邯钢9E燃机工艺系统改进及技术创新

邯钢9E燃机工艺系统改进及技术创新

王贺敏武世龙

河钢集团邯钢公司河北邯郸056015

摘要：本文介绍了邯钢东区现有一套9E燃气蒸汽联合循环发电机组的运行状态，针对低热值9E燃机在钢铁企业运行经验较少，不断积累运行经验，详细阐述了邯钢燃气轮机技术创新工艺改进的主要关键技术点。通过不断吸收及消化机组技术要点，进行优化，保设备运行稳定，发电效率高效，创造了巨大的经济效益和社会效益，为钢铁企业充分利用低热值燃料发电技术的应用提供了可靠的实践依据。

关键词：燃气轮机；系统改进；节能创效

1引言

邯钢150MW燃气—蒸汽联合循环发电机组，是公司响应国家节能减排、循环经济的号召，充分利用钢铁企业的富裕高炉煤气及焦炉煤气，建立的目前公司最大的发电机组，彻底实现了钢铁企业煤气的零排放，为公司带来了客观的经济效益和社会效益。其中燃机采用美国GE公司9E型成套机组，余热锅炉及汽轮机均采用国内先进机组，9E型燃机在全国钢铁企业采用低热值燃料的机组，在国内运行经验较少，针对邯钢9E燃机电厂在钢铁企业的特殊性，机组的负荷调整频繁，工艺系统复杂，燃机受环境因素影响较大等特点，需要对工艺系统进行改造创新，使其运行维护成本降低，增加机组稳定性，同时减少机组故障率和提高发电量，保证发电机组的高效稳定运行，避免因大型发电机组故障停机导致煤气管网平衡的困难，从而给公司带来成本和环保的双重压力。通过该项目的实施，9E燃机电厂的运行稳定性有了很大的提高，对消化吸收国外先进燃机技术，具有重要意义。

2邯钢9E燃机运行概况

邯钢150MW燃气蒸汽联合循环发电机组，为目前邯钢最大的发电机组，在公司煤气管网平衡，能源利用方面发挥着举足轻重的作用，其中燃机采用进口美国GE公司9E型燃机成套设备，由于9E燃机在钢铁企业燃烧低热值煤气应用较少，工艺系统较常规天然气发电机组有较大的区别，机组的运行维护的国有化水平有待提高，另一方面，进口燃机多以基准负荷运行，钢铁企业因煤气平衡问题，机组负荷调整频繁，对其稳定运行及其运行寿命提出重大考验。为使机组能高效稳定运行，同时降低运行维护成本，对机组的稳定运行提出很高的要求。该项目从以下技术难点进行了分析研究：1）煤压机入二级口温度与压缩机自耗功的关系。2）燃气空气过滤系统的影响。3）余热锅炉高压过热器连接方式与燃机启停时间的关系。4）天然气使用与焦炉煤气混合调整对热值的影响。通过分析现象，对原因进行查找，从而解决影响机组稳定运行的因素。

针对上述问题关系，我们对机组的控制及工艺系统做出了以下优化及创新性工作，提高了机组的稳定性，降低了机组的不确定跳机次数，从而实现了机组高效稳定运行。（1）调整优化煤气系统二级煤压机入口温度。（2）自主创新对燃机空气过滤系统，增加粗滤装置，提高空气滤芯的使用寿命。（3）改变余热锅炉高压过热器与下联箱的连接方式，使其适应燃机快速升温升压的要求。（4）自主创新天然气掺烧方式，灵活调整煤气热值。

本项目通过对9E燃机及其配套设施的控制程序及其工艺系统进行优化创新，解决了9E燃机电厂运行中的技术难题，从而使国外即使得到消化吸收，提升了整个联合循环的运行维护水平。通过项目改造，有效提高了整个发电机组的稳定性，发电量同比显著增加。充分发挥了机组对煤气平衡的作用，对能源的高效利用起到了显著成效，为低热值燃气轮机运行维护提供了宝贵的参考意见。对国内钢铁企业发展循环经济、节能减排、高效发电机组应用项目的技术消化吸收，起到了指导和示范作用。

3工艺系统优化及技术创新整体思路

9E燃机电厂在冶金企业中利用低热值煤气燃料的应用经验较少，特别是对大型发电机组来说，其设备技术和自动化程度高，运行维护水平要求高，一个小缺陷或故障，都可能导致机组运行稳定性和整体效率下降。为使电厂的发电机组能高效稳定运行，经实践经验，并反复论证，确定了如下的总体思路：

