水泥窯純低溫余熱電站不同熱力系統(tǒng)配置的發(fā)電能力比較
1．前言
在全國范圍內(nèi)，目前共有為22條水泥窯配套建設(shè)的20座純低溫余熱電站投入運(yùn)行（不含臺(tái)灣地區(qū)），其中天津院主持設(shè)計(jì)的有16座。目前天津院已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢正在施工以及天津院正在設(shè)計(jì)的余熱電站還有30多座。在天津院設(shè)計(jì)的已經(jīng)投運(yùn)的余熱電站中，天津院普遍采用了單壓和雙壓的余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)；在天津院已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢正在安裝或正在設(shè)計(jì)的余熱電站中，天津院普遍采用了閃蒸、雙壓和單壓的熱力系統(tǒng)。
那么對(duì)于目前存在的三種熱力系統(tǒng)，發(fā)電能力到底如何？在一定具體條件下哪種熱力系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)更突出？以及建設(shè)單位到底采用哪一種系統(tǒng)建設(shè)余熱電站？目前各家設(shè)計(jì)單位及學(xué)者都沒能給業(yè)主以清晰的概念。本文根據(jù)二十多年來天津院從事余熱發(fā)電的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合某具體工程，分別對(duì)三種熱力系統(tǒng)配置進(jìn)行計(jì)算和分析，供業(yè)主參考。
2．單壓、閃蒸、雙壓余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)的概念
目前在水泥行業(yè)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域中，熱力系統(tǒng)主要有三種配置方式：
a. 單壓系統(tǒng)
b. 熱水閃蒸雙壓系統(tǒng)，簡稱閃蒸系統(tǒng)
c. 雙壓鍋爐雙壓系統(tǒng)，簡稱雙壓系統(tǒng)
目前普遍采用的單壓系統(tǒng)熱力流程如圖1所示。本熱力系統(tǒng)中，窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐生產(chǎn)相同或相近參數(shù)的主蒸汽，混合后進(jìn)入汽輪機(jī)，主蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)作功后經(jīng)除氧，由給水泵為窯頭余熱鍋爐供水，窯頭余熱鍋爐生產(chǎn)的熱水再為窯頭余熱鍋爐蒸汽段和窯尾余熱鍋爐供水，兩臺(tái)余熱鍋爐生產(chǎn)出合格的主蒸汽，從而形成一個(gè)完整的熱力循環(huán)。
圖1：單壓系統(tǒng)熱力流程
這個(gè)熱力系統(tǒng)的特點(diǎn)是汽輪機(jī)只設(shè)置一個(gè)進(jìn)汽口，窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐只生產(chǎn)參數(shù)相同或相近的主蒸汽。那么考慮水泥窯廢氣余熱的調(diào)配及利用、余熱鍋爐的設(shè)計(jì)、電站熱力系統(tǒng)的配置等因素的唯一的目的，就是提高主蒸汽品質(zhì)及產(chǎn)量。主蒸汽品質(zhì)及產(chǎn)量在外部條件確定的情況下，完全決定了余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率。
閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)就是在發(fā)電熱力系統(tǒng)配置中應(yīng)用了閃蒸機(jī)理，即：根據(jù)廢氣余熱品質(zhì)的不同而生產(chǎn)一定壓力的主蒸汽和及熱水，主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓進(jìn)汽口，而熱水經(jīng)過閃蒸，生產(chǎn)出低壓的飽和蒸汽，補(bǔ)入補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的低壓進(jìn)汽口，主蒸汽及低壓蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)作功，推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，共同生產(chǎn)電能。低壓蒸汽發(fā)生器內(nèi)的飽和水進(jìn)入除氧器，與冷凝水一起經(jīng)除氧后由給水泵供給鍋爐。圖2、圖3為兩種含有一級(jí)閃蒸配置的發(fā)電系統(tǒng)。
