摘要:

0 前言

根据中日有关方面签订的一项国际合作协议，由日方委托川琦重工向中方委托单位安徽省宁国水泥厂提供一套先进、成熟、可靠的低温余热发电设备，安装在宁国水泥厂4000t/d水泥生产线上，发电机组装机容量为6480kW，设计年发电量为4087万kWh，单位熟料发电能力为33.88kWh/t。该合作改造工程于1996年11动工，经中日双方工程技术人员的共同努力，于1998年2月6日一次并网发电成功。目前，发电机组运行正常，在窑系统稳定的前提下，发电功率基本保持在额定功率以上。该项技术使水泥生产中大量的中、低温余热得到了充分利用，显著降低了每吨熟料的单位能耗，经济效益显著。本文就该技术在宁国水泥厂的应用作一介绍。

1 低温余热发电系统简介

1.1 热力系统

水泥厂余热资源的特点是流量大、品位低。以宁国水泥厂4000t/d生产线为例，预热器和冷却机出口废气流量分别为258550m3/h、306600m3/h，废气温度分别为340℃、238℃，其中部分预热器废气用于原(燃)料的烘干。
针对上述特点，在热力系统(见图1)设计时采取如下措施：

(1)采用减速式2点混汽式汽轮机，可利用参数较低的主蒸汽及从闪蒸器出来的饱和蒸汽发电。

(2)设置具有专利技术的余热锅炉，能够充分利用余热资源。

(3)应用热水闪蒸技术，设置一台高压闪蒸器和一台低压闪蒸器。闪蒸出来的饱和蒸汽混入汽轮机做功。冷却机锅炉省煤器段出水分三路，一路直接进冷却机锅炉汽包，一路作为预热器锅炉汽包的给水，另外一路进入高压闪蒸器。高压闪蒸器出水作为低压闪蒸器的给水(即二级闪蒸系统)，两股闪蒸饱和汽分别进入汽轮机作功，而低压闪蒸器出水又重新泵回冷却机锅炉省煤器。这样冷却机锅炉省煤器段的工质流量比锅炉后段增大数倍，冷热流体热容量相当，可防止出现局部温差过小，甚至造成局部反传热而影响传热效果，从而保证废气余热的充分利用，使出炉烟气温度降至90℃左右。

(4)对现有冷却机进行了废气二次循环改造，以提高入炉废气温度，减少废气流量。在缩小冷却机锅炉体积的同时，增大了换热量，且提高了整个系统的热能品位。

(5)由于预热器出口废气还要用于烘干原料，所以预热器锅炉不设省煤器，只设蒸发器和过热器，从而使出炉烟温达250℃，仍可用原料烘干。

(6)加强系统密封。凝汽器和轴封加热器使用真空泵维持真空，抽出不凝结气体，使锅炉给水中溶解氧量很少，采用热水闪蒸自除氧结合化学除氧的办法，闪蒸逸出的不凝结气体随蒸汽进入凝汽器，由真空泵抽出，化学除氧剂采用联胺(N2H4、H2O)，加药量仅15g/h，不另设除氧器。

1.2 余热锅炉

该系统中设两台余热锅炉，即预热器锅炉和冷却机锅炉。?

预热器锅炉为卧式强制循环锅炉，带汽包，设蒸发器和过热器(见图2)，烟气在管外水平流动，受热面为蛇形光管，上端固定在构架上，下端为自由端，并焊有振打装置之连杆。特殊设计的振打装置对受热面定期振打(约1次/min～6次/min)，加之蛇形管竖直悬吊在构架上，使受热面保持干净无灰，从而保证了很高的传热效果。由于工作介质在蛇形管内上下流动，无法利用其重度差进行自然循环，所以需用两台强制循环泵进行强制循环。

冷却机锅炉为立式自然循环锅炉,带汽包。锅炉自上而下布置过热器、蒸发器和省煤器(见图3),烟气自上而下通过锅炉，当锅炉烟气含尘浓度超10g/m3，粉尘平均粒径在150μm以上时，考虑到粉尘对管子的磨损，需设置预除尘器。由于粉尘为熟料颗粒，粘附性不强，加之烟气流动方向同粉尘沉降方向一致，故冷却机锅炉积灰程度不高。为增大换热面积，强化换热效果，冷却机锅炉受热面使用螺旋翅管(圈片管)。
预热器锅炉和冷却机锅炉的特点见表1。

表1 预热器锅炉及冷却机锅炉的特点

1.3 汽轮机

根据主蒸汽进口参数较低，且有两处饱和蒸汽混入的特点，采用了减速式2点混汽式汽轮机。汽轮机转速为5500r/min～6000r/min，减速后输出转速为1500r/min。汽轮机尺寸较小，暖机和冲转所需的时间也较短。针对汽轮机后面几级水分较多的特点，在低压部分特别设计了集水槽和疏水孔，充分利用转子转动的离心力分离水珠。另外在末两级叶片前部表面覆盖了一层特殊合金，以减轻击产生的损伤。调速系统的感应机构为电磁式，执行机构为液压传动式。根据水泥厂余热发电的特点，在汽轮机起动过程中(提速及升负荷)，以汽轮机转速为主要控制参数，以保证汽轮发电机组正常并网；当机组达到额定负荷时，切换到压力控制方式，这时以汽轮机入口蒸汽压力为主要控制参数来调节机组输出功率，以保证压力基本稳定。这种控制方式可适应废气余热参数的变化，使整个系统有较强的适应性和可靠性，并做到“热尽其用”。当机组出力超过某一限定值(约为额定功率的108.7%)时，自动开启旁路阀，将部分蒸汽直接导入冷凝器，从而起到保护机组的作用。

1.4 监视、检测和控制系统

汽轮发电机组的监视和控制由设置在现场的三块控制盘——发电机监控视盘(GP盘)、汽轮机启动盘(TSP盘)和调速器盘(GVP盘)完成。其中GP盘设有可控硅励磁装置、自动(手动)同期装置、自动电压调速器(AVR)和自动畅游频率调速器(APFR)。整个发电系统由计算机集中控制，现场的各种工艺参数通过传感器转化为电信号送到中央控制室，由计算机进行分析并在显示器上显示。中控操作的方式为屏幕操作，操作人员可通过红外触摸屏发出指令，调整各烟风阀门、汽水阀门的开度以及设备的起停等，使整个系统适应工况变化。自控系统能够根据有关参数自动调整烟风、汽水等系统的平衡，能够按操作人员的指令自动完成发电机的同期投入，并设有完善的报警和保护程序，使整个工艺流程能够长期稳定地运行，同时记录下各种工艺参数的数值备查。

2 熟料冷却机的改造

目前，窑外分解窑所配套的篦式冷却机的出口废气温度多在200℃上下，其热量品位很低，很难进行动力回收。在日本，早期的水泥余热发电系统的冷却机锅炉是直接利用这股废气余热的，系统发电效率低、发电量少。经过多年研究和实验，包括冷却机改造的一整套余热发电新技术逐渐成熟并取代了老的余热发电技术。

众所周知，从冷却机各段篦床上逸出的废气温度是不一样的，因此，可以将冷却机废气人为地分为两部分，一部分是从冷却机中部逸出的温度在300℃以上的中温废气，这部分废气余热具有回收价值，另一部分是从冷却机后部逸出的120℃左右的废气，这部分废气余热基本没有回收价值，且当其与中温废气混合时会降低中温废气热能的品位，使系统的可用能受到很大的损失。因此，冷却机的改造与否对发电量影响很大，对于4000t/d生产线而言，冷却机改造后发电量可增加2200kW，经济效益显著。（作者：姚源）