0 前言
圖1 熱力系統(tǒng)示意圖
根據(jù)中日有關(guān)方面簽訂的一項(xiàng)國(guó)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(guó)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(guó)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(jì)年發(fā)電量為4087萬(wàn)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(dòng)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(xiàng)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(guó)水泥廠的應(yīng)用作一介紹。
1 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介
1.1 熱力系統(tǒng)
水泥廠余熱資源的特點(diǎn)是流量大、品位低。以寧國(guó)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(duì)上述特點(diǎn)，在熱力系統(tǒng)(見圖1)設(shè)計(jì)時(shí)采取如下措施：
(1)采用減速式2點(diǎn)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(lái)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(tái)高壓閃蒸器和一臺(tái)低壓閃蒸器。閃蒸出來(lái)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(jí)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(duì)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?gòu)U氣流量。在縮小冷卻機(jī)鍋爐體積的同時(shí)，增大了換熱量，且提高了整個(gè)系統(tǒng)的熱能品位。
圖2 預(yù)熱器鍋爐
(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?jī)H15g/h，不另設(shè)除氧器。
1.2 余熱鍋爐
該系統(tǒng)中設(shè)兩臺(tái)余熱鍋爐，即預(yù)熱器鍋爐和冷卻機(jī)鍋爐。
圖3 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(dòng)，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(jì)的振打裝置對(duì)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(wú)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(dòng)，無(wú)法利用其重度差進(jìn)行自然循環(huán)，所以需用兩臺(tái)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過10g/m³，粉塵平均粒徑在150μm以上時(shí)，考慮到粉塵對(duì)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(dòng)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(diǎn)見表1。

表1 預(yù)熱器鍋爐及冷卻機(jī)鍋爐的特點(diǎn)

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(diǎn)，采用了減速式2點(diǎn)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(shí)間也較短。針對(duì)汽輪機(jī)后面幾級(jí)水分較多的特點(diǎn)，在低壓部分特別設(shè)計(jì)了集水槽和疏水孔，充分利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力分離水珠。另外在末兩級(jí)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(dòng)式。根據(jù)水泥廠余熱發(fā)電的特點(diǎn)，在汽輪機(jī)起動(dòng)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(shí)，切換到壓力控制方式，這時(shí)以汽輪機(jī)入口蒸汽壓力為主要控制參數(shù)來(lái)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(gè)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(shí)，自動(dòng)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(cè)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(chǎng)的三塊控制盤——發(fā)電機(jī)監(jiān)控視盤(GP盤)、汽輪機(jī)啟動(dòng)盤(TSP盤)和調(diào)速器盤(GVP盤)完成。其中GP盤設(shè)有可控硅勵(lì)磁裝置、自動(dòng)(手動(dòng))同期裝置、自動(dòng)電壓調(diào)速器(AVR)和自動(dòng)暢游頻率調(diào)速器(APFR)。整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)集中控制，現(xiàn)場(chǎng)的各種工藝參數(shù)通過傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送到中央控制室，由計(jì)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(gè)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(dòng)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(dòng)完成發(fā)電機(jī)的同期投入，并設(shè)有完善的報(bào)警和保護(hù)程序，使整個(gè)工藝流程能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，同時(shí)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(dòng)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(shí)驗(yàn)，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)。
圖4
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(jià)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(jià)值，且當(dāng)其與中溫廢氣混合時(shí)會(huì)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(duì)發(fā)電量影響很大，見圖4。
由圖4可知，對(duì)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。

(未完待續(xù))