圖2.一級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)
（窯頭余熱鍋爐生產(chǎn)閃蒸熱水）
圖3.一級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)
（窯頭窯尾余熱鍋爐生產(chǎn)相同參數(shù)的熱水）
上述兩種含有閃蒸配置的發(fā)電系統(tǒng)，是根據(jù)廢氣余熱的不同尤其是余熱鍋爐允許的排煙溫度的不同而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，圖2系統(tǒng)用于窯尾排煙溫度較高的情況；圖3系統(tǒng)是一種比較靈活的配置方式，窯頭和窯尾鍋爐汽水系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，可以適應(yīng)窯尾廢氣不用于物料烘干或者物料烘干溫度可以降得很低的情況。
雙壓技術(shù)是根據(jù)水泥窯廢氣余熱的品位的不同，余熱鍋爐分別生產(chǎn)較高壓力和較低壓力的兩路蒸汽。較高壓力的蒸汽作為主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)主進(jìn)汽口推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)作功發(fā)電。余熱鍋爐生產(chǎn)出較高壓力的蒸汽后，煙氣溫度降低，余熱品位下降，那么根據(jù)低溫?zé)煔獾钠肺?，再生產(chǎn)較低壓力的低壓進(jìn)汽，進(jìn)入汽輪機(jī)的低壓進(jìn)汽口，輔助主蒸汽一起推動(dòng)汽輪機(jī)作功發(fā)電。
根據(jù)水泥窯余熱條件，尤其是窯尾排煙溫度的限制，水泥窯純低溫余熱發(fā)電雙壓系統(tǒng)主要有以下兩種基本構(gòu)成方式，如圖4、圖5所示。
圖4 雙壓系統(tǒng)
圖5 雙壓系統(tǒng)
以上圖4、圖5兩種系統(tǒng)是相對(duì)簡化的雙壓熱力系統(tǒng)，圖4系統(tǒng)用在窯尾排煙溫度高（即后續(xù)物料烘干溫度高）的情況。圖5是在圖4系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展的熱力系統(tǒng)，圖5系統(tǒng)中，窯尾余熱鍋爐的排煙溫度可以降得很低。
3．純低溫余熱電站不同熱力系統(tǒng)的發(fā)電能力的計(jì)算
以某廠為例，某廠水泥窯熟料設(shè)計(jì)產(chǎn)量為5000t/d，實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)量為5800t/d，其余熱條件如下：
窯尾進(jìn)口廢氣量： 389000Nm3/h
窯尾進(jìn)口廢氣溫度：325℃
窯尾出口廢氣溫度：200℃
窯頭冷卻機(jī)中部取風(fēng)廢氣量： 206250Nm3/h
窯頭進(jìn)口廢氣溫度：360℃
根據(jù)上述廢氣余熱條件，根據(jù)天津院的余熱發(fā)電技術(shù)，三種熱力系統(tǒng)配置下，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示：
表1
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熱力系統(tǒng)配置 |
單壓 |
閃蒸 |
雙壓 |
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主蒸汽參數(shù)(MPa-℃-t/h) |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-28.87 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-28.87 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-28.09 |
