增設(shè)C2蒸汽過熱器提高余熱發(fā)電能力的分析

包文忠，劉忠成，張福濱

增設(shè)C2蒸汽過熱器提高余熱發(fā)電能力的分析

Analysis of Improving the Power Generation Capacity of Waste Heat by Adding a C2Cogeneration Steam Superheater

包文忠1，劉忠成2，張福濱2

本文以某5000t/d新型干法水泥生產(chǎn)線雙壓余熱發(fā)電系統(tǒng)為例，分析了在窯尾C2預(yù)熱器中增設(shè)SP鍋爐蒸汽過熱器對水泥及余熱發(fā)電系統(tǒng)的影響，并做了投資收益對比。結(jié)果表明，增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器，不采取措施會使熟料熱耗增加14671kJ/t熟料（0.5kg標(biāo)煤/ t），余熱發(fā)電量可提高728kW，相當(dāng)于在使余熱電站總投資增加<7%的情況下使余熱發(fā)電量增加9%，增加的投資在1.6年左右即可收回。關(guān)鍵詞：C2預(yù)熱器；SP-SH蒸汽過熱器；余熱發(fā)電；能量梯級利用；熱耗

1 引言

水泥窯低溫余熱發(fā)電技術(shù)因其在降低水泥生產(chǎn)成本的同時，還能得到良好的環(huán)境效益，一經(jīng)提出就得到了國家政策的大力支持和提倡，因此在天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司率先推出此項國產(chǎn)化技術(shù)后，受到了業(yè)內(nèi)專家的廣泛關(guān)注。在不影響水泥窯產(chǎn)量和質(zhì)量的情況下，實現(xiàn)余熱發(fā)電量的最大化與水泥單位綜合能耗的最小化。

綜合國內(nèi)的研究現(xiàn)狀，為了提高余熱發(fā)電量，有的以篦冷機的改造及取風(fēng)口位置合理的選擇為切入點[1][2][3]，有的以加強管道的保溫及減少閥門的泄露等為重點[1][2][4]，有的以熱力系統(tǒng)及熱力參數(shù)的選擇作為突破口[5-9]，有的以提高中控操作和運行水平作為提高發(fā)電量的途徑[4][10][11]。

圖1 SP-SH蒸汽過熱器的布置方式

筆者認(rèn)為，在C2預(yù)熱器中增設(shè)窯尾鍋爐的蒸汽過熱器（下文稱為“SP-SH蒸汽過熱器”）是提高余熱發(fā)電量的有效途徑。由于窯尾余熱鍋爐的進(jìn)氣溫度一般為300～330℃，而窯頭鍋爐的進(jìn)氣溫度通過取風(fēng)口的合理選擇可以達(dá)到360～420℃，因此窯尾廢氣溫度限制了窯尾主蒸汽參數(shù)的提高，進(jìn)而限制了整個余熱電站的主蒸汽參數(shù)的提高，從而限制了余熱發(fā)電量的增加。增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器的目的就是通過提高窯尾鍋爐的主蒸汽參數(shù)提高全廠的余熱發(fā)電能力。這種方法在國內(nèi)已有學(xué)者作了論述[4][9]，本文將以某5000t/d新型干法水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電系統(tǒng)為例對此方法作一簡單的分析。

2 SP-SH蒸汽過熱器的布置方式

SP-SH蒸汽過熱器布置在C2級預(yù)熱器內(nèi)，見圖1。

在窯尾布置的SP余熱鍋爐分為蒸汽中壓段、蒸汽低壓段兩段運行：蒸汽中壓段生產(chǎn)2.45MPa（a）-300℃的過熱蒸汽，蒸汽通入布置在C2級預(yù)熱器內(nèi)的SP-SH蒸汽過熱器，SP-SH蒸汽過熱器將SP爐蒸汽中壓段生產(chǎn)的2.45MPa（a）-300℃過熱蒸汽繼續(xù)過熱至2.4MPa（a）-380℃，然后與窯頭余熱鍋爐生產(chǎn)的2.4MPa（a）-380℃的過熱蒸汽混合做為汽輪機主蒸汽。

3 增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器對系統(tǒng)的影響

與常規(guī)余熱發(fā)電系統(tǒng)相比，增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器之后，對余熱發(fā)電量有較大的貢獻(xiàn)，但是對熟料熱耗、SP鍋爐的鋼耗會有一定的影響。

