再熱機(jī)組在水泥工廠自備電站中的應(yīng)用研究

王彩霞，馮帥

再熱機(jī)組在水泥工廠自備電站中的應(yīng)用研究

王彩霞，馮帥

在國外電力匱乏地區(qū)的水泥工廠自備電站中，常采用“溫度對口，梯級利用”原則，利用再熱機(jī)組高壓缸排汽壓力與工廠煙氣余熱蒸汽壓力相近的特點(diǎn)，將余熱蒸汽與再熱機(jī)組高度結(jié)合，利用燃煤鍋爐的再熱器提高余熱蒸汽品質(zhì)，進(jìn)而提高機(jī)組整體熱力系統(tǒng)效率與發(fā)電量。本文結(jié)合工程實(shí)例，對比分析了高溫超高壓一次再熱機(jī)組與常規(guī)形式的高溫高壓機(jī)組加純低溫余熱機(jī)組的各項(xiàng)電站指標(biāo)，顯示超高壓再熱機(jī)組方案的煤耗、自用電、發(fā)電量等技術(shù)指標(biāo)都優(yōu)于傳統(tǒng)高溫高壓加余熱機(jī)組方案。文中還從廠區(qū)占地、投資對比、系統(tǒng)配置等多方面對再熱機(jī)組與常規(guī)形式做了對比分析，為高溫超高壓一次再熱機(jī)組應(yīng)用于其他工業(yè)企業(yè)自備電站提供了示范作用。

再熱機(jī)組；自備電站；余熱；水泥工廠；工業(yè)企業(yè)

隨著國家“一帶一路”倡議的實(shí)施，中國企業(yè)在國外投資建設(shè)的水泥、鋼鐵等高耗能項(xiàng)目越來越多。尤其在印尼、巴基斯坦、菲律賓、印度等電力匱乏的地區(qū)，由于電網(wǎng)不發(fā)達(dá)，在建設(shè)工廠的同時(shí)還需建設(shè)自備電站。一般常規(guī)的傳統(tǒng)做法是將企業(yè)排放的煙氣余熱進(jìn)行回收，建設(shè)純低溫余熱電站。由于純低溫余熱電站的發(fā)電量不足以滿足企業(yè)生產(chǎn)所需電力，還需要同時(shí)再建設(shè)一座燃煤火力發(fā)電自備電站，這樣企業(yè)將建設(shè)兩座電站，設(shè)置兩套汽輪發(fā)電機(jī)組、兩套電氣系統(tǒng)等，無論是項(xiàng)目投資，還是廠區(qū)占地、施工周期都給企業(yè)帶來巨大的壓力，造成企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的降低。

根據(jù)熱力學(xué)中的“溫度對口、梯級利用”原則，我們創(chuàng)造性地利用高溫超高壓一次再熱機(jī)組高壓缸排汽壓力與工業(yè)余熱蒸汽壓力相近的特點(diǎn)，將余熱煙氣產(chǎn)生的蒸汽連同汽機(jī)高壓缸排汽一同送至燃煤鍋爐的再熱器進(jìn)行再熱，提高蒸汽溫度，進(jìn)而提高蒸汽品質(zhì)，再進(jìn)入汽機(jī)的低壓缸做功發(fā)電，做功的排汽進(jìn)入冷凝設(shè)備，余熱資源與燃煤電站完全融合，簡化了常規(guī)系統(tǒng)的設(shè)備配置，提高了電站整體熱效率，降低了投資、燃料消耗和運(yùn)行費(fèi)用。

1 余熱發(fā)電系統(tǒng)簡介

余熱發(fā)電技術(shù)是依據(jù)余熱“梯級利用”的原則，將工業(yè)生產(chǎn)中排出的大量廢氣通過余熱鍋爐將廢熱進(jìn)行熱交換回收，產(chǎn)生過熱蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

