摘要:

0 前言

根據(jù)中日有關(guān)方面簽訂的一項國際合作協(xié)議，由日方委托川琦重工向中方委托單位安徽省寧國水泥廠提供一套先進(jìn)、成熟、可靠的低溫余熱發(fā)電設(shè)備，安裝在寧國水泥廠4000t/d水泥生產(chǎn)線上，發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量為6480kW，設(shè)計年發(fā)電量為4087萬kWh，單位熟料發(fā)電能力為33.88kWh/t。該合作改造工程于1996年11動工，經(jīng)中日雙方工程技術(shù)人員的共同努力，于1998年2月6日一次并網(wǎng)發(fā)電成功。目前，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行正常，在窯系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，發(fā)電功率基本保持在額定功率以上。該項技術(shù)使水泥生產(chǎn)中大量的中、低溫余熱得到了充分利用，顯著降低了每噸熟料的單位能耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著。本文就該技術(shù)在寧國水泥廠的應(yīng)用作一介紹。

1 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)簡介

1.1 熱力系統(tǒng)

水泥廠余熱資源的特點是流量大、品位低。以寧國水泥廠4000t/d生產(chǎn)線為例，預(yù)熱器和冷卻機(jī)出口廢氣流量分別為258550m3/h、306600m3/h，廢氣溫度分別為340℃、238℃，其中部分預(yù)熱器廢氣用于原(燃)料的烘干。
針對上述特點，在熱力系統(tǒng)(見圖1)設(shè)計時采取如下措施：

(1)采用減速式2點混汽式汽輪機(jī)，可利用參數(shù)較低的主蒸汽及從閃蒸器出來的飽和蒸汽發(fā)電。

(2)設(shè)置具有專利技術(shù)的余熱鍋爐，能夠充分利用余熱資源。

(3)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。閃蒸出來的飽和蒸汽混入汽輪機(jī)做功。冷卻機(jī)鍋爐省煤器段出水分三路，一路直接進(jìn)冷卻機(jī)鍋爐汽包，一路作為預(yù)熱器鍋爐汽包的給水，另外一路進(jìn)入高壓閃蒸器。高壓閃蒸器出水作為低壓閃蒸器的給水(即二級閃蒸系統(tǒng))，兩股閃蒸飽和汽分別進(jìn)入汽輪機(jī)作功，而低壓閃蒸器出水又重新泵回冷卻機(jī)鍋爐省煤器。這樣冷卻機(jī)鍋爐省煤器段的工質(zhì)流量比鍋爐后段增大數(shù)倍，冷熱流體熱容量相當(dāng)，可防止出現(xiàn)局部溫差過小，甚至造成局部反傳熱而影響傳熱效果，從而保證廢氣余熱的充分利用，使出爐煙氣溫度降至90℃左右。

(4)對現(xiàn)有冷卻機(jī)進(jìn)行了廢氣二次循環(huán)改造，以提高入爐廢氣溫度，減少廢氣流量。在縮小冷卻機(jī)鍋爐體積的同時，增大了換熱量，且提高了整個系統(tǒng)的熱能品位。

(5)由于預(yù)熱器出口廢氣還要用于烘干原料，所以預(yù)熱器鍋爐不設(shè)省煤器，只設(shè)蒸發(fā)器和過熱器，從而使出爐煙溫達(dá)250℃，仍可用原料烘干。

(6)加強(qiáng)系統(tǒng)密封。凝汽器和軸封加熱器使用真空泵維持真空，抽出不凝結(jié)氣體，使鍋爐給水中溶解氧量很少，采用熱水閃蒸自除氧結(jié)合化學(xué)除氧的辦法，閃蒸逸出的不凝結(jié)氣體隨蒸汽進(jìn)入凝汽器，由真空泵抽出，化學(xué)除氧劑采用聯(lián)胺(N2H4、H2O)，加藥量僅15g/h，不另設(shè)除氧器。

1.2 余熱鍋爐

該系統(tǒng)中設(shè)兩臺余熱鍋爐，即預(yù)熱器鍋爐和冷卻機(jī)鍋爐。?

預(yù)熱器鍋爐為臥式強(qiáng)制循環(huán)鍋爐，帶汽包，設(shè)蒸發(fā)器和過熱器(見圖2)，煙氣在管外水平流動，受熱面為蛇形光管，上端固定在構(gòu)架上，下端為自由端，并焊有振打裝置之連桿。特殊設(shè)計的振打裝置對受熱面定期振打(約1次/min～6次/min)，加之蛇形管豎直懸吊在構(gòu)架上，使受熱面保持干凈無灰，從而保證了很高的傳熱效果。由于工作介質(zhì)在蛇形管內(nèi)上下流動，無法利用其重度差進(jìn)行自然循環(huán)，所以需用兩臺強(qiáng)制循環(huán)泵進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)。

