焦炉煤气是焦化厂在产出焦炭和焦油产品的同时所得到的可燃气体,是伴随煤炭炼焦过程产生的副产品。焦炉煤气的主要成份为H₂(55～59%)，CH₄(24～28%)，CO(5～8%)以及少量其它成份的气体物质，其热值约为4000～4300kCal/Nm³，是一种很好的气体燃料。我国是焦炭生产大国,据不完全统计,每年可利用的焦炉煤气资源约有350 亿m³ ,其中大部分经燃烧后直接排空,不仅浪费了能源,而且造成环境污染。因此,我们不仅要研究如何利用焦炉煤气,也要研究如何高效、合理地利用焦炉煤气,最大限度地提高焦炉煤气资源的利用效率。

    直接以焦炉煤气为燃料生产高品位的电能是目前焦炉煤气利用的主导方向，是焦炉煤气开发利用最经济、最简便的方式，前景非常广阔。目前利用焦炉煤气发电的方式主要有下列几种：蒸汽轮机循环发电、内燃机发电、燃气—蒸汽联合循环发电方式。

    蒸汽轮机循环发电方式因技术成熟，设备可用性及可靠性高，运行维护简单方便，煤气净化处理要求不高等优点，目前被钢铁企业及大型焦化厂的焦炉煤气发电项目普遍采用。但此类发电方式的不足是：热效率较低（以6MW~50MW等级汽轮机发电机组为例：发电效率在24.6%~32.6%，净供电效率22%~29.7%），用水量大，每千瓦造价高，占地面积大，建设周期长。

    内燃机发电方式的热效率较高（发电效率约在30%~40%），用水量很少，但设备输出功率较小（目前国内有500kW机组投运，更大功率的焦炉煤气内燃发电机组在设计开发中），一般适用于焦炉煤气产出量较小的焦化厂煤气发电项目。此种发电方式还存在：对焦炉煤气的净化要求高，设备检修周期短，设备可用性及可靠性较低，每千瓦造价高等不足。

    燃气—蒸汽联合循环发电方式（CCPP)是焦炉煤气发电的最好方式，其具有热效率高（发电效率一般能到40%-55%），污染少，启动快，占地少，用水量较少(约为同等功率规模蒸汽轮机发电装置用水量的1/3）等优点。但是，由于焦炉煤气是一种含氢量很高的有毒易燃易爆气体，在空气中的爆炸极限范围宽，燃烧时火焰传播速度快，存在容易引起回火等问题。对于通常按标准燃料（天然气燃料和柴油燃料）设计的燃气轮机，必须对其燃烧系统及相关控制保护系统进行适当改造设计后才能用于焦炉煤气燃料发电。

    目前采用燃气—蒸汽联合循环方式进行焦炉煤气利用已越来越受到国内钢铁企业和焦化企业的重视，已有部分钢铁及焦化企业进行了实际建设，但因专门设计以焦炉煤气为燃料的燃气轮机机组设备价格昂贵，投资成本较高，大面积推广受到一定限制。我国因经济发展需要，在上世纪90年代初开始装备了一批引进技术的中小功率（20MW-40MW）燃气轮机发电机组，现因燃料成本高及热效率相对大机组已偏低，处于逐步淘汰阶段，如果能将这些燃气轮机改成以焦炉煤气为燃料的燃气—蒸汽联合循环发电机组，不仅能极大提高焦炉煤气的利用效率，又可使淘汰设备重新发挥作用，极大降低工程项目投资成本。深圳南港动力工程有限公司（承包方）与柳州新和刚电力有限公司（业主方）于2007年开始开展了有关旧燃气轮机改烧焦炉煤气燃料的实际工程合作项目，成功改造了一台P5361PGE和一台PG6551B型燃气轮机发电机组。现将改造项目情况介绍如下：

●   一期工程：

    柳州振兴电力有限公司原有一台以轻柴油为燃料的PG5361P型燃气轮机联合循环发电机组因燃料价格上升而长期处于闲置状态，因设备不但没有产出，而且还要不断投入设备维护保养费用，极大地拖累企业的经济效益，使企业的经营日趋困难。为了给企业寻找出路，振兴电力有限公司联合柳州钢铁集团有限公司成立柳州新和刚电力有限公司，决定改造闲置的PG5361P型燃气轮机联合循环发电机组,以充分利用柳钢集团剩余焦炉煤气。深圳南港动力工程有限公司负责承担本期工程燃气轮机部分改烧焦炉煤气燃料的设备改造工作，业主方负责本期项目焦炉煤气燃料净化、增压及电站辅助系统的建设工作。2007年1月项目启动，2007年9月完成燃气轮机设备的改造工作，2008年1月完成燃机并网运行试验，2008年5月投入并网商业运行。

