 表；以CRT 操作站实现整套机组的集中监视和信息管理。从机组的起动开始到满负荷为止的起动 程序控制，机组的停机控制以及正常运行的控制实现遥控操作。 4 机组系统概况 0#机组系统见图1“150MW高炉煤气燃气轮机联合循环热电机组系统图”4.1 BFG 供给系统 BFG 从母管引出，经湿式电气除尘器除尘进入煤气加热器除湿，再进入低压煤气压缩机升压， 经中间冷却器冷却，进入高压煤气压缩机升压，升压后的BFG 经煤气快关阀和三路煤气调节阀进 入单筒式燃烧室。低压煤气压缩机采用全部静叶可调轴流式，高压煤气压缩机采用离心式，以适 应燃气轮机所需要的大范围煤气流量调节和高的压缩比。在低压与高压煤气压缩机间设置中间冷 却器，高低压煤气压缩机分别设有各自的防喘振阀。在高压煤气压缩机后设有煤气大旁路阀，以 适应各种运行工况下的煤气流量调节。 4.2 燃气轮机系统 大气经过空气过滤器进入空气压缩机，升压后的空气与高压煤气压缩机输出的BFG 在燃烧器 中混合燃烧，燃烧产生的高温（1 060 ）、高压（1.44 MPa）燃气进入燃气透平膨胀作功，输出 MW 功率。燃气轮机带动高低压煤气压缩机（耗功51.5 MW），剩余92.5 MW，通过减速齿轮传 递到汽轮发电机组。 在额定工况下仅以低热值的BFG 为燃料（热值为3 0983 150 kJNm3）是本机组的最大特 点。本机组采用了在GT11N2 型的基础上开发的燃烧低热值煤气的旋流器，其是原来的1.4 倍。 采用流量调节范围较大的进口前三排导叶可调的空气压气机，减少压气机空气流量，来实现烧BFG 时，保持通过透平的烟气量不变。 燃气轮机用蒸汽轮机进行启动，至1 080 rmin 并完成吹扫后以轻油作为燃料升速到额定转 速，机组并网带12 MW 左右负荷以后进行燃料切换。 4.3 余热锅炉系统 燃气轮机作功后540 的排气进入余热锅炉，在高压、中压、低压受热面中产生蒸汽，蒸汽 经过过热器加热后进入蒸汽轮机作功，输出60.5 MW 功率，或供给蒸汽用户，组成燃气-蒸汽联合 循环。余热锅炉采用三压自然循环型式，以充分吸收燃气轮机排出的热量，提高整个联合循环的 效率。 4.4 蒸汽轮机系统 蒸汽轮机系统按锅炉来的蒸汽分别设有高压、中压和低压系统，分别经各自的调节汽阀进入 汽缸为配合锅炉的启动过程，分别设有高压、中压和低压旁路系统。联合循环机组的汽轮机， 除具有与常规汽轮机组类似的作用外，还作为燃气轮机的起动机械使用，在燃气轮机点火前先用 外系统的蒸汽冲动汽轮机，使燃气轮机达到点火转速。省去了专设的起动设备。高压汽轮机的排 汽，作为供热蒸汽的汽源。 5 机组运行概况及经验 0#机组于1997 年7 月第一次并网至今已三年多，累计运行了2.33 万小时，运行情况良好。 在此期间，经历了4 次A 修、1 次B 修、1 次C 修。以下是机组从调试至今的主要事件。 1997 年7 月5 日首次并网，标志着负荷试车全面展开 1997 年7 月22 日首次单烧低热值BFG 成功 1997 年8 月燃气-蒸汽联合循环试运行 1997 年9 月性能考核试验 1997 年10 月七天连续运行考核 1997 年11 月投入商业运行 1998 年1 月首次A 级检修 1998 年8 月至2000 年10 月进行了3 次A 修、1 次B 修、1 次C 修 机组调试运行以来，积累了一定的运行经验，对机组起停、运行情况作以下总结。 5.1 机组启动 燃气轮机与蒸汽轮机同轴的联合循环机组，是以蒸汽轮机作为燃气轮机的启动装置（其启动 汽源 来自老厂350 MW 机组的再热蒸汽冷段）。机组启动共分三个部分：机组升速、并网及燃料 切换、联合循环。 5.1.1 升速 机组启动升速共分三个阶段：即汽机速度控制阶段、速度开环控制阶段和燃气轮机速度控制 阶段。