冷卻機(jī)鍋爐為立式自然循環(huán)鍋爐,帶汽包。鍋爐自上而下布置過熱器、蒸發(fā)器和省煤器(見圖3),煙氣自上而下通過鍋爐，當(dāng)鍋爐煙氣含塵濃度超10g/m3，粉塵平均粒徑在150μm以上時，考慮到粉塵對管子的磨損，需設(shè)置預(yù)除塵器。由于粉塵為熟料顆粒，粘附性不強(qiáng)，加之煙氣流動方向同粉塵沉降方向一致，故冷卻機(jī)鍋爐積灰程度不高。為增大換熱面積，強(qiáng)化換熱效果，冷卻機(jī)鍋爐受熱面使用螺旋翅管(圈片管)。
預(yù)熱器鍋爐和冷卻機(jī)鍋爐的特點見表1。

表1 預(yù)熱器鍋爐及冷卻機(jī)鍋爐的特點

1.3 汽輪機(jī)

根據(jù)主蒸汽進(jìn)口參數(shù)較低，且有兩處飽和蒸汽混入的特點，采用了減速式2點混汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為5500r/min～6000r/min，減速后輸出轉(zhuǎn)速為1500r/min。汽輪機(jī)尺寸較小，暖機(jī)和沖轉(zhuǎn)所需的時間也較短。針對汽輪機(jī)后面幾級水分較多的特點，在低壓部分特別設(shè)計了集水槽和疏水孔，充分利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的離心力分離水珠。另外在末兩級葉片前部表面覆蓋了一層特殊合金，以減輕擊產(chǎn)生的損傷。調(diào)速系統(tǒng)的感應(yīng)機(jī)構(gòu)為電磁式，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液壓傳動式。根據(jù)水泥廠余熱發(fā)電的特點，在汽輪機(jī)起動過程中(提速及升負(fù)荷)，以汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為主要控制參數(shù)，以保證汽輪發(fā)電機(jī)組正常并網(wǎng)；當(dāng)機(jī)組達(dá)到額定負(fù)荷時，切換到壓力控制方式，這時以汽輪機(jī)入口蒸汽壓力為主要控制參數(shù)來調(diào)節(jié)機(jī)組輸出功率，以保證壓力基本穩(wěn)定。這種控制方式可適應(yīng)廢氣余熱參數(shù)的變化，使整個系統(tǒng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性和可靠性，并做到“熱盡其用”。當(dāng)機(jī)組出力超過某一限定值(約為額定功率的108.7%)時，自動開啟旁路閥，將部分蒸汽直接導(dǎo)入冷凝器，從而起到保護(hù)機(jī)組的作用。

1.4 監(jiān)視、檢測和控制系統(tǒng)

汽輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)視和控制由設(shè)置在現(xiàn)場的三塊控制盤——發(fā)電機(jī)監(jiān)控視盤(GP盤)、汽輪機(jī)啟動盤(TSP盤)和調(diào)速器盤(GVP盤)完成。其中GP盤設(shè)有可控硅勵磁裝置、自動(手動)同期裝置、自動電壓調(diào)速器(AVR)和自動暢游頻率調(diào)速器(APFR)。整個發(fā)電系統(tǒng)由計算機(jī)集中控制，現(xiàn)場的各種工藝參數(shù)通過傳感器轉(zhuǎn)化為電信號送到中央控制室，由計算機(jī)進(jìn)行分析并在顯示器上顯示。中控操作的方式為屏幕操作，操作人員可通過紅外觸摸屏發(fā)出指令，調(diào)整各煙風(fēng)閥門、汽水閥門的開度以及設(shè)備的起停等，使整個系統(tǒng)適應(yīng)工況變化。自控系統(tǒng)能夠根據(jù)有關(guān)參數(shù)自動調(diào)整煙風(fēng)、汽水等系統(tǒng)的平衡，能夠按操作人員的指令自動完成發(fā)電機(jī)的同期投入，并設(shè)有完善的報警和保護(hù)程序，使整個工藝流程能夠長期穩(wěn)定地運(yùn)行，同時記錄下各種工藝參數(shù)的數(shù)值備查。

2 熟料冷卻機(jī)的改造

目前，窯外分解窯所配套的篦式冷卻機(jī)的出口廢氣溫度多在200℃上下，其熱量品位很低，很難進(jìn)行動力回收。在日本，早期的水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)的冷卻機(jī)鍋爐是直接利用這股廢氣余熱的，系統(tǒng)發(fā)電效率低、發(fā)電量少。經(jīng)過多年研究和實驗，包括冷卻機(jī)改造的一整套余熱發(fā)電新技術(shù)逐漸成熟并取代了老的余熱發(fā)電技術(shù)。

眾所周知，從冷卻機(jī)各段篦床上逸出的廢氣溫度是不一樣的，因此，可以將冷卻機(jī)廢氣人為地分為兩部分，一部分是從冷卻機(jī)中部逸出的溫度在300℃以上的中溫廢氣，這部分廢氣余熱具有回收價值，另一部分是從冷卻機(jī)后部逸出的120℃左右的廢氣，這部分廢氣余熱基本沒有回收價值，且當(dāng)其與中溫廢氣混合時會降低中溫廢氣熱能的品位，使系統(tǒng)的可用能受到很大的損失。因此，冷卻機(jī)的改造與否對發(fā)電量影響很大，對于4000t/d生產(chǎn)線而言，冷卻機(jī)改造后發(fā)電量可增加2200kW，經(jīng)濟(jì)效益顯著。（作者：姚源）