低热值联合循环机组热力系统优化研究.pdf

第52 卷第3期2023年0 9 月文章编号：16 7 2-5549(2 0 2 3)0 3-0 16 5-0 4热力透平THERMALTURBINE低热值联合循环机组热力系统优化研究Vol.52 No.3Sep.2023张传辉，左德权，陈赛科（上海电气燃气轮机有限公司，上海2 0 0 2 40）摘要：以钢铁厂中低热值煤气为燃料的燃气-蒸汽联合循环机组，其煤气压缩系统的中间冷却器会释放大量热量。通过把煤气压缩系统与常规联合循环热力系统整合优化，充分利用了煤气压缩系统中间冷却的热量。模拟计算结果表明，该优化方案可以提高联合循环系统综合能量利用率。研究成果可为含煤气压缩中间冷却器的联合循环机组热力系统的设计及优化提供参考。关键词：低热值；燃气轮机；煤气压缩系统；中间冷却器；能量优化利用中图分类号：TM611.31Study on Optimization of Thermodynamic System in Combined(Shanghai Electric Gas Turbine Co.,Ltd.,Shanghai 200240,China)Abstract:A large amount of heat is released from intercooler of coal gas compression system in combined cycleunits,where the coal gas with low heat value produced in steel works is used as fuel.By integrating the coal gascompression system with the combined cycle thermodynamic system,the heat of intercooler in the coal gascompression system can be fully utilized.The simulation results show that the optimization scheme can improve thecomprehensive energy utilization rate of the combined cycle system.The research results can provide reference for thedesign and optimization of thermodynamic system in combined cycle units with coal gas compression intercooler.Key words:low heat value;gas turbine;coal gas compression system;intercooler;optimization of thermalutilization钢铁工业是资源、能源密集型产业，具有高耗能、高污染的特点,其生产工艺过程消耗的煤炭热量约有1/3转化为热值较低的煤气，其副产煤气主要包括高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。钢铁厂通常以煤气作为燃料建设自备电厂，其主要发电形式有燃气锅炉加汽轮机发电、燃气-蒸汽联合循环发电、燃气内燃机热电联供。燃气锅炉加汽轮机发电模式由于机组容量小、燃料热值低等问题,汽轮机机组运行效率也比较低。燃气内燃机热电联供的单机效率较高，但单机容量较小。因此具有单机容量大、占地面积小、环保、高效等优势的燃气-蒸汽联合循环发电机组成为了最优选择2 炼焦和冶炼钢水工艺中产生的焦炉煤气、转炉煤气产量较小，热值较高，可用作化工生产的原收稿日期：2 0 2 2-12-16 修订日期：2 0 2 3-0 6-2 9作者简介：张传辉（1992 一），女，毕业于南京航空航天大学，本科，工程师，现从事燃气-蒸汽联合循环方案设计与优化工作。文献标志码：ACycle Units Using Low Heat Value FuelZHANG Chuanhui,ZUO Dequan,CHEN Saikedoi:10.13707/ki.31-1922/th.2023.03.001料，再利用价值较高。高炉煤气产量较大，热值较低，因此，钢铁厂中配置的联合循环发电机组的燃料主要为高炉煤气，以及少量的焦炉煤气或转炉煤气3。燃料煤气为常压，需使用煤气压缩机把煤气压力提升至燃气轮机所需的燃料压力4。由于煤气压缩机出口压力较高，压缩机通常为分段压缩、中间冷却的形式5,中间冷却部分存在大量低品质较难被利用的热量，目前未见有针对该部分能量利用的相关研究发表。