干法水泥熟料生产线纯低温余热发电双压技术分析

主题词：干法水泥  余热发电  双压技术

1 概述
    树立科学发展观，创建节约型社会，是我国新世纪发展的主题。大力发展循环经济，是实现节约型社会的重要途径之一，是国家倡导的产业发展方向。国家针对近年来水泥行业高速增长中带来的能源消耗高、环境污染重等状况，制定了水泥行业发展规划，鼓励日产2000吨以上水泥熟料干法生产线采用世界先进的纯低温余热发电技术，对水泥生产过程中产生的废气余热进行回收利用。
    中信重型机械公司是国家“一五”期间的重点建设项目，主要服务于矿山、建材、冶金、有色、电力、化工、环保、军工等八大领域。公司拥有首批国家级企业技术中心，具有机械甲级、水泥乙级、电力乙级工程设计资质，居全国332家国家企业技术中心第34位。从“八五”开始，公司就致力于余热发电的工程实践，与西安交通大学合作，进行科技攻关，不断完善优化汽轮机设计制造，开发研制出各种类型汽轮机——适合水泥窑余热发电、补燃电站、纯低温余热发电、垃圾焚烧发电等行业使用的中小型、最低参数可达1.27Mpa、240℃的补汽、凝汽、抽汽、背压等汽轮机。作为大型干法水泥成套设备生产的龙头企业，积极适应国家产业政策导向，经过多年来的持续开发研究和科技创新攻关，开发出了水泥熟料干法生产线的纯低温余热双压发电技术，通过了国内行业专家论证，已投入市场。为水泥行业走向循环经济提供了一项新技术，开辟了新途径，受到了水泥行业的广泛欢迎。
    近年来，随着国家树立科学发展观、大力发展循环经济，国内水泥生产线纯低温余热发电技术得到蓬勃发展，多家科研院所积极进行余热发电技术研究、建设纯余热电站工程，使得余热发电技术日臻完善。不同工程的不同热力系统，为用户提供了多种选择。但如何确定经济的余热发电技术、热力系统？为什么要采用双压系统？双压系统的技术关键点在哪？……众多余热发电热心者在思考、在分析、在探讨。
本文针对中信重型机械公司干法水泥熟料生产线纯低温余热双压发电技术，结合热工理论、锅炉和汽轮机制造技术、工程实践，认真分析研究双压技术的理论依据，探讨不同热力系统选择对余热利用的影响，为合理选择余热发电技术及热力系统提供参考。

