水泥窯純低溫余熱電站不同熱力系統配置的發電能力比較
1．前言
在全國范圍內，目前共有為22條水泥窯配套建設的20座純低溫余熱電站投入運行（不含臺灣地區），其中天津院主持設計的有16座。目前天津院已經設計完畢正在施工以及天津院正在設計的余熱電站還有30多座。在天津院設計的已經投運的余熱電站中，天津院普遍采用了單壓和雙壓的余熱發電熱力系統；在天津院已經設計完畢正在安裝或正在設計的余熱電站中，天津院普遍采用了閃蒸、雙壓和單壓的熱力系統。
那么對于目前存在的三種熱力系統，發電能力到底如何？在一定具體條件下哪種熱力系統優點更突出？以及建設單位到底采用哪一種系統建設余熱電站？目前各家設計單位及學者都沒能給業主以清晰的概念。本文根據二十多年來天津院從事余熱發電的設計經驗，結合某具體工程，分別對三種熱力系統配置進行計算和分析，供業主參考。
2．單壓、閃蒸、雙壓余熱發電熱力系統的概念
目前在水泥行業純低溫余熱發電技術領域中，熱力系統主要有三種配置方式：
a. 單壓系統
b. 熱水閃蒸雙壓系統，簡稱閃蒸系統
c. 雙壓鍋爐雙壓系統，簡稱雙壓系統
目前普遍采用的單壓系統熱力流程如圖1所示。本熱力系統中，窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐生產相同或相近參數的主蒸汽，混合后進入汽輪機，主蒸汽在汽輪機內作功后經除氧，由給水泵為窯頭余熱鍋爐供水，窯頭余熱鍋爐生產的熱水再為窯頭余熱鍋爐蒸汽段和窯尾余熱鍋爐供水，兩臺余熱鍋爐生產出合格的主蒸汽，從而形成一個完整的熱力循環。
圖1：單壓系統熱力流程
這個熱力系統的特點是汽輪機只設置一個進汽口，窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐只生產參數相同或相近的主蒸汽。那么考慮水泥窯廢氣余熱的調配及利用、余熱鍋爐的設計、電站熱力系統的配置等因素的唯一的目的，就是提高主蒸汽品質及產量。主蒸汽品質及產量在外部條件確定的情況下，完全決定了余熱發電系統的發電功率。
閃蒸余熱發電系統就是在發電熱力系統配置中應用了閃蒸機理，即：根據廢氣余熱品質的不同而生產一定壓力的主蒸汽和及熱水，主蒸汽進入汽輪機高壓進汽口，而熱水經過閃蒸，生產出低壓的飽和蒸汽，補入補汽式汽輪機的低壓進汽口，主蒸汽及低壓蒸汽在汽輪機內作功，推動汽輪機轉動，共同生產電能。低壓蒸汽發生器內的飽和水進入除氧器，與冷凝水一起經除氧后由給水泵供給鍋爐。圖2、圖3為兩種含有一級閃蒸配置的發電系統。
圖2.一級閃蒸發電系統
（窯頭余熱鍋爐生產閃蒸熱水）
圖3.一級閃蒸發電系統
（窯頭窯尾余熱鍋爐生產相同參數的熱水）
上述兩種含有閃蒸配置的發電系統，是根據廢氣余熱的不同尤其是余熱鍋爐允許的排煙溫度的不同而進行設計的，圖2系統用于窯尾排煙溫度較高的情況；圖3系統是一種比較靈活的配置方式，窯頭和窯尾鍋爐汽水系統相對獨立，可以適應窯尾廢氣不用于物料烘干或者物料烘干溫度可以降得很低的情況。
雙壓技術是根據水泥窯廢氣余熱的品位的不同，余熱鍋爐分別生產較高壓力和較低壓力的兩路蒸汽。較高壓力的蒸汽作為主蒸汽進入汽輪機主進汽口推動汽輪機轉動作功發電。余熱鍋爐生產出較高壓力的蒸汽后，煙氣溫度降低，余熱品位下降，那么根據低溫煙氣的品位，再生產較低壓力的低壓進汽，進入汽輪機的低壓進汽口，輔助主蒸汽一起推動汽輪機作功發電。
根據水泥窯余熱條件，尤其是窯尾排煙溫度的限制，水泥窯純低溫余熱發電雙壓系統主要有以下兩種基本構成方式，如圖4、圖5所示。
圖4 雙壓系統
圖5 雙壓系統
以上圖4、圖5兩種系統是相對簡化的雙壓熱力系統，圖4系統用在窯尾排煙溫度高（即后續物料烘干溫度高）的情況。圖5是在圖4系統基礎上擴展的熱力系統，圖5系統中，窯尾余熱鍋爐的排煙溫度可以降得很低。