（1）针对两级煤气压缩机中间冷却器后温度要求，为控制二级煤气压缩机入口温度，需要对温度进行调整，实现减少煤气压缩自耗功，通过修改二级煤气压缩机入口温度控制阀的设定参数点，实现温度的人为干预调节；（2）通过对燃机压气机空气过滤系统进行扩容改造，增加一旁路系统，同时对新老空气过滤系统增加一层粗滤，使得空气过滤系统能经受雾霾、大雾等恶略的天气情况，从而增加空气滤芯的使用寿命，减少机组的频繁检修，此一项正在申请国家专利。（3）针对燃机启动快，从启动升速并网带20MW负荷仅需32min，为使锅炉的升温升压速度能适应燃机快速启动的要求，对锅炉过热器换热管部分管道材质及与下联箱的连接方式进行改变。（4）受邯钢厂区焦炉煤气平衡影响，燃机在运行时因缺少焦炉煤气，热值达不到相应要求，为避免燃机运行时热值过低影响燃烧系统，对厂区增加一路天然气管路，并通过调整天然气调节阀开度，达到控制燃机燃料热值的目的。

图1邯钢9E燃机电厂工艺系统图

4工艺系统优化及技术创新方案实施

4.1邯钢9E燃机电厂工艺系统及技术特点

邯钢150MW燃气蒸汽联合循环机组燃机为GE公司制造PG9171E型燃机，煤压机为GE油气公司制造MCL1805、MCL1406型煤压机2台，燃机压气机、燃机、发电机及2台煤压机采用同轴布置，燃机为侧向排气，机组额定负荷98.42MW。燃气轮机启动由LCI高压变频启动，采用轻油点火，机组平网后在20MW负荷下进行燃料介质切换，实现机组燃烧高炉煤气+焦炉煤气运行，锅炉采用杭锅双压余热锅炉，型号为NG-109E-R，燃机做完功后的高温烟气进入锅炉，产生高压和低压两种参数的过热蒸汽。汽轮机采用东汽双压（带补汽）、一级可调抽汽、单缸单轴凝汽式汽轮机，纯凝工况额定功率67MW，最大功率72MW，型号为LC67/57.3-7.0/0.981，由锅炉产生的高压主蒸汽及低压补汽推动汽轮机做功发电，做完功的蒸汽通过凝汽器凝结成冷凝水，并通过冷凝水泵送往锅炉，继续吸收烟气的热量，产生蒸汽送往汽轮机发电，从而实现联合循环。系统工艺图1如下：

燃气轮发电机组进气空气过滤系统对燃机空压机运行尤为重要。如果空气过滤质量不好而造成堵塞，就会减少燃气轮机的进气量，降低燃气轮发电机组的输出功率和热效率。严重时，甚至引起压气机“喘振”，危及燃气轮机的运行安全。因此，提高空气的过滤效果，并维持长周期有效运行，对空气过滤系统进行扩容改造尤为重要。

150MW低热值9E燃机电厂要保证系统正常运行，燃机与锅炉汽机的特性要相互匹配，锅炉要满足燃机快速启动的要求，因此在锅炉快速升温升压的过程中，对其换热管材质及连接方式要求较为严格，材质及连接方式的欠缺，都有可能导致爆管的可能。

4.2优化煤气系统二级煤压机入口温度

针对燃机煤气压力要求高，煤气流量大，现场布置采用两级离心式煤气压缩机，一级煤压机型号为ML1805，经过5级压缩，煤气压力由10kpa升至0.45MPa，二级煤压机型号为ML1406,再经过6级压缩，煤气压力由0.4MPa升至2.2MPa，由于煤气经过压缩后，压力升高的同时温度也达到250度左右，在一级煤压机出口分别采用高、中、低三级冷却器利用高压炉水、冷凝水、开式循环水对煤气进行冷却，煤气温度得到降低的同时，对高压炉水及冷凝水也起到了一定的加热作用。为了使煤气冷却后的温度不至过低，对三级冷却器设置了旁路温控阀，当煤气冷却完温度过低时，可以通过煤气温控阀调节，使其达到设计温度，减少因煤气温度过低，而造成煤压机自耗功的增加。

二级煤压机入口前煤气温度原控制主要采用如下逻辑进行控制，A点为根据根据工况情况所取得的温度值，B点取值为0.45，C点取值为95，由温控阀所控制的温度计算公式为(A*B)+C

这种控制方式，使得机组温控温度较低，增加了煤压机出力，从而增加了机组自耗功。

程序修改后，煤气温度控制主要采用如下逻辑进行控制，B点取值为1，C点取值为0，计算公式同样为(A*B)+C，温控阀后温度能根据机组运行情况及时调整，有效减少了自耗功。

4.3自主创新对燃机空气过滤系统，增加粗滤装置，提高空气滤芯的使用寿命

邯钢9E燃机机组由原天然气机组改型而来，其运行生产环境与国内钢铁企业有较大差别。原装空气过滤系统，受恶劣天气及钢铁环境影响，滤芯寿命一直偏低，远远达不到设计的运行小时数，频繁更换空气过滤器滤芯又使得运行成本过高。机组在恶劣天气（雨、雪、雾、霾）及春季杨柳絮多发时段，空气过滤器滤芯压差增长过快，易触发保护，引起机组跳机。为使机组滤芯使用寿命能够延长，提高机组出力，降低运行维护成本，需要对原燃机进气系统进行改造。