|
閃蒸系統(tǒng)低壓蒸汽參數(shù)
(MPa-℃-t/h) |
—— |
窯頭：0.137-108.7-2.37；
窯尾：0.137-108.7-0.71 |
—— |
|
雙壓系統(tǒng)低壓蒸汽參數(shù)
(MPa-℃-t/h) |
—— |
—— |
窯頭：0.15-140-4.92； |
|
鍋爐實(shí)際排煙溫度(℃) |
窯頭：102
窯尾：205 |
窯頭：80
窯尾：200 |
窯頭：77
窯尾：200 |
|
發(fā)電功率(kW) |
9326 |
9643 |
9705 |
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吸收煙氣的熱量(×104kJ/h) |
13980 |
14868 |
14950 |
|
效率（%）（即發(fā)電量與吸收的煙氣熱量的比值 |
24.02 |
23.35 |
23.37 |
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噸熟料余熱發(fā)電量(kWh/t.cl) |
38.59 |
39.90 |
40.16 |
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說明 |
按圖1熱力系統(tǒng) |
按圖3熱力系統(tǒng) |
按圖4熱力系統(tǒng) |
注明：
a) 以上計(jì)算考慮了鍋爐本體2%的散熱。
b) 以上計(jì)算發(fā)電能力按汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的整體效率80.5%考慮（按汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)設(shè)備廠家最新的數(shù)據(jù)計(jì)算），汽輪機(jī)排汽壓力、排汽溫度按0.00573MPa、35.5℃計(jì)算。
4 計(jì)算結(jié)果分析
從以上計(jì)算數(shù)據(jù)表明：
(1) 排煙溫度：
窯頭余熱鍋爐：單壓系統(tǒng)最高，雙壓系統(tǒng)最低；
窯尾余熱鍋爐：單壓系統(tǒng)最高，且不能降得很低。
(2) 吸收熱量：雙壓系統(tǒng)高于閃蒸系統(tǒng)，閃蒸系統(tǒng)高于單壓系統(tǒng)。
(3) 發(fā)電量：雙壓系統(tǒng)高于閃蒸系統(tǒng)，閃蒸系統(tǒng)高于單壓系統(tǒng)。
(4) 發(fā)電效率：單壓系統(tǒng)高于雙壓系統(tǒng)，雙壓系統(tǒng)高于散蒸系統(tǒng)。
即：雙壓系統(tǒng)窯頭余熱鍋爐排煙溫度最低，因此它吸收了更多量的廢氣余熱，這是雙壓系統(tǒng)可能具有較高發(fā)電能力的主要原因之一。雖然單壓系統(tǒng)吸收的煙氣熱量少，但是它吸收了較高溫度的廢氣余熱，較高溫度的廢氣作功能力強(qiáng)于較低溫度的廢氣，因此單壓系統(tǒng)的發(fā)電量與其吸收的煙氣熱量比值最大，即效率最高。因此可以推測(cè)出，對(duì)于給定的廢氣余熱條件，要利用它首先生產(chǎn)盡可能多的主蒸汽，然后在利用生產(chǎn)主蒸汽不能完全被利用的低溫廢氣生產(chǎn)熱水或低壓蒸汽，作為主蒸汽發(fā)電的補(bǔ)充，來提高發(fā)電能力。
根據(jù)上面的理論以及筆者多年從事設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)推測(cè)，只要單壓系統(tǒng)能夠?qū)⒏G頭的廢氣溫度降低到85℃以下時(shí)（且窯尾物料烘干溫度較高時(shí)），就沒有必要采用閃蒸和雙壓系統(tǒng)
低溫廢氣的作功能力弱，因此閃蒸和雙壓熱力系統(tǒng)中，雖然余熱鍋爐的排煙溫度可降得很低，可盡可能的多利用低溫廢氣的余熱，但是這兩種熱力系統(tǒng)整體效率稍低。
另外，電站自用電方面，單壓最低。
以上計(jì)算結(jié)果僅僅是按某廠的余熱條件進(jìn)行分析的結(jié)果，其結(jié)果僅僅是反映出發(fā)電量不同的一種大概趨勢(shì)。對(duì)于同樣的余熱條件下，個(gè)別廠的具體要求不同（比如窯尾生料磨型式不同、窯尾收塵器是電收塵或袋收塵、生料水分不同等因素導(dǎo)致烘干溫度不同），發(fā)電計(jì)算結(jié)果肯定會(huì)有更大的不同。對(duì)于上述某廠的廢氣余熱，如果窯尾排煙溫度分別為230℃和180℃時(shí)，具有的余熱發(fā)電能力見表2。