因此,本文针对以钢铁厂副产的低热值煤气为燃料的AE94.2KS燃气轮机联合循环发电机组，对热力系统内低品位能量的优化利用开展研究，旨在充分利用煤气压缩机中间冷却部分的热量，深化能源梯级利用，提高能源利用率。165第3期1低热值燃气-蒸汽联合循环机组热力系统常规燃气-蒸汽联合循环主要包括燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机。燃气轮机燃料系统的主要功能为调压、预热、过滤和流量控制。鉴于钢铁企业副产煤气压力较低的特性，低热值燃气-蒸汽联合循环将增加一套煤气压缩系统，把常压的燃料气压力提升至满足燃气轮机正常运行要求的压力。高炉煤气的主要组分是N,，CO和CO,，热值范围为2 8 0 0 38 0 0 kJ/m，燃气轮机运行时消耗的煤气流量约为同等功率下消耗天然气的10倍。以上海电气AE94.2KS型燃气轮机为例，煤气热值不同，机组煤气消耗量不同，但机组满负荷运行时煤气质量流量均在10 0 kg/s以上，约占燃气轮机排烟总流量的1/4，进入燃气轮机的煤气压力要求不低于2 MPa。因此低热值联合循环机组配备的煤气压缩机具有高压比、大流量的特性。根据目前的技术5，单缸煤气压缩机很难达到如此高的压缩比，需采用两缸串联方案，因此煤气压缩机一般采用分段式设计，整体分为低压轴流段和高压离心段。为降低压缩机耗功，中间采用冷却器冷却低压轴流段出口的高温煤气,冷却后的煤气再进入高压离心段，经离心段压缩后，达到燃气轮机所要求的压力。煤气压缩系统的主要设备除压缩机外，还包括低压预热器、中间冷却器和回流冷却器。煤气压缩系统的示意如图1所示。冷源开式循环冷却水回流冷圈低压回流管路低压轴流段低温高温冷源除盐水低温团煤气器低压预热器图1煤气压缩系统示意图根据工质流向，煤气压缩系统的主要运行流程为：1)低压轴流段人口煤气预热。采用湿式除尘法处理高炉煤气等低热值气体，气体经过旋风166低热值联合循环机组热力系统优化研究分离器后进人低压轴流段压缩机，煤气含湿量接近饱和。为避免压缩机前几级出现冷凝水析出，导致叶片受到侵蚀，需对煤气进行预加热。为提高系统内能量利用率,采用低压轴流段出口的高温煤气来预热低压轴流段入口的低温煤气。2)煤气中间冷却。为降低高压离心段的耗功，同时满足燃气轮机燃料进口温度限制，需通过中间冷却器对低压轴流段出口的高温煤气进行冷却。中间冷却器的换热量主要由煤气温度降低和煤气中水蒸气冷凝析出的汽化潜热两部分组成。该部分煤气热量较大且品位较低，需与常规联合循环系统整合，充分利用该部分热量，以有效提高联合循环系统能量的利用率。3)中间冷却器后煤气预热。煤气经中间冷却器冷却后,其水蒸气含量接近饱和,为避免在高压离心段压缩机前几级出现冷凝水析出现象，采用低压预热器出口的高温煤气与中间冷却器出口的低温煤气掺混的方式，来提升高压离心段的人口煤气温度。4)煤气回流冷却。在启动或低负荷阶段，煤气流量超出低压轴流段流量调节范围时,回流冷却器投人运行，冷源为开式循环冷却水。煤气流量超出高压离心段流量调节范围时，中间冷却器同时承担回流冷却的功能。2煤气压缩中间冷却热量综合利用AE94.2KS型燃气轮机联合循环系统配置的煤气压缩机出口压力设计约为2 MPa，经压力匹配计算，低压轴流段的煤气出口压力应当约为0.6MPa,温度约2 50。考虑到燃气轮机对入口煤气温度的要求，经过中间冷却器冷却的煤气温度高压回流管路应当约为50。结合换热端差、气侧压损以及热高压离水再利用等要求，中间冷却器进口设计水温取40心段高温高压煤气煤气团煤气中间冷却器器,热水出口设计温度为90，中间冷却器换热量取决于煤气温度、煤气流量以及煤气压力。以煤气质量流量12 2 kg/s、温度40、压力3kPa.g为例,干煤气换热量约为2 5MJ/s,冷凝水析出换热量约为10 MJ/s,中间冷却器总换热量可达约35MJ/s。该部分低品位热量的主要利用方式为给进气空调系统供热和加热余热锅炉给水。进气空调系统的功能包括进气加热和进气冷却。中间冷却热量综合利用系统示意如图2 所示。低热值联合循环机组热力系统优化研究40中间冷却器90进气加热进气冷却换热器制冷机立闭式水换热器图2 中间冷却热量综合利用系统示意图2.1进气空调系统2.1.1加热压气机入口空气燃气轮机的主要工作介质是空气。燃气轮机及其联合循环的性能不可避免地会受到环境温度的影响，因此，通过改变燃气轮机的压气机人口空气温度，可相应调整燃气-蒸汽联合循环性能6 。假如煤气供给量受到限制，燃气轮机处于部分负荷的运行状态，则联合循环效率较低。