磚廠余熱發(fā)電、并網(wǎng)設(shè)計(jì)

靖 波

（平煤股份八礦 機(jī)運(yùn)區(qū)，河南 平頂山 467000）

1 引言

隧道窖燒坯成磚是磚廠生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，磚坯燒制成磚過(guò)程中產(chǎn)生大量余熱。由于資金和技術(shù)原因，目前隧道窯余熱利用率較低，大部分排煙熱量（200～500℃）和產(chǎn)品冷卻熱量（500～900℃）直接廢棄，從而造成大量的能源浪費(fèi)和熱源污染。如何將隧道窯余熱收集并轉(zhuǎn)化為其它形式的、 價(jià)值更高的新型能源是一項(xiàng)重要的研究課題。

2 磚廠概況

某磚廠主要從事以煤礦矸石為原料、采用內(nèi)燃工藝燒制建筑用磚的生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)業(yè)務(wù)。磚廠現(xiàn)有生產(chǎn)線兩條，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)磚產(chǎn)量為6 000 萬(wàn)塊/年。其主要生產(chǎn)工藝流程包括：煤矸石破碎→篩分→強(qiáng)力攪拌（一級(jí)）→陳化→攪拌擠出（二級(jí)）→制坯→碼坯→干燥→隧道窯燒坯成磚→人工卸窯車→成品堆場(chǎng)等步驟。磚廠目前6KV 高壓電源取自上級(jí)變電所，磚廠生產(chǎn)時(shí)間用電總功率約為1 200KW，非生產(chǎn)即檢修時(shí)間用電總功率最大約為150KW，目前磚廠配電系統(tǒng)情況如下圖：

3 利用余熱發(fā)電

3.1 基本流程

隧道窖余熱收集系統(tǒng)——余熱鍋爐產(chǎn)生2.35MP 以上壓力蒸汽——推動(dòng)汽輪機(jī)葉片——發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)作切割磁力線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生400V 電壓——發(fā)電機(jī)控制柜對(duì)發(fā)電機(jī)出口電壓、頻率、 相位進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控——發(fā)出電能絕大部分直接用于磚廠生產(chǎn)、少部分通過(guò)變壓器升壓后并網(wǎng)。

3.2 主要發(fā)電相關(guān)設(shè)備

（1）余熱鍋爐

汽包、蒸汽發(fā)生器、過(guò)熱器等設(shè)備，其作用是在不影響隧道窯正常生產(chǎn)的前提下將隧道窯產(chǎn)品冷卻釋放的熱量轉(zhuǎn)化為過(guò)熱蒸汽的熱量。

鍋筒安裝在冷卻段500～950℃區(qū)域內(nèi)，經(jīng)省煤器加熱后的給水進(jìn)入鍋筒； 鍋筒內(nèi)的水通過(guò)下降管分配到布置在爐窯換熱器（蒸發(fā)器）進(jìn)口集箱，再分配到每根換熱管內(nèi)繼續(xù)加熱而產(chǎn)生蒸汽，汽水混合物匯集到換熱器出口集箱后通過(guò)每條爐窯上升管進(jìn)入鍋筒進(jìn)行汽水分離產(chǎn)生蒸汽。鍋爐產(chǎn)生的蒸汽 （壓力2.45MPa、溫度350～400℃）進(jìn)入蒸汽母管，供汽輪機(jī)用汽。

（2）汽輪發(fā)電機(jī)

余熱鍋爐產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。選用CN0.75-24/350 型凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組(汽溫350℃，汽壓2.35 MPa)，隧道窯現(xiàn)有余熱量可發(fā)電740KW，供電660KW。汽輪機(jī)排出的蒸汽進(jìn)入冷凝器轉(zhuǎn)化為凝結(jié)水，通過(guò)給水泵送到鍋爐循環(huán)使用。汽輪機(jī)排出的低溫低壓蒸汽進(jìn)入冷凝器轉(zhuǎn)化為凝結(jié)水，通過(guò)凝結(jié)水泵送到除氧器循環(huán)使用。循環(huán)水吸收低溫低壓蒸汽的熱量后進(jìn)入循環(huán)水冷卻塔散熱，通過(guò)循環(huán)泵不間斷地向冷凝器供應(yīng)循環(huán)水，確保凝汽器真空。另外，還設(shè)有射汽抽氣器，抽取凝汽器中的不凝氣體，維持真空。

CN0.75-25/350 凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組輔助系統(tǒng)需增加凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、電動(dòng)油泵各2 臺(tái)，冷凝器1 臺(tái)，冷卻塔（含軸流風(fēng)機(jī)）1 座，真空濾油機(jī)1 臺(tái)，10 噸行車1 臺(tái)。

TZHW3560L4-750/400 型(防護(hù)等級(jí)IP23)低壓發(fā)電機(jī)，額定功率750KW、額定電壓400V、額定轉(zhuǎn)速1 500rPm、50Hz。汽輪發(fā)電機(jī)組輸出電壓為400V，并入內(nèi)部電網(wǎng)運(yùn)行。發(fā)電機(jī)輸出電纜采用80×8 銅排，橋架式布置。開關(guān)柜、PT 柜、保護(hù)柜、輔機(jī)控制柜、熱工控制柜按GB 50171、GB 50172、GB 50168 規(guī)定執(zhí)行。

