水泥窑纯低温余热电站不同热力系统配置的发电能力比较

天津水泥工业设计研究院有限公司 2007-04-05 00:00

1．前言

在全国范围内，目前共有为22条水泥窑配套建设的20座纯低温余热电站投入运行（不含台湾地区），其中天津院主持设计的有16座。目前天津院已经设计完毕正在施工以及天津院正在设计的余热电站还有30多座。在天津院设计的已经投运的余热电站中，天津院普遍采用了单压和双压的余热发电热力系统；在天津院已经设计完毕正在安装或正在设计的余热电站中，天津院普遍采用了闪蒸、双压和单压的热力系统。

那么对于目前存在的三种热力系统，发电能力到底如何？在一定具体条件下哪种热力系统优点更突出？以及建设单位到底采用哪一种系统建设余热电站？目前各家设计单位及学者都没能给业主以清晰的概念。本文根据二十多年来天津院从事余热发电的设计经验，结合某具体工程，分别对三种热力系统配置进行计算和分析，供业主参考。

2．单压、闪蒸、双压余热发电热力系统的概念

目前在水泥行业纯低温余热发电技术领域中，热力系统主要有三种配置方式：

a. 单压系统

b. 热水闪蒸双压系统，简称闪蒸系统

c. 双压锅炉双压系统，简称双压系统

目前普遍采用的单压系统热力流程如图1所示。本热力系统中，窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉生产相同或相近参数的主蒸汽，混合后进入汽轮机，主蒸汽在汽轮机内作功后经除氧，由给水泵为窑头余热锅炉供水，窑头余热锅炉生产的热水再为窑头余热锅炉蒸汽段和窑尾余热锅炉供水，两台余热锅炉生产出合格的主蒸汽，从而形成一个完整的热力循环。

图1：单压系统热力流程

这个热力系统的特点是汽轮机只设置一个进汽口，窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉只生产参数相同或相近的主蒸汽。那么考虑水泥窑废气余热的调配及利用、余热锅炉的设计、电站热力系统的配置等因素的唯一的目的，就是提高主蒸汽品质及产量。主蒸汽品质及产量在外部条件确定的情况下，完全决定了余热发电系统的发电功率。

闪蒸余热发电系统就是在发电热力系统配置中应用了闪蒸机理，即：根据废气余热品质的不同而生产一定压力的主蒸汽和及热水，主蒸汽进入汽轮机高压进汽口，而热水经过闪蒸，生产出低压的饱和蒸汽，补入补汽式汽轮机的低压进汽口，主蒸汽及低压蒸汽在汽轮机内作功，推动汽轮机转动，共同生产电能。低压蒸汽发生器内的饱和水进入除氧器，与冷凝水一起经除氧后由给水泵供给锅炉。图2、图3为两种含有一级闪蒸配置的发电系统。

图2.一级闪蒸发电系统

（窑头余热锅炉生产闪蒸热水）

图3.一级闪蒸发电系统

（窑头窑尾余热锅炉生产相同参数的热水）

上述两种含有闪蒸配置的发电系统，是根据废气余热的不同尤其是余热锅炉允许的排烟温度的不同而进行设计的，图2系统用于窑尾排烟温度较高的情况；图3系统是一种比较灵活的配置方式，窑头和窑尾锅炉汽水系统相对独立，可以适应窑尾废气不用于物料烘干或者物料烘干温度可以降得很低的情况。

双压技术是根据水泥窑废气余热的品位的不同，余热锅炉分别生产较高压力和较低压力的两路蒸汽。较高压力的蒸汽作为主蒸汽进入汽轮机主进汽口推动汽轮机转动作功发电。余热锅炉生产出较高压力的蒸汽后，烟气温度降低，余热品位下降，那么根据低温烟气的品位，再生产较低压力的低压进汽，进入汽轮机的低压进汽口，辅助主蒸汽一起推动汽轮机作功发电。

根据水泥窑余热条件，尤其是窑尾排烟温度的限制，水泥窑纯低温余热发电双压系统主要有以下两种基本构成方式，如图4、图5所示。

图4 双压系统

图5 双压系统

以上图4、图5两种系统是相对简化的双压热力系统，图4系统用在窑尾排烟温度高（即后续物料烘干温度高）的情况。图5是在图4系统基础上扩展的热力系统，图5系统中，窑尾余热锅炉的排烟温度可以降得很低。

