干法水泥熟料生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電雙壓技術(shù)分析

主題詞：干法水泥  余熱發(fā)電  雙壓技術(shù)

1 概述
    樹立科學(xué)發(fā)展觀，創(chuàng)建節(jié)約型社會，是我國新世紀(jì)發(fā)展的主題。大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，是實(shí)現(xiàn)節(jié)約型社會的重要途徑之一，是國家倡導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。國家針對近年來水泥行業(yè)高速增長中帶來的能源消耗高、環(huán)境污染重等狀況，制定了水泥行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，鼓勵日產(chǎn)2000噸以上水泥熟料干法生產(chǎn)線采用世界先進(jìn)的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，對水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣余熱進(jìn)行回收利用。
    中信重型機(jī)械公司是國家“一五”期間的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，主要服務(wù)于礦山、建材、冶金、有色、電力、化工、環(huán)保、軍工等八大領(lǐng)域。公司擁有首批國家級企業(yè)技術(shù)中心，具有機(jī)械甲級、水泥乙級、電力乙級工程設(shè)計(jì)資質(zhì)，居全國332家國家企業(yè)技術(shù)中心第34位。從“八五”開始，公司就致力于余熱發(fā)電的工程實(shí)踐，與西安交通大學(xué)合作，進(jìn)行科技攻關(guān)，不斷完善優(yōu)化汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造，開發(fā)研制出各種類型汽輪機(jī)——適合水泥窯余熱發(fā)電、補(bǔ)燃電站、純低溫余熱發(fā)電、垃圾焚燒發(fā)電等行業(yè)使用的中小型、最低參數(shù)可達(dá)1.27Mpa、240℃的補(bǔ)汽、凝汽、抽汽、背壓等汽輪機(jī)。作為大型干法水泥成套設(shè)備生產(chǎn)的龍頭企業(yè)，積極適應(yīng)國家產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向，經(jīng)過多年來的持續(xù)開發(fā)研究和科技創(chuàng)新攻關(guān)，開發(fā)出了水泥熟料干法生產(chǎn)線的純低溫余熱雙壓發(fā)電技術(shù)，通過了國內(nèi)行業(yè)專家論證，已投入市場。為水泥行業(yè)走向循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供了一項(xiàng)新技術(shù)，開辟了新途徑，受到了水泥行業(yè)的廣泛歡迎。
    近年來，隨著國家樹立科學(xué)發(fā)展觀、大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，國內(nèi)水泥生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，多家科研院所積極進(jìn)行余熱發(fā)電技術(shù)研究、建設(shè)純余熱電站工程，使得余熱發(fā)電技術(shù)日臻完善。不同工程的不同熱力系統(tǒng)，為用戶提供了多種選擇。但如何確定經(jīng)濟(jì)的余熱發(fā)電技術(shù)、熱力系統(tǒng)？為什么要采用雙壓系統(tǒng)？雙壓系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)在哪？……眾多余熱發(fā)電熱心者在思考、在分析、在探討。
本文針對中信重型機(jī)械公司干法水泥熟料生產(chǎn)線純低溫余熱雙壓發(fā)電技術(shù)，結(jié)合熱工理論、鍋爐和汽輪機(jī)制造技術(shù)、工程實(shí)踐，認(rèn)真分析研究雙壓技術(shù)的理論依據(jù)，探討不同熱力系統(tǒng)選擇對余熱利用的影響，為合理選擇余熱發(fā)電技術(shù)及熱力系統(tǒng)提供參考。

2  雙壓系統(tǒng)技術(shù)介紹
2.1 為什么采用雙壓系統(tǒng)  