表2
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熱力系統(tǒng)配置 |
主蒸汽參數(shù)
MPa-℃-t/h |
閃蒸系統(tǒng)低壓蒸汽參數(shù)MPa-℃-t/h |
雙壓系統(tǒng)低壓蒸汽參數(shù)MPa-℃-t/h |
鍋爐實(shí)際
排煙溫度℃ |
發(fā)電功率(kW) |
噸熟料發(fā)電量(kWh/t.cl) |
說明 |
|
單壓-230 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-22.79 |
—— |
—— |
窯頭：115
窯尾：230 |
8095 |
33.50 |
|
|
單壓-180 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-28.87 |
—— |
—— |
窯頭：102
窯尾：205 |
9326 |
38.59 |
由于系統(tǒng)配置問題窯尾溫度不能降至180℃ |
|
閃蒸-230 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-22.79 |
窯頭：0.137-108.7-3.20 |
—— |
窯頭：85
窯尾：230 |
8424 |
34.86 |
|
|
閃蒸-180 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-28.87 |
窯頭：0.137-108.7-2.37；
窯尾：0.137-108.7-3.67 |
—— |
窯頭：80
窯尾：180 |
9947 |
41.16 |
|
|
雙壓-230 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-21.24 |
—— |
窯頭：0.15-140-5.38；（汽機(jī)低壓進(jìn)汽口參數(shù)下同） |
窯頭：83
窯尾：230 |
8366 |
34.62 |
|
|
雙壓-180 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-28.87 |
—— |
窯頭：0.15-140-4.20；
窯尾：0.15-140-4.06 |
窯頭：80
窯尾：180 |
10225 |
42.31 |
|
5 具體工程熱力系統(tǒng)的選擇
一般具體工程從技術(shù)角度考慮，選擇熱力系統(tǒng)主要從如下幾方面考慮：
5.1 系統(tǒng)的余熱情況
主要考慮水泥窯自身特點(diǎn)決定的煙氣量和煙氣溫度，以及煙氣用于物料烘干溫度的高低。對(duì)于已經(jīng)確定的余熱狀況，應(yīng)首先進(jìn)行單壓系統(tǒng)的配置計(jì)算，如果單壓系統(tǒng)能夠滿足最大限度的利用余熱，就沒有多余的余熱去生產(chǎn)熱水或低壓蒸汽，就沒有必要去考慮雙壓、閃蒸以及采暖等方案了。如河北某企業(yè)，窯尾配置四級(jí)預(yù)熱器，它的廢氣參數(shù)如下：
窯頭熟料冷卻機(jī)中間取風(fēng)口廢氣參數(shù)為：90000m3/h(標(biāo)況)－360℃：
窯尾預(yù)熱器出口廢氣參數(shù)：226000m3/h(標(biāo)況)－390℃，考慮后續(xù)物料烘干，窯尾鍋爐出口廢氣溫度不應(yīng)低于220℃
單壓熱力系統(tǒng)配置計(jì)算結(jié)果見表3
表3
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主機(jī)設(shè)備 |
項(xiàng)目名稱 |
單位 |
主蒸汽壓力
1.35MPa |
主蒸汽壓力
1.6MPa |
|
SP余熱鍋爐 |
進(jìn)口廢氣量 |
Nm3/h |
226000 |
226000 |
|
進(jìn)口廢氣溫度 |
℃ |
390 |
390 | |
|
主蒸汽壓力 |
MPa |
1.35 |
1.6 | |
|
主蒸汽溫度 |
℃ |
370 |
370 | |
|
主蒸汽量 |
kg/h |
24502 |
24978 | |
|
給水溫度 |
℃ |
180 |
190 | |
|
出口廢氣排煙溫度 |
|
220.2 |
220.4 | |
|