若提高压气机人口空气温度，则空气的密度减小，质量体积增大，在消耗同等燃料量的情况下,压气机进口空气的体积流量增大，压气机进口导叶开度将相应增大，燃气轮机负荷率提升，燃气轮机出力和效率同时提高,联合循环出力和效率也随之提升。因此，可采用中间冷却器的出口热水作为进气加热系统的热源，提高联合循环系统能量利用率。进气加热系统示意如图3所示。温度：40 人口空气出口空气温度：9温度：35进气加热器热源：煤压机间冷器出口热水温度:90 图3进气加热系统示意图以年平均环境温度为9、煤气质量流量约122kg/s工况为例，燃气轮机处于部分负荷运行状态，压气机进口导叶开度为8 2%，可利用煤气压缩机间冷系统的热量将压气机人口空气温度加热力透平热至35。根据环境条件、燃料组分和燃气轮机特性，维持煤气量和汽轮机背压不变,计算得出进气加热所需换热量约为9MJ/s。以本文所研究的机组为例，进气加热系统投运后，进气温度从大气温度9加热至35，燃气轮机和联合循环机组性能都有较大提升,计算结果如表1所示。余热锅炉表1进气加热对机组性能影响参数燃气轮机出力/MW燃气轮机效率/%联合循环出力/MW联合循环效率/%此外,在北方寒冷地区，冬季环境温度较低，若使用常规的除冰系统，即从燃气轮机压气机级间抽取热空气加热人口冷空气7 ,将会导致机组出力下降。因此，低温工况下可使用进气加热系统替代除冰系统。2.1.2冷却压气机入口空气在迎峰度夏的高电负荷需求阶段，燃气轮机及其联合循环出力反而会由于夏季较高的环境温度而相对偏低。因此，在夏季对燃气轮机压气机人口空气进行冷却,增大空气的密度，提高进气的质量流量，可提高机组出力，在一定程度上缓解机组在高温工况下供需不匹配的问题。进气冷却技术通过控制压气机进气温度来为企业创造更高的收益,其在常规联合循环发电机组中的应用已是成熟技术，且热源通常为余热锅炉尾部换热面余热或汽水侧抽取的蒸汽8 对于低热值联合循环机组，可利用煤气压缩系统中间冷却器产生的低品位热水为热源，替代余热锅炉抽水或抽汽，通过溴化锂制冷机产生并提供冷量，在夏季用电高峰期提升机组发电量。溴冷机制冷系统示意如图4所示。热源人口热源出口冷却水人口图4溴化锂制冷系统示意图进气冷却系统的配置可在一定的环境温度区间内维持燃气轮机出力不变。以AE94.2KS机组167变化值+0.9+0.22+2.3+0.57冷却水出口冷冻水出口冷冻水入口第3期满负荷运行为例，当进气温度由2 6 冷却至17时，根据环境条件、燃料组分和燃气轮机特性，维持汽轮机背压不变，计算得出所需的冷量约8MJ/s。热水型溴化锂制冷机的制冷因数按照0.8计算,则进气冷却所需的热量约为10 MJ/s。煤气压缩系统中间冷却器可以提供这部分能量。进气冷却示意如图5所示。冷冻水出口:12 人口空气温度：2 6 图5进气冷却示意图进气冷却系统对机组性能的影响如图6 所示。以本文所研究的机组为例,在一定温度范围内，进气冷却系统投人后，燃气轮机出力最大可提升约15MW。低热值联合循环机组一般为钢厂的自备发电机组，进气冷却系统使得联合循环机组在夏季维持高出力，且出力较为稳定，这保证了自备电的稳定性,减小了夏季外购电的比例,提高了钢厂运行的经济性。但进气冷却系统投入后，空气中凝结水的析出需要吸收大量的冷量，如果进气冷却的设定温度过低，其所需要的冷量就会成倍增加。因此,从经济性角度来考虑,进气冷却的设定温度建议不要低于露点温度太多。5低热值联合循环机组热力系统优化研究保持一定温度。通常利用低压省煤器出口高温热水再循环控制锅炉给水温度。表2 煤气中含硫量与锅炉排烟温度的关系总硫质量浓度/酸露点/(mg:m3)0约5020约10 050约110冷冻水联合循环系统设计中，若无酸露点问题，锅炉入口:7 的排烟温度一般为90 左右。然而,考虑了排烟出口空气酸露点问题，则需减小余热锅炉低压部分换热面温度：17 进气冷却器凝结水析出适宜的锅炉排烟温度/70120130积，提高锅炉排烟温度，这会导致余热锅炉低压蒸汽产量降低,联合循环能量利用率相应降低。根据同样的环境条件、燃料条件和汽轮机背压计算，锅炉排烟温度由90 提高至12 0，联合循环效率降低约0.8%，可见排烟温度的变化对联合循环系统的总热效率影响较大。为提高锅炉排烟温度，可使用煤气压缩系统中间冷却器的热量来加热锅炉给水，这样就无需减小余热锅炉低压部分换热面积，从而能提高联合循环系统热效率。以本文AE94.2KS燃气轮机联合循环机组为例，机组满负荷运行时，锅炉排烟由9 0 加热至12 0 所需的热量约为16 MJ/s，而煤气压缩系统中间冷却器释放的热量在35MJ/s以上，其完全可以提供进气空调系统和加热余热锅炉给水所需的热量，剩余热量可通过闭式水换热器由开式循环冷却水带走。3 结 论本文分析了低热值燃气-蒸汽联合循环机组进气冷却系统不投运进气冷却系统投运3052.2力加热余热锅炉给水煤气中含有硫化氢等硫化物，其进人燃气轮机燃烧，会产生二氧化硫等物质。