优化煤气调配挖掘发电潜力的实践探讨

史志杰，王志峰，宋亚非

（安阳钢铁股份有限公司动力厂，河南 安阳 455000）

钢铁厂冶炼生产中产生大量的副产煤气，这些副产煤气除供应炼铁、炼焦、炼钢等钢铁厂自身主要工艺生产需求外，剩余部分通常供给燃气发电机组使用，将煤气燃烧产生的化学能转化为电能。这样既减少了煤气排放带来的环境污染，又降低了钢铁厂外购电的总量，给企业带来不菲的经济效益。安阳钢铁股份有限公司动力厂（全文简称安钢动力厂）在煤气管网和燃气发电机组的运行过程中，现有调节模式忽视了发电机组的效率高低，以及分时电价对发电效益的影响这两个因素，在煤气调配使用的生产实际中存在一些问题。本文通过优化煤气调配，采取错峰发电措施，解决煤气调配问题，从而创造了更多的经济效益。

1 安钢动力厂概况

1.1 煤气

安钢动力厂接收的副产煤气主要为焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气。正常生产中必须保障的主要工艺设备有炼铁高炉热风炉、焦炉、轧钢加热炉以及带动高炉汽轮鼓风机的燃气锅炉，这些也是安钢动力厂的主要煤气用户。这些主要煤气用户中，每个用户需要的煤气种类也各有区别。其中，高炉热风炉和焦炉主要使用高炉煤气；轧钢加热炉主要使用焦炉煤气、高炉煤气、部分转炉煤气混合后的混合煤气；而燃气锅炉主要燃烧高炉煤气和转炉煤气，辅助焦炉煤气。在安钢焦化厂拆除5 号、6 号焦炉后，焦炉煤气发生量供应轧钢全部用户生产尚显不足，因此可供燃气发电机组使用的煤气大部分为高炉煤气和转炉煤气。表1 反映了安钢动力厂正常生产时3 种副产煤气的主要接收、分配情况。

表1 安钢动力厂副产煤气的性质及分配情况

1.2 燃气发电机组

安钢动力厂现有4 台燃煤气发电机组，分别是：1 台30 MW 汽轮发电机组、1 台50 MW 汽轮发电机组、1 台60 MW 汽轮发电机组和1 台65 MW 汽轮发电机组。其中30 MW 机组和3 台鼓风机一起由3 台中压燃煤气锅炉并联带动，50 MW 机组、60 MW机组和2 台鼓风机一起由2 台高压锅炉并联带动，65 MW 机组单独由1 台超高压锅炉带动，所有锅炉均可燃烧高、焦、转3 种副产煤气。其中，焦炉煤气在正常生产中只是辅助燃烧，仅在有轧钢机组检修、焦炉煤气大量富裕时，才会增加焦炉煤气燃烧量以阻止放散。表2 列出了安钢动力厂各汽轮发电机组的主要性能参数。

表2 安钢动力厂各汽轮发电机组的主要性能参数

1.3 煤气柜

安钢动力厂现有1 座30 万m3稀油密封圆形高炉煤气柜，1 座10 万m3维金斯型转炉煤气柜，1 座8 万m3维金斯型转炉煤气柜和1 座10 万m3曼型焦炉煤气柜。煤气柜的主要性能参数如表3 所示。

表3 安钢煤气柜的主要性能参数

2 煤气使用和调配问题分析

2.1 煤气发电机组效率

安钢动力厂接收多种副产煤气，副产煤气在满足主要工艺用户的生产需求后，富裕煤气用于燃气发电机组。在煤气情况发生变化时，发电机组的负荷往往要跟随生产用户的变化进行频繁调整。在这种调整过程中，煤气调度决定发电机的运行数量和调整幅度。同时，由于安钢动力厂现有的4 台燃气发电机组投运时间、大小容量都有不同，相应的发电效率也有高低，但原来的调整模式，并没有考虑到这一点。

燃气发电机组由燃气锅炉、凝气式汽轮机和发电机组成。副产煤气在锅炉炉膛内燃烧加热，使水产生蒸汽，煤气中的化学能经过锅炉转化为蒸汽的内能和压力能；蒸汽进入凝气式汽轮机膨胀做功，释放热量，带动汽轮机旋转，蒸汽则凝结成水，经处理后重新进入锅炉循环，这一过程中蒸汽的压力能和内能转化为汽轮机的机械能；汽轮机带动发电机发电，机械能最终转化为电能。燃气发电机组在煤气转化为电能的过程中必然存在能量损失，能量损失少的机组转化效率高，能量损失多的机组转化效率就低。衡量第一个转化步骤效率高低的标志是锅炉的热效率，衡量第二个转化步骤效率高低的标志是汽轮机发电机的汽耗量，即发11 kW·h 电所消耗的蒸汽量。

表2 显示安钢动力厂各燃气发电机组的相关参数。从表2 我们可知，安钢动力厂4 台煤气发电机组中，不同压力和容量的锅炉热效率差别不大，但不同压力和温度的凝气式汽轮机汽耗率差异明显。发电效率由高到低依次是65 MW 发电机组、60 MW 发电机组、50 MW 发电机组和30 MW 发电机组，其中50 MW发电机组由于设备原因一般不参与负荷调整。

