水泥窑余热发电锅炉双压技术

2 双压系统技术介绍

2．1 为什么采用双压系统

水泥窑产生余热废气量很大，温度在350℃以下，为了充分利用这些低温热源，就要求发电系统更为合理。根据朗肯循环和数学微积分原理可知，蒸汽分段进入汽轮机做功发电是最合理的。

双压系统可使相对高温热源(210～350℃烟气)产生较高参数的蒸汽，使相对低温热源(100～210℃烟气)产生较低参数的蒸汽，使能量分布优化，系统充分吸收低参数热量，发出更多的电能。对于火力发电，为了提高热力循环系统效率，一般应尽量提高主蒸汽参数，对于水泥窑纯低温余热发电，主蒸汽参数的选取取决于水泥窑排放废气的温度，应尽可能接近废气温度，考虑传热温差和受热面的经济性，一般有10～15℃的温差。而主蒸汽压力的选取则要多方面斟酌，例如某项目选取l.7MPa，330℃，对于l.7MPa的主蒸汽，其饱和温度为204℃，因换热温差的存在，烟气产生主蒸汽后，余热锅炉排出烟气温度在210℃以上，主蒸汽压力选择得越高，产生主蒸汽后的烟气排出温度越高。这样主蒸汽压力的选取，对210℃以下烟气余热利用有重大影响。这对于窑尾预热器(SP)是合适的，因为210℃左右以下的烟气热量还要用于原料烘干。但对于窑头篦冷机(AQC)来说，是不经济的，因为210℃以下热量排放掉，不仅造成能源浪费，还对环境产生了热污染。根据我国的实际情况及技术水平，AQC的排气温度在90～100℃是合适的，这样造成100～200℃之间热量的利用成为问题，根据分析这部分热量占总废热量的17～20％。为了有效地利用这部分热量，我们采用双压系统，高压主蒸汽(参数为1.7MPa，330℃)吸收210℃以上的烟气热量，低压系统蒸汽(参数为0.45MPa，165℃)可以吸收l00～210℃之间的烟气热量。

当然，为尽可能利用余热，提高余热利用率，也可以再设置一级或多级压力，通过定量分析计算，对上述余热，使用三压后，只比双压多发几十千瓦电，而系统造价却要增加一百多万元，技术经济性较差，系统会更复杂。同理，多压的技术经济性更差。因此，对水泥厂中低温余热来说，双压技术是比较合适的。

2.2双压系统的技术关键点

双压锅炉

双压锅炉能使排气温度降到95℃左右，比单压锅炉吸收余热量大，系统热量利用率高。杭州锅炉厂已经有非常成熟的双压锅炉技术。

补汽式汽轮机

补汽式汽轮机的设计和制造技术已经很成熟。我公司通过和西安交通大学联合，对补汽式汽轮机持续开发研究和科技创新攻关，确定了合适的补汽点,设计了蜗壳式补汽缸，解决了补汽难的问题。

控制系统

什么工况下补汽?什么工况下不补汽?这些问题通过补汽式汽轮机的实际运行都已得到了良好的解决。采用先进、稳定的控制系统通过对主蒸汽进汽阀和补汽阀的连锁、调节，确保补汽系统的正常运行已是成熟技术。同时通过在线测试、调节控制参数等等，

控制系统能确保整个系统的稳定运行。

2．3 中信重型机械公司双压系统的特点

参数优化

我公司与杭州锅炉厂合作，根据用户废热的不同情况和热力系统特点，兼顾锅炉和汽轮机及系统设备配置情况，进行参数优化，合理确定双压余热锅炉蒸汽参数、汽轮机主蒸汽及补汽参数，充分利用废气余热，提高系统的热效率。例如某项目选择主蒸汽参数1.7MPa，330℃，补汽蒸汽参数0.45MPa,165℃，就是在考虑锅炉充分吸热和蒸汽在汽轮机缸内膨胀特点而选取的。补汽蒸汽参数和补汽点的选取就充分考虑了汽轮机前几级是双列速度级蒸汽压力降得快，而主蒸汽参数又较低的情况。

