某水泥厂余热发电单\双压方案比较

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摘要：针对某水泥公司新建的余热发电项目，通过热力计算以及比较汽轮机和锅炉厂提供的实测数据方法，得出9MW规模的余热发电采用单压发电方案优于双压发电方案。

关键词：余热发电；单、双压方案比较

中图分类号：TB857文献标识码： A

前言

水泥企业充分利用余热电站，既有利于降低水泥生产成本，减缓企业电源容量不足，又有利于环境保护和经济发展战略。目前，国内多采用单压余热和双压余热发电两种方案，闪蒸系统应用极少。本文主要讨论某水泥厂新建余热发电系统单、双压方案的比较。

1.烟气参数

由水泥厂提供按照实际5500t/d产量设计且二三次风使用正常时，预热器以及篦冷机去余热发电锅炉的废气参数如下：

（1）窑尾废气参数：

废气量：307292Nm3/h

锅炉进气温度：320℃

锅炉出气温度：206℃

废气含尘浓度：

负压：5100Pa

（2）窑头废气参数：

废气量：163547Nm3/h

锅炉进气温度：360℃

锅炉出气温度：89℃

废气含尘浓度：

负压：300～500Pa

2.单、双压方案介绍

根据水泥厂提供的烟气参数以及施工条件，确定如下单压热力系统方案和双压热力系统方案。

2.1单压热力系统

目前普遍采用的单压系统汽水流程如图1所示。本系统中，窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉生产相同或相近参数的主蒸汽，混合后进入汽轮机，主蒸汽在汽轮机内做功，经凝汽器冷凝后再由凝结水泵送至除氧器进行除氧，再经由给水泵送去窑头余热锅炉，窑头余热锅炉省煤器产生的热水一部份进入窑头余热锅炉蒸汽段，另一部份转至窑尾余热锅炉供水，两台余热锅炉再生产出合格的主蒸汽，从而形成一个完整的热力循环。如下图1所示。

图1 单压系统热力流程

如采用单压系统，则产生的蒸汽参数如下：窑头锅炉产过热蒸汽15.4t/h，蒸汽温度340℃，蒸汽压力1.25MPa。窑尾锅炉产过热蒸汽22.9t/h，蒸汽温度300℃，蒸汽压力1.25MPa。

2.2双压热力系统

双压技术是根据水泥窑废气余热品位的不同，按照能量梯级利用的原理，余热锅炉分别生产较高压力和较低压力的两路蒸汽。

本工程窑头锅炉配置高、低压两个锅筒，生产不同压力的两路蒸汽，分别为低压主蒸汽和较低压蒸汽，窑尾锅炉配置一个锅筒，生产的主蒸汽与窑头锅炉主蒸汽一起送至汽轮机高压端发电。窑头余热锅炉生产出较高压力的蒸汽后，烟气温度降低，余热品位下降，低品位的烟气，再生产较低压力的蒸汽进入汽轮机的低压进气口，辅助主蒸汽一起推动汽轮机做功发电。见图2所示。

如采用双压系统，则产生的蒸汽参数如下：窑头锅炉产过热蒸汽14.8t/h ，蒸汽温度340℃，蒸汽压力1.25MPa；产过热蒸汽3.5t/h，蒸汽温度170℃，蒸汽压力0.25 MPa。窑尾锅炉产过热蒸汽22t/h，蒸汽温度300℃，蒸汽压力1.25MPa。

图2：双压系统热力流程

3.单、双压系统比较

3.1发电量的比较

基于余热锅炉热力计算和水动力循环校核[1-3]，在表1的六个工况下，单、双压系统的发电量见图3。（注：本次计算中汽轮机住蒸汽内效率取82%，汽轮机补汽内效率80%，汽轮机机械效率98%，系统散热损失效率97%）

表1

图3- 单、双压系统在相同烟气参数下的发电量

由上图可知，在相同工况下，双压系统发电量高于单压系统发电量，取六个工况算术平均值，双压系统发电量高于单压系统发电量的4.65%。

3.2费用的比较

双压系统相对单压系统，在工艺流程上多了低压补汽系统和低压给水系统，体现在设备上主要是窑头锅炉和汽轮机的结构制造比单压系统复杂：双压系统要求窑头锅炉有高、低压两个汽包；要求汽轮机带补汽装置，从而设备、安装等成本高于单压系统约200万元，一次性投入较高。

由上节得出双压系统较单压系统多发电4.65%，按照年运行7500小时、电站自用电率8%、工业用电均价0.5元/KW·h来计算，双压系统比单压系统年节省电费93.8万。

3.3运行稳定性的比较

单压系统在国内普遍应用，技术成熟，尤其在汽轮机的选择上相对简单，系统运行稳定。另外，随着单压技术的不断完善，已能使窑头锅炉排烟温度下降到95℃以下，烟气余热利用效率得到提高。缺点是，从理论计算其余热回收热效率比双压系统低。

双压系统在国内也有较多应用，随着水泥线初期投产应用效果普遍反映较好，评价双压系统的关键点是汽轮机补汽系统能否真正持续投入。

双压系统较单压系统的多发电量在绝大程度上取决于汽轮机的顺利、持续补汽运行。一方面从发电厂补汽式汽轮机设备角度分析，补入的为饱和蒸汽，对主蒸汽产生冲击之外也容易产生水滴带入汽轮机，同时补汽进入汽缸，使得上、下缸壁面温差增大，膨胀不均匀，造成机组振动增大，不利于安全、稳定运行。国内一些知名汽轮机厂如青岛汽机厂、杭州汽机厂针对以上设计出各自独特的补汽装置，但是否能确保顺利投入补汽，实现持续双压运行，需要在实际运行中考证。另一方面从余热发电热力系统及余热锅炉配置角度分析，配置不当也会引起补汽不能投入正常运行。余热发电属于水泥厂的附属配套产业，余热热源由水泥生产线排出的废气提供，水泥窑生产发生大幅度波动时必然会带来余热发电热源的大幅度变化，当余热锅炉、热力系统的配置不具备调整蒸汽压力及稳定蒸汽温度的能力时，造成补汽蒸汽压力及温度的大幅度波动，使得补汽系统不能正常投入运行。在这一点上，希望水泥设计院与锅炉、汽机设计单位增强沟通与研究，使得余热发电能更贴切联系水泥生产工艺的变化，从而保证工况稳定，顺利实现双压补汽。

4.结语

通过上一节各方面的比较，单、双压系统各有优势：单压系统运行稳定，发电量较双压系统少4.65%；双压系统余热利用率提高，一次投入比单压系统高200万元，是否实现双压运行待定。从目前国内双压运行情况看，建议9MW规模的余热电站采用单压系统较为合适。

参考文献：

[1]古大田.废热锅炉[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2]黄锦涛. 纯低温双压余热发电系统性能分析及参数优化[J].锅炉技术，2009.3（40）

[3]加热炉余热锅炉水循环计算软件的开发[D].沈阳：东北大学，2009.