高炉煤气燃气—蒸汽联合循环发电的应用及分析

1、大连理工大学硕士学位论文高炉煤气燃气一蒸汽联合循环 发电的应用 及分析姓名杨锐申请学位级别硕士专业动力工 程指导教师谢蓉宋思远 20081201大连理工大学专业学位硕 士学位论文摘要钢铁企业在金属冶炼的工艺过程中会产生 大量的富生煤气尤其是高炉煤气钢铁企业富生煤气的特点 是热值低、污染大、回收难过去通常是放散到大气中从而造 成了资源浪费和环境污染。有些工厂是利用煤气锅炉燃烧煤 气发电来进行回收但是通常效率不高而且排放也比较大。目 前先进的煤气回收装置就是采用燃气一蒸汽联合循环发电 技术使循环效率大大提高排放量也大大降低。对于钢铁企业 而言燃气轮机能够高效利用高炉煤气且完全达到国家环保 要求、符

2、合能源政策并为节能减排作出较大的贡献同时投资 回收速度也很快给企业自身带来可观的经济效益。此外高炉 煤气燃机还可以申请得到京都议定书项目的额外经济收入。 本论文主要是结合高炉煤气燃气轮机的生产和运行实践介 绍燃机工艺流程在钢铁企业的应用以及对联合循环效率和 运行经济性进行理论计算和实际运行的分析对比论证燃气 轮机对钢铁企业在经济运行上的可行性和重要性以及来自 三菱重工技术的高炉煤气燃气轮机对燃烧高炉煤气的突出 优势给涉足燃机事业的人员和准备调研方案的企业提供参 考和研究的依据。关键词高炉煤气联合循环应用及分析高炉 煤气燃气一蒸汽联合循环发电的应用及分析一纲大连 理工大学学位论文独创性声明作者郑

3、重声明所呈交的学位 论文是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽 我所知除文中已经注明引用内容和致谢的地方外本论文不 包含其他个人或集体已经发表的研究成果也不包含其他已 申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了 谢意。若有不实之处本人愿意承担相关法律责任。学位论文 题目直塑送氢燧氢二蒸盗珐佥堑巫发皇鲍座用及佥盘作者 签名一二左乙一赶一一日期互生年生月二日大连理下大学 硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权 书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定在校攻 读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学允许论 文

4、被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和电子版可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印、或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文题目垒翌 丝墨型墨。篁望塑壹丛丛型壁塑塑墨垒竺土牛作者签名导师 签名日期塑童年生月二日日期趟年一盆月上一日大连理工 大学专业学位硕士学位论文绪论课题的研究背景及意义钢 铁企业在金属冶炼的工艺过程中会产生大量的富生煤气尤 其是高炉煤气钢铁企业富生煤气的特点是热值低、污染大、 回收难过去通常是放散到大气中从而造成了资源浪费和环 境污染。有些工厂则是利用煤气锅炉燃烧煤气发电来进行回 收但是通常效率不高

5、而且排放也比较大。目前先进的煤气回 收装置就是采用燃气一蒸汽联合循环发电技术使循环效率 大大提高。排放量也大大降低。燃气轮机是以燃烧某种燃料 产生连续流动的高温气体为工质来带动叶轮高速旋转的动 力透平机械是一种高效的旋转叶轮式热力发动机。燃气一蒸 汽联合循环机组是把燃气轮机循环以及蒸汽轮机循环综合 在一起的动力装置从而实现能源的梯级利用提高能量的综 合利用效率。国外燃气轮机的发展已有五十多年的历史目前 燃气轮机已经广泛应用于航空、工业、民用、军事等领域。 燃气轮机的种类很多功率范围很大技术也比较成熟。国内燃 气轮机起步较晚但发展较快。燃气轮机的需求量在不断增加 潜在的用户多这也是促使国内燃气轮

6、机快速发展的动力。而 杭汽轮引进燃气轮机技术才三年多时间许多钢铁用户对这 该引进技术并不了解甚至持怀疑态度主要是因为工程实际 应用少而且工程实际应用又缺少相应的理论数据支持所以 普及燃气轮机及其联合循环的认识和理论就显得非常必要 和迫切。高炉煤气燃气轮机即燃气轮机是钢铁企业特有的以 高炉煤气为燃料工质的发电动力装置但在国内远远没到普 及的程度。国外对已有多年的运行经验和成果中国国内起步 稍晚运行经验较少尤其是高炉煤气的联合循环发电近几年 才刚刚兴起。目前在国内的工业实际应用领域内还没有公开 对燃气轮机联合循环计算及验证的著作或报告。因此本文中 所论论及的研究工作具有深远的工程实际应用背景和匕