    水泥窯余熱廢氣量很大，溫度在350℃以下，為了充分利用這些低溫?zé)嵩?，就要求發(fā)電系統(tǒng)更為合理。根據(jù)朗肯循環(huán)和數(shù)學(xué)微積分原理，蒸汽分段進(jìn)入汽輪機(jī)做功發(fā)電是最合理的。
    雙壓系統(tǒng)可使相對高溫?zé)嵩矗?10~350℃煙氣）產(chǎn)生較高參數(shù)的蒸汽，使相對低溫?zé)嵩矗?00~210℃煙氣）產(chǎn)生較低參數(shù)的蒸汽，使能量分布優(yōu)化，系統(tǒng)充分吸收低參數(shù)熱量，發(fā)出更多的電能。對于火力發(fā)電，為了提高熱力循環(huán)系統(tǒng)效率，一般應(yīng)盡量提高主蒸汽參數(shù)，對于水泥窯純低溫余熱發(fā)電，主蒸汽參數(shù)的選取決于水泥窯排放廢氣的溫度，應(yīng)盡可能接近廢氣溫度，考慮的傳熱溫差和受熱面的經(jīng)濟(jì)性，一般有10---15℃的溫差。而主蒸汽壓力的選取則要多方面斟酌，例如某項(xiàng)目選取1.7Mpa，330℃，對于1.7Mpa的主蒸汽，其飽和溫度為204℃，因換熱溫差的存在，煙氣產(chǎn)生主蒸汽后，余熱鍋爐排出煙氣溫度在210℃以上，主蒸汽壓力選擇得越高，產(chǎn)生主蒸汽后的煙氣排出溫度越高。這樣主蒸汽壓力的選取，對210℃以下煙氣余熱利用有重大影響。這對于窯尾預(yù)熱器(SP)是合適的，因?yàn)?10℃左右以下的煙氣熱量還要用于原料烘干。但對于窯頭篦冷機(jī)(AQC)來說，是不經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)?10℃以下熱量排放掉，不僅造成能源浪費(fèi)，還對環(huán)境產(chǎn)生了熱污染。根據(jù)我國的實(shí)際情況及技術(shù)水平，AQC的排氣溫度在90~100℃是合適的，這樣造成100~200℃之間熱量的利用成為問題，根據(jù)分析這部分熱量占總廢熱量的17~20%。為了有效地利用這部分熱量，我們采用雙壓系統(tǒng)，高壓主蒸汽（參數(shù)為1.7Mpa，330℃）吸收210℃以上的煙氣熱量，低壓系統(tǒng)蒸汽（參數(shù)為0.45Mpa，165℃）可以吸收100~210℃之間的煙氣熱量。
2.2  雙壓系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)
    雙壓鍋爐  雙壓鍋爐能使排氣溫度降到95℃左右，而單壓鍋爐只能使排氣溫度降到140℃左右，雙壓鍋爐提高系統(tǒng)熱量利用率達(dá)8%左右。我公司采用杭州鍋爐廠的鍋爐，杭州鍋爐廠已經(jīng)有非常成熟的雙壓鍋爐技術(shù)。
補(bǔ)汽式汽輪機(jī)   補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)已經(jīng)很成熟。我公司通過和西安交通大學(xué)聯(lián)合，對補(bǔ)汽式汽輪機(jī)持續(xù)開發(fā)研究和科技創(chuàng)新攻關(guān)，確定了合適的補(bǔ)汽點(diǎn)，設(shè)計(jì)了蝸殼式補(bǔ)汽缸，解決了補(bǔ)汽難的問題。
    控制系統(tǒng)   什么工況下補(bǔ)汽？什么工況下不補(bǔ)汽?這些問題通過補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行都已得到了良好的解決。采用先進(jìn)、穩(wěn)定的控制系統(tǒng)通過對主蒸汽進(jìn)汽閥和補(bǔ)汽閥的連鎖、調(diào)節(jié)，確保補(bǔ)汽系統(tǒng)的正常運(yùn)行已是成熟技術(shù)。同時通過在線測試、調(diào)節(jié)控制參數(shù)等等，控制系統(tǒng)能確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
2.3  中信重型機(jī)械公司雙壓系統(tǒng)的特點(diǎn)：
    參數(shù)優(yōu)化   我公司與杭州鍋爐廠合作，根據(jù)用戶廢熱的不同情況和熱力系統(tǒng)特點(diǎn)，兼顧鍋爐和汽輪機(jī)及系統(tǒng)設(shè)備配置情況，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，合理確定雙壓余熱鍋爐蒸汽參數(shù)、汽輪機(jī)主蒸汽及補(bǔ)汽參數(shù)，充分利用廢氣余熱，提高系統(tǒng)的熱效率。例如某項(xiàng)目選擇主蒸汽參數(shù)1.7Mpa，330℃和補(bǔ)汽蒸汽參數(shù)0.45Mpa，165℃，就是在考慮鍋爐充分吸熱和蒸汽在汽輪機(jī)缸內(nèi)膨脹特點(diǎn)而選取的。