2  双压系统技术介绍
2.1 为什么采用双压系统  
    水泥窑余热废气量很大，温度在350℃以下，为了充分利用这些低温热源，就要求发电系统更为合理。根据朗肯循环和数学微积分原理，蒸汽分段进入汽轮机做功发电是最合理的。
    双压系统可使相对高温热源（210~350℃烟气）产生较高参数的蒸汽，使相对低温热源（100~210℃烟气）产生较低参数的蒸汽，使能量分布优化，系统充分吸收低参数热量，发出更多的电能。对于火力发电，为了提高热力循环系统效率，一般应尽量提高主蒸汽参数，对于水泥窑纯低温余热发电，主蒸汽参数的选取决于水泥窑排放废气的温度，应尽可能接近废气温度，考虑的传热温差和受热面的经济性，一般有10---15℃的温差。而主蒸汽压力的选取则要多方面斟酌，例如某项目选取1.7Mpa，330℃，对于1.7Mpa的主蒸汽，其饱和温度为204℃，因换热温差的存在，烟气产生主蒸汽后，余热锅炉排出烟气温度在210℃以上，主蒸汽压力选择得越高，产生主蒸汽后的烟气排出温度越高。这样主蒸汽压力的选取，对210℃以下烟气余热利用有重大影响。这对于窑尾预热器(SP)是合适的，因为210℃左右以下的烟气热量还要用于原料烘干。但对于窑头篦冷机(AQC)来说，是不经济的，因为210℃以下热量排放掉，不仅造成能源浪费，还对环境产生了热污染。根据我国的实际情况及技术水平，AQC的排气温度在90~100℃是合适的，这样造成100~200℃之间热量的利用成为问题，根据分析这部分热量占总废热量的17~20%。为了有效地利用这部分热量，我们采用双压系统，高压主蒸汽（参数为1.7Mpa，330℃）吸收210℃以上的烟气热量，低压系统蒸汽（参数为0.45Mpa，165℃）可以吸收100~210℃之间的烟气热量。
2.2  双压系统的技术关键点
    双压锅炉  双压锅炉能使排气温度降到95℃左右，而单压锅炉只能使排气温度降到140℃左右，双压锅炉提高系统热量利用率达8%左右。我公司采用杭州锅炉厂的锅炉，杭州锅炉厂已经有非常成熟的双压锅炉技术。
补汽式汽轮机   补汽式汽轮机的设计和制造技术已经很成熟。我公司通过和西安交通大学联合，对补汽式汽轮机持续开发研究和科技创新攻关，确定了合适的补汽点，设计了蜗壳式补汽缸，解决了补汽难的问题。
    控制系统   什么工况下补汽？什么工况下不补汽?这些问题通过补汽式汽轮机的实际运行都已得到了良好的解决。采用先进、稳定的控制系统通过对主蒸汽进汽阀和补汽阀的连锁、调节，确保补汽系统的正常运行已是成熟技术。同时通过在线测试、调节控制参数等等，控制系统能确保整个系统的稳定运行。
2.3  中信重型机械公司双压系统的特点：
    参数优化   我公司与杭州锅炉厂合作，根据用户废热的不同情况和热力系统特点，兼顾锅炉和汽轮机及系统设备配置情况，进行参数优化，合理确定双压余热锅炉蒸汽参数、汽轮机主蒸汽及补汽参数，充分利用废气余热，提高系统的热效率。例如某项目选择主蒸汽参数1.7Mpa，330℃和补汽蒸汽参数0.45Mpa，165℃，就是在考虑锅炉充分吸热和蒸汽在汽轮机缸内膨胀特点而选取的。
     配置优化   采用双压锅炉、补汽凝汽式汽轮机。对于补汽式汽轮机，在主蒸汽及补汽参数确定后，补汽点的选取和补汽结构的设计是关键。我公司曾与国家建材局、西安交通大学、南京热管技术开发中心、天津大学等共同承担国家“八五”攻关项目“水泥厂中、低温余热发电工艺及装备的研究开发”。
    补汽点位置选取不当会造成蒸汽补不进去或补汽损失太大，因此必须经过详细的汽轮机通流部分计算，兼顾额定工况、最大工况和变工况以及汽轮机的实际结构才能确定补汽点。汽轮机的补汽和抽汽不同，补汽缸的结构必须保证蒸汽补进去后与主蒸汽均匀混合。我公司补汽式汽轮机设计了渐缩蜗壳式补汽缸,很好地解决了这个问题。
    补汽式汽轮机的通流部分与不补汽同规格的常规汽轮机相比后缸排汽量大，即凝汽器负荷加大。末级排汽湿度大，汽缸疏水、叶片水蚀等技术问题都得到了很好的解决。
    从设备、控制方式及DCS控制系统设置等方面考虑主汽门与补汽阀之间的连锁、保护、控制、调节，以保证汽轮机的安全运行。由于合理设计汽轮机的结构及补汽点，提高了系统的稳定性和发电量；
    运行方式  如果水泥系统废气余热波动太大，补汽参数不稳定，影响汽轮机的安全稳定运行时，可以关闭补汽阀，停止补汽，汽轮机仍能够稳定运行。
    补汽式汽轮机的调节：采用电液调节，自动化程度高，易于控制。
2.4  国内已运行的补汽式汽轮机分析
    目前国内水泥行业已运行的几台补汽式汽轮机,有部分机组补汽不很稳定，分析其原因，是没有按照补汽式汽轮机的性能要求精心设计才导致出现这样的结果。如某厂的的补汽凝汽式汽轮机，补汽速关阀设置在7米平台，两个对称的补汽口在汽缸下部左右对称分布，补汽口前还设置有除氧器抽汽口。在同一个汽轮机上，相隔两个压力级，前有抽汽，后有补汽，通流部分设计存在严重缺陷，由于抽汽的的影响，造成压力波动，，既然抽汽?何必补汽? 其在实际运行中出现补汽难投入是必然的。补汽式汽轮机必须取消回热抽汽，这是经过热力学计算优化设计的一条基本原则。
    又如某项目的补汽式汽轮机，补汽较为困难。分析其原因，是因为该厂选用了一台抽汽机组，将抽汽口改为补汽口作为补汽式汽轮机运行，违背了补汽式汽轮机应加大中低压缸的通流能力这一原则，由于抽汽机组后缸的通流能力考虑了抽汽流量,其通流面积较不抽汽机组的通流面积要小，在运行中蒸汽流量较大，造成蒸汽阻塞，补汽点压力抬高，要补的蒸汽和汽轮机补汽点处难有适宜的压差，所以补汽较为困难。
    而宁国水泥厂余热发电系统，汽轮机为三级进汽，一级主蒸汽，两级补汽。 采用混汽式汽轮机（即补汽式汽轮机），利用主蒸汽和来自闪蒸器的饱和蒸汽发电；应用热水闪蒸技术，设置一台高压闪蒸器和一台低压闪蒸器，闪蒸出的饱和蒸汽混入汽轮机做功；其补汽式汽轮机运行正常。
    补汽式汽轮机又称混压进汽式汽轮机，最早是由燃气轮机联合循环的需要发展起来的一种产品，采用多压循环后向汽轮机补入中压和低压蒸汽成为必要，向汽轮机补汽的含义在于，从汽轮机的进口到出口，不仅没有抽汽，而且蒸汽的流量是增加的，而常规汽轮机来说，由于都有回热抽汽，沿通流截面的蒸汽流量是逐步减少的。补汽式汽轮机由于存在补汽且没有抽汽，所以，排汽流量与主蒸汽流量的比值比常规汽轮机大，所以在设计中最重要的是加大中低压缸的通流面积，而一些补汽式汽轮机之所以存在困难，就是由于没有全面地按照补汽式汽轮机的要求进行设计，导致补汽困难。所以只要按照补汽式汽轮机的性能要求，精心设计，补汽成功是没有问题的。

