鋼廠CCPP 發電機組提升負荷的研究與應用

鄭振海，張元華，張明揚，薛貴洋

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司 （以下簡稱“鲅魚圈”）CCPP 聯合循環發電機組2009 年投產至今一直運行良好，但由于夏季環境溫度高、冬季環境溫度低以及廠區高爐煤氣工況的不穩定，造成該發電機組不能高負荷運行，帶來一定的經濟損失。因此，針對此現象，研究了CCPP 發電機組煤氣熱值的調整、空氣冷卻器的投入及噴水量的調節使用，以有效地利用鋼廠現有的煤氣和水資源，提升機組的負荷，滿足生產要求。

1 CCPP 發電機組工藝流程

CCPP 發電機組將煉鐵和煉焦過程中產生的高爐和焦爐煤氣混合氣送至煤壓機，加壓后送至燃氣輪機，在燃氣輪機燃燒室內與經過空壓機壓縮后的空氣混合燃燒產生高溫高壓氣體，帶動燃氣輪機做功。燃氣輪機排出的高溫煙氣經余熱鍋爐產生高溫、高壓蒸汽，進入蒸汽輪機做功，燃氣輪機和蒸汽輪機同時帶動發電機發電。

鲅魚圈CCPP 發電機組燃氣輪機、蒸氣輪機額定輸出功率分別為13.3 萬kW·h 和6.2 萬kW·h，煤壓機額定軸輸入功率4.2 萬kW·h，發電機額定輸出功率150.6 MW，該機組每小時可燃燒高爐煤氣28 萬m3、焦爐煤氣2 萬m3，機組熱效率為45%。圖1 為CCPP 機組系統示意圖。

圖1 CCPP 機組系統示意圖Fig.1 Schematic Diagram for CCPP Electric Generating Set System

2 影響CCPP 發電機組負荷的主要因素

2.1 空壓機入口空氣溫度

當空壓機入口空氣溫度降低時，氣體密度增大，入口進氣量隨之提高，機組的輸出功率也提高。也就是說，氣體溫度越低，達到同樣壓比節省壓縮功。而當環境溫度升高時，進入空壓機的氣體密度減小，質量流量下降，壓比也隨之下降。所以空氣溫度對燃氣輪機的負荷和效率都有影響。

2.2 煤氣溫度

理論上來說，煤氣溫度越高，煤氣燃燒溫度越高，燃氣輪機組的循環效率越高。但是當煤氣溫度過高后，煤壓機效率下降，壓比下降，燃氣輪機入口煤氣溫度升高，燃氣輪機的效率與負荷會隨之下降，燃氣輪機的燃燒溫度隨之上升，溫度過高會對燃氣輪機的燃燒室和透平葉片造成無法恢復的損壞。

2.3 煤氣熱值

高爐煤氣為煉鐵過程中產生的副產品，由于高爐工況的影響，高爐煤氣的著火點不高，燃燒穩定性不好，煤氣成分的變化可能導致燃氣輪機燃燒異常，甚至發生事故。因此，應對煤氣成分在線持續監測，計算出煤氣熱值，衡量機組發電效率。

2.4 溫控模式

CCPP 發電機組的溫控模式分為5 種，即調速器控制模式 （GVCSO）、負荷限制器控制模式（LDCSO）、排煙溫度及葉片通道溫度控制模式（EXCSO、BPCSO）、燃料限制控制模式（FLCSO）、煤壓機喘振控制模式（SLCSO）。

① GVCSO 控制指令以額定轉速為控制目標，負責機組到達額定轉速后并網前這一階段的轉速控制。

②LDCSO 是并網后參與控制，根據負荷設定進行燃料調整。

③EXCSO、BPCSO 主要對燃氣輪機排氣溫度和葉片通道溫度進行監控，防止燃氣輪機超溫損害熱部件。

④FLCSO 主要作用是控制啟動升速過程中機組燃料的配比。

⑤SLCSO 只有在煤壓機出現喘振信號時才參與控制。

當發電機組運行時，機組會計算5 種控制指令的數值，選取最小的數字指令作為機組CSO（燃料總量控制信號指令），進而調整機組需要的空氣和煤氣量。當發電機組進入排煙溫度或葉片通道溫度控制模式，就會限制發電機組的負荷。

