17万方每小时合成气的壳牌煤气化工艺设计

中国矿业大学
本科生毕业设计
姓名：学号
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设计题目：17万方/h合成气的壳牌煤气化工艺设计专题：
指导教师：职称：教授
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中国矿业大学毕业设计任务书
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毕业设计题目：17万方/h合成气壳牌煤气化工艺设计
毕业设计专题题目：
毕业设计主要内容和要求：
1.主要内容
(1)题目:17万方/h合成气壳牌煤气化工艺设计
(2)专题:
2.要求
(1)对气化关键工艺进行论证选择;
(2)进行工艺计算,设备计算和选型;
(3)要求用CAD绘出相关图纸,包括总平面布置图、带控制点的工艺流程图、设备布置图和设备装置图；
(4)对非工艺部分提出要求;
(5)进行工程投资和产品生产成本估算;
(6)按要求编写设计说明书.
院长签字：指导教师签字：
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：指导教师签字：
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中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；
⑧是否同意答辩等）：
成绩：评阅教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
摘要
本设计为每小时生产17万立方米合成气的煤气化装置，是以永城当地的无烟煤为原料。

该设计主要由以下五个部分组成：设计总论、工艺计算、设备选型、经济概算及图纸。

煤气化是将碳氢化合物原料转变以一氧化碳和氢气为重要成分气体的生产工艺。

本设计从经济、环保、安全等各个方面综合考虑后，选择壳牌煤气化技术作为其气化工艺。

壳牌煤气化技术采用气流床加压气化，干煤粉进料，液态排渣的形式。

气化炉内滞留典型时间2~10秒，气化煤种广泛，且煤的碳转化率高达99%以上。

在非工艺部分提出了对各部分的要求，其中主要包括电力设计范围、自动控制及热工仪表、建筑条件、用水排水及消防用水、采暖通风、环境保护及人员编制等。

在计算部分中通过shell提供的基本数据计算出整个工艺过程的物热平衡及主要设备选型，本装置的主要设备情况见正文中的设备一览表。

考虑到项目的整体性，本设计经济概算为整个煤化工二期工程的经济情况，其中包括气化装置、甲醇装置、以及公用工程等。

由于项目过于庞杂且缺少部分数据，本设计只能概括性地描述此项目的经济情况。

本设计图纸共9张。

关键词：永煤集团；煤碳气化；壳牌技术
目录
1总论 (1)
1.1设计概况 (1)
1.1.1企业与项目概况 (1)
1.1.2项目背景及投资必要性 (1)
1.1.3 产品介绍 (2)
1.1.4 简要结论 (4)
1.2项目设计中的全局性问题 (4)
1.2.1 设计基本原则 (4)
1.2.2 厂址方案 (4)
1.2.3 总平面布置 (5)
1.2.4 道路与绿化设计 (6)
1.2.5建筑设计情况 (6)
1.2.6 采暖与通风设计 (7)
1.2.7控制系统设计 (7)
1.2.8电力供应设计 (9)
1.2.9给排水设计 (10)
1.2.10人员组织 (11)
1.3工艺选择与介绍 (12)
1.3.1 煤气化基本原理 (12)
1.3.2 气化工艺选择 (15)
1.3.3干法粉煤气化工艺关键 (23)
1.3.4气化厂主要考核指标清单 (23)
1.3.5磨煤及干燥技术方案 (24)
1.3.6其他关键技术方案选择 (25)
1.4工艺流程说明（工艺流程图见附图） (25)
1.4.1壳牌气化基本原理与特点 (25)
1.4.2 气化流程简介 (26)
1.4.3
．．．．．环保与安全 (31)
2.气化工艺设计及计算 (31)
2.2工艺计算 (32)
2.2.1基本数据计算 (32)
2.2.2气化过程平衡计算 (33)
2.2.3合成气制造总过程的热量平衡 (35)
2.3关键设备选型 (36)
2.3.1磨煤机选型 (36)
2.3.2气化炉选型 (39)
2.3.3炉气输送管及蒸汽过热器 (41)
2.3.4合成气冷却器 (42)
2.3.5循环气压缩机 (44)
2.3.6捞渣机选型 (46)
2.3.7二氧化碳压缩机选型 (47)
2.3.8氧气预热器 (50)
2.3.9洗气塔的选型 (56)
2.3.10各种泵的选型 (59)
3.二期总经济概算 (61)
3.1基础数据 (61)
3.1.1 产品方案及生产规模 (61)
3.1.2 项目投资与资金来源 (61)
3.1.3 经济计算期与建设期 (62)
3.1.4 资金使用规划 (62)
3.1.5 固定资产折旧费与无形递延资产摊销费 (62)
3.1.6 产品价格及税率 (63)
3.2财务分析 (63)
3.2.1 成本估算 (63)
3.2.2 销售收入、利润及税金 (63)
3.2.3 投资利税率与投资利润率 (64)
3.2.4 偿还贷款能力与偿还贷款年限 (64)
3.2.5 现金流量及评价指标 (64)
3.3不确定性分析 (65)
3.3.2 盈亏平衡分析 (65)
3.4经济概算小结 (66)
参考文献： (67)
致谢 (69)
1.1设计概况
1.1.1企业与项目概况
永城煤电（集团）有限责任公司所属永夏矿区位于豫东永城市境内，地处黄淮冲积平原北部，苏、豫、皖接壤地带，毗邻华东、华南工业区。

