高温超高压技术在煤气发电中的应用

高温超高压技术在煤气发电中的应用

摘要：目前我国钢铁行业用于高炉煤气发电的机组大多为12～30 MW中温中压

参数机组，机组的热效率低。本文重点讨论高温超高压煤气发电这种高效发电技

术在钢铁企业富余煤气资源利用方面的优势，分析高温超高压技术高效发电的具

体原因，并对比了该技术与燃气蒸汽联合循环发电技术之间的差异。

关键词：钢铁企业；节能；高温超高压；煤气

近年来钢铁工业产能的不断增加，以及钢铁工业节能措施的逐步推进，钢厂

煤气富余量将进一步提升，煤气需求与价格波动也将会扩大，而现有煤气电厂能

力不能满足需要，致使富余煤气的放散增多，浪费能源并污染环境。

一、煤气锅炉发电技术的发展历程

在早期钢厂煤气锅炉发电技术中，尽管能够有效控制钢铁企业的煤气放散率，但是由于受钢厂规模和煤气量的影响，燃气锅炉机组较小，效率偏低，煤气锅炉

发电技术并非一种高效的煤气利用方式。随着钢铁行业技术的发展，钢铁生产过

程中逐渐减少了生产自用煤气的消耗量，煤气富裕量大大增加，提高煤气发电效

率带来的经济效益日益明显。在钢厂企业效益和国家节能减排政策的要求下，钢

厂煤气锅炉发电技术也在逐步跟进。到目前为止，钢厂富余煤气发电技术大致经

历了早期技术(中温中压或更低)，第一代技术(中温中压或次高温次高压)，第二代

技术(高温高压)，第三代技术(高温超高压中间再热)等4个阶段。随着技术发展，

煤气锅炉发电技术的主机参数越来越高；机组规模越来越大，从早期的12MW一

直到目前的135MW；全厂热效率越来越高，高温超高压技术的热效率比早期的

技术已经提高了近50％；但是每生产1 kWh电所消耗的煤气量则越来越低，从最初的4．53m3／kwh降低到目前的2.98m3／kWh。目前，大多数钢铁企业的锅炉

煤气发电技术仍采用第二代(高温高压)技术，与高温超高压技术相比，高温高压

技术的发电效率要低近6％，钢厂最常见的50MW高温高压机组与65MW高温超

高压机组参数的比较,在同等煤气耗量(18．25万rn3／h)条件下，高温超高压机组

年供电量比高温高压机组年多发电0．72亿kWh，若按电价0．5元／kWh计算，年增效益近3600万元，在钢铁行业不景气的今天，对钢铁企业无异于雪中送炭。随着技术发展，目前高温超高压煤气发电技术机组规模覆盖也越来越广，武汉都

市环保工程技术股份有限公司自主研发的高温超高压机组主机参数已经突破了

65MW的限制，可以向更低参数方向发展，该公司已相继在河北、广西、山东等

地的钢厂建设了数十台套高温超高压机组。

二、煤气锅炉发电技术

1.纯烧高炉煤气锅炉发电技术。20世纪90年代中期，国内开始自主开发并引进国外全烧高炉煤气发电技术，纯烧高炉煤气锅炉发电技术由燃高炉煤气锅炉、

汽轮发电机及辅机等组成。通过高炉煤气管道将减压阀组减压后或TＲT装置后

的低压高炉煤气送入锅炉进行燃烧，产生的过热蒸汽进入汽轮机，驱动汽轮机带

动发电机进行发电。

2.TＲT(高炉煤气余压透平发电装置)。上世纪50年代中期，法国、比利时、

捷克、苏联等国开始对TＲT进行试验研究。其中法国成功的开发了湿式TＲT系统，苏联则开发了干式TＲT系统。80年代，日本的TＲT装置技术发展较快，三

井造船、日立造船、川崎重工等对TＲT进行了改进，进一步提高了回收效率、

降低了投资。我国从60年代中期由武汉钢铁设计研究院开始研究、消化吸收国外TＲT技术。80年代初期通过大量试验取得成功。

3.高炉煤气燃气－蒸汽联合发电(CCPP)。CCPP是目前钢铁企业最先进的煤气

回收利用技术，该技术将钢铁生产过程中的富余煤气与空气燃烧后产生高温高压

烟气，烟气膨胀做功，将机械能转化为电能，之后用余热锅炉将烟气的余热回收

产生高温高压蒸汽，利用蒸汽轮机再次发电，最终实现联合循环发电。目前低热值煤气为燃料的CCPP只被少数公司掌握，如ABB、日本川崎，美国GE等。CCPP已在我国部分钢铁大型钢铁企业得到应用，如宝钢、莱钢、鞍钢、迁钢等等，为企业创造了明显的效益CCPP发电效率高、成本低、经济效益好，发电效率高