     配置優(yōu)化   采用雙壓鍋爐、補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)。對于補(bǔ)汽式汽輪機(jī)，在主蒸汽及補(bǔ)汽參數(shù)確定后，補(bǔ)汽點(diǎn)的選取和補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。我公司曾與國家建材局、西安交通大學(xué)、南京熱管技術(shù)開發(fā)中心、天津大學(xué)等共同承擔(dān)國家“八五”攻關(guān)項(xiàng)目“水泥廠中、低溫余熱發(fā)電工藝及裝備的研究開發(fā)”。
    補(bǔ)汽點(diǎn)位置選取不當(dāng)會造成蒸汽補(bǔ)不進(jìn)去或補(bǔ)汽損失太大，因此必須經(jīng)過詳細(xì)的汽輪機(jī)通流部分計(jì)算，兼顧額定工況、最大工況和變工況以及汽輪機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)才能確定補(bǔ)汽點(diǎn)。汽輪機(jī)的補(bǔ)汽和抽汽不同，補(bǔ)汽缸的結(jié)構(gòu)必須保證蒸汽補(bǔ)進(jìn)去后與主蒸汽均勻混合。我公司補(bǔ)汽式汽輪機(jī)設(shè)計(jì)了漸縮蝸殼式補(bǔ)汽缸,很好地解決了這個問題。
    補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的通流部分與不補(bǔ)汽同規(guī)格的常規(guī)汽輪機(jī)相比后缸排汽量大，即凝汽器負(fù)荷加大。末級排汽濕度大，汽缸疏水、葉片水蝕等技術(shù)問題都得到了很好的解決。
    從設(shè)備、控制方式及DCS控制系統(tǒng)設(shè)置等方面考慮主汽門與補(bǔ)汽閥之間的連鎖、保護(hù)、控制、調(diào)節(jié)，以保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。由于合理設(shè)計(jì)汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)及補(bǔ)汽點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和發(fā)電量；
    運(yùn)行方式  如果水泥系統(tǒng)廢氣余熱波動太大，補(bǔ)汽參數(shù)不穩(wěn)定，影響汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行時，可以關(guān)閉補(bǔ)汽閥，停止補(bǔ)汽，汽輪機(jī)仍能夠穩(wěn)定運(yùn)行。
    補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)：采用電液調(diào)節(jié)，自動化程度高，易于控制。
2.4  國內(nèi)已運(yùn)行的補(bǔ)汽式汽輪機(jī)分析
    目前國內(nèi)水泥行業(yè)已運(yùn)行的幾臺補(bǔ)汽式汽輪機(jī),有部分機(jī)組補(bǔ)汽不很穩(wěn)定，分析其原因，是沒有按照補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的性能要求精心設(shè)計(jì)才導(dǎo)致出現(xiàn)這樣的結(jié)果。如某廠的的補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)，補(bǔ)汽速關(guān)閥設(shè)置在7米平臺，兩個對稱的補(bǔ)汽口在汽缸下部左右對稱分布，補(bǔ)汽口前還設(shè)置有除氧器抽汽口。在同一個汽輪機(jī)上，相隔兩個壓力級，前有抽汽，后有補(bǔ)汽，通流部分設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重缺陷，由于抽汽的的影響，造成壓力波動，，既然抽汽?何必補(bǔ)汽? 其在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)補(bǔ)汽難投入是必然的。補(bǔ)汽式汽輪機(jī)必須取消回?zé)岢槠@是經(jīng)過熱力學(xué)計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)的一條基本原則。