3  单压进汽、双压补汽、闪蒸补汽热力系统比较分析
3.1国内余热发电技术主要采用的三种热力系统
    单压系统：采用单级进汽汽轮机及单压AQC炉的单压不补汽系统。
    双压系统：采用补汽式汽轮机的双压单级补汽系统，AQC炉生产两个不同压力的蒸汽，一为主蒸汽，另一个为低压补汽。
    闪蒸系统：采用补汽式汽轮机的复合闪蒸单级补汽系统，AQC炉生产主蒸汽同时生产高温热水，高温热水再降压蒸发出二次蒸汽后，二次蒸汽补入汽轮机。
3.2 蒸发受热面和过热受热面要匹配
    要想多发电就应尽量提高蒸汽初参数，即提高过热蒸汽温度和过热蒸汽压力。但过热蒸汽压力、锅筒压力、饱和温度三者密切相关。只有高于饱和温度以上的区段其废气才可以加热过热蒸汽，因此产生过热蒸汽的能力受到限制。一般说来，过热蒸汽产汽量和饱和水产量二者不完全匹配，需设计师进行平衡优化计算和设计，采取一些必要的措施。如设低压蒸发受热面和低压省煤器以使排烟温度降至90-100℃，即所称的双压系统。 或者不另增加低压系统，仅使饱和水量增加，设置闪蒸系统，将多余的高压饱和水通过减压闪蒸出饱和蒸汽补进汽轮机发电，即所谓的复合闪蒸补汽系统。
3.3 系统发电能力
    在相同的条件下，单压、双压、闪蒸三种系统中，单压系统发电能力是最低的。以某项目为例，主蒸汽压力为1.7Mpa时，锅筒饱和温度为204℃，考虑到换热温差，SP炉的出口废气温度不可能低于210℃，同样由于饱和温度的限制，熟料冷却机废气通过AQC炉生产主蒸汽后，废气温度也在200℃以上。而这样温度的废气，其热量也只能用于加热锅炉给水，由于给水量和给水温度的限制，冷却机废气温度经AQC蒸汽段和给水加热段后的出口废气温度也不可能降至140℃以下。由于废气余热不能得以充分利用，相应影响发电能力。
    采用双压系统时，发电能力最高。由于设置了低压蒸发段，低压蒸汽压力：0.450.05Mpa，低压段锅筒饱和温度 148℃，再加上设置了低压省煤器加热器，排烟温度能降到95℃ 。
    采用复合闪蒸单级补汽系统，发电能力处于中等，是由于废气经AQC余热锅炉生产主蒸汽后，再经省煤器加热段生产高温热水，生产出的热水大部分作为两台余热锅炉蒸发段的给水，余下的高温热水经过闪蒸器生产出低压饱和蒸汽，低压饱和蒸汽补进汽轮机发电，闪蒸器的出水混和汽轮机的凝结水作为锅炉的给水，由于闪蒸器的出水温度为闪蒸器所产蒸汽压力下对应的饱和温度，低压蒸汽压力：0.45+0.05Mpa，饱和温度148℃，高于汽轮机的排汽温度45℃，也就是说，虽然冷却机废气余热被充分利用了，但由于闪蒸器的出水焓未能转换为电能，降低了系统的发电能力，但由于有闪蒸出的蒸汽补进汽轮机，所以发电能力在前两系统之间。
3.4 技术经济比较
    单压和双压系统造成的投资差别主要集中在三大主机上，对于5000水泥熟料生产线纯低温余热发电系统而言，双压系统只比单压系统三大主机价格高100万元左右，约占总投资的2%，其他辅助设施投资基本相同。但却能多发400KW/h电，按保守估计300KW/h，则一年可比单压系统多发电约210万KWh，收益按0.5元/KWh计算，年收益至少在105万元，而且收益是长期的。

4 结束语
   双压系统可以提高系统余热利用热效率。双压技术是成熟可靠的，双压余热锅炉及补汽凝汽式汽轮机也是成熟可靠的，能够保证系统正常运行。即使关闭补汽阀，停止补汽，汽轮机仍能够稳定运行。双压系统只比单压系统投资稍高，但是却可以多发电，投资回报较好。

    中信重型机械公司致力于纯低温余热发电技术的开发研究，并将通过不断的工程实践，努力完善该技术，提高其适用性、稳定性、经济性。目前，已先后与十余家水泥生产企业签订了合同或意向，其中，为吉林辽源金刚水泥厂、广东塔牌水泥集团承建的4条纯低温余热发电工程正在紧锣密鼓地施工，预计今年年中将陆续完工投产。

    由于作者所掌握的资料和信息有限,文中观点仅是个人看法,欢迎批评指正。
参考文献
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[4] 翦天聪.汽轮机原理.水利电力出版社, 1986
[5]唐金泉.提高水泥窑余热发电能力的途径.杭州易达工程技术有限公司水泥窑余热发电技术资料汇编,2005:157-168