3.1 對熟料熱耗的影響

在窯尾C2級預(yù)熱器內(nèi)增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器之后，過熱蒸汽溫度升高到了380℃。經(jīng)計算，出C2級預(yù)熱器進(jìn)C1級預(yù)熱器的廢氣溫度由541℃降低到532℃，降低了9℃，進(jìn)而導(dǎo)致C1級預(yù)熱器出口的廢氣溫度也要降低4℃左右。如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧贑1級預(yù)熱器煙氣的5℃的溫升要有對應(yīng)的增加煤耗的熱量來補充，熱耗的增加為：

式中：

F——窯尾廢氣的流量，m3（標(biāo)）/h

C1fq——出C2級預(yù)熱器的廢氣比熱，kJ/（m3（標(biāo)）·℃）

C2fq——出C1級預(yù)熱器的廢氣比熱，kJ/（m3（標(biāo)）·℃）

Δt1——增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器后C1出口的廢氣溫度降低量，℃

Δt2——增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器后C2出口的廢氣溫度降低量，℃

m——水泥窯熟料的日產(chǎn)量，t/d

一般情況下，在進(jìn)行水泥生產(chǎn)線設(shè)計及施工時,為了減少窯尾增濕塔噴水量及保護窯尾高溫風(fēng)機，要采取適當(dāng)?shù)姆椒▉斫档透G尾高溫風(fēng)機入口的廢氣溫度，主要措施就是C1級預(yù)熱器本體及其出口廢氣管道的保溫僅僅按照防燙傷保溫進(jìn)行設(shè)計（也就是說有意讓廢氣熱量放散來降低廢氣溫度）。如果加強C1級預(yù)熱器本體及其出口廢氣管道的保溫，則出C1級預(yù)熱器的廢氣溫度可高于設(shè)計值320℃。

水泥窯配套建設(shè)余熱電站后，窯尾鍋爐充分吸收了窯尾廢氣的熱量，窯尾增濕塔不再噴水，窯尾高溫風(fēng)機也不會再超溫，因此需按經(jīng)濟性保溫來加強C1級預(yù)熱器本體及其出口廢氣管道的保溫。根據(jù)經(jīng)驗，補充加強C1級預(yù)熱器本體及其出口廢氣管道的保溫后,可使出C1級預(yù)熱器的廢氣溫度提高10～15℃，這樣做可基本消除增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器后對熟料熱耗的影響。

3.2 對SP鍋爐鋼耗的影響

鍋爐鋼耗量的增加主要體現(xiàn)在過熱器受熱面（蒸發(fā)器、省煤器實際上也會略有變化，本文先忽略不計）、鍋爐結(jié)構(gòu)件以及蒸汽管道重量的增加。

3.2.1 SP-SH蒸汽過熱器鋼耗的增加

在窯尾C2級預(yù)熱器內(nèi)增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器之后，在提高主蒸汽溫度的同時，為了提高電站效率，也可以提高主蒸汽的壓力。主蒸汽的壓力可以從常規(guī)余熱電站的低壓（1.25MPa左右）提高到次中壓（2.45MPa左右），即SP鍋爐蒸發(fā)段的飽和溫度（也就是過熱器的入口溫度）從194.2℃提高到228.0℃，即主蒸汽的參數(shù)從1.25MPa-300℃提升到2.4MPa-380℃。對于后者，過熱器吸熱量為3192-2802＝390kJ/kg，前者的過熱器吸熱量為3045-2787＝258kJ/kg，因此加裝SP-SH蒸汽過熱器后，單位質(zhì)量蒸汽的吸熱量增加132kJ/kg。根據(jù)傳熱量及傳熱系數(shù)，可以計算出多消耗的鋼材量。