    又如某項(xiàng)目的補(bǔ)汽式汽輪機(jī)，補(bǔ)汽較為困難。分析其原因，是因?yàn)樵搹S選用了一臺抽汽機(jī)組，將抽汽口改為補(bǔ)汽口作為補(bǔ)汽式汽輪機(jī)運(yùn)行，違背了補(bǔ)汽式汽輪機(jī)應(yīng)加大中低壓缸的通流能力這一原則，由于抽汽機(jī)組后缸的通流能力考慮了抽汽流量,其通流面積較不抽汽機(jī)組的通流面積要小，在運(yùn)行中蒸汽流量較大，造成蒸汽阻塞，補(bǔ)汽點(diǎn)壓力抬高，要補(bǔ)的蒸汽和汽輪機(jī)補(bǔ)汽點(diǎn)處難有適宜的壓差，所以補(bǔ)汽較為困難。
    而寧國水泥廠余熱發(fā)電系統(tǒng)，汽輪機(jī)為三級進(jìn)汽，一級主蒸汽，兩級補(bǔ)汽。 采用混汽式汽輪機(jī)（即補(bǔ)汽式汽輪機(jī)），利用主蒸汽和來自閃蒸器的飽和蒸汽發(fā)電；應(yīng)用熱水閃蒸技術(shù)，設(shè)置一臺高壓閃蒸器和一臺低壓閃蒸器，閃蒸出的飽和蒸汽混入汽輪機(jī)做功；其補(bǔ)汽式汽輪機(jī)運(yùn)行正常。
    補(bǔ)汽式汽輪機(jī)又稱混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)，最早是由燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)的需要發(fā)展起來的一種產(chǎn)品，采用多壓循環(huán)后向汽輪機(jī)補(bǔ)入中壓和低壓蒸汽成為必要，向汽輪機(jī)補(bǔ)汽的含義在于，從汽輪機(jī)的進(jìn)口到出口，不僅沒有抽汽，而且蒸汽的流量是增加的，而常規(guī)汽輪機(jī)來說，由于都有回?zé)岢槠?，沿通流截面的蒸汽流量是逐步減少的。補(bǔ)汽式汽輪機(jī)由于存在補(bǔ)汽且沒有抽汽，所以，排汽流量與主蒸汽流量的比值比常規(guī)汽輪機(jī)大，所以在設(shè)計(jì)中最重要的是加大中低壓缸的通流面積，而一些補(bǔ)汽式汽輪機(jī)之所以存在困難，就是由于沒有全面地按照補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致補(bǔ)汽困難。所以只要按照補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的性能要求，精心設(shè)計(jì)，補(bǔ)汽成功是沒有問題的。

3  單壓進(jìn)汽、雙壓補(bǔ)汽、閃蒸補(bǔ)汽熱力系統(tǒng)比較分析
3.1國內(nèi)余熱發(fā)電技術(shù)主要采用的三種熱力系統(tǒng)
    單壓系統(tǒng)：采用單級進(jìn)汽汽輪機(jī)及單壓AQC爐的單壓不補(bǔ)汽系統(tǒng)。
    雙壓系統(tǒng)：采用補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的雙壓單級補(bǔ)汽系統(tǒng)，AQC爐生產(chǎn)兩個不同壓力的蒸汽，一為主蒸汽，另一個為低壓補(bǔ)汽。
    閃蒸系統(tǒng)：采用補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的復(fù)合閃蒸單級補(bǔ)汽系統(tǒng)，AQC爐生產(chǎn)主蒸汽同時生產(chǎn)高溫?zé)崴?，高溫?zé)崴俳祲赫舭l(fā)出二次蒸汽后，二次蒸汽補(bǔ)入汽輪機(jī)。
3.2 蒸發(fā)受熱面和過熱受熱面要匹配
    要想多發(fā)電就應(yīng)盡量提高蒸汽初參數(shù)，即提高過熱蒸汽溫度和過熱蒸汽壓力。但過熱蒸汽壓力、鍋筒壓力、飽和溫度三者密切相關(guān)。只有高于飽和溫度以上的區(qū)段其廢氣才可以加熱過熱蒸汽，因此產(chǎn)生過熱蒸汽的能力受到限制。一般說來，過熱蒸汽產(chǎn)汽量和飽和水產(chǎn)量二者不完全匹配，需設(shè)計(jì)師進(jìn)行平衡優(yōu)化計(jì)算和設(shè)計(jì)，采取一些必要的措施。如設(shè)低壓蒸發(fā)受熱面和低壓省煤器以使排煙溫度降至90-100℃，即所稱的雙壓系統(tǒng)。 或者不另增加低壓系統(tǒng)，僅使飽和水量增加，設(shè)置閃蒸系統(tǒng)，將多余的高壓飽和水通過減壓閃蒸出飽和蒸汽補(bǔ)進(jìn)汽輪機(jī)發(fā)電，即所謂的復(fù)合閃蒸補(bǔ)汽系統(tǒng)。
3.3 系統(tǒng)發(fā)電能力
