探究聯(lián)合電站的設(shè)計(jì)方法
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1電站工程設(shè)計(jì)
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(jìn)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(chǔ)量為6.36億t，主要可采煤層為3#煤，儲(chǔ)量1.71億t，2007年8月正式投產(chǎn)，達(dá)到設(shè)計(jì)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(jī)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(tuán)公司建設(shè)8×4MW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組配“4×4.38t/h余熱鍋爐+3MW組合快裝凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組”，具備35MW發(fā)電能力，燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組選用目前世界上單機(jī)容量最大的4MW德國道依茨燃?xì)鈾C(jī)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(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，年利用5.37×104m3折純瓦斯氣，相當(dāng)于8.83萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，減排CO2當(dāng)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(chǔ)氣柜預(yù)處理車間燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組變電站并入電網(wǎng);另外，燃機(jī)高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱蒸汽鍋爐汽輪發(fā)電機(jī)組變電站并入國家電網(wǎng)。
1.3電站主要設(shè)備
燃機(jī)型號TCG2032V16，額定功率4000kW，額定電壓10.5kV，進(jìn)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(jī)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(bǔ)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(jī)。汽輪機(jī)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(jìn)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?zé)峒墧?shù)1級(一級除氧)，共1臺(套)。發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)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(chǔ)存、預(yù)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(jī)組的進(jìn)氣要求，設(shè)置瓦斯預(yù)處理，額定處理能力為20000Nm3。根據(jù)機(jī)組對瓦斯氣體的要求，預(yù)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(shè)備預(yù)冷及脫水羅茨鼓風(fēng)機(jī)加壓精密過濾器過濾送至燃機(jī)房，共分5個(gè)單元，正常工況5臺同時(shí)運(yùn)行，每臺維持60%的負(fù)荷，以實(shí)現(xiàn)熱備用。燃機(jī)燃燒系統(tǒng):燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組燃燒所需空氣由室外進(jìn)風(fēng)消聲過濾組合裝置電動(dòng)風(fēng)門屋頂風(fēng)機(jī)鋼風(fēng)道分兩路送至燃機(jī)房，再經(jīng)空氣濾清器進(jìn)入機(jī)組，專管專送。燃燒后排出的高溫?zé)煔饨?jīng)煙道余熱蒸汽鍋爐換熱鋼煙囪排入大氣(139℃)。燃機(jī)冷卻水系統(tǒng):每臺燃機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)氣缸和潤滑油產(chǎn)生的熱量，同時(shí)預(yù)熱進(jìn)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(dú)立的冷卻水管道，其水—空散熱機(jī)組設(shè)備布置在燃機(jī)間屋頂。冷卻液的更換和補(bǔ)充，通過補(bǔ)液泵，將桶裝冷卻液直接打到屋頂設(shè)置的補(bǔ)液箱，再由補(bǔ)液箱通過管道自流至各散熱水箱。燃機(jī)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(jī)各摩擦表面來實(shí)現(xiàn)潤滑、密封、防銹等，外部主要包括補(bǔ)、放油設(shè)施。該電站設(shè)置1臺8m3補(bǔ)油箱、2臺補(bǔ)油泵和一座10m3廢油池。燃機(jī)曲軸箱呼吸系統(tǒng):每臺燃機(jī)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(shè)有高低壓給水母管，電動(dòng)給水泵共三臺，二運(yùn)一備;排污系統(tǒng)僅設(shè)1臺0.8m3排污擴(kuò)容器，將排污水?dāng)U容后排至排污降溫池。汽輪機(jī)回?zé)岢酢⒅髂Y(jié)水、疏放水系統(tǒng):回?zé)岢跸到y(tǒng)設(shè)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(shè)二臺凝結(jié)水泵，一運(yùn)一備;疏放水系統(tǒng)設(shè)一個(gè)10m3疏水膨脹箱，二臺疏水泵，一運(yùn)一備。8)汽輪機(jī)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。化學(xué)補(bǔ)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(jī)循環(huán)水。電氣主接線:發(fā)電機(jī)出口電壓10.5kV，8臺燃機(jī)分為兩組，其中一組4臺燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組及1臺汽輪發(fā)電機(jī)組接至10kV母線Ⅰ段;另一組4臺燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)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(yùn)行。熱工控制系統(tǒng):本電站除燃機(jī)采用相對獨(dú)立控制系統(tǒng)外，余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組、除氧給水、化學(xué)水處理、瓦斯預(yù)處理等采用分散控制系統(tǒng)(DCS)進(jìn)行監(jiān)視控制。DCS系統(tǒng)通過專用的模塊接受燃機(jī)信號，只對燃機(jī)進(jìn)行參數(shù)顯示、改變單機(jī)的負(fù)荷大小、運(yùn)行的臺數(shù)、啟動(dòng)或停機(jī)，而不能對其控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)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(yù)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(jī)間、汽機(jī)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(biāo)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(gè)場地大致成南北向布置。場地最北端設(shè)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(yù)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(shè)計(jì)要點(diǎn)