配置优化

采用双压锅炉、补汽凝汽式汽轮机。对于补汽式汽轮机，在主蒸汽及补汽参数确定后，补汽点的选取和补汽结构的设计是关键。我公司曾与原国家建材局、西安交通大学、南京热管技术开发中心、天津大学等共同承担国家“八五”攻关项目“水泥厂中、低温余热发电工艺及装备的研究开发”。

补汽点位置选取不当会造成蒸汽补不进去或补汽损失太大，因此必须经过详细的汽轮机通流部分计算，兼顾额定工况、最大工况和变化工况以及汽轮机的实际结构才能确定补汽点。汽轮机的补汽和抽汽不同，补汽缸的结构必须保证蒸汽补进去后与主蒸汽均匀混合。我公司补汽式汽轮机设计了渐缩蜗壳式补汽缸，很好地解决了这个问题。

补汽式汽轮机的通流部分与不补汽同规格的常规汽轮机相比后缸排汽量大，即凝汽器负荷加大。末级排汽湿度大，汽缸疏水、叶片水蚀等技术问题都得到了很好的解决。

从设备、控制方式及DCS控制系统设置等方面考虑主汽门与补汽阀之间的连锁、保护、控制、调节，以保证汽轮机的安全运行。由于合理设计汽轮机的结构及补汽点，提高了系统的稳定性和发电量；

运行方式

如果水泥系统废气余热波动太大，补汽参数不稳定，影响汽轮机的安全稳定运行时，可以关闭补汽阀，停止补汽，汽轮机仍能够稳定运行。

补汽式汽轮机的调节：采用电液调节，自动化程度高，易于控制。

2.4 国内已运行的补汽式汽轮机分析

目前国内水泥行业已运行的几台补汽式汽轮机，有部分机组补汽不很稳定，分析其原因，是没有按照补汽式汽轮机的性能要求精心设计才导致出现这样的结果。如某厂的的补汽凝汽式汽轮机，补汽速关阀设置在7米平台，两个对称的补汽口在汽缸下部左右对称分布，补汽口前还设置有除氧器抽汽口。在同一个汽轮机上，相隔两个压力级，前有抽汽，后有补汽，通流部分设计存在严重缺陷，由于抽汽的的影响，造成压力波动，既然抽汽，何必补汽?所以在实际运行中出现补汽难投入是必然的。补汽式汽轮机必须取消回热抽汽，这是经过热力学计算优化设计的一条基本原则。

又如某项目的补汽式汽轮机，补汽较为困难。分析其原因，是因为该厂选用了一台抽汽机组，将抽汽口改为补汽口作为补汽式汽轮机运行，违背了补汽式汽轮机应加大中低压缸的通流能力这一原则，由于抽汽机组后缸的通流能力考虑了抽汽流量，其通流面积较不抽汽机组的通流面积要小，在运行中蒸汽流量较大，造成蒸汽阻塞，补汽点压力抬高，要补的蒸汽和汽轮机补汽点处难有适宜的压差，所以补汽较为困难。

而宁国水泥厂余热发电系统，汽轮机为三级进汽，一级主蒸汽，两级补汽。采用混汽式汽轮机(即补汽式汽轮机)，利用主蒸汽和来自闪蒸器的饱和蒸汽发电；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，闪蒸出的饱和蒸汽混入汽轮机做功；其补汽式汽轮机运行正常。

补汽式汽轮机又称混压进汽式汽轮机，最早是由燃气汽轮机联合循环的需要发展起来的一种产品，采用多压循环后向汽轮机补入中压和低压蒸汽成为必要，向汽轮机补汽的含义在于，从汽轮机的进口到出口，不仅没有抽汽，而且蒸汽的流量是增加的，而对常规汽轮机来说，由于都有回热抽汽，沿通流截面的蒸汽流量是逐步减少的。补汽式汽轮机由于存在补汽且没有抽汽，所以，排汽流量与主蒸汽流量的比值比常规汽轮机大，所以在设计中最重要的是加大中低压缸的通流面积，而一些补汽式汽轮机之所以存在困难，就是由于没有全面地按照补汽式汽轮机的要求进行设计，导致补汽困难。所以只要按照补汽式汽轮机的性能要求，精心设计，补汽成功是没有问题的。