3．純低溫余熱電站不同熱力系統的發電能力的計算
以某廠為例，某廠水泥窯熟料設計產量為5000t/d，實際運行產量為5800t/d，其余熱條件如下：
窯尾進口廢氣量： 389000Nm3/h
窯尾進口廢氣溫度：325℃
窯尾出口廢氣溫度：200℃
窯頭冷卻機中部取風廢氣量： 206250Nm3/h
窯頭進口廢氣溫度：360℃
根據上述廢氣余熱條件，根據天津院的余熱發電技術，三種熱力系統配置下，計算結果匯總如表1所示：
表1
|
熱力系統配置 |
單壓 |
閃蒸 |
雙壓 |
|
主蒸汽參數(MPa-℃-t/h) |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-28.87 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-28.87 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-28.09 |
|
閃蒸系統低壓蒸汽參數
(MPa-℃-t/h) |
—— |
窯頭：0.137-108.7-2.37；
窯尾：0.137-108.7-0.71 |
—— |
|
雙壓系統低壓蒸汽參數
(MPa-℃-t/h) |
—— |
—— |
窯頭：0.15-140-4.92； |
|
鍋爐實際排煙溫度(℃) |
窯頭：102
窯尾：205 |
窯頭：80
窯尾：200 |
窯頭：77
窯尾：200 |
|
發電功率(kW) |
9326 |
9643 |
9705 |
|
吸收煙氣的熱量(×104kJ/h) |
13980 |
14868 |
14950 |
|
效率（%）（即發電量與吸收的煙氣熱量的比值 |
24.02 |
23.35 |
23.37 |
|
噸熟料余熱發電量(kWh/t.cl) |
38.59 |
39.90 |
40.16 |
|
說明 |
按圖1熱力系統 |
按圖3熱力系統 |
按圖4熱力系統 |
注明：
a) 以上計算考慮了鍋爐本體2%的散熱。
b) 以上計算發電能力按汽輪機和發電機的整體效率80.5%考慮（按汽輪機和發電機設備廠家最新的數據計算），汽輪機排汽壓力、排汽溫度按0.00573MPa、35.5℃計算。
4 計算結果分析
從以上計算數據表明：
(1) 排煙溫度：
窯頭余熱鍋爐：單壓系統最高，雙壓系統最低；
窯尾余熱鍋爐：單壓系統最高，且不能降得很低。
(2) 吸收熱量：雙壓系統高于閃蒸系統，閃蒸系統高于單壓系統。
(3) 發電量：雙壓系統高于閃蒸系統，閃蒸系統高于單壓系統。
(4) 發電效率：單壓系統高于雙壓系統，雙壓系統高于散蒸系統。
即：雙壓系統窯頭余熱鍋爐排煙溫度最低，因此它吸收了更多量的廢氣余熱，這是雙壓系統可能具有較高發電能力的主要原因之一。雖然單壓系統吸收的煙氣熱量少，但是它吸收了較高溫度的廢氣余熱，較高溫度的廢氣作功能力強于較低溫度的廢氣，因此單壓系統的發電量與其吸收的煙氣熱量比值最大，即效率最高。因此可以推測出，對于給定的廢氣余熱條件，要利用它首先生產盡可能多的主蒸汽，然后在利用生產主蒸汽不能完全被利用的低溫廢氣生產熱水或低壓蒸汽，作為主蒸汽發電的補充，來提高發電能力。
根據上面的理論以及筆者多年從事設計的經驗推測，只要單壓系統能夠將窯頭的廢氣溫度降低到85℃以下時（且窯尾物料烘干溫度較高時），就沒有必要采用閃蒸和雙壓系統
低溫廢氣的作功能力弱，因此閃蒸和雙壓熱力系統中，雖然余熱鍋爐的排煙溫度可降得很低，可盡可能的多利用低溫廢氣的余熱，但是這兩種熱力系統整體效率稍低。