3.3 熱工監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)換熱裝置的布置情況分別設(shè)置溫度、壓力、水位、流量等熱工儀表（就地表計(jì)和遠(yuǎn)傳表計(jì)），以及高限和低限聲光報(bào)警和自動(dòng)控制調(diào)節(jié)設(shè)備，對(duì)設(shè)備運(yùn)行信息進(jìn)行收集。將信號(hào)傳輸至集控中心處理，實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)余熱發(fā)電裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)視控制?？刂剖覂?nèi)設(shè)有鍋爐和汽機(jī)、水處理3 個(gè)熱工控制柜，主要熱工參數(shù)和發(fā)電機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)送到PC 控制臺(tái)人機(jī)界面顯示屏上，每10～15 分鐘自動(dòng)記錄各運(yùn)行參數(shù)，以減少抄表工作量，同時(shí)便于管理人員查閱歷史數(shù)據(jù)。

3.4 電氣監(jiān)控系統(tǒng)

控制室內(nèi)設(shè)有3 個(gè)輔機(jī)控制柜，1 個(gè)微機(jī)保護(hù)屏，1 個(gè)直流屏，1 個(gè) 發(fā) 電 機(jī) 控 制 屏，1 個(gè) 勵(lì) 磁 柜，4 個(gè) 開 關(guān) 柜，1 個(gè)PT 柜，1 250KVA（400/6300V）變壓器1 臺(tái)。控制室內(nèi)設(shè)有兩路照明，在全廠停電情況下，可使用直流電源照明。另外，配有一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)用于電網(wǎng)停電情況下使用，供水處理、給水系統(tǒng)電機(jī)使用，為電網(wǎng)停電后迅速啟動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)提供電源，保證窯爐和鍋爐的正常運(yùn)行。蓄電池及直流裝置：充電式蓄電池為勵(lì)磁裝置和儀表提供直流電源，并在停電情況下提供控制室照明電源。

4 發(fā)電并網(wǎng)及控制方法

4.1 發(fā)電并網(wǎng)條件

發(fā)電機(jī)并入主電網(wǎng)必須滿足四個(gè)條件：（1）發(fā)電機(jī)頻率等于電網(wǎng)電壓頻率；（2）發(fā)電機(jī)的電壓幅值等于電網(wǎng)電壓幅值；（3）發(fā)電機(jī)的電壓相序與電網(wǎng)的相序相同；（4）在并網(wǎng)時(shí)，發(fā)電機(jī)的電壓相角與電網(wǎng)電壓的相角一致。

如果上述四個(gè)條件有一個(gè)不滿足，將對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。它們都會(huì)在發(fā)電機(jī)繞組中產(chǎn)生環(huán)流，引起發(fā)電機(jī)功率振蕩，增加運(yùn)行損耗，運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題。

4.2 汽輪機(jī)發(fā)電及控制工作原理

由靜葉柵、動(dòng)葉柵及噴嘴等組成的汽輪機(jī)做功的最小單元稱為級(jí)。

具有一定溫度、壓力的蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)的級(jí)時(shí)，首先在靜葉柵通道中得到膨脹加速，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為高速汽流的動(dòng)能，然后進(jìn)入動(dòng)葉通道，在其中改變方向或者既改變方向又膨脹加速，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，將高速汽流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能。為了適應(yīng)電力需求，用于發(fā)電設(shè)備的汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速通常設(shè)定為3 000r/min。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸通過(guò)聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸連接，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)出50HZ、400V 電能。

為了使汽輪機(jī)的出力與外界經(jīng)常變化的負(fù)荷相適應(yīng)，必須隨時(shí)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的輸出功率，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入汽輪機(jī)蒸汽量，可以調(diào)節(jié)蒸汽在汽輪機(jī)中的作功能力。同時(shí)，通過(guò)汽輪機(jī)的功頻電液控制系統(tǒng)來(lái)保證汽輪機(jī)內(nèi)功率滿足外界負(fù)荷變化，轉(zhuǎn)速維持在3 000/min 的允許范圍內(nèi)。

4.3 汽輪機(jī)功頻電液控制系統(tǒng)

汽輪機(jī)功頻電液控制系統(tǒng)既可以消除蒸汽壓力變化對(duì)汽輪機(jī)輸出功率的影響，使頻率偏差與功率變化保持一定比例關(guān)系，保證機(jī)組一次調(diào)頻能力不變，又可以補(bǔ)償由于中間再熱容積引起的汽輪機(jī)輸出功率滯后。該系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：（1）電控部分：測(cè)功單元、測(cè)速單元、控制器PID、功放、給定。（2）液壓控制部分：油動(dòng)機(jī)。（3）接口裝置：電液轉(zhuǎn)換器。

5 磚廠余熱利用發(fā)電及并網(wǎng)方案

鑒于以下兩方面因素：（1）磚廠生產(chǎn)時(shí)間用電總功率約為1200KW，余熱發(fā)電最大輸出功率660KW，缺口部分需由上級(jí)主供電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充；（2）非生產(chǎn)即檢修時(shí)間磚廠用電總功率最大約為150KW，考慮非生產(chǎn)時(shí)間余熱量少，發(fā)電輸出功率相應(yīng)降低約為450KW，冗余部分通過(guò)磚廠變壓器升壓至6KV 后與上級(jí)主供電網(wǎng)并網(wǎng)。

磚廠利用余熱發(fā)電不會(huì)對(duì)窯爐產(chǎn)生任何負(fù)面影響，并能提高窯爐的使用周期和產(chǎn)量。此項(xiàng)改造設(shè)計(jì)提高了煤矸石燒結(jié)磚隧道窯余熱利用率，并且節(jié)能降耗效果顯著、無(wú)熱源污染，與余熱僅用于磚坯干燥相比，節(jié)能效果更好，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益更高，技術(shù)更先進(jìn)，有利于企業(yè)綠色發(fā)展。

[1]王學(xué)斌，趙欽新，惠世恩等.純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)熱工參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化[J]，鍋爐技術(shù)，2008，39(6):1-4，21.