摘要:

0 前言

根據中日有關方面簽訂的一項國際合作協議，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、成熟、可靠的低溫余熱發電設備，安裝在寧國水泥廠4000t/d水泥生產線上，發電機組裝機容量為6480kW，設計年發電量為4087萬kWh，單位熟料發電能力為33.88kWh/t。該合作改造工程于1996年11動工，經中日雙方工程技術人員的共同努力，于1998年2月6日一次并網發電成功。目前，發電機組運行正常，在窯系統穩定的前提下，發電功率基本保持在額定功率以上。該項技術使水泥生產中大量的中、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，經濟效益顯著。本文就該技術在寧國水泥廠的應用作一介紹。

1 低溫余熱發電系統簡介

1.1 熱力系統

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生產線為例，預熱器和冷卻機出口廢氣流量分別為258550m3/h、306600m3/h，廢氣溫度分別為340℃、238℃，其中部分預熱器廢氣用于原(燃)料的烘干。
針對上述特點，在熱力系統(見圖1)設計時采取如下措施：

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

(2)設置具有專利技術的余熱鍋爐，能夠充分利用余熱資源。

(3)應用熱水閃蒸技術，設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做功。冷卻機鍋爐省煤器段出水分三路，一路直接進冷卻機鍋爐汽包，一路作為預熱器鍋爐汽包的給水，另外一路進入高壓閃蒸器。高壓閃蒸器出水作為低壓閃蒸器的給水(即二級閃蒸系統)，兩股閃蒸飽和汽分別進入汽輪機作功，而低壓閃蒸器出水又重新泵回冷卻機鍋爐省煤器。這樣冷卻機鍋爐省煤器段的工質流量比鍋爐后段增大數倍，冷熱流體熱容量相當，可防止出現局部溫差過小，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)對現有冷卻機進行了廢氣二次循環改造，以提高入爐廢氣溫度，減少廢氣流量。在縮小冷卻機鍋爐體積的同時，增大了換熱量，且提高了整個系統的熱能品位。

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

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

1.2 余熱鍋爐

該系統中設兩臺余熱鍋爐，即預熱器鍋爐和冷卻機鍋爐。?

預熱器鍋爐為臥式強制循環鍋爐，帶汽包，設蒸發器和過熱器(見圖2)，煙氣在管外水平流動，受熱面為蛇形光管，上端固定在構架上，下端為自由端，并焊有振打裝置之連桿。特殊設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。由于工作介質在蛇形管內上下流動，無法利用其重度差進行自然循環，所以需用兩臺強制循環泵進行強制循環。

冷卻機鍋爐為立式自然循環鍋爐,帶汽包。鍋爐自上而下布置過熱器、蒸發器和省煤器(見圖3),煙氣自上而下通過鍋爐，當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，需設置預除塵器。由于粉塵為熟料顆粒，粘附性不強，加之煙氣流動方向同粉塵沉降方向一致，故冷卻機鍋爐積灰程度不高。為增大換熱面積，強化換熱效果，冷卻機鍋爐受熱面使用螺旋翅管(圈片管)。
預熱器鍋爐和冷卻機鍋爐的特點見表1。

表1 預熱器鍋爐及冷卻機鍋爐的特點

1.3 汽輪機

根據主蒸汽進口參數較低，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。汽輪機轉速為5500r/min～6000r/min，減速后輸出轉速為1500r/min。汽輪機尺寸較小，暖機和沖轉所需的時間也較短。針對汽輪機后面幾級水分較多的特點，在低壓部分特別設計了集水槽和疏水孔，充分利用轉子轉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，以減輕擊產生的損傷。調速系統的感應機構為電磁式，執行機構為液壓傳動式。根據水泥廠余熱發電的特點，在汽輪機起動過程中(提速及升負荷)，以汽輪機轉速為主要控制參數，以保證汽輪發電機組正常并網；當機組達到額定負荷時，切換到壓力控制方式，這時以汽輪機入口蒸汽壓力為主要控制參數來調節機組輸出功率，以保證壓力基本穩定。這種控制方式可適應廢氣余熱參數的變化，使整個系統有較強的適應性和可靠性，并做到“熱盡其用”。當機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，將部分蒸汽直接導入冷凝器，從而起到保護機組的作用。

1.4 監視、檢測和控制系統

汽輪發電機組的監視和控制由設置在現場的三塊控制盤——發電機監控視盤(GP盤)、汽輪機啟動盤(TSP盤)和調速器盤(GVP盤)完成。其中GP盤設有可控硅勵磁裝置、自動(手動)同期裝置、自動電壓調速器(AVR)和自動暢游頻率調速器(APFR)。整個發電系統由計算機集中控制，現場的各種工藝參數通過傳感器轉化為電信號送到中央控制室，由計算機進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出指令，調整各煙風閥門、汽水閥門的開度以及設備的起停等，使整個系統適應工況變化。自控系統能夠根據有關參數自動調整煙風、汽水等系統的平衡，能夠按操作人員的指令自動完成發電機的同期投入，并設有完善的報警和保護程序，使整個工藝流程能夠長期穩定地運行，同時記錄下各種工藝參數的數值備查。

2 熟料冷卻機的改造

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

眾所周知，從冷卻機各段篦床上逸出的廢氣溫度是不一樣的，因此，可以將冷卻機廢氣人為地分為兩部分，一部分是從冷卻機中部逸出的溫度在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，且當其與中溫廢氣混合時會降低中溫廢氣熱能的品位，使系統的可用能受到很大的損失。因此，冷卻機的改造與否對發電量影響很大，對于4000t/d生產線而言，冷卻機改造后發電量可增加2200kW，經濟效益顯著。（作者：姚源）