水泥廠余熱發(fā)電的風(fēng)管設(shè)計(jì)及優(yōu)化

宋 煒

（上海凱盛節(jié)能工程技術(shù)有限公司，上海 200060）

1 余熱鍋爐的布置

1.1 余熱鍋爐應(yīng)布置在廢氣熱源附近

1）布置時(shí)應(yīng)盡量避開水泥線的基礎(chǔ)承臺(tái)。按照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，改造項(xiàng)目在不知水泥線的基礎(chǔ)承臺(tái)大小時(shí)，為避免設(shè)計(jì)返工，工藝向土建專業(yè)提資，AQC鍋爐距離篦冷機(jī)外框架的適合距離為3.0m，SP鍋爐距離窯尾預(yù)熱器外框架的適合距離為5.5m。余熱鍋爐柱腳應(yīng)盡可能布置在混凝土結(jié)構(gòu)的立柱或主梁上。

2）余熱鍋爐所在的平臺(tái)高度應(yīng)根據(jù)下灰是否通暢、風(fēng)管接入的角度是否不積灰等因素來確定。按照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對于立式余熱鍋爐：AQC鍋爐宜布置在0m層，SP鍋爐宜布置在12m層左右。

1.2 余熱鍋爐廠房的布置方式應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐氖彝鈿庀髼l件確定

應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）非寒冷地區(qū)應(yīng)采用露天布置。

2）一般寒冷地區(qū)可采用露天布置，應(yīng)對導(dǎo)壓管、排污管等易凍損的部位采取伴熱措施。

3）嚴(yán)寒地區(qū)的余熱鍋爐不宜采用露天布置。

2 風(fēng)管附件的選型及布置

2.1 煙風(fēng)閥門的選型及布置

1）≤650℃的煙風(fēng)閥門及篦冷機(jī)余風(fēng)閥需采用龜甲網(wǎng)＋耐磨陶瓷涂料襯里，龜甲網(wǎng)材質(zhì)采用0Cr13不銹鋼材質(zhì)，閥板材質(zhì)選用1Gr18。≤450℃的煙風(fēng)閥門，閥板材質(zhì)選用Q420。

2）對于運(yùn)行中容易積灰的管道，應(yīng)選用45度角傾斜式閥門，并設(shè)置觀察孔（見圖1）。

3）在容易積灰的管道最低點(diǎn)處設(shè)置放灰管道，并設(shè)置觀察孔（見圖2）。以上措施可以有效避免煙風(fēng)管道內(nèi)積灰。

2.2 膨脹節(jié)的選型及布置

風(fēng)管膨脹節(jié)的選型應(yīng)根據(jù)膨脹量來確定，膨脹量公式如下

式中，ΔL為膨脹量，mm；ξ為管材線性膨脹系數(shù)，mm/（mm·℃）；Δt為管道內(nèi)介質(zhì)和環(huán)境溫度差，℃；L為固定支座間的管道長度，mm。

在窯頭篦冷機(jī)取風(fēng)口、窯尾預(yù)熱器下降管跨至鍋爐的風(fēng)管宜設(shè)置選用金屬膨脹節(jié)（見圖1，金屬膨脹節(jié)9），主要是考慮這些部位檢修更換不方便，其他部位可選擇非金屬膨脹節(jié)以提高經(jīng)濟(jì)性。

3 風(fēng)管設(shè)計(jì)常見的問題與優(yōu)化

國內(nèi)絕大部分水泥余熱發(fā)電項(xiàng)目都是在已建成的水泥生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。鑒于經(jīng)濟(jì)性考慮，余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)有一部分風(fēng)管附加荷載要作用在水泥線的混凝土或鋼結(jié)構(gòu)上面。由于某些原因水泥線的結(jié)構(gòu)圖紙不全或者沒有，這給設(shè)計(jì)造成很大的困難，無法核算其承載力。鑒于這種情況，我們可以做如下優(yōu)化：