    第一期原PG5361P燃气轮机参数（ISO工况）

    制造厂家：英国JB公司

    燃料：轻柴油

    机组出力：24566  kW

    热耗率（LHV）：3276  kCaL/kWh (13694kJ/kWh)

    热耗（LHV）：73.09×10⁶  kCaL/h (305.52×10⁶kJ/h)

    排气流量：435.8×10³  kg/h

    排气温度：508 ℃

    联合循环所配的蒸汽轮机为中温中压参数，额定出力12MW。

●   二期工程：

    经一期CCPP工程燃气轮机设备稳定运行15000小时验证，企业取得良好经济效益的情况下，柳钢集团决定继续上马2期CCPP工程，以消化利用柳钢集团新建焦化项目产出的剩余焦炉煤气。二期项目所用的燃气轮机联合循环机组是从常州赛特燃机电厂购得的已退役PG6551B型燃气轮机发电机组。与一期工程类似，深圳南港动力工程有限公司负责承担本期工程燃气轮机部分设备改烧焦炉煤气燃料的改造及设备异地搬迁工作，业主方负责焦炉煤气燃料净化、增压及电站辅助系统的建设工作。2011年1月双方签订二期工程改造合同，2012年8月完成异地搬迁、改造、安装调试工作，2012年9月1日投入并网试运行，2012年11月11日二期CCPP工程正式投入商业运行。

    第二期原PG6551B型燃气轮机参数（ISO工况）

    制造厂家：德国

    燃料：轻柴油

    机组出力：38390  kW

    热耗率（LHV）：11400  kJ/kWh

    热耗（LHV）：438.8×10⁶ kJ/h

    排气流量：511×10³  kg/h

    排气温度：542 ℃

    联合循环所配的蒸汽轮机为中温中压参数，额定出力15MW。

    本项目第1、2期改造工程的CCPP循环流程如下图所示。整个流程由燃气轮机循环发电系统、蒸汽轮机循环发电系统、焦炉煤气燃料净化及增压系统等3部分组成。在此循环流程中，经净化、加压后的焦炉煤气燃料从燃料喷嘴进入燃气轮机燃烧室与燃机压气机送来的高压空气在燃烧室内混合燃烧，产生的高温、高压燃气进入燃气透平膨胀作功，带动发电机发电；燃气轮机作功后的高温烟气进入余热锅炉，产生高温、高压蒸汽，产生的高温、高压蒸汽进入蒸汽轮机作功，带动发电机发电，从而形成完整的燃气-蒸汽联合循环发电系统。

 

 

    燃气轮机发电系统是整个焦炉煤气燃气轮机联合循环工程的核心系统。本项目工程采用国内已退役的MS5001系列及MS6001B系列燃气轮机，能否将这种烧油燃料的燃机改成烧焦炉煤气燃料是本项目工程成功的关键。由于焦炉煤气热值低（约为17～19MJ /Nm³），含氢量高（体积％：55-60%），在空气中的爆炸极限范围宽，燃烧时火焰传播速度快，存在容易引起回火及发生震荡燃烧等问题，因此，要用焦炉煤气做燃气轮机的燃料，除了做好燃料净化处理工艺外，还必需对燃气轮机设备进行相应的技术改造，且改造难度是相当大的。根据焦炉煤气燃料的特性，决定本项目所用的燃气轮机需作如下改造：

    为了保证燃机起动/停机过程的安全可靠，改造后的燃机以轻柴油为起动/停机燃料，焦炉煤气为燃机正常运行主燃料。燃机以轻柴油燃料起动/并网,其负荷带到大于25%燃机基本负荷后，开始切换到焦炉煤气燃料运行。

    ●  燃料系统改造需增加的设备包括：

    ●  焦炉煤气燃料前置精过滤器模块

    ●  焦炉煤气燃料分配环管及其分支管路

    ●  焦炉煤气燃料控制阀模块

    ●  焦炉煤气燃料流量测量装置

    因燃机起动/停机需以轻柴油为燃料，正常运行以焦炉煤气为燃料，因此机组的雾化空气系统需进行改造，增加雾化空气旁通管路及其控制设备。在燃气轮机起机/停机时，需要雾化空气对液体燃料进行雾化；在燃气轮机切换到以气体燃料运行时，仅需要一小部分雾化空气对燃料喷嘴进行冷却，大部分多余的雾化空气通过增加的雾化空气旁通管路系统旁通到雾化空气冷却器进口。

