三菱M701S(DA)X型燃机在联合循环发电系统的应用研究

王 涛 冯 冉 梁占林 谷延良 张庭钰 王铁民

(首钢京唐钢铁联合有限责任公司能源与环境部 )

钢铁生产过程会产生大量的高炉煤气(BFG)和焦炉煤气(COG)，其中高炉煤气量大，热值低，属于劣质燃料，主要用于热风炉加热；焦炉煤气量小，热值高，属于优质燃料，经精制净化后用于冷轧等工艺生产。鉴于上述特点，钢铁企业普遍存在高炉煤气相对富裕、焦炉煤气刚刚够用甚至短缺的局面。在双碳背景下，将低品质的高炉煤气高效利用，提高能源利用效率是企业可持续发展的必须。

首钢京唐公司在全国钢铁行业能源系统始终走在前列，2019年12月，其成功投产国内首台以三菱公司M701S(DA)X型燃机为主的联合循环发电机组，经第三方权威机构测试，其联合循环发电效率达到48.5%。2020年，全年运行8 435 h，居于行业先进水平。

1 设备情况

三菱M701S(DA)X燃机在M701S(DA)基础上，对煤气压缩机、空气压缩机及燃烧器进行了相关改进。改进型机组的所有备件可以在原机型上使用，但原机型上部分备件无法应用到改进型机组，即“向下兼容”。M701S(DA)X与M701S(DA)设备兼容对比见表1。

2 运行实绩

2.1 低热值运行

随着高炉炉况波动，高炉煤气质量有所波动，尤其在高炉休风和复风过程中，其热值和压力波动尤为明显。虽然燃机热值设定在标准混合热值4 396 kJ/m3运行，但瞬间高炉煤气热值急剧降低，焦炉煤气量无法快速补充，混合煤气热值将下降至3 700 kJ/m3。前期钢铁企业采用的MS-251S及M701S(DA)燃机机型，均不具备低热值(<3 500 kJ/m3)燃烧功能，热值急剧降低后将引发停机。

M701S(DA)X机型则增加了燃机的低热值燃烧功能，燃气热值最低可降至3 176 kJ/m3，极大缓解了煤气热值突降造成的停机事故。燃气低热值和燃机负荷关系试验结果如图1所示。

图1 燃气低热值和燃机负荷关系试验结果

从图1中可以看出，CCPP机组在0%～100%负荷下，煤气热值最低为3 500 kJ/m3(纯高炉煤气工况)仍可稳定运行；在25%～75%负荷下，燃机负荷受热值变化的影响很小；在100%负荷下，燃机负荷随热值升高而增大。

2.2 压力波动适应性

M701S(DA)X燃机设计高炉煤气正常供应压力为8 kPa，最高压力为11 kPa，最小供应压力为5 kPa。某日由于高炉休风故障导致煤气压力突变，50 s内煤压机入口压力由9 kPa突升至16 kPa随后又降至9 kPa，燃机负荷基本平稳，未发生快减负荷情况。

3 技术经济研究

首钢京唐公司采用以M701S(DA)X型燃机为核心的联合循环机组，机组采用分轴布置方式，机组配置详见表2。其中，汽轮机设备不设置凝汽器，设计为高背压模式，背压参数为0.03～0.035 MPa、69～72 ℃；海水淡化装置采用热法工艺，设计产量35 000 t/d，汽轮机乏汽直接在海水淡化装置中放热冷凝后，返回余热锅炉循环利用，从而形成一套与传统凝汽式发电系统不同的新工艺系统，属世界首创。联合循环机组与低温多效海水淡化装置系统见图2。

图2 联合循环机组与低温多效海水淡化装置系统

表2 系统主要设备参数

3.1 海水淡化装置替代凝汽器的经济性

热法海水淡化装置使用的是汽轮机乏汽，乏汽压力0.030～0.035 MPa，温度69～72 ℃。纯凝汽式发电机组的汽轮机排汽参数为0.005 4 MPa、34.6 ℃，后者参数低于前者，相应的排汽焓值也低于前者，说明汽轮机后置海水淡化后，机组的发电量将会降低，即每吨乏汽的价格就等于减少的发电量价格。

降低的发电量：

处于沿海地区的钢铁企业，如外购地表新水[1]，价格约4.8元/t，水质标准TDS≤5 000×10-6，如果处理成与热法海水淡化水质相同，需增加处理费用3元左右，两者相比采用汽轮机乏汽进行热法海水淡化生产，成本更低(表3)，是技术经济最优的工艺路线。

表3 热法海水淡化的全成本分析[2] 元/t

3.2 系统热效率

提高系统的热利用效率是节能减排的重要措施，对于纯凝汽式联合循环发电机组，由于凝汽器的冷源损失，整个系统的热利用效率无法得到较大提高，超超临界机组最高也只能达到56%左右，加入热法海水淡化装置后，系统可以有效回收凝汽器的冷源损失，大幅度提高系统热效率。

3.3 发电效率

发电效率的测定往往以纯凝工况为基准，该系统由于对接了热法海水淡化装置而与纯凝工况不一致，为保证测算口径统一，按3.1中损失的发电量折算至纯凝工况(与具备资质的电科院共同测定)并于同类型机组相比较，见表4。

表4 M701S(DA)X和M701S(DA)经济指标比较

4 结论

从设备运行稳定性、对极低热值煤气的适应

性及发电热耗率等方面考量，M701SDA(X)机组比M701SDA机组更据优势。同时也验证了采用分轴布置方式的M701SDA(X)联合循环发电机组与低温多效海水装置具有很好的协调性，联合循环效率高达87.2%，是沿海钢铁企业降低企业能耗解决淡水需求和电力供应的好方法。