3 采取的措施

3.1 調整機組動態熱值

按煤氣高、低兩種熱值模式運行，以CCPP 發電機組原設計的熱值4 396 kJ/m3為高低熱值的分界點。

3.1.1 煤氣高熱值運行

鲅魚圈兩座高爐中任意一臺休風時，CCPP 發電機組都有可能降到最低負荷。高爐故障時，高爐煤氣無法保證，機組會被迫停機。同時，在環境溫度低于8 ℃時，燃氣輪機負荷下降，隨著氣溫緩慢下降，機組負荷也緩慢下降。

因為高熱值會影響燃燒溫度及燃氣輪機高溫部件的耐熱情況，因此高爐煤氣缺少或焦爐煤氣放散較多的情況下，機組可以采取高熱值運行模式。結合實際經驗，根據環境溫度設定高熱值：5 ℃以下熱值設定為4 605 kJ/m3；5～10 ℃熱值設定為4 500 kJ/m3；10 ℃以上熱值設定為4 396 kJ/m3。

通過調整熱值指令來調整焦爐煤氣A、B 閥門的開度，進而調整高爐與焦爐煤氣的比例，調整混合煤氣的熱值，以提高冬季氣溫低時的發電負荷。圖2 為高、焦爐煤氣系統示意圖。

圖2 高、焦爐煤氣系統示意圖Fig.2 Schematic Diagram for Blast Furnace Gas System and Coke Oven Gas System

機組最大運行熱值由4 396 kJ/m3提高至4 605 kJ/m3，而相應的煤壓機和燃氣輪機負荷控制限制需要根據熱值進行邏輯計算，所以要對其邏輯進行優化。機組邏輯優化前后指標對比見表1。優化后，CCPP 發電機組的最大負荷提高4 MW，高熱值快速減負荷限制提高250 kJ/m3，燃燒室壓力波動監視系統（CPMF）預報警鎖定高熱值提高209 kJ/m3。

表1 機組邏輯優化前后指標對比Table 1 Comparison of Indexes before and after Logic Optimization of Electric Generating Set

熱值升高后，燃燒溫度提高，燃燒更加穩定，排煙溫度得到提高，更多熱量的高溫煙氣流向余熱鍋爐，提升了余熱鍋爐的熱負荷，空壓機壓比增加，使燃氣輪機負荷得到提升。同時由于排煙溫度升高、煙氣量增大的雙重作用，使得蒸汽輪機負荷得到提升。

表2 為環境溫度4.5 ℃時兩種熱值情況下主要參數的對比。由表2 得出，與正常熱值相比，高熱值運行時，機組負荷提升4 MW，高爐煤氣量增加了1 萬m3/h，焦爐煤氣量增加0.5 萬m3/h，空壓機導葉開度增大8%，空壓機壓比增加0.5。實際生產中，環境溫度-15～10 ℃時，燃氣輪機燃燒筒均能夠穩定運行，未發生超溫、偏差大等異常問題，燃氣輪機轉子冷卻系統運行正常，能夠保證燃氣輪機各位置高溫部件的穩定運行。

表2 環境溫度為4.5 ℃時兩種熱值情況下主要參數的對比Table 2 Comparison of Main Parameters of Two Kinds of Calorific Values at 4.5 ℃Ambient Temperature

3.1.2 煤氣低熱值運行

進入夏季后，機組發電量較冬季明顯降低。分析認為是由于夏季氣溫高，進入燃氣輪機的煤氣和空氣溫度較高，按照設計的煤氣熱值4 396 kJ/m3燃燒后，燃燒溫度升高，引起排煙溫度升高，機組進入溫度控制模式降低發電負荷。

根據設備本身特性要求，溫度升高造成設備性能降低，影響設備使用壽命，甚至造成燃燒室或葉片損壞。因此機組控制程序設定排煙溫度的基準值，當實測值超過基準值后，排煙溫度CSO 降低，當降至最低時，機組控制模式自動轉換為排煙溫度控制模式。由于該模式會減小進入燃氣輪機的煤氣量，降低負荷，從而降低燃燒溫度，所以排煙溫度及葉片通道溫度也隨之降低。