达45%，而同规模常规火力发电机组效率仅为23%—35%左右，两年即可收回投

资成本。CCPP以低热值高炉煤气为主要燃料，能大幅度减少高炉煤气放散量，迁钢的高炉煤气基本上可以全部被回收利用，达到高炉煤气零排放，节能效果明显。

三、高温超高压技术高效发电原理分析

高温超高压煤气发电技术之所以高效的原因主要可以归结于：提高蒸汽参数

和增加一次中间再热。常规中温中压发电技术的主蒸汽参数为3．82MPa、4500C，高温高压发电技术的主蒸汽参数为9.8MPa、540℃，而高温超高压发电技术的主

蒸汽参数已经达到了13.7MPa、540℃。在保持主蒸汽初温()和机组背压()不变的

情况下，提高主蒸汽压力对机组循环热效率的影响如图1所示。由图1中可以看出：在极限压力范围内，保持初温和背压一定，随着蒸汽压力升高，尽管主蒸汽

初始焓值h。有所降低，但是汽轮机组的整个理想比焓降有所升高，因此机组的

循环热效率升高。当主蒸汽初压大于极限压力时，随着主蒸汽初压升高，整个汽

轮机组的理想比焓降有所降低，循环热效率反而有所降低，但是实际工程中，主

蒸汽的压力均小于极限压力，因此在实际工程应用中保持和不变时，提高蒸汽初

压有利于提高机组循环热效率。高温超高压机组发电效率高于高温高压机组的另

一个原因就是增加了中间一次再热，带中间一次再热和不带中间一次再热的煤气

发电系统。对于不带再热的煤气发电机组，蒸汽在汽轮机中做完工后便会直接进

入冷凝器中冷凝，蒸汽中的大部分热量将会以气化潜热的形式损失，当增加一次

中间再热后，蒸汽从汽机中间级引出被重新加热至初始温度，降低了蒸汽的排汽

湿度，使得湿度损失减小，从而提高了汽轮机组的循环热效率。

四、案例分析

如N93-13.2/535/535型机组为高温、超高压、一次中间再热、凝汽式汽轮机，结构型式为单缸单排汽，汽缸由前、中、后三段通过垂直法兰螺栓连接为一体。

因进汽参数较高，为减小汽缸应力，增加机组启停及变负荷的灵活性，高压部分

设计为双层缸。汽缸的中低压部分采用单层缸隔板套结构。为简化汽缸结构和减

小热应力，高压和中压阀门与汽缸之间都是通过管道联接。高压阀布置在汽机机

头侧运行层上面，中压阀置于汽缸中压进汽段左右两侧。机组总长～9.4m。高压

通流部分设计为反向流动，高压和中压进汽口都布置在前汽缸中部，是整个机组

工作温度最高的部位。来自锅炉过热器的新蒸汽通过2根主蒸汽管分别进入左右

两个高压主汽调节阀，再经4根Φ133×17高压主汽管和装在前汽缸的4个高压进汽管分别从上下方向进入前汽缸内缸中的喷嘴室，然后进入高压通流部分。蒸汽

经1个单列调节级和8个压力级做功后，由前汽缸前端下部的2个高压排汽口排出，汇合并经1根冷段再热汽管去锅炉再热器，管上装1个抽汽止回阀。在第6

级后设第1段抽汽口供No.1 HP HTR，在第9级后（高压排汽）设第2段抽汽口

供No.2 HP HTR再热蒸汽通过2根热段再热汽管进入中压联合汽阀，再经2根

Ø410×55再热进汽管从前汽缸外缸中部下半两侧进入中低压通流部分。中低压部

分共有13个压力级，蒸汽做功后，由后汽缸排汽口向下排入凝汽器。在第13级