水泥窯與余熱發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制

　　1 引言

　　水泥行業(yè)是一個(gè)高耗能行業(yè)，所以水泥行業(yè)的節(jié)能減排倍受重視。余熱發(fā)電技術(shù)(特別是純低溫余熱發(fā)電技術(shù))作為一種重要的節(jié)能減排技術(shù)，在水泥行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，且節(jié)能效果顯著。

　　新型干法水泥窯純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)遵循的基本原則為：不能影響水泥的正常生產(chǎn);不能增加水泥熟料的燒成熱耗及電耗;不改變水泥生產(chǎn)用原燃料的烘干熱源;不改變水泥生產(chǎn)的工藝流程及設(shè)備。但在新型干法水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的窯頭、窯尾增加回收廢氣熱量的余熱鍋爐，二者共同組成一個(gè)新的整體，一個(gè)相互耦合的系統(tǒng)。盡管現(xiàn)有的生產(chǎn)線設(shè)立兩個(gè)控制室將兩者分開的控制，且以水泥生產(chǎn)線“均衡穩(wěn)定生產(chǎn)”為前提，但作為整體中的一部分，對(duì)其某些參數(shù)的控制和調(diào)整肯定影響著其它部分的運(yùn)行，只是這種影響是有利的還是有害的，影響較大還是較小。

　　為使整套系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效地運(yùn)行，有必要研究二者之間的相互影響關(guān)系，并對(duì)兩系統(tǒng)采取協(xié)調(diào)控制的措施，使系統(tǒng)整體效益最大。

　　2 水泥窯與余熱發(fā)電系統(tǒng)的相互影響關(guān)系

　　2.1 水泥窯工況的變化對(duì)余熱發(fā)電系統(tǒng)的影響

　　回轉(zhuǎn)窯的產(chǎn)量、入窯生料成分和含水量、燃料特性等因素影響著回轉(zhuǎn)窯的工況，同時(shí)也影響著余熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行。如生料水分影響著出預(yù)熱器進(jìn)SP爐的煙氣溫度。

　　受窯頭排風(fēng)機(jī)負(fù)荷和系統(tǒng)阻力增加的影響，經(jīng)過(guò)AQC爐的廢氣量減少，影響AQC爐的出力，降低了系統(tǒng)的發(fā)電能力。

　　分解爐、預(yù)熱器內(nèi)結(jié)皮等使進(jìn)入SP鍋爐的廢氣量減少，廢氣溫度降低，直接影響SP爐的出力。

　　2.2 余熱電站的投運(yùn)對(duì)水泥窯生產(chǎn)的影響

　　窯頭余熱鍋爐的取風(fēng)口在二段，靠近篦冷機(jī)的高溫段，它直接影響入窯二次風(fēng)溫[1]和三次風(fēng)溫^[2]，若篦冷機(jī)設(shè)置多個(gè)取風(fēng)口，還使系統(tǒng)復(fù)雜，窯頭負(fù)壓控制困難^[1]。

　　AQC爐投運(yùn)后，增加了系統(tǒng)的阻力，且系統(tǒng)漏風(fēng)量也大，直接導(dǎo)致窯頭排風(fēng)量增加，電機(jī)負(fù)荷增加，耗電增加。嚴(yán)重時(shí)，還可能使窯頭排風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷或窯頭罩負(fù)壓達(dá)不到要求。

　　若AQC爐煤磨的取風(fēng)口都設(shè)置在篦冷機(jī)中溫區(qū)時(shí)，AQC爐的投運(yùn)，煤磨入口負(fù)壓增加，煤磨用風(fēng)溫度降低，煤磨產(chǎn)量下降，耗電增加^[1]。

　　AQC鍋爐的投運(yùn)，降低了入除塵器的溫度，保護(hù)了窯頭電除塵設(shè)備，使收塵效果改善，較低的排風(fēng)溫度也有利于窯頭排風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行^[1]，另外也降低了篦冷機(jī)的噴水量。

　　增設(shè)SP余熱鍋爐，增加了系統(tǒng)阻力，造成漏風(fēng)量增加，高溫風(fēng)機(jī)電耗增加^[1]。

　　增設(shè)SP余熱鍋爐，使入生料磨的烘干廢氣溫度下降，煤磨增大閥門開度，提高通風(fēng)量，加劇了磨損的同時(shí)烘干效果也打折。原料磨冬季自然溫度低或夏季含水量大時(shí)，磨機(jī)產(chǎn)量略有下降，運(yùn)行時(shí)問(wèn)稍有增加，每噸生料多耗電約3～4kWh^[3]。