由于建設(shè)場地兩側(cè)分別為抽放站和風(fēng)排瓦斯風(fēng)井，設(shè)計(jì)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(jī)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(shè)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(yù)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(shí)調(diào)整，以保證燃機(jī)穩(wěn)定運(yùn)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(jì)算機(jī)通信功能和數(shù)據(jù)采集全方位控制系統(tǒng)，與德國燃機(jī)廠家直接聯(lián)網(wǎng)，第一時(shí)間排除故障隱患。結(jié)合燃機(jī)對燃燒空氣和散熱通風(fēng)的不同要求，考慮我國對工業(yè)場地噪聲控制的嚴(yán)格要求，采用以下措施:廠房式布置，不同進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)、共同排風(fēng)系統(tǒng)。施工圖采用限額設(shè)計(jì)，確保工程決算總投資不突破設(shè)計(jì)概算。
2電站運(yùn)行效果及設(shè)計(jì)體會(huì)
2.1電站運(yùn)行效果
煤礦瓦斯—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站2008年6月破土動(dòng)工，經(jīng)過兩年緊張建設(shè)，電力接入系統(tǒng)、消防、勞安、職業(yè)衛(wèi)生等驗(yàn)收手續(xù)陸續(xù)完成，單機(jī)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(wù)，6月10日8臺燃機(jī)同時(shí)并網(wǎng)發(fā)電，正式進(jìn)入試生產(chǎn)運(yùn)行階段，2011年3月13日發(fā)電機(jī)組正式商業(yè)運(yùn)營。截至2011年10月1日累計(jì)發(fā)電量1.53億kW·h，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)銷售收入7780萬元，同時(shí)CDM收益也即將到賬。實(shí)際運(yùn)行效果與已投產(chǎn)單機(jī)2MW瓦斯電站相比:機(jī)組熱耗8.55MJ/kW·h，少0.64MJ/kW·h，單機(jī)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(shè)計(jì)體會(huì)
通過多次技術(shù)聯(lián)絡(luò)會(huì)，不斷與德國道依茨廠家技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)交流，逐步掌握了4MW燃機(jī)及其配套設(shè)備、電氣控制系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)機(jī)組自身的特性和制造設(shè)計(jì)參數(shù)，配備完善的預(yù)處理系統(tǒng)、電氣保護(hù)和DCS系統(tǒng)，并利用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了國家電網(wǎng)北京總部和德國廠家對電廠運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。成功解決了燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組通風(fēng)散熱和降噪的問題。燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)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(jì)算，即要滿足機(jī)組對通風(fēng)要求，又要控制噪聲傳播，大膽采用廠房式布置設(shè)計(jì)，廠房外圍護(hù)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(fēng)窗采用隔聲百頁窗。為了滿足燃機(jī)間8臺燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組燃燒及散熱需要大量的通風(fēng)，避免噪音通過進(jìn)、排風(fēng)口外傳，第一次采用兩套通風(fēng)系統(tǒng)，即燃燒空氣送風(fēng)系統(tǒng)和散熱冷卻通風(fēng)系統(tǒng)，并在通風(fēng)系統(tǒng)中安裝有降噪設(shè)備。燃燒空氣送風(fēng)系統(tǒng)流程:室外空氣進(jìn)風(fēng)消聲過濾組合裝置電動(dòng)風(fēng)門屋頂風(fēng)機(jī)鋼風(fēng)道分兩路送至發(fā)電機(jī)組空氣濾清器處。進(jìn)風(fēng)消聲過濾組合裝置、電動(dòng)風(fēng)門和屋頂風(fēng)機(jī)各8臺，與燃機(jī)一對一配置，布置在燃機(jī)間屋頂，單臺機(jī)組送風(fēng)量為16398m3/h。散熱冷卻通風(fēng)系統(tǒng)保證燃機(jī)間工作區(qū)溫度小于等于32℃，其流程為:室外空氣進(jìn)風(fēng)消聲過濾組合裝置電動(dòng)風(fēng)門混流風(fēng)機(jī)鋼風(fēng)道燃機(jī)間電動(dòng)風(fēng)門排風(fēng)隔聲消聲組合裝置大氣。進(jìn)風(fēng)消聲過濾組合裝置、電動(dòng)風(fēng)門、混流風(fēng)機(jī)和排風(fēng)隔聲消聲組合裝置各8臺，與燃機(jī)一對一配置，單臺機(jī)組散熱冷卻所需的通風(fēng)量為128804m3/h。
3結(jié)語
通過以上措施，實(shí)際檢測本電站廠界噪音達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。解決了場地小設(shè)備布置緊張的難題。本電站場地位于礦井通風(fēng)機(jī)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(shè)計(jì)規(guī)范通風(fēng)機(jī)房50m內(nèi)不得布置壓縮機(jī)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(shí)進(jìn)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(yàn)收要求。解決了瓦斯電站燃料供應(yīng)負(fù)荷變動(dòng)大的問題。預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)置5個(gè)單元，每單元維持60%額定工況負(fù)荷，以實(shí)現(xiàn)熱備用，風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速，正常情況下5臺同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)其中一臺風(fēng)機(jī)故障時(shí)，其他羅茨風(fēng)機(jī)可迅速增加出力，滿足機(jī)組負(fù)荷需求;若發(fā)電機(jī)組突然停機(jī)，羅茨風(fēng)機(jī)也可通過變頻調(diào)節(jié)，保證電廠能安全穩(wěn)定運(yùn)行。采用DCS系統(tǒng)，將燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組、余熱鍋爐、預(yù)處理系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)組、汽輪機(jī)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(jī)設(shè)置一套水噴霧滅火系統(tǒng)，包括開式水噴霧噴頭和自動(dòng)噴水雨淋報(bào)警裝置，其主要功能有:火災(zāi)自動(dòng)探測報(bào)警、自動(dòng)水噴霧滅火、應(yīng)急手動(dòng)及遠(yuǎn)程手動(dòng)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(shè)計(jì)研究院