矿区外围100公里内有陇海、京九、青阜三大铁路干线交汇，区内铁路、公路交织成网，并与国铁、国道连接，地理位置优越，交通运输十分便利。

永夏矿区以永城为中心，南北走向长55公里，东西宽25公里，含煤面积716平方公里。

煤炭储量丰富，煤质优良。

探明地质储量25.6亿吨，工业储量19.85亿吨，可采储量12.6亿吨，另有天然焦6亿吨。

煤层赋存稳定，属中厚煤层，地层倾角在10～20°，适于机械化开采。

本区含煤地层为石碳二迭系，属华北型含煤沉积。

煤种以无烟煤为主，煤质优良，具有特低硫、特低磷、低灰、高发热量、高灰熔点、可磨性好、热稳定性好等特点，是冶金、电力、化工、建材、民用等行业的首选洁净燃料。

永煤集团已于04年建设了一个可供50万吨甲醇所需的原料合成气的煤气化装置，考虑到化工企业的规模效益结合市场的需求，现决定在原有一期工程基础上，再设计一套合成气产量为17万方每小时东大煤气化装置。

该设计项目主要部分为永煤集团龙宇煤化工二期工程中的煤气化工艺设计，其中的工艺与制图部分都只是关于气化的，而其经济核算方面由于考虑到项目的整体性而将下游的甲醇装置与辅助装置都纳入了计算范围。

1.1.2项目背景及投资必要性
永煤集团煤炭资源储量大，煤质为特低灰，特低硫、低磷、中高发热量的低变质无烟煤，是优质的工业气化、冶金、化工、动力、环保用煤，产品在华东、华南地区及东南亚等国内外市场均受赞誉。

尽管如此，由于缺乏资金等诸多因素的影响，使该地区长期以向外销售原料煤为主，煤矿开采成为当地的支柱性产业，产业结构单一，地方其他工业十分薄弱，资源优势未能得到应有的发挥，制约了地区经济的大踏步发展。

随着我国加入WTO及能源战略向中西部转移，国家和河南省政府更进一步重视豫东地区的煤炭开发，一方面加大资金投入，形成了1280万吨原煤的生产能力；另一方面，积极扩展投资渠道，寻找发展前景良好的投资去向，把直接输出煤资源，改为大力发展以煤为原料的化工产品加工业，全方位扩展当地工业发展的格局，大幅提升输出产品的经济价值，推动当地经济的迅猛发展。

国家实施西部大开发的战略决策以及省政府的大力支持，为永煤集团的发展提供了十分有利的历史机遇。

抓住这个难得的机遇，把本地区的资源优势转化为经济优势，增加新产品，寻求新的经济增长点，把永城建设成能源重工业基地，是因地制宜发展当地经济的必由之路，既符合国家及省政府的发展战略，也是永煤集团保持企业持续发展之必要条件。

