水泥余熱發電的綜合能效提升技術

唐永強

（成都市青白江區臺玻電力能源有限公司，四川 成都610000）

本文主要論述我司經營管理的5 個水泥余熱電廠，經多年技術創新和實踐，形成的一系列能效提升的技術和經驗。這5 個電廠裝機均為4.5MW，屬于分布不同地區的5 條2500t/d 新型干法回窯水泥生產線的余熱利用項目。因水泥線與電廠責任主體不同，既是主線與附屬的關系，又是獨立與聯結的整體。因此，高效、先進的創新技術及管理對于企業節能減排，提高余熱的經濟價值，具有重要意義。

1 水泥余熱發電工藝流程

1.1 新型干法回轉窯水泥線工藝流程

新型干法回轉窯水泥生產的工藝流程是將大塊的生料經生料磨，研磨成較細的生料，然后經預分解塔和回轉窯分解、加熱成熟料，熟料進入篦冷機冷卻后，再經熟料磨研磨加入添加劑后形成成品水泥。生料預熱分解過程中排出的煙氣進入電廠窯尾鍋爐（SP爐），窯尾鍋爐出口煙氣進入水泥廠生料磨后進入袋收塵。熟料冷卻過程中的一部分熱量作為水泥廠煤磨用熱；剩余的中溫煙氣進入電廠窯頭鍋爐（AQC爐）產生蒸汽，AQC爐出口煙氣進入袋收塵；剩余的高溫煙氣進入電廠窯頭過熱器（ASH 爐），用于提升SP 爐和AQC爐的蒸汽品質，ASH 爐出口煙氣與中溫煙氣混合后進入AQC爐。

1.2 水泥余熱發電典型工藝流程圖，如圖所示。

水泥余熱發電典型工藝流程圖

1.3 水泥余熱發電生產工藝

水泥余熱發電是利用水泥生產過程中產生的高溫煙氣產生蒸汽進行發電。主要包括4 大系統（鍋爐系統、汽輪機系統、電氣系統、水系統）和3 大流程（煙氣流程、汽水流程、發電流程）。

1.3.1 煙氣流程：預分解塔中的煙氣進入SP 窯尾鍋爐，熱交換完成后進入生料磨中繼續利用；篦冷機中的熟料靠篦冷機風扇冷卻，產生的煙氣分成兩段，高溫段進入ASH 鍋爐，中溫段進入AQC鍋爐，煙氣在鍋爐內熱交換完成后，除塵排入大氣。

1.3.2 汽水流程：AQC 鍋爐與SP 鍋爐產生的蒸汽經混合后進入ASH 過熱器再加熱，經ASH 再加熱的蒸汽進入汽輪機做功，做完功的蒸汽通過凝汽器冷凝成水，通過給水泵加壓再次進入AQC鍋爐與SP 鍋爐，完成汽水循環。

1.3.3 發電流程：汽輪機帶動發電機旋轉產生交流電，通過并網不上網的方式向水泥廠和電廠供電。

2 綜合能效提升的關鍵技術

綜合能效提升的關鍵技術主要是針對4 大系統的技術創新，以此提高發電量和生產指標，同時也包括生產管理的提質增效。其中4 大系統包括鍋爐系統、汽輪機系統、電氣系統和水系統；而生產管理也包含了電廠的創新舉措和與水泥廠的協作機制。

2.1 鍋爐系統的技術創新

2.1.1ASH 技改。（1）按直翅片管結構重新設計ASH 過熱器，解決環形繞翅片管ASH 過熱器堵灰及阻力高的問題，保證煙氣側阻力值控制在250Pa 以下。（2）對ASH 過熱器管束截面重新設計，增加ASH 過熱器換熱面積，ASH 過熱器出口蒸汽參數可提高至1.0MPa、19.8t/h、370℃。（3）重新設計AQC鍋爐至ASH 過熱器之間蒸汽管道，將管徑由DN125 提高至DN150，降低管道阻力和壓損。（4）更換ASH 過熱器本體及管道外保溫結構，確保外壁溫度不超環境溫度+20℃。（5）通過以上關鍵技術的技改，可在鍋爐蒸發量不變的情況下，發電量提升約15%。

2.1.2 在線空氣脈沖自動吹灰。（1）AQC爐、ASH 爐、SP 爐在運行過程中存在嚴重集灰，厚者達40 公分，嚴重影響發電量。我們先后實行過振打清灰、蒸汽吹灰等技術，效果均不理想，除了成本高、維護大外，人工補清存在安全隱患，蒸汽吹灰容易結垢凝塊，更難處理。（2）經多年論證、研究，發明了在線空氣脈沖自動吹灰技術，通過定時自動啟動一定壓力、容量的壓縮空氣，布控好噴槍及噴嘴的位置、角度等參數，可以徹底清理鍋爐的積灰。目前已在多個電廠實施，效果明顯。而且比之振打清灰、蒸汽吹灰投資省，人工成本也低。

