探究联合电站的设计方法

1电站工程设计

1.1工程简述

煤矿瓦斯—蒸汽联合循环电站依托煤矿瓦斯进行发电，煤矿井田位于省境内沁水煤田南部，面积38.83km2，煤炭地质资源储量为6.36亿t，主要可采煤层为3#煤，储量1.71亿t，2007年8月正式投产，达到设计年生产能力400万t。矿属高瓦斯矿井，已建成地面永久瓦斯抽放站，年抽放折纯瓦斯1.47×108Nm3，主要供丰润瓦斯电厂20台500kW国产瓦斯发电机组和本矿采暖锅炉使用，年用气量为4.81×107Nm3。经过多次论证，兰花集团公司建设8×4MW燃气内燃发电机组配“4×4.38t/h余热锅炉+3MW组合快装凝汽式汽轮发电机组”，具备35MW发电能力，燃气内燃发电机组选用目前世界上单机容量最大的4MW德国道依茨燃气机组，余热锅炉选用上海益格新技术工程有限公司生产的锅炉，产生的过热蒸汽拖动汽轮发电机组进行联合循环发电，年利用5.37×104m3折纯瓦斯气，相当于8.83万t标准煤，减排CO2当量87.1万t。

1.2电站工艺流程

煤矿瓦斯—蒸汽联合循环电站流程如下:井下瓦斯瓦斯抽放站储气柜预处理车间燃气内燃发电机组变电站并入电网;另外，燃机高温烟气进入余热蒸汽锅炉汽轮发电机组变电站并入国家电网。

1.3电站主要设备

燃机型号TCG2032V16，额定功率4000kW，额定电压10.5kV，进气压力12～30kPa，燃烧空气流量14660Nm3/h，烟气排放流量15945Nm3/h，排烟温度461℃，机组热耗8.388MJ/kWh，发电效率42.1%，共8台(套)。余热蒸汽锅炉。锅炉型号EGS4.3－2.45/400NSV，为卧式不补燃型单压自然循环，额定蒸发量4.38t/h，额定过热蒸汽压力2.45MPa，额定过热蒸汽温度400℃，采用饱和蒸汽混合减温，给水温度105℃，排烟温度139℃，热效率68.3%，共4台(套)。汽轮机。汽轮机型号N3－2.35，为组合快装凝汽式，额定功率3000kW，额定转速5600r/min，额定进汽量15.6t/h，主汽门前蒸汽压力2.35+0．2－0.2MPa，主汽门前蒸汽温度390+10－20℃，额定排汽压力0.0103MPa，额定抽汽压力0.446MPa，额定抽汽温度230℃，额定抽汽量:1.25t/h，给水回热级数1级(一级除氧)，共1台(套)。发电机。发电机型号QFk－k3－2，额定功率3000kW，额定转速3000r/min，额定电压10.5kV，冷却方式闭式空冷，共1台(套)。