　　SP鍋爐降低了入生料磨廢氣的溫度，減少了增濕塔噴水量，同時(shí)也減小了入除塵器的煙氣量，降低了尾排風(fēng)機(jī)的負(fù)荷，減少電耗。

　　SP鍋爐采用振打除灰時(shí)，回灰不穩(wěn)定，使入窯生料成分波動(dòng)較大^[1] ，回轉(zhuǎn)窯工況不穩(wěn)定，孰料質(zhì)量降低。

　　如果回轉(zhuǎn)窯操作員的經(jīng)驗(yàn)不足，生產(chǎn)過(guò)程中還可能出現(xiàn)如下的現(xiàn)象^[4]：(1)回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)量低，煤耗電耗偏高;(2)生料磨產(chǎn)量低，出口溫度低，電耗高。

　　3 低溫余熱發(fā)電與水泥生產(chǎn)協(xié)調(diào)控制

　　低溫余熱發(fā)電與水泥生產(chǎn)協(xié)調(diào)控制可以包含三個(gè)層次的含義：水泥生產(chǎn)物料、燃料的協(xié)調(diào)控制;窯系統(tǒng)與余熱鍋爐的協(xié)調(diào)控制;余熱鍋爐與汽輪發(fā)電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制。其關(guān)系如圖1所示：

　　圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)圖

　　3.1 水泥孰料生產(chǎn)中物料、燃料的協(xié)調(diào)控制

　　新型干法水泥生產(chǎn)物料、燃料的協(xié)調(diào)控制主要是實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)線的均衡穩(wěn)定生產(chǎn)。根據(jù)理論分析及生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，新型干法水泥生產(chǎn)線“均衡穩(wěn)定”生產(chǎn)是非常重要的，它不僅是氣流和物料在懸浮狀態(tài)下保持良好熱交換的必需條件，也是保持懸浮預(yù)熱器及分解爐各部位合理風(fēng)速的要求，因此，生產(chǎn)中最重要的工藝原則是“五穩(wěn)保一穩(wěn)”，即：以保證入窯生料化學(xué)成分的穩(wěn)定、保證入窯生料喂入量的穩(wěn)定、保證入窯煤粉化學(xué)成分的穩(wěn)定、保證入窯煤粉喂入量的穩(wěn)定、保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率的穩(wěn)定來(lái)確保熟料燒成窯系統(tǒng)熱工制度的穩(wěn)定。在窯系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)控制過(guò)程中，窯系統(tǒng)的通風(fēng)狀況主要是通過(guò)高溫風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門的開度或高溫風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)，窯與分解爐兩者的通風(fēng)比率主要依據(jù)分解爐各相應(yīng)部位廢氣成分調(diào)節(jié)分解爐入口二次風(fēng)管風(fēng)門來(lái)控制。同時(shí)，由于窯尾排風(fēng)機(jī)通常是在最大負(fù)荷下運(yùn)行，喂煤量的改變會(huì)引起排風(fēng)量隨之改變，容易引起整個(gè)操作紊亂。所以在一般情況下，不進(jìn)行喂煤量的變動(dòng)，或者進(jìn)行緩慢的改變。

　　為使物料和燃料能夠協(xié)調(diào)供應(yīng)，在生產(chǎn)過(guò)程中，逐步建立一套物料量、燃料量和其它相關(guān)參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系表(或圖)，在運(yùn)行中逐步完善，形成物料、燃料最佳配比。