    改烧焦炉煤气燃料后，因燃料成份和热值发生了很大变化，必须对燃料喷嘴进行适当改造，以使其能很好适应焦炉煤气燃料。

    当燃气轮机完全以焦炉煤气燃料运行后，液体燃料退出工作，为了防止积聚在液体燃料喷嘴支管中的燃料油及油垢引起喷嘴及其管路焦化，必须增加配置此空气清吹系统。空气清吹系统可大大降低喷嘴支管的结垢倾向，保持喷嘴清洁并随时准备切回到以液体燃料运行。同时少量的空气流进入液体燃料喷嘴支管路中，可以防止任何的燃烧产物进入燃料喷嘴支管中造成燃料喷嘴的积垢。

    作为机组的安全保护措施，每次燃气轮机燃料切换前（油切气）/后（气切油）及起停机过程中必须对气体燃料控制阀后管路进行N2吹扫，确保管路内部空气中含O₂量降到要求的数值。清吹氮气来自一压力约20bar的氮气储气罐。在氮气清吹过程中，须确保清吹氮气充足，储罐内的氮气压力不能小于17bar。

    改烧焦炉煤气后，需单独引出一路与气体燃料系统控制有关的液压油和遮断油管路到气体燃料控制阀模块，作为控制及保护动作的操作用油。

    在燃机间和气体燃料控制阀模块罩壳内部等易积聚泄漏的气体燃料的地方，设置隔爆型可燃性气体和毒性气体检测器，并将信号远传至控制室内的可燃性气体/毒性气体报警控制盘进行指示和报警。

    燃机间内增加紫外线型火灾检测探头及其报警系统，以探测燃机间内火灾发生情况。因为当含有高浓度氢气燃料的管路中有小的H₂泄漏并接近高温时，就会引起燃烧，而燃烧的火焰普通火灾探头不易测到，但可通过紫外线探头测到氢气燃烧火焰中的紫外线光谱，因此须采用紫外线探头探测H₂外泄造成的火灾，并将火灾信号送至控制盘报警。

    为了保证机组的安全运行，防止易燃易爆的焦炉煤气泄漏后积聚在燃机间罩壳和气体燃料控制阀站内引起爆炸事故，燃机间罩壳和气体燃料控制阀模块罩壳内需设置连续工作的负压通风装置，确保燃机间内/控制阀室内泄漏的焦炉煤气浓度不会超过安全范围。通风机为一备一用，只要一台故障另一台会自动立即投入运行，当两台风机全部故障时机组会立即遮断。

    根据烧焦炉煤气燃料的控制保护要求，对原有控制盘上的控制、保护程序进行重新修改和增加，以适应烧焦炉煤气及油气切换的需要。

2.3.蒸汽轮机发电系统

    为了节约投资成本，本项目第一、二期CCPP工程的蒸汽轮机发电系统均继续使用原机组所配置的余热锅炉和汽轮机发电设备。其所配的主要设备参数如下：

    表1：所配置的汽轮机及余热锅炉设备参数

   

    当燃气轮机在基本负荷工况运行时，一、二期工程的蒸汽轮机循环均能达到额定出力，但因我国上世纪90年代建设的燃气—蒸汽联合循环发电机组所配置的蒸汽循环发电部分都采用的是单压蒸汽循环方式，固此部分的发电效率相对较低，还有继续改进的余地。如果蒸汽循环部分采用目前普遍使用的双压余热锅炉和双压汽轮机发电机组，则联合循环装置的热效率可再提高2%-3%。以本项目二期工程PG6551B燃机为例，如果配置新的双压余热锅炉和双压汽轮机，则其汽轮发电机组可多发约2500kW~2800kW电力，按年运行7000小时及电价0.5元/kw.h计算，则可年增收益875万元~980万元。

2.4.焦炉煤气燃料净化、增压系统

    本项目焦炉煤气的净化由柳钢集团负责。按燃气轮机对焦炉煤气燃料的气质要求，所供应的焦炉煤气有害杂质成份应净化到如下指标：

    表2：气质指标

	一期工程 PG5361P型燃机	二期工程 PG6551B型燃机
焦炉煤气压力	19.5~22bar(g)	20~22 bar(g)
焦炉煤气温度	≦60 ℃	≦60 ℃
焦炉煤气流量	18000Nm3/h（最大：21000Nm3/h）	24000 Nm3/h（最大：27000Nm3/h）