以水泥工廠余熱發(fā)電為例，水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)就是對新型干法水泥熟料燒成系統(tǒng)中的廢氣余熱進(jìn)行回收利用。如在窯頭設(shè)置AQC余熱鍋爐（窯頭余熱鍋爐），有效利用窯頭冷卻機(jī)的220℃（在不影響三次風(fēng)取風(fēng)的前提下，冷卻機(jī)中部開口可取到360℃左右）的廢氣；再如窯尾廢氣340～350℃，用于生料烘干的風(fēng)溫為180～240℃，尚有100～170℃余量溫差余熱可以梯級利用，可在窯尾設(shè)置SP余熱鍋爐（窯尾余熱鍋爐）進(jìn)行回收利用。在余熱鍋爐內(nèi)，廢氣與水進(jìn)行熱交換，使水產(chǎn)生1.1～1.6MPa-320～340℃的低壓過熱蒸汽，過熱蒸汽進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。

圖1 水泥窯余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)流程圖

工藝流程如圖1所示。

2 再熱汽輪發(fā)電機(jī)組簡介

中間再熱汽輪機(jī)是蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)做了一部分功后，從中間引出，通過燃煤鍋爐的再熱器提高溫度，然后再回到汽輪機(jī)繼續(xù)做功，最后排入機(jī)組的冷凝設(shè)備。蒸汽采用中間再熱，不僅能減少汽輪機(jī)排氣濕度，還可改善汽輪機(jī)末幾級葉片的工作條件，減輕濕蒸汽對葉片的沖蝕，提高低壓部分的內(nèi)效率，提高汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率。同時(shí)，采用中間再熱循環(huán)，正確地選擇再熱壓力后，系統(tǒng)循環(huán)效率可以提高3.6%～4.2%。

純?nèi)济弘娬局胁捎迷贌釞C(jī)組與非再熱機(jī)組的技術(shù)指標(biāo)以及投資與系統(tǒng)效率如圖2與表1所示。

由圖2可以看到，采用再熱機(jī)組，相較于非再熱機(jī)組，收益提高～10%，系統(tǒng)熱效率由37%～39%提高至40%～43%，提高了3%～4%，對于長期運(yùn)行的電站來說，可大幅減少全年燃料的消耗，降低運(yùn)行費(fèi)用。由表1可以看到，在耗煤量相同的條件下，采用再熱機(jī)組，汽機(jī)的汽耗率降低～16.5%，全年售電收益增加～2 688萬元。

圖3為65MW超高壓一次再熱凝汽式汽輪機(jī)圖。

3 再熱機(jī)組在水泥工廠自備電站中的應(yīng)用

某水泥工廠里兩條3 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線配套建設(shè)三臺(tái)余熱鍋爐以及一臺(tái)180t/h煤粉鍋爐，一套制粉系統(tǒng)，一套直接空冷系統(tǒng)，以及電站配套上煤、除灰渣、壓縮空氣等輔機(jī)系統(tǒng)，裝機(jī)規(guī)模為65MW的高溫超高壓一次再熱機(jī)組。

余熱煙氣參數(shù)為：AQC1鍋爐：183 609m3（標(biāo)）/h-345℃；AQC2鍋爐：199 030m3（標(biāo)）/h-345℃；PH1鍋爐：100 000m3（標(biāo)）/h-300℃。

余熱鍋爐產(chǎn)生的余熱蒸汽參數(shù)為：AQC1鍋爐：10.91t/h-2.6MPa-325℃ ；AQC2鍋 爐 ：11.82t/h-2.6MPa-325℃；PH1鍋爐:3.97t/h-2.6MPa-280℃。