另外，由于SP-SH蒸汽過熱器處于高溫區(qū)，因此蒸汽管道的材質(zhì)應(yīng)略為提高，一般采用20G、15CrMo或者12Cr1MoV。

3.2.2 加裝SP-SH蒸汽過熱器后結(jié)構(gòu)件重量的增加

加裝SP-SH蒸汽過熱器后，除了利用C2出口煙氣管道做支撐外，一般來說還需設(shè)計外部框架來加強支撐，因此結(jié)構(gòu)件重量會略有增加。

3.2.3 加裝SP-SH蒸汽過熱器后總重量的增加

對于一條國內(nèi)常規(guī)5000t/d水泥生產(chǎn)線，加裝SP-SH蒸汽過熱器后，總重量增加約250t?？紤]到受熱面將采用高等級鋼材，按1.2萬元/噸計算，則需增加費用約300萬元。國內(nèi)一般地區(qū)5000t/d水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電投資約4500萬元，則總費用增加約6.7%。

3.3 對余熱電站系統(tǒng)的影響

3.3.1 對余熱發(fā)電量的影響

增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器后，主蒸汽的參數(shù)從1.25MPa-300℃提升到2.4MPa-380℃，即鍋爐出口主蒸汽的焓值從3045kJ/kg提高到3192kJ/kg，綜合考慮到鍋爐出口到汽輪機進(jìn)口沿程的壓力和溫度損失，相當(dāng)于汽輪機進(jìn)口主蒸汽焓值從3026kJ/kg提高到3176kJ/kg。假設(shè)兩種情況下的排汽壓力均為0.0075MPa，則兩者排汽焓值約為2574kJ/kg。因此相當(dāng)于增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器以后，汽輪機的有效焓降從452kJ/kg提升到602kJ/ kg，增幅為33.18%。經(jīng)過計算，發(fā)電功率可以增加728kW，約占原余熱發(fā)電量的9%。

增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器后，提高了主蒸汽的品質(zhì)。給水泵的揚程由低壓增加到次中壓需要增加功率增加耗電量，凝結(jié)水泵的功率基本不增加。因此電站自用電略有增加，根據(jù)經(jīng)驗，自用電率增加<1%。

3.3.2 對余熱發(fā)電系統(tǒng)的影響

增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器后，余熱鍋爐換熱面積大，可以從根本上保證電站能夠適應(yīng)水泥生產(chǎn)的大范圍波動，從而提高電站的運轉(zhuǎn)率、可靠性及安全性。

采用較高的主蒸汽壓力和溫度，為汽機采用大范圍變化主蒸汽壓力和溫度的滑參數(shù)運行創(chuàng)造了條件。

4 增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器的經(jīng)濟性分析

經(jīng)過上節(jié)分析，增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器會引起余熱電站三方面投資的增加：一是強化C1級預(yù)熱器本體及其出口廢氣管道的保溫的費用；二是SP-SH蒸汽過熱器設(shè)備及建安的費用；三是SP余熱鍋爐蒸發(fā)段重量增加引起的費用。結(jié)合目前工程造價水平，三方面綜合考慮，增加的費用約為300萬元，還不到余熱電站工程總投資的7%。

增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器可使發(fā)電功率增加728kW，全廠自用電按增加1%計算，增加耗電量約81kW。則加裝SP-SH蒸汽過熱器后，可增加供電647kW。按照年運行7200h，用電收益0.4元/kWh（外購電0.5元-發(fā)電成本0.1元）計算，年收益約為186萬元，因此300萬元的投資，1.6年即可收回成本。

5 結(jié)論

（1）在窯尾C2級預(yù)熱器增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器，在不采取措施的情況下會使熟料熱耗增加14671kJ/t熟料，若補充加強C1級預(yù)熱器本體及其出口廢氣管道的保溫可在一定程度上彌補此部分的熱量損失。

（2）增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器，雖然會導(dǎo)致余熱電站鋼耗增加，但也會在提高電站可靠性的同時使余熱發(fā)電量提高728kW，實際供電量可增加647 kW。

（3）增設(shè)SP-SH蒸汽過熱器，在使余熱電站總投資增加＜7%的情況下使余熱發(fā)電量增加9%，對應(yīng)的投資在1.6年左右即可收回成本。

（4）對于SP-SH蒸汽過熱器，在設(shè)計時應(yīng)充分結(jié)合現(xiàn)場情況，采用合適的受熱面結(jié)構(gòu)型式及受熱面管節(jié)距，選擇適宜的廢氣流速及防磨板片的材質(zhì)型式，以便于清灰、利于檢修、減小廢氣阻力及受熱面磨損。

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2013-07-24；編輯：趙蓮