　　3.2 水泥窯系統(tǒng)與余熱鍋爐的協(xié)調(diào)控制

　　窯系統(tǒng)與余熱鍋爐的協(xié)調(diào)控制主要是保證水泥生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，充分利用好廢氣的熱量，提高噸熟料發(fā)電量。水泥生產(chǎn)過(guò)程和余熱發(fā)電過(guò)程相互耦合作用，以穩(wěn)定水泥生產(chǎn)為主，這樣就要求余熱發(fā)電過(guò)程應(yīng)能夠很好地適應(yīng)水泥生產(chǎn)過(guò)程調(diào)整，具有可靠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的調(diào)節(jié)手段。根據(jù)水泥生產(chǎn)純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)工藝流程分析，余熱發(fā)電系統(tǒng)投入運(yùn)行后會(huì)對(duì)水泥生產(chǎn)具有一定的影響，主要集中在以下幾方面。(1)對(duì)窯尾高溫風(fēng)機(jī)的影響：在窯尾SP 鍋爐漏風(fēng)控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受熱面配置、清灰設(shè)計(jì)、除灰設(shè)計(jì)、廢氣管道設(shè)計(jì)合適的條件下，電站投入運(yùn)行后， 窯尾高溫風(fēng)機(jī)負(fù)荷將有所降低， 這種影響是正面的。(2)對(duì)增濕塔的影響：將隨著電站的投入或解列以及廢氣流量的分布等調(diào)整噴水量，直至停止或全開噴水。(3)對(duì)生料粉磨及煤磨的影響：隨著電站的投入或解列， 烘干廢氣溫度將產(chǎn)生較大幅度的變化，需要根據(jù)烘干廢氣溫度的變化調(diào)整烘干廢氣量或生料粉磨的運(yùn)行方式。(4)對(duì)窯尾電除塵影響：由于地區(qū)不同、配料不同、燃料不同或其它條件不同，余熱電站投入運(yùn)行后會(huì)對(duì)窯尾電除塵的除塵效果產(chǎn)生不同程度的影響。(5)對(duì)窯頭電除塵器的影響：電站投入運(yùn)行后， 窯頭電除塵器工作溫度大為降低， 粉塵負(fù)荷也相應(yīng)降低，提高了除塵效率。(6)對(duì)窯系統(tǒng)操作的影響：由于窯系統(tǒng)增加了兩臺(tái)余熱鍋爐， 而余熱鍋爐廢氣不但取自水泥生產(chǎn)系統(tǒng)，而且還要送回水泥生產(chǎn)系統(tǒng)，勢(shì)必增加窯系統(tǒng)窯頭、窯尾、廢氣處理、生料粉磨、煤制備系統(tǒng)的操作環(huán)節(jié)。

　　水泥生產(chǎn)過(guò)程決定余熱發(fā)電過(guò)程。對(duì)于純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，影響噸熟料發(fā)電量的因素很多，如熟料熱耗(涉及窯頭、窯尾廢氣溫度等);熟料形成熱(涉及生料配料成分);原料、燃料烘干所需要的廢氣溫度、廢氣量(涉及可用于發(fā)電的余熱量);電站熱力系統(tǒng)構(gòu)成方式及蒸汽參數(shù)( 涉及發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)效率);熟料實(shí)際產(chǎn)量和規(guī)模(涉及鍋爐、汽輪機(jī)等設(shè)備效率);廢熱取熱方式(涉及對(duì)窯生產(chǎn)及熟料熱耗的影響)等等，主要考慮的是水泥窯自身特點(diǎn)決定的廢氣量和廢氣溫度，以及廢氣用于物料烘干溫度的高低。在純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中，熱源可分為兩部分：一部分為窯尾預(yù)熱器預(yù)熱生料后產(chǎn)生的廢氣，這部分廢氣在水泥窯產(chǎn)量變化不大的情況下比較穩(wěn)定，熱量所占比例較大，但廢氣中含有大量的粉塵，粉塵顆粒細(xì)，容易在鍋爐受熱面上積灰;另一部分為窯頭冷卻機(jī)冷卻熟料后的熱空氣，由于水泥熟料在煅燒及落入冷卻機(jī)冷卻的工藝過(guò)程中的不穩(wěn)定，冷卻機(jī)處熱空氣溫度波動(dòng)較大，波動(dòng)值最高可達(dá)100℃以上，并且隨機(jī)性很強(qiáng)，難以控制。窯頭運(yùn)行工況的劇烈變化會(huì)破壞自然循環(huán)余熱鍋爐的水動(dòng)力平衡，甚至可能造成所謂的“汽塞”現(xiàn)象，導(dǎo)致鍋爐汽包水位異常，危及鍋爐的安全運(yùn)行。因此，窯頭AQC鍋爐協(xié)調(diào)控制對(duì)純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用。

