探究聯(lián)合電站的設計方法
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1電站工程設計
1.1工程簡述
煤礦瓦斯—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站依托煤礦瓦斯進行發(fā)電，煤礦井田位于省境內(nèi)沁水煤田南部，面積38.83km2，煤炭地質(zhì)資源儲量為6.36億t，主要可采煤層為3#煤，儲量1.71億t，2007年8月正式投產(chǎn)，達到設計年生產(chǎn)能力400萬t。礦屬高瓦斯礦井，已建成地面永久瓦斯抽放站，年抽放折純瓦斯1.47×108Nm3，主要供豐潤瓦斯電廠20臺500kW國產(chǎn)瓦斯發(fā)電機組和本礦采暖鍋爐使用，年用氣量為4.81×107Nm3。經(jīng)過多次論證，蘭花集團公司建設8×4MW燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組配“4×4.38t/h余熱鍋爐+3MW組合快裝凝汽式汽輪發(fā)電機組”，具備35MW發(fā)電能力，燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組選用目前世界上單機容量最大的4MW德國道依茨燃氣機組，余熱鍋爐選用上海益格新技術(shù)工程有限公司生產(chǎn)的鍋爐，產(chǎn)生的過熱蒸汽拖動汽輪發(fā)電機組進行聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，年利用5.37×104m3折純瓦斯氣，相當于8.83萬t標準煤，減排CO2當量87.1萬t。
1.2電站工藝流程
煤礦瓦斯—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站流程如下:井下瓦斯瓦斯抽放站儲氣柜預處理車間燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組變電站并入電網(wǎng);另外，燃機高溫煙氣進入余熱蒸汽鍋爐汽輪發(fā)電機組變電站并入國家電網(wǎng)。
1.3電站主要設備
燃機型號TCG2032V16，額定功率4000kW，額定電壓10.5kV，進氣壓力12～30kPa，燃燒空氣流量14660Nm3/h，煙氣排放流量15945Nm3/h，排煙溫度461℃，機組熱耗8.388MJ/kWh，發(fā)電效率42.1%，共8臺(套)。余熱蒸汽鍋爐。鍋爐型號EGS4.3－2.45/400NSV，為臥式不補燃型單壓自然循環(huán)，額定蒸發(fā)量4.38t/h，額定過熱蒸汽壓力2.45MPa，額定過熱蒸汽溫度400℃，采用飽和蒸汽混合減溫，給水溫度105℃，排煙溫度139℃，熱效率68.3%，共4臺(套)。汽輪機。汽輪機型號N3－2.35，為組合快裝凝汽式，額定功率3000kW，額定轉(zhuǎn)速5600r/min，額定進汽量15.6t/h，主汽門前蒸汽壓力2.35+0．2－0.2MPa，主汽門前蒸汽溫度390+10－20℃，額定排汽壓力0.0103MPa，額定抽汽壓力0.446MPa，額定抽汽溫度230℃，額定抽汽量:1.25t/h，給水回熱級數(shù)1級(一級除氧)，共1臺(套)。發(fā)電機。發(fā)電機型號QFk－k3－2，額定功率3000kW，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定電壓10.5kV，冷卻方式閉式空冷，共1臺(套)。
1.4電站主要系統(tǒng)
瓦斯儲存、預處理系統(tǒng):考慮兩座15000m3濕式瓦斯氣柜以滿足電站大約1.5h的用量。氣柜瓦斯出口壓力1.62～3.23kPa，為常溫飽和氣體，根據(jù)機組的進氣要求，設置瓦斯預處理，額定處理能力為20000Nm3。根據(jù)機組對瓦斯氣體的要求，預處理系統(tǒng)主要包括過濾、脫水、加壓及冷卻等環(huán)節(jié)。瓦斯由氣柜初效過濾器過濾冷干設備預冷及脫水羅茨鼓風機加壓精密過濾器過濾送至燃機房，共分5個單元，正常工況5臺同時運行，每臺維持60%的負荷，以實現(xiàn)熱備用。燃機燃燒系統(tǒng):燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組燃燒所需空氣由室外進風消聲過濾組合裝置電動風門屋頂風機鋼風道分兩路送至燃機房，再經(jīng)空氣濾清器進入機組，專管專送。燃燒后排出的高溫煙氣經(jīng)煙道余熱蒸汽鍋爐換熱鋼煙囪排入大氣(139℃)。燃機冷卻水系統(tǒng):每臺燃機有兩套冷卻系統(tǒng)，一是缸套水系統(tǒng)，另一是中冷水系統(tǒng)。缸套水系統(tǒng)主要冷卻發(fā)動機運轉(zhuǎn)時氣缸和潤滑油產(chǎn)生的熱量，同時預熱進入空氣濾清器的低溫燃燒空氣;中冷水系統(tǒng)主要冷卻空氣和瓦斯氣混合后氣體在廢氣渦輪增壓器中壓縮產(chǎn)生的熱量。兩套系統(tǒng)均為封閉式冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，配有各自獨立的冷卻水管道，其水—空散熱機組設備布置在燃機間屋頂。