永煤集团依据政府发展规划和资金来源状况，由永煤集团出资，目前已有一个50万吨／年甲醇生产装置在生产中，拟再建一套合成气产量为17万方每小时的生产装置，以此作为发展煤化工的基础。

本项目在煤气化、酸性气体脱除等主要工艺技术上，拟采用国内外的先进技术，以安全、环保、低耗、节能、节水为本，生产操作实现高水平自动化和机械化，将成为现代化企业的典范，以此带动和推进当地工业技术水平的提高，促进和实现企业及地区的可持续发展。

而项目建成后，每年消耗当地煤122万吨，生产出的合成气可产甲醇50万吨及少量副产品，产值由2.2亿元人民币提升至8.3亿元人民币，产生年均利润2.8亿元。

与此同时，还必将扩大就业岗位，增加社会服务需求，促进社会繁荣。

总而言之，煤气化装置的兴建，可充分发挥当地的资源优势，应用现代高新技术改造传统产业，促进了当地经济结构调整和永煤集团产业的优化升级，培育新的经济增长点，实现可持续发展，为地区煤化工的发展奠定了良好的基础，具有良好的经济效益和社会效益。

1.1.3 产品介绍
煤气化产物的有效组分是CO，H2 和CH4。

其通过调节组分比例而被广泛地应用于国民经济的不同部门，包括合成气、城市煤气、工业用燃气、联合循环发电用燃气及冶金工业还原气等。

如今，国内外正在把煤化学发展成
以煤炭气化为基础的一碳化学工业，是煤化工由能源型转向化工型。

所以，煤气化制合成气（主要成分为CO+H2）将成为主要发展方向
合成气又可称为化工原料气，其除了作为气体燃料使用外，它的另一个重要用途是作为化工合成的原料，并已展现出广阔的前景。

由于合成气化工和一碳化学技术的开发和发展，使以煤气化制取合成气，进而直接合成各种化工产品的路线已成为现代煤化工的基础。

当前国内外进行合成研究的重点集中在以下三个方面：
（1）醇类：甲醇、乙醇、低碳混合醇、乙二醇；
（2）烃类：烷烃（CH4）、烯烃、芳烃（汽油、柴油）；
（3）酸类：醋酸。

近来研究表明，大部分化工原料（烷烃，烯烃，芳烃等）均可以从合成气直接合成，从而一次产物（如甲醇）又可进一步合成更多产物，如下图1-1所示。

图1-1各种合成路线
在醇类合成中，甲醇占据着重要的地位，它既是重要的化工原料，又是重要的二次能源。

能直接从CO+H2 合成的许多产物，几乎都可以通过甲醇间接制取，而且往往在技术上和经济上更有利，因此通过经济核算本装置所生产的合成气将被应用于制甲醇。

在烃类合成中，甲烷合成作为从合成气中脱出微量CO+CO2的手段已在合成氨等工业中得到应用，大规模制取高浓度甲烷已在美国实现工业性生
产。

我国为提高城市煤气的热值也正在开发低热值部分甲烷化。

液态烃的合成，即费-托合成工艺是利用催化剂使CO加氢合成制得高辛烷值汽油，它是煤炭间接液化的基础。

其烯烃的直接液化目前还处于试验阶段，并不成熟。

醋酸的合成一般采用甲烷和一氧化碳的羟基化法，用Rh-I2作催化剂。

在我国，目前合成气用量最大的是化肥工业，尤其是中小合成氨厂几乎均采用水煤气工艺，由煤制合成气作为合成氨原料。

因而，无论从近期或远景来看，煤炭气化制合成气都在我国化工工业发展以及能源安全保障中发挥着不可估量的作用
1.1.4 简要结论
（1）产品市场前景良好，符合国家能源发展战略和国家产业政策；工艺技术先进、成熟、可靠，能耗低，安全、卫生、环保等各项措施完善、符合国家标准；
（2）从财务分析看，所得税前内部收益率14.68%，大于行业基准收益率12%，
（3）敏感性分析表明本项目有较好的抗风险能力；
（4）增加地区和国家税收、扩大就业岗位，拉动社会需求，促进地区社会繁荣，社会效益良好，因此本项目是可行的。