汽机速度控制阶段是汽轮机从0 rmin 转速开始到GT 转速为1 080 rmin 的控制过程。 当GT 转速达到1 080 rmin 时，机组转速保持15 分钟，进行吹扫，排尽燃气轮机到余热锅炉通 道内的可燃废气。接着转速从1 080 rmin 下降到790 rmin，再继续升速到GT 转速1100 r min 进行点火。 点火成功后，启动控制按一定的规律打开轻油喷嘴将轻油喷入燃气轮机，这种控制方式一直 维持到GT 转速为2 050 rmin，即燃气轮机速度控制接替为止。蒸汽机转速调节器转为手动，调 节器输出跟踪实际转速加30 rmin，使调门一直开大到最大值（约47%），蒸汽流量约为50 th。 当机组的转速达到2 050 rmin 时由燃气轮机速度控制器接替速度开环控制，在转速到达3 000 rmin 前按108 r/min/min 的速率升速，在3 000 rmin 以后，按216 r/min/min 的速率升速，直到 满转速3 611 rmin，升速过程结束。 5.1.1.1 燃气轮机点火转速调整 GT 点火原设计为GT 转速达800 r/min，但在实际试验中发现由于转速低，空气流量小，出现 高温通流部分金属温度升高过快，并引起透平排气温度TAT 上升波幅太陡，点火后TAT 最高达 390 左右。经过反复试验，将点火转速提高到1 100 r/min，以降低高温通流部分金属温度，使 TAT 温度上升平缓。 5.1.1.2 轴承振动 由于单轴结构，体现在启动升速的参数配合要求较高在启动升速过程中,蒸汽轮机的调节汽 门和燃气轮机的轻油流量调节阀之间的协调配合很重要，既要确保在不同转速阶段所需要的升速 率，又要确保机组各个重要参数在限定的范围内（尤其是透平的进口温度上升率），以防止在升速 过程中由于控制参数的配合不当，在两个不同转速轴系的交接点（齿轮箱）处出现振动。调试过 程中遇到的最大问题，就是高压煤气压缩机（HPC）的振动问题。在升速过临界转速过程中，中 间轴承振动最大达158 m。为了分析振动原因，在中间轴承处增加了临时支撑等，但未有效果。 后对HPC 出口轴承座加固,即：螺栓与缸体相连，使得HPC 后轴承振动大问题得以解决。中间轴 承重新动平衡后，在过临界转速时，振动也得到缓解。在额定转速稳定期间HPC 后轴承振动达105 m ，考虑升速过程的可靠性外，同时还考虑了启动的经济性，尽量增加蒸汽用量，而减少轻油 用量。 5.1.2 并网及燃料切换 机组并网，进入负荷控制阶段。在燃料切换前，必须对高压煤气压缩机进行约100 分钟（冷态） 的暖机。负荷控制器控制轻油调节阀，当负荷达到12MW 至22MW 之间，燃料从轻油逐步切换到 BFG。当轻油切除，负荷控制器作用于煤气控制阀，以控制进入燃机的流量；从50 MW 负荷以后， 负荷控制器切换到煤压机的可调静叶来进行控制。 5.1.2.1 增加暖机程序 在额定转速至并网后，HPC 前轴承振动最大达135m，通过反复试验得出：其振动与HPC 进口煤气温度有关，特别是在冷态启动过程中，一旦进口温度上升过快，则HPC 前轴承温度将明 显上升。分析可能是结构设计或材质的原因，使得部件受热膨胀不一致，造成碰擦，从而引起振 动。为此，在燃料切换前增加暖机程序，并通过中间冷却器冷却水来防止HPC 入口煤气温度的快 速上升，同时将BFG 旁路控制门缓慢关闭，来达到HPC 煤气入口温度缓慢上升，使HPC 得到充 分暖机，以消除高压煤气压缩机前轴承的振动问题。 5.1.2.2 煤气热值的影响 本机组最大特点是一旦燃料切换结束，机组运行无调节燃烧稳定性的手段，故稳定燃烧与炼 铁厂的BFG 热值直接相关。由于宝钢高炉喷煤技术的改进，机组实际燃用的BFG 热值比原设计 的热值低10%左右，目前热值约稳定在3 100 kJ/Nm3。从运行情况来看，只要热值缓慢变化，对 机组稳燃无影响。