例：某4 500t/d水泥生產(chǎn)線，當(dāng)?shù)睾０? 454.3m，預(yù)熱器下降管徑?3 600mm，窯尾預(yù)熱器框架為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可以利用廢氣資源為280 000Nm3/h，溫度330℃，高溫風(fēng)機(jī)布置在增濕塔之后，前期收集資料中無預(yù)熱器框架結(jié)構(gòu)圖紙，現(xiàn)要為其配一臺(tái)余熱鍋爐及風(fēng)管設(shè)計(jì)。解析：進(jìn)風(fēng)管段常規(guī)設(shè)計(jì)（見圖3（a），常規(guī)設(shè)計(jì)方案）是從增濕塔上部取風(fēng)，需要在窯尾預(yù)熱器框架上生根做風(fēng)管支架，接入窯尾余熱鍋爐進(jìn)口。因無預(yù)熱器框架結(jié)構(gòu)圖紙無法核算其是否能承載風(fēng)管的附加荷載，可以將鍋爐風(fēng)管靠近預(yù)熱器布置，將鍋爐鋼架加高，對風(fēng)管進(jìn)行優(yōu)化布置（見圖3（b），優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案），讓風(fēng)管附加荷載作用在鍋爐鋼架上，從而避免不安全因素的風(fēng)險(xiǎn)。下面是計(jì)算過程。

3.1 進(jìn)風(fēng)管徑的計(jì)算

進(jìn)風(fēng)管徑的計(jì)算，公式如下

其中，D為管徑，mm；QLg為高海拔地區(qū)工況風(fēng)量，m3/h；u為管道風(fēng)速，m/s。

3.2 進(jìn)風(fēng)管道荷載計(jì)算

總均布荷載F＝（管道自重＋保溫重＋風(fēng)載力）×地震系數(shù)×積灰系數(shù)。

其中：管道自重＝1.2×0.078 5×3.14×4.0×8＝9.47kN/m；

保溫重＝0.01×130×3.14×（（2＋0.001×180）2－22）＝3.07kN/m；

風(fēng)載力＝75×4×1.1×0.01＝3.3kN/m。

則有，總均布荷載F＝（9.47＋3.07＋3.3）×1.3×1.5＝30.88kN/m。

對風(fēng)管布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在鍋爐頂部設(shè)置三層鋼平臺(tái)，每層高4.8m，鋼架立柱與鍋爐柱腳跨距一致，上下兩層可以設(shè)置固定支架，中間一層設(shè)置膨脹節(jié)（常規(guī)設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案對比，見圖3），根據(jù)管道長度可計(jì)算出：固定支架1垂直荷載＝－440kN，固定支架2垂直荷載＝－266kN。

3.3 進(jìn)風(fēng)管阻力計(jì)算

進(jìn)風(fēng)管阻力，計(jì)算公式如下

其中，λ為圓管摩擦阻力系數(shù)（對于金屬風(fēng)煙管道取0.02，對于磚砌或混凝土風(fēng)、煙管道取0.04）；L為風(fēng)管長度，m；D為風(fēng)管直徑，m；ξ為管件及變徑點(diǎn)阻力系數(shù)；u為風(fēng)管中流速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3，0℃時(shí)ρ＝1.293；K0為阻力附加系數(shù)，K0＝1.15～1.20。

可得：優(yōu)化前的進(jìn)風(fēng)管阻力ΔP1＝［0.02×25÷4＋（0.58×3）］×162×0.585÷2×1.2＝167.7Pa，優(yōu)化后的進(jìn)風(fēng)管阻力ΔP2＝［0.02×25÷4＋0.58］×162×0.585÷2×1.2＝63.4Pa。

4 結(jié) 論

a.通過以上探討分析，我們知道合理、正確地布置鍋爐位置及選擇風(fēng)管附件，可以避免返工及工程質(zhì)量事故，有效地節(jié)省項(xiàng)目建設(shè)時(shí)間，提高工作效率。在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員要嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范并結(jié)合工程實(shí)際情況，對一些經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)歸類。

b.通過上述計(jì)算可知進(jìn)風(fēng)管的附加荷載為－440kN－266kN＝－706kN，荷載相對比較大。若設(shè)計(jì)作用在窯尾預(yù)熱器框架上，無法知道其承載力，具有一定風(fēng)險(xiǎn)；優(yōu)化設(shè)計(jì)后此荷載全部作用在鍋爐鋼架上，而鍋爐訂貨前其鋼架是可以進(jìn)行核算加固的，此優(yōu)化可避免風(fēng)管的附加荷載作用在窯尾預(yù)熱器框架上引起的承載力不夠等不安全因素。其次，優(yōu)化后的進(jìn)風(fēng)管因彎頭減少，局部阻力附加系數(shù)變小，總阻力比優(yōu)化前減少167.7－63.4＝104.3Pa，從而減少了風(fēng)機(jī)的負(fù)荷，節(jié)省了廠用電。所以，建議在不知窯尾預(yù)熱器框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力或者核算后承載力不夠的情況下，可采用此優(yōu)化方案。

［1］ 中小型熱電聯(lián)產(chǎn)工程設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［2］ 水泥工廠余熱發(fā)電設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京：中國計(jì)劃出版社，2010.