1.2 项目设计中的全局性问题
1.2.1 设计基本原则
（1）煤气化、酸性气体脱除等核心工艺和关键设备引进国际先进技术和装备，以实现工厂低消耗、高可靠性、长周期运行。

其它工艺技术和装备立足国内，通过优化设计，力求先进适用、稳妥可靠。

（2）充分依托一期工程及矿区现有的设施、社会力量和自然资源，包括利用矿井涌水资源；力争少拆迁、少征地，努力减少工程建设投资，降低生产成本。

（3）严格执行国家及有关部委、当地政府颁布的有关法令法规及标准规范，贯彻落实国家环保及安全卫生的有关政策和法规，做到工程建设、环境保护和安全卫生“三同步”，创建优质环保工程。

（4）设计贯彻“装置布置一体化、生产装置露天化、建构筑物轻型化”等基本原则。

1.2.2 厂址方案
永城煤电（集团）有限责任公司所属永夏矿区位于豫东永城市境内，地处黄淮冲积平原北部，苏、豫、皖接壤地带，毗邻华东、华南工业区。

矿区外围100 km内有陇海、京九、青阜三大铁路干线交汇，区内铁路、公路交织成网，并与国铁、国道连接，具有优越的地理位置和良好的交通运输条件。

永城煤电（集团）有限责任公司一期年产50万吨甲醇项目建在永城市侯岭镇市林业局苗圃场的用地，地势平坦，厂区内最高海拔标高为32.98 m，最低海拔标高为30.88 m；厂址西侧有大青沟，东侧有矿区铁路集配站，厂区铁路专用线可从集配站接轨进入厂区。

厂区周围预留有发展用地。

厂区规划占地面积88.97×104 m2，一期年产50万吨甲醇项目占地面积36.34×104 m2。

本设计的年产50万吨甲醇项目布置在预留地上。

污水拟排入小运河，距离约7公里，通过小运河排入汪楼沟，最终排入新城区下游的沱河。

供电从矿区中心站接入，距离约6.5公里，一期已建外供电能力可以满足二期的需要。

原料煤来自永煤集团公司的三对生产矿井和一对在建矿井，输送距均在15 km范围内，并已建成配套铁路，原料运输成本低。

本厂厂址位于市区的侧风向，使市区居民生活环境不受污染并可满足防火安区要求。

但本项目用地属于平原地区，地势平坦；整个矿区地表水系发育，共有沟河26条，其中王引河、沱河、浍河和包河为最大，号称永城市境内四大河流，均由西北流向东南，至安徽省境内汇入淮河，各主要河流均有很多支流，大部分为季节性河流。

主要河流洪峰显著，年内洪水期和干旱季节的流量悬殊，洪水时河流超过地面标高，造成内涝；干旱时河流断流。

因此，本设计在厂区周围考虑防涝措施，适当提高装置区标高。

1.2.3 总平面布置
本项目新建装置和建、构筑物包括：煤气化装置、硫回收装置、甲醇装置、空分装置、火炬等工艺生产装置和总降压站、热电站、循环冷却水站、给水加压站、除盐水站、厂区主控楼等辅助生产设施以及固体贮运设施、甲醇成品罐区组成的工厂贮运系统。

考虑到经济、安全等方面因素具体布置如下：
总平面设计将新增装置中的硫回收和除盐水布置在一期相同装置附近
的预留地上；新增成品罐区布置在一期污水处理西侧的预留地上，新增中间罐区分别布置在合成净化联合装置内部和一期罐区内。