另外，電站自用電方面，單壓最低。
以上計算結果僅僅是按某廠的余熱條件進行分析的結果，其結果僅僅是反映出發電量不同的一種大概趨勢。對于同樣的余熱條件下，個別廠的具體要求不同（比如窯尾生料磨型式不同、窯尾收塵器是電收塵或袋收塵、生料水分不同等因素導致烘干溫度不同），發電計算結果肯定會有更大的不同。對于上述某廠的廢氣余熱，如果窯尾排煙溫度分別為230℃和180℃時，具有的余熱發電能力見表2。
表2
|
熱力系統配置 |
主蒸汽參數
MPa-℃-t/h |
閃蒸系統低壓蒸汽參數MPa-℃-t/h |
雙壓系統低壓蒸汽參數MPa-℃-t/h |
鍋爐實際
排煙溫度℃ |
發電功率(kW) |
噸熟料發電量(kWh/t.cl) |
說明 |
|
單壓-230 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-22.79 |
—— |
—— |
窯頭：115
窯尾：230 |
8095 |
33.50 |
|
|
單壓-180 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-28.87 |
—— |
—— |
窯頭：102
窯尾：205 |
9326 |
38.59 |
由于系統配置問題窯尾溫度不能降至180℃ |
|
閃蒸-230 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-22.79 |
窯頭：0.137-108.7-3.20 |
—— |
窯頭：85
窯尾：230 |
8424 |
34.86 |
|
|
閃蒸-180 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-28.87 |
窯頭：0.137-108.7-2.37；
窯尾：0.137-108.7-3.67 |
—— |
窯頭：80
窯尾：180 |
9947 |
41.16 |
|
|
雙壓-230 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-21.24 |
—— |
窯頭：0.15-140-5.38；（汽機低壓進汽口參數下同） |
窯頭：83
窯尾：230 |
8366 |
34.62 |
|
|
雙壓-180 |
窯頭：1.35-345-17.16；
窯尾：1.35-305-28.87 |
—— |
窯頭：0.15-140-4.20；
窯尾：0.15-140-4.06 |
窯頭：80
窯尾：180 |
10225 |
42.31 |
|
5 具體工程熱力系統的選擇
一般具體工程從技術角度考慮，選擇熱力系統主要從如下幾方面考慮：
5.1 系統的余熱情況
主要考慮水泥窯自身特點決定的煙氣量和煙氣溫度，以及煙氣用于物料烘干溫度的高低。對于已經確定的余熱狀況，應首先進行單壓系統的配置計算，如果單壓系統能夠滿足最大限度的利用余熱，就沒有多余的余熱去生產熱水或低壓蒸汽，就沒有必要去考慮雙壓、閃蒸以及采暖等方案了。如河北某企業，窯尾配置四級預熱器，它的廢氣參數如下：
窯頭熟料冷卻機中間取風口廢氣參數為：90000m3/h(標況)－360℃：
窯尾預熱器出口廢氣參數：226000m3/h(標況)－390℃，考慮后續物料烘干，窯尾鍋爐出口廢氣溫度不應低于220℃
單壓熱力系統配置計算結果見表3
表3
|
主機設備 |
項目名稱 |
單位 |
主蒸汽壓力
1.35MPa |
主蒸汽壓力
1.6MPa |
|
SP余熱鍋爐 |
進口廢氣量 |
Nm3/h |
226000 |
226000 |
|