再熱機(jī)組的高壓缸排汽壓力為2.5MPa-330℃，因此，本項(xiàng)目余熱鍋爐蒸汽壓力提高至2.6MPa，較常規(guī)純低溫余熱電站蒸汽壓力有所提高，主要是為了更好地滿足與汽機(jī)高壓缸排汽混合的要求，余熱蒸汽經(jīng)過管道損失0.1MPa后與汽機(jī)高壓缸排汽混合，然后一起進(jìn)入燃煤鍋爐再熱器，再熱后的蒸汽參數(shù)為2.2MPa-535℃，進(jìn)入汽機(jī)低壓缸做功發(fā)電。本項(xiàng)目燃煤加余熱的65MW高溫超高壓一次再熱全廠熱力系統(tǒng)如圖4所示。

圖2 各等級非再熱、再熱機(jī)組性能收益對比圖

表1 65MW級再熱機(jī)組與非再熱機(jī)組技術(shù)指標(biāo)對比表

本項(xiàng)目根據(jù)煤質(zhì)分析采用煤粉鍋爐，煤粉鍋爐產(chǎn)生的177.6t/h-13.83MPa-540℃的高溫超高壓蒸汽首先進(jìn)入汽機(jī)高壓缸，高壓缸設(shè)置兩級抽汽分別用于兩級高加，高壓缸的排汽135.8t/h-2.449MPa-331℃與三臺(tái)余熱鍋爐蒸汽混合進(jìn)入燃煤鍋爐再熱器，利用燃煤鍋爐煙道熱煙氣設(shè)置再熱器再加熱蒸汽，提高蒸汽溫度（再熱后的蒸汽參數(shù)為162.5t/h-2.2MPa-540℃），然后送入汽機(jī)低壓缸，做功發(fā)電后排入空冷島冷凝。低壓缸設(shè)置4個(gè)抽汽口，分別為熱力除氧器以及三級低加進(jìn)行抽汽加熱。

由于余熱鍋爐的蒸汽壓力選為2.5MPa，經(jīng)過熱力計(jì)算，其鍋爐排煙溫度分別為：AQC1為214℃，PH1為230℃，AQC2為214℃。余熱鍋爐排煙還有大量余熱并未充分利用，因此為充分利用煙氣余熱，提高電站整體熱力效率，本項(xiàng)目在余熱鍋爐蒸發(fā)段后設(shè)置大的熱水器，將系統(tǒng)空冷島冷凝的凝結(jié)水送入到余熱鍋爐熱水器中加熱，加熱到160℃后再送入熱力除氧器，這樣可避免三級低壓的抽汽，減少低壓缸抽汽量，增加發(fā)電量，提高系統(tǒng)熱效率，降低運(yùn)行煤耗。同時(shí)三級低加保留設(shè)置，當(dāng)余熱鍋爐停運(yùn)時(shí)，依然采用低加加熱凝結(jié)水形式，余熱鍋爐熱水器與低加互為備用，保證電站的安全性。余熱鍋爐經(jīng)熱水器后，排煙分別降低至108℃/202℃/109℃，煙氣余熱得到充分利用。

圖3 65MW等級超高壓一次再熱凝汽式汽輪機(jī)

圖4 65MW燃煤+余熱高溫超高壓一次再熱全廠熱力系統(tǒng)圖

為滿足電站汽水系統(tǒng)的除氧要求，本項(xiàng)目設(shè)置兩臺(tái)除氧器，一臺(tái)為煤粉鍋爐供水的熱力除氧器，工作壓力為0.8716MPa，一臺(tái)為余熱鍋爐供水的真空除氧器，工作壓力為0.02MPa。

本項(xiàng)目65MW的高溫超高壓一次再熱汽輪機(jī)采用單缸結(jié)構(gòu)，與之前的雙缸高溫超高壓汽輪機(jī)相比，單缸結(jié)構(gòu)提高了汽輪機(jī)的內(nèi)效率，降低了機(jī)組的土建成本，提高了機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)性。