7、思义燃气轮机发展概况目前就世界范围而言燃气轮机发电 已是电力结构中的重要部分而在新增的发电容量中也是占 有更大的比例简单归纳燃气轮机五十多年来的发展情况进 气初温透平前燃气的进口温度由早期的。到现在一般都已超 过有些已投入商业应用的机组燃气进口温度已达到C有的 甚至高达C。高炉煤气燃气一蒸汽联合循环发电的应用及分 析热效率的发展燃气轮机循环的热效率已由早期的提高到 现在的以上有的高达。材料的研究燃气轮机高温部件涡轮喷 嘴、动叶的材料由最早的、等一般合金材料发展到合金金 相结构控制的材料并出现了同向结晶或定向结晶的、材料最 新材料已使用单晶工艺。金属材料的进步还表现在涂层的应 用上。涂层减轻了零

8、部件的腐蚀和氧化使其寿命可延长倍早 期有铂铝涂层后来又发展等离子保护一和一等。先进材料和 涂层的应用使透平前燃气进口温度提高了C左右。冷却技术 高温部件在改进材料的同时又不断改进冷却技术。早期喷嘴 和动叶采用对流、冲击等空气冷却现已广泛采用气膜冷却、 发散冷却。先进的冷却技术可使透平前燃气进口温度再提 高C。功率燃气轮机简单循环单机功率由早期的几千千瓦发 展到以上等级的大机组近年来的机组也已投入商业应用。的 发展燃气轮机发电已广泛应用于能量的综合利用循环方式 多样化特别是燃气一蒸汽联合循环发电技术更为完善装置 净效率已提高到并出现了燃气、蒸汽集为一体的单轴机组。 随着燃气轮机技术的不断成熟燃气

9、轮机发电在世界电力结 构中的比例在不断增加。据统计自年至年世界范围销售发电 用燃气轮机达台总装机容量达而其中机组数的装机容量数 的是在年至年短短的六年中的增长量。据美国能源部能源信 息局预测年一年十年内计划新装机其中燃煤机组燃油机组 燃气轮机组燃油及燃气机组大部分是燃气轮机及联合循环 机组。瞄国内燃气轮机现状燃气轮机是钢铁企业特有的以高 炉煤气为燃料工质的发电动力装置但在国内远远没到普及 的程度。钢铁企业常常存在这样的状况一方面低热值高炉煤 气大量排放从而造成了能量流失和环境污染。年我国生铁年 产量超过亿吨全行业高炉煤气放散率达到。年放散高炉煤气 量亿立方米以上年放散高炉煤气热值折合标煤达万吨

10、。如按 当年标煤平均价格元吨计则其热量价值达亿元。另一方面钢 铁企业又是用电大户吨钢耗电量在左右钢铁企业需从国家 电网大量购电由于购电费用高钢铁产品的电力成本也是相 当高的。大连理工大学专业学位硕士学位论文此外高炉 煤气的大量放散严重污染环境。高炉煤气的主要成分是和。 其中是无色、无味的有毒气体。每立方米高炉煤气的含量约 为。按现行环境空气质量标准其三级空气质量标准规定 的日平均浓度为。每立方米高炉煤气足以使立方米空气的含 量超过三级空气质量标准严重污染环境及影响人体健康。钢 铁企业燃用低热值煤气燃气一蒸汽联合循环发电装置简称 为英文的缩写可回收放散的低热值煤气用于发电、供热且热 电转换效率在

11、之间具有显著的高效节能和环保效果在钢铁 企业有着广阔的应用前景。年我国钢铁行业第一套全烧高炉 煤气在宝钢建成投产。该套由重庆钢铁设计研究院设计日本 川崎一瑞士公司制造。机组输出电功率供蒸汽量燃用热值为 的高炉煤气。热电转换效率达。投产后年发电量亿度。为宝 钢创造了良好的经济效益同时为我国钢铁企业回收放散的 高炉煤气发电走出了一条新路。本课题主要完成的工作国外 对已有多年的运行经验和成果中国国内起步稍晚运行经验 较少尤其是高炉煤气的联合循环发电近几年才刚刚兴起。目 前在国内的工业实际应用领域内还没有公开对燃气轮机联 合循环计算及验证的著作或报告。鉴于此本课题着重讨论燃 气一蒸汽联合循环发电装置在

12、钢铁企业的应用首先从钢铁 企业副产煤气的波动规律入手初步确定燃气轮机的副产煤 气消耗量和剩余煤气放散量确定联合循环发电装置燃用低 热值煤气时的利用方案以及机组的配置和改造方案这部分 内容在许多著作和各类期刊杂志的参考文献中均有论述。在 此基础上本论文通过在实际工作应用中编制的计算程序对 一种型号的两套运行项目的高炉煤气燃气轮机勃莱敦循环 效率以及联合循环进行验算和分析并分别对其经济性进行 比对和研究证明计算程序的具有一定的合理性和精确度最 后再结合近期用户现场反馈的运行数据对运算的结果进行 对照验证说明计算结果与实际运行也是相符合的。计算结果 既与三菱的技术参数保持一致又与实际运行数据相吻合充

