南京凱盛開能公司水泥余熱發電總包工程經驗淺談
2007-04-10 00:00
南京凱盛開能環保能源有限公司（南京凱盛水泥工程技術公司余熱發電設計研究所）是南京凱盛水泥工業設計研究院下屬的專門從事水泥窯、玻璃窯及其它行業高中低溫煙氣余熱發電的高新技術企業。公司具有一批從事機電、電力、節能和環保技術的高級技術人才，在節能環保領域積累大量的技術開發和工程設計、項目管理經驗，結合南京凱盛的甲級水泥設計資質和中國凱盛的乙級電力設計資質，組成了一支精業敬業的技術團隊，以服務和創新為宗旨，在項目進行過程中，對于客戶的問題以最快的時間給予解決，在主機選型、設備采購等過程中提供技術指導與咨詢，在建設過程中派工程技術人員現場服務，為客戶把關。同時，南京凱盛還為客戶提供人員培訓、編制調試大綱、提供調試服務、生產運行指導等附加服務，使客戶相關人員能盡快投入崗位，為客戶贏得最大的效益。在項目總承包的過程中，為客戶采用國內最好的技術與裝備，提供專業的技術和管理團隊，先進的服務理念，創建優質的工程。
一、南京凱盛開能環保能源有限公司余熱發電指導思想
(1) 在不影響水泥生產的前提下最大限度地利用余熱；
(2) 在技術方案上統一考慮回收利用水泥生產線窯頭熟料冷卻機及窯尾預熱器的廢氣余熱；冷卻機采用中部抽風，合理設計中部抽風口，有條件的地方設余風再循環。
(3) 在生產可靠的前提下，積極推廣先進技術。盡可能采用先進的工藝（熱力系統）技術方案，降低投資與運行成本，擴大客戶的經濟效益；
(4)采用成熟、可靠的工藝和裝備，堅決克服同類型、同規模項目中暴露出的問題堅持推成出新、創新發展；
(5) 余熱電站主、輔機的過程控制采用自動化程度高的集散型計算機控制系統；
二、南京凱盛開能環保能源有限公司熱力系統優化設計原則
（1） 過熱蒸汽產量最大化。對于中低溫余熱利用，關鍵在工藝和設備的允許范圍內充分利用余熱，并使設備的效率最高，使余熱發電量最大化。對于低參數汽輪發電機組而言，影響其發電量的是三個主要參數：過熱蒸汽的流量、壓力和溫度，其中流量對發電量起決定性影響，壓力和溫度對熱能轉化為電能的總效率有影響，但其對發電量的影響遠小于流量對發電量的影響。
（2） 高過熱蒸汽溫度。過熱蒸汽溫度高除可以通過提高過總效率來提高發電量外，還可以提高汽輪機運行的安全性。受傳熱效率和鍋爐制造成本的影響，必須保持過熱蒸汽同煙氣之間有適當的溫差。
（3） 合適的汽包工作壓力。考慮在換熱過程中，蒸發受熱面內汽水混合物的溫度不變，而煙氣同汽水混合物之間傳熱溫差窄點一般在20～30℃，汽水混合物的溫度直接受壓力的影響，所以選擇合理的壓力水平可以提高蒸汽產量并合理布置受熱面。根據具體的余熱資源條件來確定單壓或雙壓（甚至多壓）系統。
（4） 充分降低廢氣溫度。受窯尾廢氣要用于烘干生料的工藝限制，一般窯尾廢氣溫度只能降至210～250℃左右；窯頭余風可以充分降低，但降低過多則造成傳熱溫差小使得換熱面積布置過多，使鍋爐造價提高，同時吸收過多的低品質熱量也無法有效提高發電量，所以窯頭余風的降低以滿足為窯頭和窯尾余熱鍋爐提供足量的汽包給水即可。根據熱量分配和能量平衡計算，窯頭余風降至90～100℃左右即可滿足要求。可以根據客戶要求，進一步利用窯頭余熱資源來供熱或制冷。
三、南京凱盛開能環保能源有限公司的技術優勢
1、 有專業的設計和咨詢資質，可進行項目建議書及可行性研究報告的編制；可承擔各種規模的水泥生產線的熱工標定；
2、 有國家強制要求的從事電力工程設計所必備的電力工程乙級設計資質；有壓力容器和壓力管道設計資質的技術人員；有來自水泥和電力行業的設計、工程管理、運行的專業隊伍；
3、有豐富的工程設計經驗和完善的技術服務體系；：
3.1 可快速完成余熱利用系統的優化設計方案；可提出完整的余熱鍋爐、汽輪發電機的訂貨技術規格書，并配合鍋爐廠進行鍋爐的方案設計；
3.2 可配合當地電力部門完成接入系統的方案設計；
3.3 可快速、準確的完成指導工程設計和建設的基本設計，并編制有參考價值的工程概算；
3.4 可快速、精確的完成施工圖設計工作，并提供現場技術服務工作；
3.5 可根據建設方的要求，提供設備成套供貨的服務，既有利于加快工程設計進度，同時有利于降低設備的采購費用；
3.7 可提供擬建電站的運行、管理及技術人員的培訓服務。
3.8 可提供經驗豐富的電站工程建設和管理技術人員配合安裝單位的安裝工作；可提供經驗豐富的專家團隊進行調試和試運行的技術指導工作；
四、如何理解“噸熟料發電量”
我們已經設計的水泥生產線余熱發電關鍵數據一覽表，這些水泥線全部為帶五級預熱器的新型干法窯。
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企業名稱 |
生 產 線 規 模 |
系統配置及裝機容量 |
計算噸熟料發電* |
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中聯淮海 |
5000t/d |
單壓系統，9000kW |
33.4 kWh/t.Cl |
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重慶金江 |
2500t/d |