4 再熱機(jī)組與常規(guī)自備電站的對比分析

在水泥工廠中，本項(xiàng)目既存在余熱鍋爐低壓蒸汽，又存在煤粉爐的高壓蒸汽，為充分利用其發(fā)電，有兩種利用方式：一種為常規(guī)設(shè)置兩套發(fā)電系統(tǒng)，一套為純低溫余熱發(fā)電（如圖1所示），另一套為純?nèi)济弘娬鞠到y(tǒng)；另一種為本項(xiàng)目設(shè)置的燃煤+余熱混合的高溫超高壓一次再熱機(jī)組形式（如圖4所示）。

4.1 技術(shù)指標(biāo)對比分析

根據(jù)表2的計(jì)算分析，采用燃煤余熱混合的超高壓一次再熱機(jī)組，電站的全年凈發(fā)電量由44 579.2×104kWh提高至45 895.2×104kWh，按照0.6元/kWh計(jì)算，全年可增加收益789.6萬元；同時(shí)，由于采用超高壓機(jī)組，蒸汽參數(shù)得以提高，電站的運(yùn)行煤耗大幅度降低，由40.5t/h降低至37.95t/h，全年共節(jié)煤20 400t，按照燃煤每噸350元計(jì)算，全年共節(jié)省714萬元，整體電站全年的收益增加為1 503.6萬元。

4.2 電氣對比分析

采用超高壓一次再熱方式，只安裝一臺(tái)65MW的機(jī)組，采用發(fā)電機(jī)變壓器組接線方式，通過一回150kV并網(wǎng)電纜接入廠區(qū)已有的150kV變電站，電站廠用電源11kV母線采用單母線接線，廠用電源引自升壓變低壓側(cè)，廠用備用電源引自現(xiàn)有150kV變電站的11kV母線段。電氣主接線見圖5a。

采用常規(guī)方式，需要安裝一臺(tái)57.5MW燃煤機(jī)組和一臺(tái)7.5MW余熱機(jī)組。電氣主接線如圖5b，考慮余熱機(jī)組較為不穩(wěn)定，7.5MW機(jī)組設(shè)在11kV廠用母線段上，可以向廠用負(fù)荷供電。

常規(guī)方案的兩臺(tái)機(jī)組相較于超高壓的一臺(tái)機(jī)組，電氣熱控需要增加的有：（1）7.5MW發(fā)電機(jī)出口斷路器柜一面，電壓互感器柜兩面；（2）發(fā)電機(jī)保護(hù)測控屏一面，勵(lì)磁控制屏一面；（3）汽機(jī)控制屏一面，安裝505控制器、8 500B汽機(jī)監(jiān)控保護(hù)裝置等；（4）余熱純低溫汽機(jī)的DCS控制系統(tǒng)。

4.3 廠區(qū)占地對比分析

采用超高壓一次再熱機(jī)組，電站只設(shè)置一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組，配套設(shè)置一套電氣系統(tǒng)，因此相較于常規(guī)方案的燃煤與純低溫的兩臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組，主廠房布置更加緊湊，占地更少，土建費(fèi)用大幅度降低。本項(xiàng)目65MW超高壓一次再熱機(jī)組主廠房占地為56m×33m，空冷島占地為47.37m×23.6m；而常規(guī)方案主廠房占地為72m×33m，空冷島占地為59.22m×23.6m。由于主廠房縮小，土建費(fèi)用與工期大幅降低，有利于項(xiàng)目的順利完成。

表2 技術(shù)指標(biāo)對比分析

圖5 電氣對比分析

4.4 投資分析

由于蒸汽壓力的提高，汽輪機(jī)與燃煤鍋爐的耗鋼量會(huì)小幅上漲，因而采用高溫超高壓機(jī)組造價(jià)相較于常規(guī)高溫高壓機(jī)組會(huì)增加，但本項(xiàng)目采用超高壓一次再熱機(jī)組后，電站只設(shè)置一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組，相較于常規(guī)方案減少了一臺(tái)汽輪機(jī)和一臺(tái)發(fā)電機(jī)，同時(shí)減少了一套電氣熱控裝置（見4.2）。由于電站耗煤量降低，相應(yīng)鍋爐配套的風(fēng)機(jī)、輸灰設(shè)備、輸渣設(shè)備、空壓機(jī)、制粉裝置、上煤裝置等容量都會(huì)大幅降低，減少了機(jī)械設(shè)備采購費(fèi)用。