在调试中，煤气热值曾到过2 700 kJ/Nm3，但仍能稳定运行。机组在投运初期， 曾发生过煤气热值瞬时下降造成机组脱扣，发生时间均在高炉修风或复风后。通过调查分析认为， 高炉修风或复风期间须用氮气吹扫管道，由于未完全放散，使大量氮气混入BFG 中送入燃气轮机， 以致燃烧的BFG 热值突然下降造成熄火保护动作。 基于上述情况，与炼铁厂共同讨论，炼铁厂改进了氮气吹扫操作工艺，保证了BFG 热值的稳 定性。自1999 年3 月以来，从未发生过因热值波动而引起的机组脱扣现象。 5.1.2.3 本机组无需水喷射系统 水喷射系统，其主要作用是在启动过程中，为降低燃烧室火焰中心温度、减少NOx 的生成、 避免燃烧室内部和扇形鳍片受到强烈的热辐射而设置的。在调试中在3 515 r/min 的转速下做了喷 水试验及其对燃烧特性影响试验，但从本燃气轮机启动特性来看：在喷水及不喷水条件下，TAT （排气温度）、高温通流部分金属温度均在规定值内，所以在启动程序中取消了水喷射系统。 5.1.3 联合循环 燃气轮机、煤气压缩机、蒸汽轮机组成的单轴联合循环机组，在启动和正常运行过程中有一 个合理调整能量平衡问题。一般来说，燃气轮机对负荷变化反应灵敏、迅速，而蒸汽轮机相对较 为迟缓。机组负荷控制器接受操作员的负荷设定值与发电机实际负荷，负荷指令首先作用于燃机 循环侧，燃气轮机负荷迅速作出反应。但蒸汽循环侧的负荷要待余热锅炉的蒸汽压力上升后，负 荷才缓慢上升。在暂态过程中，蒸汽循环侧的负荷缺额将由燃机循环侧来补缺。 在机组试运转中，通过试验数据分析，这个暂态过程仅20 秒至30 秒。原因是本机组燃气轮 机燃烧低热值高炉煤气，燃气轮机的排气达100 万Nm3h 以上；余热锅炉采用三压式，对流受 热面较大。负荷指令作用于燃机循环侧后，余热锅炉的蒸汽压力上升延迟较小。因此本机组采用 类似于常规火电机组的“汽机跟踪负荷控制方式即发电机负荷指令控制燃机侧燃料量，由汽轮 机跟踪锅炉压力实际证明负荷变动过程中的晃动能得到控制。在机组启动过程中，通过旁路系 统达到燃气和蒸汽循环之间的能量平衡。 5.2 低负荷及停机 5.2.1 燃气轮机排气CO 监控 在低负荷工况下由BFG 维持机组运转时，燃气轮机排气温度（TAT）将会随之降低，在燃气 轮机排气侧会引起CO 浓度升高。本机组仪表系统在燃气轮机排气端装设CO 监视仪表，另外由 于CO 分析仪表的实时性较差为防止可爆性气体在排气通道和余热锅炉内积聚，必须避免在低 TAT 情况下运行。通过离线分析仪表测得的CO 排气浓度与TAT 的对应关系，按此对应关系设置 保护限制值。 假定机组在单烧BFG 时、负荷由高负荷降到低于45 MW 运行时，煤气控制阀将关到20%， 内环控制阀比外环控制阀开大20%。以稳定BFG 的燃烧。负荷控制的负荷最低设定值受CO 限制， 当实际负荷小于CO 规定的最小负荷限制值（35MW）时，将增加高压煤气压缩机出口与GT 空气 压缩机出口的差压（0.4MPa），以提高GT 的负荷。并强制降低蒸汽轮机的负荷到最低负荷，以增 加燃气轮机的负荷（即煤气流量），从而提高GT 的排气温度确保完全燃烧。 因TAT 与大气温度有关，有可能在低气温条件下，TAT 下降使CO 浓度进一步升高。因此设 置了TAT 下降触发CO 保护动作的联锁。 5.2.2 停机过程中无需掺烧轻油 原设计中，停机过程需投用轻油助燃。在停机调试中，做TAT 与CO 关系的调整确认试验中， 通过对BFG 调节门内、外圈的调整以达到最佳燃烧工况，得出低热值的高炉煤气，在停机过程中， 同样能安全燃烧，轻油不需投用。 5.3 第一次C 级检修 0#机组第一次C 修是在2000 年2 月4 月进行的。累计运行16 593 小时、起动次数134 次， 即为31 136 等效运行小时