3．纯低温余热电站不同热力系统的发电能力的计算

以某厂为例，某厂水泥窑熟料设计产量为5000t/d，实际运行产量为5800t/d，其余热条件如下：

窑尾进口废气量： 389000Nm³/h

窑尾进口废气温度：325℃

窑尾出口废气温度：200℃

窑头冷却机中部取风废气量： 206250Nm³/h

窑头进口废气温度：360℃

根据上述废气余热条件，根据天津院的余热发电技术，三种热力系统配置下，计算结果汇总如表1所示：

表1

热力系统配置	单压	闪蒸	双压
主蒸汽参数(MPa-℃-t/h)	窑头：1.35-345-17.16；窑尾：1.35-305-28.87	窑头：1.35-345-17.16；窑尾：1.35-305-28.87	窑头：1.35-345-17.16；窑尾：1.35-305-28.09
闪蒸系统低压蒸汽参数 (MPa-℃-t/h)	——	窑头：0.137-108.7-2.37；窑尾：0.137-108.7-0.71	——
双压系统低压蒸汽参数 (MPa-℃-t/h)	——	——	窑头：0.15-140-4.92；
锅炉实际排烟温度(℃)	窑头：102 窑尾：205	窑头：80 窑尾：200	窑头：77 窑尾：200
发电功率(kW)	9326	9643	9705
吸收烟气的热量(×10⁴kJ/h)	13980	14868	14950
效率（%）（即发电量与吸收的烟气热量的比值	24.02	23.35	23.37
吨熟料余热发电量(kWh/t.cl)	38.59	39.90	40.16
说明	按图1热力系统	按图3热力系统	按图4热力系统

注明：

a) 以上计算考虑了锅炉本体2%的散热。

b) 以上计算发电能力按汽轮机和发电机的整体效率80.5%考虑（按汽轮机和发电机设备厂家最新的数据计算），汽轮机排汽压力、排汽温度按0.00573MPa、35.5℃计算。

4 计算结果分析

从以上计算数据表明：

(1) 排烟温度：

窑头余热锅炉：单压系统最高，双压系统最低；

窑尾余热锅炉：单压系统最高，且不能降得很低。

(2) 吸收热量：双压系统高于闪蒸系统，闪蒸系统高于单压系统。

(3) 发电量：双压系统高于闪蒸系统，闪蒸系统高于单压系统。

(4) 发电效率：单压系统高于双压系统，双压系统高于散蒸系统。

即：双压系统窑头余热锅炉排烟温度最低，因此它吸收了更多量的废气余热，这是双压系统可能具有较高发电能力的主要原因之一。虽然单压系统吸收的烟气热量少，但是它吸收了较高温度的废气余热，较高温度的废气作功能力强于较低温度的废气，因此单压系统的发电量与其吸收的烟气热量比值最大，即效率最高。因此可以推测出，对于给定的废气余热条件，要利用它首先生产尽可能多的主蒸汽，然后在利用生产主蒸汽不能完全被利用的低温废气生产热水或低压蒸汽，作为主蒸汽发电的补充，来提高发电能力。

根据上面的理论以及笔者多年从事设计的经验推测，只要单压系统能够将窑头的废气温度降低到85℃以下时（且窑尾物料烘干温度较高时），就没有必要采用闪蒸和双压系统

低温废气的作功能力弱，因此闪蒸和双压热力系统中，虽然余热锅炉的排烟温度可降得很低，可尽可能的多利用低温废气的余热，但是这两种热力系统整体效率稍低。

另外，电站自用电方面，单压最低。

以上计算结果仅仅是按某厂的余热条件进行分析的结果，其结果仅仅是反映出发电量不同的一种大概趋势。对于同样的余热条件下，个别厂的具体要求不同（比如窑尾生料磨型式不同、窑尾收尘器是电收尘或袋收尘、生料水分不同等因素导致烘干温度不同），发电计算结果肯定会有更大的不同。对于上述某厂的废气余热，如果窑尾排烟温度分别为230℃和180℃时，具有的余热发电能力见表2。

表2

热力系统配置	主蒸汽参数 MPa-℃-t/h	闪蒸系统低压蒸汽参数MPa-℃-t/h	双压系统低压蒸汽参数MPa-℃-t/h	锅炉实际排烟温度℃	发电功率(kW)	吨熟料发电量(kWh/t.cl)	说明
单压-230	窑头：1.35-345-17.16；窑尾：1.35-305-22.79	——	——	窑头：115 窑尾：230	8095	33.50
单压-180	窑头：1.35-345-17.16；窑尾：1.35-305-28.87	——	——	窑头：102 窑尾：205	9326	38.59	由于系统配置问题窑尾温度不能降至180℃
闪蒸-230	窑头：1.35-345-17.16；窑尾：1.35-305-22.79	窑头：0.137-108.7-3.20	——	窑头：85 窑尾：230	8424	34.86
闪蒸-180	窑头：1.35-345-17.16；窑尾：1.35-305-28.87	窑头：0.137-108.7-2.37；窑尾：0.137-108.7-3.67	——	窑头：80 窑尾：180	9947	41.16
双压-230	窑头：1.35-345-17.16；窑尾：1.35-305-21.24	——	窑头：0.15-140-5.38；（汽机低压进汽口参数下同）	窑头：83 窑尾：230	8366	34.62
双压-180	窑头：1.35-345-17.16；窑尾：1.35-305-28.87	——	窑头：0.15-140-4.20；窑尾：0.15-140-4.06	窑头：80 窑尾：180	10225	42.31