電站主廠房與空冷島占地相較于常規(guī)形式大幅減少，土建費(fèi)用降低，節(jié)省了廠區(qū)內(nèi)的有效土地，為企業(yè)后續(xù)的生產(chǎn)擴(kuò)建提供了土地保障。同時(shí)，由于熱力系統(tǒng)簡化，項(xiàng)目的安裝工程量大幅減少，降低了項(xiàng)目的安裝費(fèi)用。

綜上所述，采用一臺(tái)超高壓一次再熱機(jī)組相較于常規(guī)形式會(huì)大幅度降低項(xiàng)目的投資，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

該項(xiàng)目創(chuàng)造性地利用高溫超高壓一次再熱機(jī)組高壓缸排汽壓力與水泥余熱蒸汽壓力相近的有利條件，將余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽連同高壓缸排汽一同送至燃煤鍋爐再熱器，能提高余熱蒸汽品質(zhì)和電站熱效率；同時(shí)，為充分利用水泥窯煙氣余熱，在余熱鍋爐設(shè)置熱水器，加熱凝結(jié)水，減少系統(tǒng)中低溫加熱器的抽汽量，能夠起到回收有效余熱的作用，提高電站的回?zé)嵝阅?，提高電站的熱效率，增加電站的凈發(fā)電量。

本文以工程實(shí)例為依據(jù)，將新形式的燃煤與余熱混合的高溫超高壓一次再熱系統(tǒng)與常規(guī)形式的高溫高壓機(jī)組加上純低溫余熱機(jī)組，從電站技術(shù)指標(biāo)、系統(tǒng)配置、廠區(qū)占地、投資等方面進(jìn)行分析比對，顯示高溫超高壓一次再熱機(jī)組能夠有效提高電站的技術(shù)指標(biāo)，降低電站的運(yùn)行成本，節(jié)約燃料消耗，同時(shí)，系統(tǒng)配置更為簡單，廠區(qū)占地更為緊湊，項(xiàng)目投資大幅節(jié)省，土建與安裝工程量大幅降低，施工周期大幅縮短，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

在鋼鐵、化工、碳素等工業(yè)企業(yè)中，也會(huì)同時(shí)存在工業(yè)余熱與自備電站，本項(xiàng)目為高溫超高壓一次再熱機(jī)組在其他工業(yè)企業(yè)中的應(yīng)用提供了示范作用，開拓了新的應(yīng)用方向?！?/p>

Study on Application of Reheat Unit in Captive Power Station of the Cement Plant

WANG Caixia,FENG Shuai
（Sinoma Energy Conservation Ltd.,Tianjin,300400）

For captive power station in oversea cement plants where weak power supply,based on the principle of"energy grade,step utilize",waste heat steam can be highly connected with reheating power generation unit since the high pressure cylinder exhaust steam from reheating turbine unit is similar to waste heat generated steam,thus the reheater of coal fired boiler can improve the waste heat steam quality and increase the total thermal efficiency and power output of the power generation unit.This article compares and analyzes the indexes and data of high temperature super-high pressure reheating unit with the regular high temperature high pressure unit+condensing waste heat power generation unit,which shows the coal consumption,self-power consumption and power output of super-high reheating unit are all optimized to high temperature high pressure+waste heat power generation unit.Land occupation,investment and system configuration are also compared for reheating unit and regular unit,which shows the direction of reheating unit application in captive power plants of other industrial area.

MSWI reheat steam turbine unit;captive power station;waste heat;cement plant;industrial enterprise

TQ172.622.22

A

1001-6171（2017）06-0064-07

2017-06-20； 編輯：孫 娟