單壓系統，4000kW |
32 kWh/t.Cl |
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江蘇金墅 |
2500t/d |
單壓系統，4000kw |
31.52 kWh/t.Cl |
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廣東珠江 |
5000t/d |
雙壓系統，7500kw |
33.49 kWh/t.Cl |
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鐵嶺鐵新 |
2×2500t/d |
單壓系統，8000kw |
32.47 kWh/t.Cl |
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浙江天馬 |
2500t/d |
單壓系統，4000kw |
32.38 kWh/t.Cl |
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佳木斯鴻基 |
1300t/d＋2500t/d |
單壓系統，7500KW |
38 kWh/t.Cl |
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內蒙古烏蘭 |
2×2500t/d |
單壓系統，8000KW |
32 kWh/t.Cl |
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浙江華業韶洋 |
1500t/d |
單壓系統，2000KW |
30.4 kWh/t.Cl |
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中聯南陽 |
3000 t/d |
單壓系統，4500KW |
36 kWh/t.Cl |
*計算噸熟料發電指計算平均發電功率除以實際小時平均產量
從上述數據統計表發現，這些水泥線的計算噸熟料發電量大部分在30～34 kWh/t.Cl之間，另有三條線如佳木斯鴻基和中聯南陽的計算噸熟料發電量達36～38 kWh/t.Cl。上述所有的水泥線余熱發電的熱量來源都是來自窯尾和窯頭，窯尾要考慮從余熱鍋爐出來的煙氣滿足生料烘干的需要。窯頭采用中部抽風，冷卻機冷卻效果好的生產線考慮采用余風再循環。佳木斯鴻基和中聯南陽的計算噸熟料發電量高的原因是這三條線的窯尾一級筒出口煙氣溫度和窯頭冷卻機的中部抽風溫度明顯高于其他生產線。
由于不同的水泥生產線的熱耗不同，原料和燃料也各不相同同，運行水平不同，這些因素直接影響了窯尾排煙溫度和窯頭余風溫度不同。所使用的裝備如生料磨不同，要求烘干生料的溫度不同，一般來講，立磨要求較低的烘干溫度，中卸磨要求較高的烘干溫度，當然，氣候、環境、原料含水量等因素也影響了烘干生料的溫度。上述諸多因素多最終的余熱發電量都產生影響，窯尾排煙溫度和窯頭余風溫度越高，余熱發電量越多；要求烘干生料的溫度越高，余熱發電量越少。又有些生產線冷卻機熱效率很低，余風溫度相當于其他正常冷卻機從中部抽風的溫度，高達350℃，其風量就大得多，該余風發電量也就大得多。因為是余熱利用，不同條件的生產線“噸熟料發電量”是有差異的。因此我們認為，“噸熟料發電量”并不能準確反映余熱發電設計水平和裝備水平的高低；相對“噸熟料發電量”而言，“噸熟料發電量/噸熟料煤耗量”能更準確地反映余熱發電設計水平和裝備水平的高低，但是，由于“噸熟料煤耗量”的準確計量比較困難，用“噸熟料發電量/噸熟料煤耗量”來反映余熱發電設計水平和裝備水平的高低，在實際操作時有一定困難。
五、中聯淮海水泥有限公司5000t/d生產線余熱發電總承包工程案例
中聯巨龍淮海水泥有限公司始建于1978年，現有新老兩條水泥生產線，老線日產水泥熟料3700噸， 新線系國產5000t/d新型干法水泥熟料生產線。其配套余熱發電工程分兩期建設。我公司此次總承包項目為一期5000t/d新型干法水泥熟料生產線配套純低溫余熱發電項目。為最大限度地節省建設投資，設計中統一規劃了二期工程的建設，主廠房、化水系統一次建成，各專業預留了二期工程的接口以及擴展的空間。生產設備原則上采用國產設備，整個余熱電站設計遵循“技術先進、生產可靠、節約投資”的原則。工程有以下幾個設計特點：
1、余熱利用充分
經熱工標定和系統優化，設計參數如下表所示：
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設 計 參 數 |
熟料產量5500 t/d | |
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AQC參數 |
SP參數 |
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煙(風)流量(Nm3/h) |
200000 |
322000 |
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煙(風)入爐溫度(℃) |
380 |