1.4电站主要系统

瓦斯储存、预处理系统:考虑两座15000m3湿式瓦斯气柜以满足电站大约1.5h的用量。气柜瓦斯出口压力1.62～3.23kPa，为常温饱和气体，根据机组的进气要求，设置瓦斯预处理，额定处理能力为20000Nm3。根据机组对瓦斯气体的要求，预处理系统主要包括过滤、脱水、加压及冷却等环节。瓦斯由气柜初效过滤器过滤冷干设备预冷及脱水罗茨鼓风机加压精密过滤器过滤送至燃机房，共分5个单元，正常工况5台同时运行，每台维持60%的负荷，以实现热备用。燃机燃烧系统:燃气内燃发电机组燃烧所需空气由室外进风消声过滤组合装置电动风门屋顶风机钢风道分两路送至燃机房，再经空气滤清器进入机组，专管专送。燃烧后排出的高温烟气经烟道余热蒸汽锅炉换热钢烟囱排入大气(139℃)。燃机冷却水系统:每台燃机有两套冷却系统，一是缸套水系统，另一是中冷水系统。缸套水系统主要冷却发动机运转时气缸和润滑油产生的热量，同时预热进入空气滤清器的低温燃烧空气;中冷水系统主要冷却空气和瓦斯气混合后气体在废气涡轮增压器中压缩产生的热量。两套系统均为封闭式冷却水循环系统，配有各自独立的冷却水管道，其水—空散热机组设备布置在燃机间屋顶。冷却液的更换和补充，通过补液泵，将桶装冷却液直接打到屋顶设置的补液箱，再由补液箱通过管道自流至各散热水箱。燃机润滑油系统:其作用是将一定数量清洁、温度适宜的油品送至燃机各摩擦表面来实现润滑、密封、防锈等，外部主要包括补、放油设施。该电站设置1台8m3补油箱、2台补油泵和一座10m3废油池。燃机曲轴箱呼吸系统:每台燃机有两根Φ108×4呼吸管道，与大气相通，排气口高出周围建筑物4m。余热锅炉主汽、主给水、排污系统:四台锅炉主蒸汽采用单母管制;主给水设有高低压给水母管，电动给水泵共三台，二运一备;排污系统仅设1台0.8m3排污扩容器，将排污水扩容后排至排污降温池。汽轮机回热除氧、主凝结水、疏放水系统:回热除氧系统设置1台热力喷雾除氧器和除氧水箱，除氧器出力20t/h，工作压力0.02MPa，出水温度105℃，除氧水箱有效容积10m3;主凝结水系统包括凝汽器、凝结水泵、两级射汽抽气器等，设二台凝结水泵，一运一备;疏放水系统设一个10m3疏水膨胀箱，二台疏水泵，一运一备。8)汽轮机循环水系统:采用节能型水膜式空冷器，系统封闭式。化学补充水系统:采用“反渗透装置+EDI装置”处理方式生产除盐水，供余热锅炉及汽轮机循环水。电气主接线:发电机出口电压10.5kV，8台燃机分为两组，其中一组4台燃气内燃发电机组及1台汽轮发电机组接至10kV母线Ⅰ段;另一组4台燃气内燃发电机组接至10kV母线Ⅱ段。分别经升压变压器升至110kV，以一回110kV出线接入芹池110kV变电站与电力系统并网运行。热工控制系统:本电站除燃机采用相对独立控制系统外，余热锅炉、汽轮发电机组、除氧给水、化学水处理、瓦斯预处理等采用分散控制系统(DCS)进行监视控制。DCS系统通过专用的模块接受燃机信号，只对燃机进行参数显示、改变单机的负荷大小、运行的台数、启动或停机，而不能对其控制系统参数进行改变。

1.5电站总平面布置

该电站主要建(构)筑物有主厂房、预处理车间、主控办公楼、110kV变电站、冷却车间、水池及地下泵房。其中主厂房为联合建筑，包括燃机间、汽机间、水泵间、水处理及除氧间等，电站厂址位于煤矿工业场地南面瓦斯抽放站旁、芦苇河南岸斜坡上的一块小台地上，标高介于627.0～630.0m之间。根据《煤炭安全规程》结合地形，整个场地大致成南北向布置。场地最北端设置主入口，场地北端靠近主入口处布置主厂房(58m×24m)，呈南北向布置;主厂房西侧，自北向南依次平行布置有主控办公楼(25.2m×12.9m)和110kV变电站(18m×19m);110kV变电站南侧为现有开闭所、水池和地下泵房;主厂房南侧布置冷却车间(30m×12m)，南北向布置;场地最南端，在高压线北侧平行布置有预处理车间(24m×15m)，其南部为次入口大门，电站总平面布置如图2所示，占地1.21ha。

1.6设计要点

由于建设场地两侧分别为抽放站和风排瓦斯风井，设计充分考虑场地大小及与上述两者安全间距要求，做到“布置紧凑、功能明确、节约用地”，流程合理，管线短捷，道路通畅等要求。3MW快装凝汽式汽轮发电机组凝汽器循环水冷却采用节能型水膜式空冷器，与开式冷却塔系统相比，减少设备结垢，提高换热效果，节水50%左右;能充分回收循环管余压，节省电耗约15%。预处理系统单元采用热备用方式，可以保证由于瓦斯浓度变化，出力及时调整，以保证燃机稳定运行。采用DCS集中控制系统，集生产控制、现场监视、顺序控制和管理于一体，并带有上位计算机通信功能和数据采集全方位控制系统，与德国燃机厂家直接联网，第一时间排除故障隐患。结合燃机对燃烧空气和散热通风的不同要求，考虑我国对工业场地噪声控制的严格要求，采用以下措施:厂房式布置，不同进风系统、共同排风系统。施工图采用限额设计，确保工程决算总投资不突破设计概算。