進口廢氣溫度 |
℃ |
390 |
390 | |
|
主蒸汽壓力 |
MPa |
1.35 |
1.6 | |
|
主蒸汽溫度 |
℃ |
370 |
370 | |
|
主蒸汽量 |
kg/h |
24502 |
24978 | |
|
給水溫度 |
℃ |
180 |
190 | |
|
出口廢氣排煙溫度 |
|
220.2 |
220.4 | |
|
AQC余熱鍋爐 |
進口廢氣量 |
Nm3/h |
90000 |
90000 |
|
進口廢氣溫度 |
℃ |
360 |
360 | |
|
主蒸汽壓力 |
MPa |
1.35 |
1.6 | |
|
主蒸汽溫度 |
℃ |
350 |
350 | |
|
主蒸汽量 |
kg/h |
5640 |
5178 | |
|
給水溫度 |
℃ |
40 |
40 | |
|
出口廢氣排煙溫度 |
℃ |
79.8 |
80.0 | |
|
汽輪機 |
進汽溫度 |
℃ |
350 |
350 |
|
進汽壓力 |
MPa |
1.25 |
1.5 | |
|
進汽量 |
kg/h |
30142 |
30156 | |
|
發電汽耗率 |
kg/kW |
4.901 |
4.781 | |
|
發電功率 |
kW |
6188 |
6347 | |
|
排汽壓力 |
MPa |
0.007 |
0.007 |
該廠窯頭廢氣量偏低，從表中可以看出，按單壓熱力系統配置，主蒸汽壓力無論是1.35MPa還是1.5MPa，均能把窯頭廢氣溫度降到80℃，以及把窯尾廢氣溫度降低到滿足物料烘干必須的220℃。對于這種參數的廢氣，如果強制進行閃蒸或雙壓配置，則必須以減少主蒸汽產量為代價，得不償失。
5.2 系統是否能最大限度的回收廢氣的余熱
如果按單壓配置后，窯尾和窯頭仍有多余的低溫廢氣的熱量沒有被利用完，原則上還應采取閃蒸或雙壓系統進行進一步的利用。
5.3 系統是否簡捷，是否便于操作、運行、管理、維修，以及配置的員工的數量
單壓系統的熱力系統構成簡單，設備數量少，便于操作、運行、管理和維修，同時配置的員工的數量少。大部分水泥企業對發電了解都不多，因此配置單壓系統，可減少電站管理和運行的難度。
5.4 系統是否能最大限度的適應水泥窯的波動
單壓和閃蒸系統對水泥窯的波動適應能力較強，雙壓系統稍差。
5.5 是否希望余熱電站能夠供應廠區的全部或部分范圍內的采暖
對于閃蒸系統，在北方地區，冬季可以用余熱鍋爐生產的熱水進行廠區內全部或部分面積的采暖，夏季可以用余熱鍋爐生產的熱水進行閃蒸，閃蒸出的低壓蒸汽用于發電。
5.6 廠區發電廠房的布置位置等
電站主廠房與水泥窯的距離會增加雙壓系統中低壓蒸汽的輸送損失。也會增加用于輸送大量閃蒸用熱水的給水泵的功率。
6 小結
①. 天津院作為水泥行業余熱回收利用及發電的領跑者，具有單壓、閃蒸和雙壓的純低溫余熱發電技術，并且使用單位廣，技術成熟可靠。
②. 利用天津院的技術，單壓系統具有約33~38kWh/t.cl的余熱發電能力，閃蒸系統具有約34~40kWh/t.cl的余熱發電能力，雙壓系統具有約34~42kWh/t.cl的余熱發電能力，
③. 對于不同的廢氣余熱參數，要進行具體熱力系統配置并計算，通過比較才能確定出最合適的熱力系統方案。
④. 雙壓和閃蒸系統，因為利用了更多低溫段的廢氣余熱，即可以把廢氣溫度降得更低，因此具有較高的發電能力。但是當水泥生產不允許廢氣溫度降得很低時，或者單壓熱力系統配置及計算時，已經能把廢氣溫度降得很低時，就不能勉強采用閃蒸和雙壓系統。
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