AQC余熱鍋爐 |
進(jìn)口廢氣量 |
Nm3/h |
90000 |
90000 |
|
進(jìn)口廢氣溫度 |
℃ |
360 |
360 | |
|
主蒸汽壓力 |
MPa |
1.35 |
1.6 | |
|
主蒸汽溫度 |
℃ |
350 |
350 | |
|
主蒸汽量 |
kg/h |
5640 |
5178 | |
|
給水溫度 |
℃ |
40 |
40 | |
|
出口廢氣排煙溫度 |
℃ |
79.8 |
80.0 | |
|
汽輪機(jī) |
進(jìn)汽溫度 |
℃ |
350 |
350 |
|
進(jìn)汽壓力 |
MPa |
1.25 |
1.5 | |
|
進(jìn)汽量 |
kg/h |
30142 |
30156 | |
|
發(fā)電汽耗率 |
kg/kW |
4.901 |
4.781 | |
|
發(fā)電功率 |
kW |
6188 |
6347 | |
|
排汽壓力 |
MPa |
0.007 |
0.007 |
該廠窯頭廢氣量偏低，從表中可以看出，按單壓熱力系統(tǒng)配置，主蒸汽壓力無論是1.35MPa還是1.5MPa，均能把窯頭廢氣溫度降到80℃，以及把窯尾廢氣溫度降低到滿足物料烘干必須的220℃。對(duì)于這種參數(shù)的廢氣，如果強(qiáng)制進(jìn)行閃蒸或雙壓配置，則必須以減少主蒸汽產(chǎn)量為代價(jià)，得不償失。
5.2 系統(tǒng)是否能最大限度的回收廢氣的余熱
如果按單壓配置后，窯尾和窯頭仍有多余的低溫廢氣的熱量沒有被利用完，原則上還應(yīng)采取閃蒸或雙壓系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的利用。
5.3 系統(tǒng)是否簡捷，是否便于操作、運(yùn)行、管理、維修，以及配置的員工的數(shù)量
單壓系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)構(gòu)成簡單，設(shè)備數(shù)量少，便于操作、運(yùn)行、管理和維修，同時(shí)配置的員工的數(shù)量少。大部分水泥企業(yè)對(duì)發(fā)電了解都不多，因此配置單壓系統(tǒng)，可減少電站管理和運(yùn)行的難度。
5.4 系統(tǒng)是否能最大限度的適應(yīng)水泥窯的波動(dòng)
單壓和閃蒸系統(tǒng)對(duì)水泥窯的波動(dòng)適應(yīng)能力較強(qiáng)，雙壓系統(tǒng)稍差。
5.5 是否希望余熱電站能夠供應(yīng)廠區(qū)的全部或部分范圍內(nèi)的采暖
對(duì)于閃蒸系統(tǒng)，在北方地區(qū)，冬季可以用余熱鍋爐生產(chǎn)的熱水進(jìn)行廠區(qū)內(nèi)全部或部分面積的采暖，夏季可以用余熱鍋爐生產(chǎn)的熱水進(jìn)行閃蒸，閃蒸出的低壓蒸汽用于發(fā)電。
5.6 廠區(qū)發(fā)電廠房的布置位置等
電站主廠房與水泥窯的距離會(huì)增加雙壓系統(tǒng)中低壓蒸汽的輸送損失。也會(huì)增加用于輸送大量閃蒸用熱水的給水泵的功率。
6 小結(jié)
①. 天津院作為水泥行業(yè)余熱回收利用及發(fā)電的領(lǐng)跑者，具有單壓、閃蒸和雙壓的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，并且使用單位廣，技術(shù)成熟可靠。
②. 利用天津院的技術(shù)，單壓系統(tǒng)具有約33~38kWh/t.cl的余熱發(fā)電能力，閃蒸系統(tǒng)具有約34~40kWh/t.cl的余熱發(fā)電能力，雙壓系統(tǒng)具有約34~42kWh/t.cl的余熱發(fā)電能力，
③. 對(duì)于不同的廢氣余熱參數(shù)，要進(jìn)行具體熱力系統(tǒng)配置并計(jì)算，通過比較才能確定出最合適的熱力系統(tǒng)方案。
④. 雙壓和閃蒸系統(tǒng)，因?yàn)槔昧烁嗟蜏囟蔚膹U氣余熱，即可以把廢氣溫度降得更低，因此具有較高的發(fā)電能力。但是當(dāng)水泥生產(chǎn)不允許廢氣溫度降得很低時(shí)，或者單壓熱力系統(tǒng)配置及計(jì)算時(shí)，已經(jīng)能把廢氣溫度降得很低時(shí)，就不能勉強(qiáng)采用閃蒸和雙壓系統(tǒng)。
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