13、 分而有力地论证了型燃气轮机联合循环项目在钢铁企业使 用高炉煤气上的可行性和优越性从而对燃气轮机联合循环 的效率及其经济性有一个比较清晰的理性认识为产品的市 场推广以及企业的可研方案提供比较可靠的理论依据并起 到一个系统的导向作用。高炉煤气燃气一蒸汽联合循环发电 的应用及分析我国能源政策及燃气轮机概况我国能源政策 我国“十一五十大重点节能工程实施意见中的第条“余热余 压利用工程中指出我国钢铁、有色、煤炭、建材、化工、 纺织等行业的余热余压以及其他余能没有得到充分利用如 钢铁企业的焦炉气、高炉气、转炉气煤矿的煤层气焦化企业 的焦炉气等可燃副产气大量放空造成能源的严重浪费同时 也污染了环境。我国钢

14、铁行业立方米以上高炉约余座有座以 上尚未配套炉顶压差发电设备有大型转炉的企业家中型转 炉的企业家只有家使用转炉负能炼钢技术。我国焦化炉干熄 焦比例较低干熄焦产量仅占机焦总产量的。我国现有日产吨 以上新型干法窑水泥生产线条只有少数配装了余热发电装 置。因此国家对冶金行业的钢铁企业提出要求推广干法熄焦 技术、高炉炉顶压差发电技术、纯烧高炉煤气锅炉技术、低 热值煤气燃气轮机技术、转炉负能炼钢技术、蓄热式轧钢加 热炉技术。建设高炉炉顶压差发电装置、纯烧高炉煤气锅炉 发电装置、低热值高炉煤气发电一一燃气轮机装置、干法熄 焦装置等。由此可见国家对节能环保项目、特别是低热值咼 炉煤气利用是大力提倡和支持的而

15、钢铁企业运行产生的大 量富余低热值煤气正是给高炉煤气燃气轮机提供了广阔的 施展空间因为高炉煤气联合循环的煤气利用率及发电效率 都比常规的纯烧高炉煤气锅炉发电装置要高很多所以无论 是从国家能源政策上还是企业的运行效益上来说燃气轮机 都有着无可比拟的优势。后面的章节将会就燃气轮机对煤气 的利用及其循环效率的优势方面进行分析比较本章下面先 从燃气轮机及燃气轮机的特点和性能方面进行简要介绍。燃 气轮机简介燃气轮机分类按燃烧的工质分类有燃油、天然 气、炼油气、高炉煤气等。按功率分有重型、轻型小型、微 型等。一般以下的称为小型燃机以下的称为微型燃机目前在 分布式发电系统中应用广泛。重型燃机的零件较为厚重大

16、修 周期长寿命可达万小时以上。轻型燃机的结构较紧凑而轻便 所用材料一般较好其中以航空发动机的结构最为紧凑和轻 便但寿命一般较短。燃气轮机系统主体构成一一大连理工大 学专业学位硕士学位论文燃气轮机主体由压气机空气压缩 机、燃烧室和透平段动力涡轮构成。燃烧室和透平段不仅工 作温度高而且还承受燃气轮机在起动和停机时因温度剧烈 变化而引起的热冲击工作条件非常恶劣故它们是决定燃气 轮机寿命的关键部件。为确保有足够的运行寿命这两大部件 中工作条件最差的零部件如火焰筒和透平叶片等须用镍基 和钻基合金等高温材料外加耐温涂层来实现同时还必须用 空气冷却技术来降低工作部件表面的温度。整机系统对于一 套燃气轮机来说

17、除了主要部件外还必须有完善的调节保安 系统此外还需要配备良好的附属系统和设备包括起动装置、 燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器、消 防设备等图为某石化企业燃机运行的系统平面布置示意图。 图燃气轮机系统平面布置示意图燃气轮机的工作原理轴流 式压气机从外部吸入空气压缩后送入燃烧室同时燃料也喷 入燃烧室与高温压缩空气混合在受控方式下进行定压燃烧。 生成的高温高压烟气进入透平段膨胀做功推动动叶片高速 旋转从而使得转子旋转做功转子输出的一部分功率用于驱 动自身的压缩机其余的功可被用来驱动机械设备如发电机、 泵、压缩机等等。燃气轮机由静止起动时先要使用起动设备 来带动待燃机达到一定转速后点火

18、运行此时起动设备将及 时脱开。高炉煤气燃气一蒸汽联合循环发电的应用及分析最 简单的燃气轮机的工作过程称为简单循环此外为提高燃气 轮机主体效率还有回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来 自大气最后又排至大气从这个意义上说燃气轮机的循环又 称为开式循环另外还有工质被封闭循环使用的是闭式循环。 燃气轮机与其他热机相结合又称之为复合联合循环装置。从 燃气轮机排出来的烟气温度很高C以上通常被回收利用如 利用余热锅炉进行联合循环或用作加热炉的热源等如图所 示。图利用尾气余热的燃气轮机燃料流程示意图燃气轮机的 发展趋势尽管燃机有其高效率的特点但是目前国际上的燃 机课题还是主要针对提高其效率方面的研究采用高温陶瓷 材料、利用核能和发展燃煤技术将是燃气轮机未来的主要发 展趋势。提高效率的关键是提高燃气的初温以及减少其自身 的损失等。首先提高燃气初温就得需要改进透平叶片的冷却 技术