冷卻液的更換和補充，通過補液泵，將桶裝冷卻液直接打到屋頂設置的補液箱，再由補液箱通過管道自流至各散熱水箱。燃機潤滑油系統(tǒng):其作用是將一定數(shù)量清潔、溫度適宜的油品送至燃機各摩擦表面來實現(xiàn)潤滑、密封、防銹等，外部主要包括補、放油設施。該電站設置1臺8m3補油箱、2臺補油泵和一座10m3廢油池。燃機曲軸箱呼吸系統(tǒng):每臺燃機有兩根Φ108×4呼吸管道，與大氣相通，排氣口高出周圍建筑物4m。余熱鍋爐主汽、主給水、排污系統(tǒng):四臺鍋爐主蒸汽采用單母管制;主給水設有高低壓給水母管，電動給水泵共三臺，二運一備;排污系統(tǒng)僅設1臺0.8m3排污擴容器，將排污水擴容后排至排污降溫池。汽輪機回熱除氧、主凝結(jié)水、疏放水系統(tǒng):回熱除氧系統(tǒng)設置1臺熱力噴霧除氧器和除氧水箱，除氧器出力20t/h，工作壓力0.02MPa，出水溫度105℃，除氧水箱有效容積10m3;主凝結(jié)水系統(tǒng)包括凝汽器、凝結(jié)水泵、兩級射汽抽氣器等，設二臺凝結(jié)水泵，一運一備;疏放水系統(tǒng)設一個10m3疏水膨脹箱，二臺疏水泵，一運一備。8)汽輪機循環(huán)水系統(tǒng):采用節(jié)能型水膜式空冷器，系統(tǒng)封閉式?；瘜W補充水系統(tǒng):采用“反滲透裝置+EDI裝置”處理方式生產(chǎn)除鹽水，供余熱鍋爐及汽輪機循環(huán)水。電氣主接線:發(fā)電機出口電壓10.5kV，8臺燃機分為兩組，其中一組4臺燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組及1臺汽輪發(fā)電機組接至10kV母線Ⅰ段;另一組4臺燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組接至10kV母線Ⅱ段。分別經(jīng)升壓變壓器升至110kV，以一回110kV出線接入芹池110kV變電站與電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行。熱工控制系統(tǒng):本電站除燃機采用相對獨立控制系統(tǒng)外，余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機組、除氧給水、化學水處理、瓦斯預處理等采用分散控制系統(tǒng)(DCS)進行監(jiān)視控制。DCS系統(tǒng)通過專用的模塊接受燃機信號，只對燃機進行參數(shù)顯示、改變單機的負荷大小、運行的臺數(shù)、啟動或停機，而不能對其控制系統(tǒng)參數(shù)進行改變。
1.5電站總平面布置
該電站主要建(構(gòu))筑物有主廠房、預處理車間、主控辦公樓、110kV變電站、冷卻車間、水池及地下泵房。其中主廠房為聯(lián)合建筑，包括燃機間、汽機間、水泵間、水處理及除氧間等，電站廠址位于煤礦工業(yè)場地南面瓦斯抽放站旁、蘆葦河南岸斜坡上的一塊小臺地上，標高介于627.0～630.0m之間。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》結(jié)合地形，整個場地大致成南北向布置。場地最北端設置主入口，場地北端靠近主入口處布置主廠房(58m×24m)，呈南北向布置;主廠房西側(cè)，自北向南依次平行布置有主控辦公樓(25.2m×12.9m)和110kV變電站(18m×19m);110kV變電站南側(cè)為現(xiàn)有開閉所、水池和地下泵房;主廠房南側(cè)布置冷卻車間(30m×12m)，南北向布置;場地最南端，在高壓線北側(cè)平行布置有預處理車間(24m×15m)，其南部為次入口大門，電站總平面布置如圖2所示，占地1.21ha。
1.6設計要點
由于建設場地兩側(cè)分別為抽放站和風排瓦斯風井，設計充分考慮場地大小及與上述兩者安全間距要求，做到“布置緊湊、功能明確、節(jié)約用地”，流程合理，管線短捷，道路通暢等要求。3MW快裝凝汽式汽輪發(fā)電機組凝汽器循環(huán)水冷卻采用節(jié)能型水膜式空冷器，與開式冷卻塔系統(tǒng)相比，減少設備結(jié)垢，提高換熱效果，節(jié)水50%左右;能充分回收循環(huán)管余壓，節(jié)省電耗約15%。預處理系統(tǒng)單元采用熱備用方式，可以保證由于瓦斯?jié)舛茸兓?，出力及時調(diào)整，以保證燃機穩(wěn)定運行。采用DCS集中控制系統(tǒng)，集生產(chǎn)控制、現(xiàn)場監(jiān)視、順序控制和管理于一體，并帶有上位計算機通信功能和數(shù)據(jù)采集全方位控制系統(tǒng)，與德國燃機廠家直接聯(lián)網(wǎng)，第一時間排除故障隱患。結(jié)合燃機對燃燒空氣和散熱通風的不同要求，考慮我國對工業(yè)場地噪聲控制的嚴格要求，采用以下措施:廠房式布置，不同進風系統(tǒng)、共同排風系統(tǒng)。施工圖采用限額設計，確保工程決算總投資不突破設計概算。