解决上述问题的方案是，在原滤芯就近设置一套新的空气过滤系统，其数量为原滤芯的60%，与原过滤器并联。既能最大化的增加滤芯数量，又不与其他设备产生干涉。通过增加滤芯数量，降低了每套滤芯的过滤风量。按照过滤理论，过滤面积增加60%，使用寿命可增加一倍。因场地限制新空气过滤系统滤芯采用垂直安装，脏空气由四周进入后，经过过滤进入滤芯上方清洁空间，再用管道与原系统在压气机入口管道相连。新系统与原系统都采用二级过滤，初级过滤采用袋式过滤器，把大颗粒及杨柳絮等杂物阻挡在滤芯外表面，保持滤芯相对清洁，二级过滤与原系统滤芯保持一致。通过对原有空气过滤器进行扩容，从而延长了滤芯的使用寿命。改造后的系统如图3

图2改造后的空气过滤系统

4.4改变余热锅炉高压过热器与下联箱的连接方式，使其适应燃机快速升温升压的要求

作为燃气蒸汽联合循环中的配套主机之一余热锅炉的运行将直接影响联合循环的效率。余热锅炉受热面的布置及焊接技术将直接影响锅炉的运行稳定。由于燃气轮机启动快，排烟温度高，锅炉蒸汽温度上升快，而蒸汽流量上升速度慢，在启动过程中如果蒸汽温度及压力控制不妥当，投入减温水后极易造成锅炉过热器底部联箱管道受热承受力不同，造成过热器管道开裂。

因9E燃机在冷启动时，从点火到并网升负荷时间很短，这就要求锅炉受热面管道在短时间内能承受很强的热应力，若采用传统的90度弯管将下降管与下联箱连接，将使锅炉过热器管道在快速升温升压的过程中，与下联箱连接处的管道得不到有效膨胀，在此期间若蒸汽升温过快，减温水投入过多，更增加了与下联箱连接管道焊口的爆管几率，使整个机组瘫痪，将材质选为与下联箱材质相同的12Cr1MoVG，同时采用π形结构弯管，将使下联箱与连接管平行，使焊口吸收膨胀能力增加，同时采用专门的焊接工艺，有效的减少了锅炉过热器管的裂纹，甚至爆管。

具体实施方案如下图所示，图中1为原过热器螺旋鳍片管道，材质为SA335T91，图中2为更换的过热器管道，材质由原来的SA335T91更换为12Cr1MoVG，连接方式由90度弯管变为采用π形结构弯管，图中3为过热器下联箱，材质为12Cr1MoVG，采用专门的高压合金钢焊接工艺，将三段管道连接在一起，减少焊接中可能存在的裂纹，改善管道的热应力。从而避免了过热器管道与下联箱在连接处，在燃机快速启动中爆管的可能。

图3余热锅炉过热器与下联箱采用π形结构弯管连接

4.5自主创新天然气掺烧方式，灵活调整煤气热值

邯钢9E燃机电厂所用燃料主要为低热值高炉煤气，并配有少量的焦炉煤气，以满足机组在运行时热值的要求。受企业整体调度平衡及高炉、焦炉检修周期的影响，发电机组必然要根据高炉及焦炉的运行情况进行调整，使其效率不能发挥最大化，甚至出现频繁启停的现象，从而增加了运行维护成本。因此，邯钢从市政管网引入天然气，作为发电机组的补充燃料，以使机组在焦炉调整时因焦炉煤气缺少，来满足燃料热值要求。系统图如图5所示

图4新增天然气后的燃料管网图

具体实施的方案。为使邯钢公司在高炉、焦炉检修调整时，能满足各用户的燃料要求，

公司从市政管网引入天然气，根据9E燃机对氢含量的要求（不超过15%），决定对其供应达5000Nm3/h的天然气量，以满足机组的日常生产调整。由厂区天然气管网上引入DN400管线，经手动球阀、电动球阀、自力式调节阀、调节阀、手动阀并入厂区转炉煤气主管调节阀后，以达到掺烧天然气的目的。现电厂所用燃料主要为高炉煤气和焦炉煤气，转炉煤气因厂区综合调整，已不用。日常运行中，机组的根据负荷的调整，消耗高炉煤气，而焦炉煤气用量则以高炉煤气用量为基数，以一定的百分比进行掺烧，掺烧比可根据经验及在机组做性能时确定。当焦炉煤气缺少需掺天然气时，可适当减少焦炉煤气的掺烧比，而适当开大天然气调节阀开度，以使机组的运行热值满足燃机的要求。

5总结

通过对邯钢9E燃机电厂的控制系统优化及工艺创新，发电机组达到了高效稳定的运行，进口燃机技术消化吸收及运行水平有了很大的提高，使邯钢的节能减排、挖潜增效取得显著成绩，项目在实施过程中的优化及创新，也为其他钢厂9E燃机的运行维护提供了有益的借鉴。

参考文献

[1]焦树建.燃气-蒸汽联合循环[M].北京：机械工业出版社.2002.

[2]GEOperationandMaintenanceManual.