宝钢高炉煤气燃气轮机联合循环机组优化方案

高炉煤气是低热值的煤气。宝钢高炉煤气燃气轮机联合循环热电机组的成功应用对IGCC燃气轮机的设计和运行有着借鉴作用。

1）简况

图7-36　150MW 高炉煤气燃气轮机联合循环热电机组系统图

宝钢150 MW高炉煤气燃气轮机联合循环热电机组（见图7-36）是一个常规燃气轮机改烧低热值煤气的好范例；通过它可以了解燃用低热值煤气燃气轮机联合循环的一般特点，它对IGCC动力岛的设计和运行有着极大的参考价值［31］。

机组专烧高炉煤气（BFG），燃气轮机出力为144 MW；联合循环机组（送汽量为0时）最大出力为149.6 MW，热效率为45.52%；单列轴系布置，可直接用蒸汽轮机做起动机，煤气压缩机直接由机组驱动，系统简单，自控水平高。

以微机为基础的分布式控制系统（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（一种使用阴极射线管的显示器）工作站实现整套机组的集中监视和信息管理。机组的启动和满负荷控制，机组的停机控制以及正常运行的控制均实现遥控操作。

2）高炉煤气数据（设计值）

机组燃用的高炉煤气是目前世界上大功率燃气轮机燃用的热值最低的气体燃料。其组成（vol）为CO220%，CO 23.2%，H23.2%，N253.6%，H2O饱和（25℃）；压力为7 061 Pa（720 mm H2O）；温度为25℃；低热值为3 265 kJ/Nm3（780 kcal/Nm3干煤气）；含尘量不大于10 mg/Nm3；密度为1.355 5 kg/Nm3。

3）设备配置

表7-23给出了高低压煤气压缩机、齿轮箱、三压蒸汽轮机、三压余热锅炉、发电机和励磁机等设备的参数，采用单轴系列布置，轴系长度为51.7 m。GT11N2-LBTU燃气轮机是由常规的GT11N2机组改造而成。

表7-23　机组主设备参数

4）燃烧室改造

由于BFG热值低，燃烧速度低，可燃范围窄，所以要求能够很好地控制燃烧室内的一次空气过量系数及其变化范围，并加大燃烧室断面尺寸，延长燃料在燃烧室中的逗留时间。

GT12N2-LBTU燃烧室与常规的GT12N的燃烧室相比，除了保留单燃烧器、双燃料单筒燃烧室的总体结构和放大燃烧室的尺寸外，为了燃烧高炉煤气，解决高炉煤气燃烧稳定性问题，对燃烧室头部做了精心的改型设计。旋流器的直径尺寸增加1.5 m；保留燃油喷嘴（点火燃料）；以原来双燃料喷嘴中的天然气燃烧器作燃用BFG的值班喷嘴；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，煤气由上下两个管道，通过各自的控制阀分别供向煤气通道的内外部分；机组运行过程中可通过控制阀调节煤气量。机组运行情况表明，燃烧室中BFG的燃烧稳定性很好，燃烧室的改造是成功的。

5）燃气轮机通流部分的改造(www.xing528.com)

由于BFG的热值低，在压气机不变，透平及其燃气初温不变的条件下，所需的燃料体积流量是天然气流量的20倍，燃气流量将增大，透平的通流能力不够。如果不加大透平的尺寸，透平前的压力憋高后会引起压气机喘振；如果不改透平，就要改压气机，将压气机的流量减小，以使压气机与燃机的流量匹配。本机组采用了改造压气机将空气流量减少的方法，将压气机进口的空气流量从350 kg/s左右减小到257 kg/s，与常规机组GT11N2相比，减少约27%。压气机获得足够的喘振裕度（＞15%），解决了燃烧BFG时的流量匹配问题。表7-24给出了GT11N2-LBTU和常规机组GT11N2的基本参数。

表7-24　GT11N2-LBTU和GT11N2的基本参数（100%工况）

说明：ISO条件为进口压损10 mbar，排气压损30 mbar。

6）燃气轮机的主要特点

燃气轮机可燃烧高炉煤气，对燃烧系统进行改造，不仅解决了燃烧稳定性问题，又解决了压气机和透平流量的匹配问题，确保机组能够燃用低位热值仅为3 265 kJ/Nm3（干）（780 kcal/Nm3）的BFG。燃气轮机与其他转动机械同轴布置，燃气轮机与高、低压煤气压缩机联成一根轴（转速3 600 r/min），蒸汽轮机、发电机及励磁机也联成一根轴（3 000 r/min），二轴通过中间减速箱串在一起（见图7-36）。

（1）蒸汽轮机作为起动机启动整套组机，简化装置的配套设备。

（2）高、低压煤气压缩机与燃气轮机同轴布置，可避免燃气轮机在低负荷工况下运行，避开了烧低热值煤气在低负荷工况下燃烧不稳定问题。

（3）焊接转子、双支点结构合理，燃气轮机采用的焊接转子刚性好，将不同材质的轮盘拼焊在一起，既满足工作条件的要求，又合理用材；设计和材料选择合理，再加上制造工艺的保证，转子轴在整个使用寿命期间内不需要任何维修；转子由前后两只径向轴承支撑。

（4）燃气轮机的压气机为三排静叶可调的轴流压气机，进口导叶、第一级静叶和第二级静叶的安装角均可调，用以满足机组启动和运行调节的需要。

（5）燃气透平为空气冷却，第一、二级动静叶均为空冷叶片并涂有防腐蚀涂层，转子表面与动叶的叶根均用空气冷却，静叶叶根及静叶持环也都为空气冷却；透平第一级静叶在不开缸的情况下便可更换。

（6）单管单燃烧器燃烧室设有内旋流器，有利于消除黑烟，也是值班燃料的配气机构；外旋流器的煤气、空气通道相间布置利于煤气与空气的混合；挂片式的火焰管冷却效果好，更换方便。

（7）机组的光学检查、窥镜检查方便，停机后不用开缸便可检查压气机和透平的相应部分。

7）机组运行效果

机组除了发电以外，还向热网供蒸汽，其额定出力为149.6 MW净功率（当供气时，最大供汽量为180 t/h），燃用BFG量为362 kNm3/h，煤气热值为3 098～3 150 kJ/Nm3，联合循环效率为45.52%。截至2001年2月，累计发电22亿千瓦时，累计供热量为38.28万吨，具有显著的经济效益。据统计，宝钢的煤气放散率从1997年的12.68%下降至2000年的0.13%，机组排放的烟气中NOx含量小于10 mg/kg。