    在相同的條件下，單壓、雙壓、閃蒸三種系統(tǒng)中，單壓系統(tǒng)發(fā)電能力是最低的。以某項(xiàng)目為例，主蒸汽壓力為1.7Mpa時，鍋筒飽和溫度為204℃，考慮到換熱溫差，SP爐的出口廢氣溫度不可能低于210℃，同樣由于飽和溫度的限制，熟料冷卻機(jī)廢氣通過AQC爐生產(chǎn)主蒸汽后，廢氣溫度也在200℃以上。而這樣溫度的廢氣，其熱量也只能用于加熱鍋爐給水，由于給水量和給水溫度的限制，冷卻機(jī)廢氣溫度經(jīng)AQC蒸汽段和給水加熱段后的出口廢氣溫度也不可能降至140℃以下。由于廢氣余熱不能得以充分利用，相應(yīng)影響發(fā)電能力。
    采用雙壓系統(tǒng)時，發(fā)電能力最高。由于設(shè)置了低壓蒸發(fā)段，低壓蒸汽壓力：0.450.05Mpa，低壓段鍋筒飽和溫度 148℃，再加上設(shè)置了低壓省煤器加熱器，排煙溫度能降到95℃ 。
    采用復(fù)合閃蒸單級補(bǔ)汽系統(tǒng)，發(fā)電能力處于中等，是由于廢氣經(jīng)AQC余熱鍋爐生產(chǎn)主蒸汽后，再經(jīng)省煤器加熱段生產(chǎn)高溫?zé)崴?，生產(chǎn)出的熱水大部分作為兩臺余熱鍋爐蒸發(fā)段的給水，余下的高溫?zé)崴?jīng)過閃蒸器生產(chǎn)出低壓飽和蒸汽，低壓飽和蒸汽補(bǔ)進(jìn)汽輪機(jī)發(fā)電，閃蒸器的出水混和汽輪機(jī)的凝結(jié)水作為鍋爐的給水，由于閃蒸器的出水溫度為閃蒸器所產(chǎn)蒸汽壓力下對應(yīng)的飽和溫度，低壓蒸汽壓力：0.45+0.05Mpa，飽和溫度148℃，高于汽輪機(jī)的排汽溫度45℃，也就是說，雖然冷卻機(jī)廢氣余熱被充分利用了，但由于閃蒸器的出水焓未能轉(zhuǎn)換為電能，降低了系統(tǒng)的發(fā)電能力，但由于有閃蒸出的蒸汽補(bǔ)進(jìn)汽輪機(jī)，所以發(fā)電能力在前兩系統(tǒng)之間。
3.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
    單壓和雙壓系統(tǒng)造成的投資差別主要集中在三大主機(jī)上，對于5000水泥熟料生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)而言，雙壓系統(tǒng)只比單壓系統(tǒng)三大主機(jī)價格高100萬元左右，約占總投資的2%，其他輔助設(shè)施投資基本相同。但卻能多發(fā)400KW/h電，按保守估計(jì)300KW/h，則一年可比單壓系統(tǒng)多發(fā)電約210萬KWh，收益按0.5元/KWh計(jì)算，年收益至少在105萬元，而且收益是長期的。

4 結(jié)束語
   雙壓系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)余熱利用熱效率。雙壓技術(shù)是成熟可靠的，雙壓余熱鍋爐及補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)也是成熟可靠的，能夠保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。即使關(guān)閉補(bǔ)汽閥，停止補(bǔ)汽，汽輪機(jī)仍能夠穩(wěn)定運(yùn)行。雙壓系統(tǒng)只比單壓系統(tǒng)投資稍高，但是卻可以多發(fā)電，投資回報(bào)較好。

    中信重型機(jī)械公司致力于純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的開發(fā)研究，并將通過不斷的工程實(shí)踐，努力完善該技術(shù)，提高其適用性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。目前，已先后與十余家水泥生產(chǎn)企業(yè)簽訂了合同或意向，其中，為吉林遼源金剛水泥廠、廣東塔牌水泥集團(tuán)承建的4條純低溫余熱發(fā)電工程正在緊鑼密鼓地施工，預(yù)計(jì)今年年中將陸續(xù)完工投產(chǎn)。

    由于作者所掌握的資料和信息有限,文中觀點(diǎn)僅是個人看法,歡迎批評指正。
參考文獻(xiàn)
[1] 中國水泥網(wǎng).水泥廠純低溫余熱發(fā)電（杭州）峰會資料.2005(3) 
[2] 鄭體寬.熱力發(fā)電廠.水利電力出版社,1986
[3] 李恩辰.鍋爐計(jì)算知識.水利電力出版社,1991.
[4] 翦天聰.汽輪機(jī)原理.水利電力出版社, 1986
[5]唐金泉.提高水泥窯余熱發(fā)電能力的途徑.杭州易達(dá)工程技術(shù)有限公司水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)資料匯編,2005:157-168