2电站运行效果及设计体会

2.1电站运行效果

煤矿瓦斯—蒸汽联合循环电站2008年6月破土动工，经过两年紧张建设，电力接入系统、消防、劳安、职业卫生等验收手续陆续完成，单机和分系统调试于2009年11月中旬全部通过，2010年2月23日完成倒送电任务，6月10日8台燃机同时并网发电，正式进入试生产运行阶段，2011年3月13日发电机组正式商业运营。截至2011年10月1日累计发电量1.53亿kW·h，实现电网销售收入7780万元，同时CDM收益也即将到账。实际运行效果与已投产单机2MW瓦斯电站相比:机组热耗8.55MJ/kW·h，少0.64MJ/kW·h，单机发电效率42.1%，全厂联合发电效率45.66%，高2.9%，单位水耗0.434kg/kW·h，气耗0.219Nm3/kW·h。

2.2电站设计体会

通过多次技术联络会，不断与德国道依茨厂家技术人员进行技术交流，逐步掌握了4MW燃机及其配套设备、电气控制系统的工作原理，根据机组自身的特性和制造设计参数，配备完善的预处理系统、电气保护和DCS系统，并利用互联网络技术，成功实现了国家电网北京总部和德国厂家对电厂运行情况的实时监控。成功解决了燃气内燃发电机组通风散热和降噪的问题。燃气内燃发电机组1m处噪音为106dB(A)，为了解决噪音问题，德方要求采用房子套箱体的布置模式，而经过多次制模计算，即要满足机组对通风要求，又要控制噪声传播，大胆采用厂房式布置设计，厂房护结构采用加气混凝土砌块外挂聚氨酯夹芯板，所有窗户均为双层中空玻璃厚壁铝合金窗，门为隔声平开门;通风窗采用隔声百页窗。为了满足燃机间8台燃气内燃发电机组燃烧及散热需要大量的通风，避免噪音通过进、排风口外传，第一次采用两套通风系统，即燃烧空气送风系统和散热冷却通风系统，并在通风系统中安装有降噪设备。燃烧空气送风系统流程:室外空气进风消声过滤组合装置电动风门屋顶风机钢风道分两路送至发电机组空气滤清器处。进风消声过滤组合装置、电动风门和屋顶风机各8台，与燃机一对一配置，布置在燃机间屋顶，单台机组送风量为16398m3/h。散热冷却通风系统保证燃机间工作区温度小于等于32℃，其流程为:室外空气进风消声过滤组合装置电动风门混流风机钢风道燃机间电动风门排风隔声消声组合装置大气。进风消声过滤组合装置、电动风门、混流风机和排风隔声消声组合装置各8台，与燃机一对一配置，单台机组散热冷却所需的通风量为128804m3/h。

3结语

通过以上措施，实际检测本电站厂界噪音达到排放标准要求。解决了场地小设备布置紧张的难题。本电站场地位于矿井通风机房和瓦斯抽放泵站之间，围墙内留用场地面积很小，为了满足矿井设计规范通风机房50m内不得布置压缩机房及避开场地内现有两趟6kV电力线路安全距离等规定，总平面布置时进行多次优化，尽可能采用联合布置方式，利用立体空间，满足了安全等部门的验收要求。解决了瓦斯电站燃料供应负荷变动大的问题。预处理系统设置5个单元，每单元维持60%额定工况负荷，以实现热备用，风机采用变频调速，正常情况下5台同时运行，当其中一台风机故障时，其他罗茨风机可迅速增加出力，满足机组负荷需求;若发电机组突然停机，罗茨风机也可通过变频调节，保证电厂能安全稳定运行。采用DCS系统，将燃气内燃发电机组、余热锅炉、预处理系统、汽轮发电机组、汽轮机空冷系统等检测控制，减少了大量人员配置，提高了生产系统的可靠性。每台燃机设置一套水喷雾灭火系统，包括开式水喷雾喷头和自动喷水雨淋报警装置，其主要功能有:火灾自动探测报警、自动水喷雾灭火、应急手动及远程手动灭火控制等。

作者：贠利民 杜继萍 李丰亮 单位：煤炭工业太原设计研究院