燃气轮机排烟中一旦含有二氧化硫等物质,其酸露点温度就会升高。煤气中含硫量与锅炉排烟温度的关系如表2所示。为了保证锅炉尾部换热面不被腐蚀，锅炉排烟温度不宜过低，相应的锅炉给水温度也应168的特性，通过整合煤气压缩系统,对常规联合循环系统进行了优化，在联合循环系统内部合理利用煤气压缩系统中间冷却的热量，有效提高了低热1015图6 进气冷却系统对机组性能影响20环境温度/25303540值燃气-蒸汽联合循环系统的能量利用率，提高了工厂运行经济性。主要结论如下：1)机组部分负荷运行时，采用中间冷却热量加热燃气轮机压气机入口空气，可有效提高联合循环系统出力及效率；2)机组满负荷运行时，以中间冷却热量为制冷机热源来冷却燃气轮机压气机入口空气，可有效提高机组出力，保证夏季工况的电力供应；(下转第17 7 页）燃气轮机导叶执行机构模糊切换控制策略研究1 WANG S,XIANG J,ZHONG Y,et al.A data indicator-baseddeep belief networks to detect multiple faults in axial pistonpumps J.Mechanical Systems and Signal Processing,2018,112:154-170.2 ZHANG P,CHEN X.Internal leakage diagnosis of a hydrauliccylinder based on optimization DBN using the CEEMDAN tech-niqueJ.Shock and Vibration,2021,2021:8856835.3 IJAZ S,YAN L,HAMAYUN M T,et al.Active fault tolerantcontrol scheme for aircraft with dissimilar redundant actuationsystem subject to hydraulic failure J.Journal of the FranklinInstitute,2019,356(3):1302-1332.4 BESSAWM,DUTRA M S,KREUZER E.An adaptive fuzzydead-zone compensation scheme and its application to electro-hydraulic systems J.Journal of the Brazilian Society ofMechanical Sciences and Engineering,2010,32(1):1-7.5 SHI C,WANG S,WANG X,et al.Active fault-tolerant controlof dissimilar redundant actuation system based on performancedegradation reference models J.Journal of the Franklin Insti-tute,2017,354(2):1087-1108.6 SHENQ,JIANG B,COCQUEMPOT V.Fuzzy logic system-based adaptive fault tolerant control for near space vehicle atti-tude dynamics with actuator faults J.IEEE Transactions onFuzzy Systems,2013,21(2):289-300.7 LI T,YANG T,CAO Y,et al.Disturbance-estimation basedadaptive backstepping fault-tolerant synchronization control for adual redundant hydraulic actuation system with internal leakagefaultsJ.IEEE Access,2019,7:73106-73119.8 LI T,YANG T,CAO Y,et al.Adaptive robust fault-tolerantsynchronization control for a dual redundant hydraulic actuationsystem with common-mode fault J.Mathematical Problems inEngineering,2018,2018:6570104.9 REHMAN W U,WANG S,WANG X,et al.Motion synchroni-zation in a dual redundant HA/EHA system by using a hybrid in-tegrated intelligent control design J.Chinese Journal of Aero-nautics,2016,29(3):789-798.