降低燃燒溫度可以降低煤氣熱值，而改變高爐、焦爐煤氣的混合比可以實現燃燒溫度的降低。燃燒溫度降低后，排煙溫度降低，機組負荷升高。但煤氣熱值改變后，為滿足同樣的負荷，焦爐煤氣消耗降低，高爐煤氣消耗增加，總煤氣量增加，導致燃燒器殼體壓力升高，排煙溫度基準值反而降低。因此，只有排煙溫度實測值降低幅度比基準值降低幅度大才能提高機組負荷；同時排煙溫度降低影響鍋爐負荷，但總煤氣量增加后進入鍋爐的煙氣量增加，因此還需要檢測排煙溫度降低和煙氣增加對鍋爐負荷的影響。應根據不同環境溫度不斷改變煤氣熱值，得到不同溫度發電負荷最高時的煤氣熱值。

優化措施如下：環境溫度≤21 ℃時，熱值設定4 396 kJ/m3；22～26 ℃時，熱值設定4 296 kJ/m3；27 ℃以上熱值設定為4 196 kJ/m3。表3 為采用低熱值前后主要數據對比。由表3 可以看出，采用低熱值后，煤氣總流量增加了1.3 萬m3/h，排煙溫度實測值降低5 ℃，發電機負荷提高2.5 MW。

表3 采用低熱值前后主要數據對比Table 3 Comparison of Main Data before and after Applying Low Calorific Values

3.2 應用水噴射系統

3.2.1 水噴射系統的功能

因為煤氣溫度影響燃燒溫度，并且影響設備正常運行，所以對壓縮后的高溫高壓燃料進行降溫加濕，在機組煤壓機之后的高壓煤氣管道內噴入除鹽水，對燃氣輪機入口燃料進行降溫，以達到降低燃燒溫度，提高機組負荷的目的。

具體措施為，機組處于溫控方式下，即地區氣溫5 ℃以上時，機組進入BPCSO 或EXCSO 模式，通過布置在煤壓機出口高溫高壓煤氣管道上的16 個噴嘴向燃料內噴入4～8 t/h 除鹽水，將進入燃氣輪機的煤氣溫度從400 ℃降至350 ℃，進而降低燃氣輪機燃燒室溫度，增加燃氣輪機可燃燒煤氣量。噴入的霧化除鹽水也能做功提高機組負荷。

3.2.2 水噴射系統的投入、退出

環境溫度高于5 ℃，機組負荷90%以上運行且處于BPCSO、EXCSO 溫控方式條件下，熱值設定在4 380～4 500 kJ/km3，可以隨時投入水噴射系統，以滿足機組提高負荷的需求。

當機組處于90%負荷以下運行時，由于機組仍自動提升負荷，不需要水噴射系統的投入。當機組由于水噴射運行異常、空壓機喘振報警且負荷小于90%時，或排煙溫度偏差＞7 ℃，水噴射系統會自動退出，但機組可以正常運行。五個選項有一項不滿足，水噴射系統就會退出。

3.2.3 噴水量的調整及保護

由于燃燒過程中機組受燃料波動影響，排煙溫度會隨之微量波動。為防止由于燃燒波動引發燃氣輪機滅火，在DCS （分散控制系統）水噴射控制系統中，每20 min 調整1 次噴水量，每次調整0.6 t/h。通過空氣壓縮機排氣殼體上的壓力，計算理論排煙溫度與燃氣輪機出口煙道上的實際排煙溫度，并進行比較，如果差值大于1 ℃，則減少噴水量，小于-1 ℃則增加噴水量。調整范圍為4～8 t/h。

由于熱值變化較大，噴水可能造成燃氣輪機異常滅火，因此設置了水噴射系統保護裝置，運行時要鎖定機組熱值區間，超限時自動停止水噴射系統的運行。

3.2.4 煤氣與空氣溫度變化對水噴射系統的影響

煤氣溫度達到42 ℃以上水噴射系統運行時，由于煤氣密度降低，同負荷下機組煤氣量增加，使得煤壓機導葉開度增加，機組CSO 輸出值增加，機組難以進入溫控模式，多處于GVCSO 或LDCSO控制模式。隨著煤氣溫度繼續升高，排煙溫度差值＞7 ℃后，容易發生水噴射系統退出現象。煤氣溫度25～40 ℃，空氣溫度13～16 ℃時，煤氣溫度影響水噴射效果，且噴水量多維持在8 t/h 穩定運行；空氣溫度17～27 ℃時，噴水量調整比較頻繁，最低噴水量減至5.6 t/h；空氣溫度28～32 ℃時，水噴射系統退出。