2電站運行效果及設計體會
2.1電站運行效果
煤礦瓦斯—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站2008年6月破土動工，經(jīng)過兩年緊張建設，電力接入系統(tǒng)、消防、勞安、職業(yè)衛(wèi)生等驗收手續(xù)陸續(xù)完成，單機和分系統(tǒng)調(diào)試于2009年11月中旬全部通過，2010年2月23日完成倒送電任務，6月10日8臺燃機同時并網(wǎng)發(fā)電，正式進入試生產(chǎn)運行階段，2011年3月13日發(fā)電機組正式商業(yè)運營。截至2011年10月1日累計發(fā)電量1.53億kW·h，實現(xiàn)電網(wǎng)銷售收入7780萬元，同時CDM收益也即將到賬。實際運行效果與已投產(chǎn)單機2MW瓦斯電站相比:機組熱耗8.55MJ/kW·h，少0.64MJ/kW·h，單機發(fā)電效率42.1%，全廠聯(lián)合發(fā)電效率45.66%，高2.9%，單位水耗0.434kg/kW·h，氣耗0.219Nm3/kW·h。
2.2電站設計體會
通過多次技術(shù)聯(lián)絡會，不斷與德國道依茨廠家技術(shù)人員進行技術(shù)交流，逐步掌握了4MW燃機及其配套設備、電氣控制系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)機組自身的特性和制造設計參數(shù)，配備完善的預處理系統(tǒng)、電氣保護和DCS系統(tǒng)，并利用互聯(lián)網(wǎng)絡技術(shù)，成功實現(xiàn)了國家電網(wǎng)北京總部和德國廠家對電廠運行情況的實時監(jiān)控。成功解決了燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組通風散熱和降噪的問題。燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組1m處噪音為106dB(A)，為了解決噪音問題，德方要求采用房子套箱體的布置模式，而經(jīng)過多次制模計算，即要滿足機組對通風要求，又要控制噪聲傳播，大膽采用廠房式布置設計，廠房外圍護結(jié)構(gòu)采用加氣混凝土砌塊外掛聚氨酯夾芯板，所有窗戶均為雙層中空玻璃厚壁鋁合金窗，門為隔聲平開門;通風窗采用隔聲百頁窗。為了滿足燃機間8臺燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組燃燒及散熱需要大量的通風，避免噪音通過進、排風口外傳，第一次采用兩套通風系統(tǒng)，即燃燒空氣送風系統(tǒng)和散熱冷卻通風系統(tǒng)，并在通風系統(tǒng)中安裝有降噪設備。燃燒空氣送風系統(tǒng)流程:室外空氣進風消聲過濾組合裝置電動風門屋頂風機鋼風道分兩路送至發(fā)電機組空氣濾清器處。進風消聲過濾組合裝置、電動風門和屋頂風機各8臺，與燃機一對一配置，布置在燃機間屋頂，單臺機組送風量為16398m3/h。散熱冷卻通風系統(tǒng)保證燃機間工作區(qū)溫度小于等于32℃，其流程為:室外空氣進風消聲過濾組合裝置電動風門混流風機鋼風道燃機間電動風門排風隔聲消聲組合裝置大氣。進風消聲過濾組合裝置、電動風門、混流風機和排風隔聲消聲組合裝置各8臺，與燃機一對一配置，單臺機組散熱冷卻所需的通風量為128804m3/h。
3結(jié)語
通過以上措施，實際檢測本電站廠界噪音達到排放標準要求。解決了場地小設備布置緊張的難題。本電站場地位于礦井通風機房和瓦斯抽放泵站之間，圍墻內(nèi)留用場地面積很小，為了滿足礦井設計規(guī)范通風機房50m內(nèi)不得布置壓縮機房及避開場地內(nèi)現(xiàn)有兩趟6kV電力線路安全距離等規(guī)定，總平面布置時進行多次優(yōu)化，盡可能采用聯(lián)合布置方式，利用立體空間，滿足了安全等部門的驗收要求。解決了瓦斯電站燃料供應負荷變動大的問題。預處理系統(tǒng)設置5個單元，每單元維持60%額定工況負荷，以實現(xiàn)熱備用，風機采用變頻調(diào)速，正常情況下5臺同時運行，當其中一臺風機故障時，其他羅茨風機可迅速增加出力，滿足機組負荷需求;若發(fā)電機組突然停機，羅茨風機也可通過變頻調(diào)節(jié)，保證電廠能安全穩(wěn)定運行。采用DCS系統(tǒng)，將燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組、余熱鍋爐、預處理系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機組、汽輪機空冷系統(tǒng)等檢測控制，減少了大量人員配置，提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。每臺燃機設置一套水噴霧滅火系統(tǒng)，包括開式水噴霧噴頭和自動噴水雨淋報警裝置，其主要功能有:火災自動探測報警、自動水噴霧滅火、應急手動及遠程手動滅火控制等。
作者：贠利民 杜繼萍 李豐亮 單位：煤炭工業(yè)太原設計研究院