二期原水净化和空分装置分别对应布置在一期相同装置的南面空地，为二期空分装置服务的循环水就近布置在一期空分西面的预留地上，使空分循环水管线短截，避免穿越一期用地。

煤库和热电站布置在一期煤库和热电站的北侧，煤气化装置布置在新增热电站的北侧，上煤系统利用一期的卸煤槽和1、2、3号转运站，将煤输送至新增干煤库、热电站和煤气化。

这样布置使一二期煤储运系统，热电站系统连成一体，有利于运营和管理。

合成净化联合厂房布置在热电站的西侧，为二期煤气化和联合装置服务的循环水靠近其服务对象布置。

二期的主控楼紧邻煤气化布置在其西侧，位于两大主装置的之间，便于为其服务。

火炬在一期火炬旁扩建。

污水处理利用火炬南面的厂外污水处理厂。

1.2.4 道路与绿化设计
本项目为二期工程将不新增铁路专用线，利用一期的卸煤线、装车线和装卸设施。

二期出入口利用北面和西面货流出入口。

新建道路与一期一致，采用城市型道路，道路宽为9 m和6 m，装置区周围设置环形道路系统，可同时满足运输、检修和消防要求。

道路转弯半径为12 m，道路结构层依次为C30水泥混凝土面层20 cm，石灰渣土基层30 cm。

绿化设计遵循因地制宜、有利环保、美化厂容、净化空气，努力改善劳动条件的原则。

设计中考虑沿厂区周边及道路两侧种植行道树；控制楼周围为重点绿化区域，在布置形式上考虑与建筑物相协调，种植一些较具观赏性的乔木和花灌木；生产区空地内以植草皮为主，配植小型灌木；绿化树种结合当地实际情况以选择耐酸碱、抗尘的树种为宜。

1.2.5建筑设计情况
本项目的气化装置为一高达百米的框架结构，其占地面积约为900 m2左右，共有十二层结构。

厂区建筑物按二类防水建筑和七度防震设计，建、构筑物的平面和空间布置，除应满足工艺生产、工人操作、维修、安全等要求外，尚应综合地结合化工生产的特点，如防火、防爆、防腐蚀、防噪声、
防毒等因素合理布置。

框架结构的填充墙宜采用轻质砌块，如蒸压加气混凝土砌块。

一般生产厂房及框架的主要楼梯坡度不应大于45°，疏散用室外钢梯、上操作平台钢梯（直爬梯除外）坡度不应大于59°。

一般生产厂房则采用水泥砂浆楼地面。

办公和卫生用房可用水磨石、防滑地砖楼地面。

控制室采用抗静电活动地板。

室外露天设备操作区，应设现浇混凝土地坪，厚度不应小于150 mm。

其他辅助建筑可延续使用一期工程的原有建筑，这将节约部分固定投资。

1.2.6 采暖与通风设计
1．采暖设计说明
（1）该地区属采暖区，厂房及生产辅助间均设采暖。

（2）厂房内采暖设计温度遵照工艺等专业所提要求进行采暖设计。

对生产辅助间，如值班室、操作室等室内设计温度为18℃，对无人值班但有防冻要求的生产厂房，设5℃的值班采暖。

（3）生产厂房及辅助设施采用热水采暖，散热器采用高频焊绕制翅片散热器；较远的输煤栈桥采用蒸汽采暖，散热器采用光管散热器，凝结水考虑回收。

2．通风设计说明
（1）对自然通风不能满足生产工艺要求的考虑机械通风，对事故时会产生大量的烟雾及气味的厂房考虑事故排风。

（2）对放散热量比较大的厂房，设轴流通风机以排除室内余热。

（3）对有有害气体产生的操作岗位（通风柜、排风罩等），设防腐离心通风机将有害气体排至高空稀释排放。

3．空调设计说明
（1）各分析室夏天设空调, 冬季设采暖。

（2）对室内有温湿度精度要求的控制室，设恒温恒湿空调系统，以满足设计要求。

1.2.7控制系统设计
（1）DCS系统
本项目采用的DCS是一个功能完善的系统，具有过程控制（连续控制和离散控制）、操作、显示记录、报警、制表打印、信息管理、可与上位机
或其它计算机（ESD、PLC等）通讯、系统组态以及自诊断等基本功能。

同时，DCS也是一套开放的系统，其通讯层次结构符合OSI参考模型，符合TCP/IP协议和IEEE802协议族的有关协议，并采用Windows NT操作系统，具有良好的人机界面，良好的控制和检测性能等，并提供丰富的多用途的实时数据库和历史数据库，硬件配置应易于升级和扩展。

（2）ESD系统
所采用的ESD是一个基于微处理器技术的，具有高度安全性和可靠性，独立于DCS之外的安全系统。

该系统具有实现装置紧急停车和安全联锁所必需的基本功能，如逻辑运算、事件序列（SOE）、信息管理、可与上位机和DCS通讯、系统组态以及自诊断等，并获得TUV或相当级别认证机构的安全认证。