现有煤气调节模式中，当可供发电的煤气量发生变化，必须调整发电负荷时，由于忽视了各发电机组的效率因素，经常出现高效发电机组尚在低负荷让煤气运行时，低效发电机组却大量使用煤气带着相当高的负荷运行的不合理现象。这种把不多的煤气在高效和低效发电机组之间的错配，显然降低了煤气利用率，而且频繁调整发电机的负荷，也会对设备寿命产生不利。

2.2 分时电价

煤气柜对煤气管网压力运行具有很强的调节缓冲作用，安钢动力厂在投运30 万m3高炉煤气柜以后，煤气管网运行压力波动从以前的6～15 kPa 变到现在的10～12 kPa，这在动力厂运行中发挥了煤气柜的缓冲调节作用。但安钢动力厂原有的煤气调节模式中，并未考虑到分时电价的因素来更好地发挥动力厂煤气柜的煤气储存分配作用。

分时电价是指工业用电的电价在一天24 h 中分时段定价的现象。在分时电价中，电价最高的阶段也是用电高峰段，电价最低的阶段是用电低谷段，其余时段则为平均时段，也叫平段（见表4）。而煤气柜的运行柜容也有高柜容运行和低柜容运行的区别。以安钢动力厂30 万m3高炉煤气柜为例，煤气柜在线运行时运行柜容区间为5 万～25 万m3，一般以10万m3以下为低柜容，以20 万m3以上为高柜容。在现有的调节模式中，高炉煤气柜仅要求其长时间在线运行，也即柜容在5 万～25 万m3以内运行即可；同时，在保障主要工艺用户用煤气的前提下，柜容较高时，则通过升高发电机组负荷来消耗煤气，使煤气柜吐气；在柜容较低时，则通过降低发电负荷来储存煤气，让煤气柜充柜，进而保持煤气柜的在线平稳运行。在不考虑分时电价的因素下，发电机组负荷的高低变化往往不会与分时电价的变化相匹配，甚至经常相反，即在一天的电价高峰段，煤气在调配中满足主要工艺用户生产需求的同时煤气柜柜容却较低，煤气发电机组要降负荷让煤气；反之在电价低谷段，煤气富裕，煤气柜柜容和发电机负荷都较高。这样下来，一天虽然也发了不少电，但煤气发电的效益并不高，本来可以利用煤气柜的储存作用，储存部分煤气在电价高峰段增加发电，实际上并没有得到合理利用。

表4 一天24 h 中不同时段的分时电价

3 解决措施

为了解决煤气使用与调配的问题，安钢动力厂采取一系列措施。

3.1 优化煤气调配

根据机组发电效率的不同，制定相应的煤气调配方案；各发电机组使用煤气的优先顺序为65 MW发电机组、60 MW 发电机组、50 MW 发电机组和30 MW 发电机组；在煤气紧缺时，优先降低30 MW 发电机组的负荷，30 MW 发电机组负荷降至最低后，再降低60 MW 发电机组的负荷，最后再降低65 MW发电机组负荷；而当煤气富裕，则优先升高65 MW发电机组的负荷，其后顺序与煤气紧缺时正好相反。这样，可随时保证高效率机组运行，特别是65 MW发电机组可以实现满负荷运行，低效率机组优先承担调节煤气的作用。

3.2 错峰发电

根据电价分时原则，在电价高峰期来临前，把30 万m3高炉煤气柜柜容调整在22 万～25 万m3之间，把10 万m3转炉煤气柜和10 万m3煤气柜柜容调整在6 万～8 万m3之间，8 万m3转炉煤气柜柜容调整在5 万～6 万m3之间。电价高峰段各煤气柜进入吐气阶段，煤气发电机高负荷运行；在电价低谷段和高峰期之间的平段，各煤气柜低柜容运行，并进入充柜阶段，低效率发电机降负荷让煤气，以便迎接新的高峰段发电。

根据煤气发电机组效率和分时电价因素，通过调整煤气分配，增加了煤气发电机组的发电量，提高了高峰期煤气发电的效益，挖掘了煤气发电的潜力，实现了更多经济价值。

4 效果

通过改进现有调节模式，优化煤气调配，采用错峰发电模式，有助于企业二次能源的高效利用。65 MW发电机组小时平均负荷较改进前增加了约1 万kW·h，60 MW 发电机组小时平均负荷较之前增加约0.5 万kW·h，30 MW 发电机组小时平均负荷降低了约0.8万kW·h。则相当于每日多发电24×（1+0.5-0.8）=16.8 万kW·h。同时，改进后电价高峰段较低谷段每日多发电约18.9 万kW·h，按平均电价0.6 元/kWh 计算，相当于每日增加经济效益18.9×（0.9-0.60）=5.67万元，合计每年可增加经济效益（16.8×0.6+5.67）×300=4 725 万元。