(上接第16 8 页)3)用中间冷却热量来提高余热锅炉给水温度，即提高锅炉排烟温度，可有效防止锅炉尾部换热面腐蚀，同时能提高联合循环系统效率。参考文献：【1张琦钢铁联合企业煤气资源合理利用及优化分配研究D.沈阳：东北大学,2 0 0 8.2刘刚锋，田维汉，王成军，燃气-蒸汽联合循环发电技术在武钢的应用J.钢铁研究,2 0 12,40（6）：48-51.3杨若仪，刘文和低热值煤气燃气轮机联合循环发电技术在热力透平1o CHEN C Y,LIU L Q,CHENG C C,et al.Fuzzy controller de-sign for synchronous motion in a dual-cylinder electro-hydraulicsystemJ.Control Engineering Practice,2008,16(6):658-673.11 KOUMBOULIS F N,KING R E,STATHAKI A.Logic-basedswitching controllersa stepwise safe switching approach J.Information Sciences,2007,177(13):2736-2755.12 宋亦静，柏艳红，赵志诚，等模糊切换在泵阀并联电液伺服系统中的应用J机床与液压，2 0 2 2，50（6）：8 4-8 7.13 LIU N,PENG J,SONG L,et al.Stable switching control strat-egy of the support pressure and velocity of shield machine grip-per shoesJ.Shock and Vibration,2019,2019:6108796.14谢苗，刘治翔，池城，等巷道超前支架的电液伺服位置压力复合控制方法J中国机械工程，2 0 16，2 7（2）：2 39-245.15高炳微，邵俊鹏，韩桂华电液伺服系统位置和力模糊切换控制方法J电机与控制学报，2 0 14，18（5）：99-10 4.16 王延年，黄俊龙液压伺服系统时间最优模糊PID控制算法研究J微处理机，2 0 16，37（5）：48-51,55.17荣盘祥，付刚，戴如俊一种基于模糊规则切换的Fuzzy-PID双模控制器J：哈尔滨理工大学学报，2 0 0 6（6）：8-12.18李海涛，李伟，胡春艳，等基于模糊PID信号补偿的电液伺服系统容错控制方法研究J燃气轮机技术，2 0 2 1，34(2):15-22.19 KONG X,MAJUMDAR H,ZANG F,et al.A multi-switchingmode intelligent hybrid control of electro-hydraulic proportionalsystems J.Proceedings of the Institution of Mechanical Engin-eers,Part C:Journal of Mechanical Engineering Science,2019,233(1):120-131.20刘沁船舶舵机液压系统的智能故障诊断方法研究D.北京：北京交通大学，2 0 2 1.21仇小杰，黄金泉，鲁峰，等航空发动机多路模糊切换控制系统设计J南京航空航天大学学报，2 0 11，43（4）：439-445.钢铁厂的应用J.大型铸锻件，2 0 0 4（3）：43-48.【4娄马宝，低热值气体燃料（包括高炉煤气）的利用J燃气轮机技术，2 0 0 0(3):16-18.5王仪田.燃气蒸汽联合循环发电装置用煤气压缩机的设计J.流体机械,2 0 0 4,32(11):11-13.6孙衍锋，姚挺生.压气机进气温度对联合循环机组性能影响的探讨J.燃气轮机技术，2 0 17,30（1）：53-56.7 】张楹，王文霖。西门子SGT5-4000F型燃气轮机进气系统筒介J.热力透平，2 0 0 9,38（2）：12 2-12 5.8唐健，崔耀欣，张栋芳，等燃气轮机进气冷却系统介绍及经济性分析J热力透平,2 0 14,43（4）：2 57-2 6 1.177