（3）现场仪表
A．温度仪表
就地温度指示仪表选用防护抽芯式双金属温度计，表盘直径100 mm。

集中检测和控制用测温元件，温度较高时采用热电偶，分度号为K；温度较低时采用热电阻，分度号为Pt100。

除非工艺介质有特殊要求，一般采用304不锈钢的保护管。

B．压力仪表
就地压力指示仪表根据不同工况选用弹簧管压力表、膜盒压力表或差压表；对于易发生堵塞及强腐蚀性场合，选用隔膜压力表，隔膜材料根据工艺介质情况选用；泵出口就地压力测量尽可能选用耐震压力表。

压力表刻度盘直径一般为150 mm。

C．流量仪表
流量测量一般选用标准法兰取压同心锐孔板配差压变送器，孔板材质一般为不锈钢，特殊要求时根据介质确定。

电磁流量计用于强腐蚀性或含有固体颗粒的导电介质的流量测量。

旋涡流量计用于蒸汽、气体和液体宽量程且管道振动不足以影响仪表正常使用的场合的流量测量。

管道内径小于50 mm 的流量测量，一般采用金属转子流量计。

进煤烧咀的煤流量测量采用特殊煤流量测量仪表。

根据不同的工况，也可采用其它类型仪表热质量流量计和靶式流量计等进行流量测量。

D．物位仪表
集中液位测量一般选用差压式变送器，对于腐蚀性、易结晶的介质采用隔膜密封型液位变送器。

对固体料位的测量采用γ射线料位计和电容式料位
计。

根据不同的工况，也可采用其它类型仪表进行液位测量，如外浮筒液位计等
E．称重仪表
对给煤仓、灰仓静设备中物料的测量采用称重传器测量其重量；皮带输送机的固体流量测量采用电子皮带秤或核皮带秤。

F．控制阀
调节阀的选用根据工况，分别选用单座阀、蝶阀、旋塞阀或套筒调节阀。

工艺过程发生故障时需要阀紧急打开或关闭的场合，选用配有防爆电磁阀的快速切断阀。

调节阀阀体材质与管道材质相符或更高，阀内件材质根据介质情况确定。

执行机构一般采用气动执行机构。

若工艺要求气源故障时，调节阀还应正常工作，其执行机构采用电动执行机构，并采用双回路供电系统。

开关阀的结构型式为球阀。

对一般性介质阀座为软阀座，含固体介质或高温介质采用金属阀座。

阀体材质与管道材质相符或更高。

对用于重要场合的开关阀（如煤锁斗阀、渣锁斗阀、灰锁斗阀及煤粉三通阀等）采用特殊阀。

G．气体检测仪表
在装置区、压缩机区等易发生可燃气泄漏的场所，设置可燃气体，易发生有CO、H2S气体泄漏的场所设置CO、H2S检测器，检测变送器的防护等级不低于IP65，采用隔爆型，防爆等级不低于dIICT4。

可燃、有毒气体报警部分设置专用的二次仪表（拟采用十六通道带通讯和报警输出的检测报警控制器），二次仪表安装在装置控制室，从二次仪表送信号到DCS进行报警、记录，并按区或单元送综合报警接点信号去中央控制室进行硬灯屏报警。

1.2.8电力供应设计
河南永城煤电(集团)有限责任公司二期年产50万吨甲醇项目配套电气设施包括110kV总降改造、一座电站控制楼（含6 kV配电），工艺生产装置及与之配套的公用工程及辅助生产设施等的配电、照明、防雷与接地。

本设计包括按一期规模除C02压缩机不上、气轮发电机不上，全厂循环水减少四台循环水泵,厂前区不再上外,其它如甲醇装置、煤气化装置、净水站、除盐水站、煤贮运、热电站均需新建，设计总需要负荷约为28000 kW。

在本工程一期所建总降扩建，总降压站新增二台25MV 110/6.3 kV双绕组有载调压降压变压器，该二台变压器电源分别引自原110kV母线一、二段，并设置6kV第五、六段，新增的热电站主控楼的电源引自新增的6 kV。