　　在純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中，窯尾SP余熱鍋爐加裝有旁路系統(tǒng)，廢氣可以經(jīng)余熱鍋爐吸熱降溫至210℃左右再進(jìn)入高溫風(fēng)機(jī)或經(jīng)過(guò)旁路系統(tǒng)送至原系統(tǒng)直接進(jìn)入高溫風(fēng)機(jī)。在窯頭將篦冷機(jī)余風(fēng)抽風(fēng)口設(shè)置為兩個(gè)，一只靠前，一只在后，靠前的高溫抽風(fēng)口熱風(fēng)送AQC鍋爐，靠后的低溫抽風(fēng)與AQC鍋爐出風(fēng)混合后經(jīng)除塵器和余風(fēng)風(fēng)機(jī)排入大氣，兩路廢氣的流量通過(guò)各抽風(fēng)口進(jìn)出口調(diào)節(jié)風(fēng)門來(lái)調(diào)節(jié)。余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，SP鍋爐旁路閥的開關(guān)，AQC鍋爐抽風(fēng)口調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度、閥門調(diào)節(jié)順序、閥門動(dòng)作快慢等擾動(dòng)會(huì)對(duì)窯系統(tǒng)的溫度場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)等熱工參數(shù)分布產(chǎn)生一定的影響，通過(guò)對(duì)不同操作方式的對(duì)比研究，確定最佳的調(diào)整操作方式，減少擾動(dòng)對(duì)水泥生產(chǎn)系統(tǒng)“均衡穩(wěn)定生產(chǎn)”的影響，保證余熱發(fā)電系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。同時(shí)，進(jìn)行調(diào)節(jié)閥門控制策略研究，確定水泥生產(chǎn)與余熱發(fā)電合理的控制方式。由于余熱發(fā)電系統(tǒng)必須適應(yīng)水泥生產(chǎn)工況的波動(dòng)，具有明顯的非線性特征，不能建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制難度大。而模糊控制具有智能化、能夠進(jìn)行非線性系統(tǒng)控制等優(yōu)點(diǎn)，將在DCS控制平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行余熱發(fā)電系統(tǒng)模糊控制策略研究，建立合理的控制規(guī)則，提高余熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

　　余熱發(fā)電過(guò)程反作用于水泥生產(chǎn)過(guò)程。余熱發(fā)電過(guò)程影響這余熱鍋爐出口煙氣的溫度，影響著系統(tǒng)阻力和通風(fēng)狀況。

　　3.3 余熱鍋爐與汽輪發(fā)電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制

　　余熱鍋爐與汽輪發(fā)電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制主要是在余熱鍋爐系統(tǒng)波動(dòng)較大的情況下，保證汽輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。水泥生產(chǎn)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)是利用窯的廢氣熱量來(lái)進(jìn)行發(fā)電，其基本原則是：以熱定電，即當(dāng)水泥窯的廢氣流量、溫度增加時(shí)，余熱鍋爐的產(chǎn)汽量增大，余熱發(fā)電量增加，而水泥窯的廢氣流量、溫度降低時(shí)，余熱鍋爐的產(chǎn)汽量減少，余熱發(fā)電量降低。由于新型干法水泥生產(chǎn)的特點(diǎn)，窯頭廢氣溫度、窯尾廢氣溫度波動(dòng)較大，相應(yīng)地可利用的余熱量也會(huì)隨之波動(dòng)，導(dǎo)致余熱鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)汽量、汽溫出現(xiàn)較大的波動(dòng)，影響汽輪發(fā)電機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行。余熱鍋爐可調(diào)節(jié)手段有限，調(diào)節(jié)響應(yīng)慢，汽輪機(jī)組調(diào)節(jié)響應(yīng)快，可通過(guò)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)進(jìn)汽量來(lái)保證蒸汽系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，并通過(guò)研究合理的余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行控制方式，使余熱發(fā)電系統(tǒng)適應(yīng)廢氣余熱參數(shù)的變化，整個(gè)系統(tǒng)有較高的適應(yīng)性和可靠性。

　　4 總結(jié)

　　水泥窯系統(tǒng)和余熱發(fā)電系統(tǒng)不是彼此獨(dú)立的，而是一個(gè)耦合的相互聯(lián)系的整體。本文分析了水泥窯和余熱發(fā)電系統(tǒng)兩者在運(yùn)行過(guò)程中相互的影響關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)對(duì)協(xié)調(diào)控制打下了基礎(chǔ)。

　　通過(guò)對(duì)水泥窯和余熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)的安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。減少余熱發(fā)電系統(tǒng)對(duì)水泥生產(chǎn)過(guò)程的影響，避免主蒸汽參數(shù)大幅波動(dòng)，滿足汽輪機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定、高效運(yùn)行，提高孰料產(chǎn)量和余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，使整體效益最高。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 劉天振.余熱發(fā)電對(duì)回轉(zhuǎn)窯和磨機(jī)系統(tǒng)的影響.水泥[J]，2009,5.

　　[2] 張福濱.常規(guī)擴(kuò)展余熱發(fā)電系統(tǒng)和非常規(guī)余熱發(fā)電系統(tǒng)介紹.水泥[J]，2007,9.

　　[3] 陳建國(guó).5500t/d孰料新型干法生產(chǎn)線國(guó)產(chǎn)化純低溫余熱發(fā)電機(jī)組運(yùn)行分析.水泥技術(shù)[J]，2007，1.

　　[4] 趙進(jìn)城.余熱發(fā)電對(duì)窯和磨系統(tǒng)運(yùn)行的影響.水泥[J]，2008,2.