5 具体工程热力系统的选择

一般具体工程从技术角度考虑，选择热力系统主要从如下几方面考虑：

5.1 系统的余热情况

主要考虑水泥窑自身特点决定的烟气量和烟气温度，以及烟气用于物料烘干温度的高低。对于已经确定的余热状况，应首先进行单压系统的配置计算，如果单压系统能够满足最大限度的利用余热，就没有多余的余热去生产热水或低压蒸汽，就没有必要去考虑双压、闪蒸以及采暖等方案了。如河北某企业，窑尾配置四级预热器，它的废气参数如下：

窑头熟料冷却机中间取风口废气参数为：90000m³/h(标况)－360℃：

窑尾预热器出口废气参数：226000m³/h(标况)－390℃，考虑后续物料烘干，窑尾锅炉出口废气温度不应低于220℃

单压热力系统配置计算结果见表3

表3

主机设备	项目名称	单位	主蒸汽压力 1.35MPa	主蒸汽压力 1.6MPa
SP余热锅炉	进口废气量	Nm³/h	226000	226000
	进口废气温度	℃	390	390
	主蒸汽压力	MPa	1.35	1.6
	主蒸汽温度	℃	370	370
	主蒸汽量	kg/h	24502	24978
	给水温度	℃	180	190
	出口废气排烟温度		220.2	220.4
AQC余热锅炉	进口废气量	Nm³/h	90000	90000
	进口废气温度	℃	360	360
	主蒸汽压力	MPa	1.35	1.6
	主蒸汽温度	℃	350	350
	主蒸汽量	kg/h	5640	5178
	给水温度	℃	40	40
	出口废气排烟温度	℃	79.8	80.0
汽轮机	进汽温度	℃	350	350
	进汽压力	MPa	1.25	1.5
	进汽量	kg/h	30142	30156
	发电汽耗率	kg/kW	4.901	4.781
	发电功率	kW	6188	6347
	排汽压力	MPa	0.007	0.007

该厂窑头废气量偏低，从表中可以看出，按单压热力系统配置，主蒸汽压力无论是1.35MPa还是1.5MPa，均能把窑头废气温度降到80℃，以及把窑尾废气温度降低到满足物料烘干必须的220℃。对于这种参数的废气，如果强制进行闪蒸或双压配置，则必须以减少主蒸汽产量为代价，得不偿失。

5.2 系统是否能最大限度的回收废气的余热

如果按单压配置后，窑尾和窑头仍有多余的低温废气的热量没有被利用完，原则上还应采取闪蒸或双压系统进行进一步的利用。

5.3 系统是否简捷，是否便于操作、运行、管理、维修，以及配置的员工的数量

单压系统的热力系统构成简单，设备数量少，便于操作、运行、管理和维修，同时配置的员工的数量少。大部分水泥企业对发电了解都不多，因此配置单压系统，可减少电站管理和运行的难度。

5.4 系统是否能最大限度的适应水泥窑的波动

单压和闪蒸系统对水泥窑的波动适应能力较强，双压系统稍差。

5.5 是否希望余热电站能够供应厂区的全部或部分范围内的采暖

对于闪蒸系统，在北方地区，冬季可以用余热锅炉生产的热水进行厂区内全部或部分面积的采暖，夏季可以用余热锅炉生产的热水进行闪蒸，闪蒸出的低压蒸汽用于发电。

5.6 厂区发电厂房的布置位置等

电站主厂房与水泥窑的距离会增加双压系统中低压蒸汽的输送损失。也会增加用于输送大量闪蒸用热水的给水泵的功率。

6 小结

①. 天津院作为水泥行业余热回收利用及发电的领跑者，具有单压、闪蒸和双压的纯低温余热发电技术，并且使用单位广，技术成熟可靠。

②. 利用天津院的技术，单压系统具有约33~38kWh/t.cl的余热发电能力，闪蒸系统具有约34~40kWh/t.cl的余热发电能力，双压系统具有约34~42kWh/t.cl的余热发电能力，

③. 对于不同的废气余热参数，要进行具体热力系统配置并计算，通过比较才能确定出最合适的热力系统方案。

④. 双压和闪蒸系统，因为利用了更多低温段的废气余热，即可以把废气温度降得更低，因此具有较高的发电能力。但是当水泥生产不允许废气温度降得很低时，或者单压热力系统配置及计算时，已经能把废气温度降得很低时，就不能勉强采用闪蒸和双压系统。

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