320 |
|
煙(風)出爐溫度(℃) |
122 |
206 |
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過熱蒸汽溫度(℃) |
355 |
295 |
|
過熱蒸汽流量(t/h) |
19.5 |
23.0 |
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過熱蒸汽壓力(MPa) |
1.18 |
1.18 |
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汽機進汽流量(t/h) |
42.5 | |
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汽機進汽溫度(℃) |
315 | |
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汽機進汽壓力(MPa) |
1.05 | |
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汽輪發電機汽耗(kg/kWh) |
≤5.5 | |
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發電機輸出功率(kW) |
7730 | |
在熱力系統的確定上，盡管雙壓系統和閃蒸系統在熱利用效率上較單壓系統提高大約3～5％，但單壓系統由于其系統簡單，設備運行可靠，投資省而得到廣泛采用，其國內使用業績表明，技術成熟可靠。在技術論證階段，本項目采用雙壓或閃蒸系統所產低壓蒸汽（2～3bar）產量不足主蒸汽的10%，受到目前國產汽輪機產品設計的限制，其最終發電效果并不明顯高于單壓系統。因此本項目熱力系統在與業主充分協商的情況下，我們最終采用單壓系統。
對于低參數汽輪發電機組而言，影響其發電量的是三個主要參數：過熱蒸汽流量、壓力和溫度，其中流量對發電量起決定性影響。在熱力系統的優化設計上，我們首先謀求過熱蒸汽產量最大化，窯頭和窯尾余熱鍋爐共計產過熱蒸汽42.5t/h，其中選取窯頭余熱鍋爐過熱蒸汽壓力為1.18MPa，溫度為355℃，選取窯尾余熱鍋爐過熱蒸汽壓力為1.18MPa，溫度為295℃，采用特殊設計具有混汽均汽功能的分汽缸，使窯頭窯尾過熱蒸汽在分汽缸混合，汽機進汽壓力1.05MPa，溫度315℃。窯頭窯尾余熱得以充分利用。
2、余熱鍋爐
窯頭窯尾余熱鍋爐均采用立式布置，自然循環。窯頭余熱鍋爐由二級省煤器、蒸發器和過熱器組成，自然通風清灰。窯尾余熱鍋爐由省煤器、五級蒸發器和過熱器組成，振打清灰。窯頭余熱鍋爐低溫省煤器同時為窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐提供熱水。為提高窯頭的高溫熱源，避免為提高熱效率而產生大量低溫熱水，窯頭余熱鍋爐我們采用了中部抽風帶余風再循環方式，將鍋爐進風溫度提高至380℃。此外，因熟料冷卻機的廢氣中含有對鍋爐換熱面磨蝕性較強的熟料微粒，為保證窯頭余熱鍋爐的使用壽命，提高余熱利用率，在進窯頭余熱鍋爐之前的管路上設置了預收塵裝置。
3、低參數汽輪機
汽輪機選用汽耗低的高效率低品位熱能利用汽輪機，通過專門數值模型的三維計算來指導低參數汽輪機通流部分和末級葉片的設計。主要是用合理的通流系統和特殊末級葉片來提高末級蒸氣的含濕量，以此來提高汽輪機內效率，降低汽耗。本項目的一個主要目標是將設計工況下的汽輪機汽耗降低到5.5kg/kWh左右，同時汽輪機輔助系統中采取措施確保較低的排汽壓力，如增大凝汽器換熱面積、增加凝汽器膠球清洗裝置、對循環水進行處理等，來保證汽輪機汽耗低、熱效率高的性能。
汽輪機為純凝式，采用帶機力通風冷卻塔的循環供水系統，無回熱抽汽，整個系統配置一臺真空除氧器。
4、水工系統
原水采用地下水，水質的堿度和硬度都高，循環水系統加酸加藥進行處理，提高極限碳酸鹽濃度，提高濃縮倍率，循環水系統設置旁濾裝置，減少排污損失。
鍋爐補給水采用反滲透+混床工藝，便于加強鍋爐水質管理，減少再生次數，節約運行成本。鍋爐給水為一級除鹽水，可以減少鍋爐排污量來增加發電量。
5、電氣及自動化
余熱發電采用并網但不上網原則，熱工控制部分采用分散控制系統，繼電保護裝置采用微機型。
一期工程5000t/d水泥熟料干法生產線配套純低溫余熱發電系統，年運行時間7000h，計算噸熟料發電量33.7 kWh，年發電量5411×104kWh，年供電量4924×104kWh，按大型火電廠發電效率為0.383kg標準煤/kWh計算，年節約標準煤18859t，每年減少CO2排放量47148t。如按0.52元/kwh計算，每年可節省電費2560.48萬元，項目經濟效益顯著。
在2007年3月，由我公司總承包的內蒙古烏蘭水泥集團2×2500t/d生產線余熱發電項目開工建設，其他多條由我公司承擔的設計或總承包的水泥生產線余熱發電項目將陸續在2007年投產發電。
我們將繼續努力，不斷創新，為中國水泥行業的發展作出貢獻。
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