3.2.5 水噴射系統的應用效果

選取空壓機入口溫度25 ℃，煤氣溫度低于35 ℃時進行水噴射試驗，表4 為水噴射系統投入、退出情況下參數對比。如表4 所示，投運水噴射系統后，高爐煤氣增加1 萬m3/h，焦爐煤氣量增加800 m3/h，負荷提升明顯，較未投運時提升5 MW。

表4 水噴射系統投入、退出情況下的參數對比Table 4 Comparison of Parameters before and after Using Water Injection System

3.3 應用空氣冷卻器

3.3.1 空氣冷卻器的功能

由于夏季環境溫度升高，空氣密度降低，進入空壓機的空氣質量降低，壓比降低，燃氣輪機負荷降低，燃燒溫度升高，排氣溫度提高，使機組控制系統提前進入排煙溫度控制，影響機組負荷。所以利用空氣冷卻器對空壓機入口空氣降溫，降低煤氣燃燒溫度，提高機組負荷。

3.3.2 空氣冷卻方式的選擇

空氣冷卻方式主要包括直接冷卻和間接冷卻。直接冷卻投資小，但負荷增加絕對值小。間接冷卻增加負荷較大，但初始投資大、維護成本高。根據鲅魚圈的實際情況，采用間接冷卻方式，利用現有廠區工業水對CCPP 機組入口空氣進行降溫，既利用了水資源，又節約了建設及鋪設水管線的成本，實現發電負荷增加絕對值的最大化。廠區工業水總供水量為6 萬m3，完全滿足冷卻水量的要求，而且原有的工業水對入口空氣冷卻后，再送入工業水回水管道，溫度增加2～3 ℃，對整體工業水溫度影響較小。同時修改機組DCS 控制系統邏輯，通過增加空壓機IGV 開度改變夏季機組負荷控制限制條件，最大限度的降低空氣阻力，使空壓機入口空氣阻力不大于194 Pa?？諝饫鋮s器使空壓機入口溫度在夏季達到23 ℃以下，降低環境因素對機組負荷的干擾。

3.3.3 空氣冷卻器的效果

空壓機入口溫度為15 ℃時投入入口空氣冷卻器。根據其凝結水情況和空氣壓縮機入口壓力情況調整水量，空壓機入口壓力低于-3.3 kPa 時，減少冷卻水量以保證入口壓力的穩定，直至冷卻水量減到300 t/h?？諌簷C入口壓力低于-3.6 kPa 時停止給水泵站冷卻水泵（入口擋板門在-3.8 kPa 開啟）。當空氣濕度大導致冷卻器結露，空氣過濾器壓差上升時，根據結露情況調整冷卻水量最低至400 t/h。

圖3 為不同環境溫度下空氣冷卻器冷卻效果。由圖3 可見，環境溫度越高，空氣冷卻器的冷卻效果越好?？諝饫鋮s器投運后，以空壓機入口溫度平均值由28 ℃降至21 ℃為例，負荷由144 MW 提高到150 MW，提高了約4%。

圖3 不同環境溫度下空氣冷卻器的冷卻效果Fig.3 Cooling Effect of Air Cooler at Different Ambient Temperatures

4 結論

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司為了提高CCPP 聯合循環發電機組負荷，采取了如下措施：

（1） 根據不同的環境溫度采取不同的煤氣熱值，5 ℃以下設定為4 605 kJ/m3；5～10 ℃設定為4 500 kJ/m3；11～21 ℃設定為4 396 kJ/m3；22～26 ℃設定為4 296 kJ/m3；27 ℃以上設定為4 196 kJ/m3。

（2） 采用水噴射系統對燃氣輪機入口燃料進行降溫，避免了因燃氣輪機的燃燒溫度高而影響其熱部件，降低熱部件的損壞率，同時燃氣輪機因為燃燒溫度的降低增加了燃料的燃燒量，提高燃氣輪機負荷，噴入的除鹽水經過汽化后的蒸汽也同樣增加燃氣輪機的負荷。

（3） 夏季利用空氣冷卻器對空壓機入口空氣降溫，利用廠區便捷的工業水進行間接換熱，使空壓機入口溫度在夏季達到23 ℃以下，降低環境因素對機組負荷的干擾。

（4） 采取上述措施后，實現了提高CCPP 發電機組負荷的目的。