2.1.3 煙道耐磨陶瓷保溫。（1）原鍋爐入口的風管內襯采用耐火澆注料，厚而保溫差，易脫落，管道易燒塌，壽命不足2 年，維護頻次及成本高。（2）經試驗性測試，采用新型耐高溫耐酸堿耐磨的特殊陶瓷材料，其工藝為120mm內襯（無石棉硅酸鈣板50mm＋耐磨陶瓷料70mm），材料具備耐受≤700℃高溫，材料薄，通風面積大，保溫效果好，壽命達到5 年以上，解決以往多種缺陷，目前已在多廠成功應用。

2.1.4 高溫、中溫煙道調控。（1）在高溫和中溫煙道上增加自動調控閥，以控制高溫和中溫風量，通過數據模型分析，優化AQC 和ASH 蒸汽參數，達到發電功率最大化。（2）該控制模型，正并入信息化大數據分析模塊，將增加更多相關參數的分析，進一步提升機組的能效數據。

2.2 汽輪機系統的技術創新

2.2.1 汽封技改。（1）針對汽封間歇大，漏氣大，并且泄漏蒸汽進入油系統，造成油質劣化等弊端。技改新型接觸式蜂窩汽封，更換高低壓汽封為接觸式汽封，隔板汽封為蜂窩式汽封。（2）高、低壓汽封更改為接觸式汽封，在每一道梳齒汽封塊的基礎上增加一道特殊材料制成的接觸式汽封體，該汽封體自帶潤滑，實現零間歇。（3）隔板汽封更改為蜂窩汽封，在原有汽封上增加蜂窩裝置，減小每級漏氣損失。（4）圍帶汽封片進行重新鑲齒，減小汽輪機葉片頂端與隔板的間歇，減小動靜部分漏氣損失。（5）通過兩個電廠技術實踐，每個電廠平均汽耗比技改前降低0.145kg/kWh，并且油系統未再受漏汽影響，效益明顯。

2.2.2 汽輪機真空抽汽技改。（1）針對原射水系統能耗高、耗水大、維修費高等缺陷，研究出油環式真空抽汽系統，利用油水瞬時分離三相分離技術，通過介質油的循環拉動凝汽器內乏汽，從而建立高度真空。（2）能耗降低（70-80%），年用水節約8 萬噸，尤其夏季能保持高度真空（真空提高0.003MPa），年多發電65 萬kWh。（3）系統具有運行穩定可靠、噪音小、故障率低、連續運行時間長、維護成本低等顯著優勢。已在多電廠實施，效果良好。

2.2.3 調速系統反饋模式優化。因水泥線煙氣變化率大，導致汽輪機系統緊隨動力側相應變化，因此，機組波動大，穩定性差，經多年工況調試，把調速系統反饋裝置LVDT 的雙反饋模式改為單反饋，降低機組跟隨動力側的靈敏性，從調試前后的數據對比，單反饋反而比雙反饋多發電，且更穩定，功率曲線平滑，具有良好的適用性。

2.2.4 RCCS。（1）在凝汽器每根換熱管內安裝RCCS，當機組運行時，利用循環水的流速驅動裝置旋轉部件，長期在換熱管內不停快速旋轉（300-1800r/min），強化管內流體的旋轉流動，破壞水垢的形成機理，擺脫傳統的被動除垢，實驗顯示，RCCS可提高換熱系數K值20%以上。（2）應用結果顯示，RCCS比之化學酸洗、膠球清洗、高壓水槍清洗以及尼龍刷人工清洗等方式和技術，其效率高、成本低，具有更優的價值。

2.3 電氣系統的技術創新

2.3.1 聯絡線聯鎖保護。（1）因原設計的聯絡線光差保護過于單一，不適用于電廠與水泥廠10kV 系統復雜的電氣故障，使電廠經常發生非停及事故，造成重大損失。（2）經多年多廠電氣試驗，最終完善了聯絡線保護功能，主要是配置頻率電壓控制裝置，增加低壓、高壓、低頻、高頻等保護功能，實現聯絡線兩側聯鎖保護，規避誤跳、不跳、保護范圍不足的問題。目前，各廠未再發生之前的類似保護故障。

2.3.2 大數據分析系統。（1）針對各余熱電廠分散不便管理的現狀，管理總部研發一套遠程監測分析的信息化大數據系統，逐步建立、完善水泥余熱發電的專家診斷功能，用以遠程指導、優化現場生產，利用大數據的優化功能和專家系統的診斷功能，不斷提高發電量、精調各種工況參數。（2）系統的技術路徑是把各廠工況數據通過互聯網以VPN的方式發到總部，再現流程畫面，同時建立專家分析模型，形成診斷報告和分析報表，并通過WEB實時發布，管理層及專家組可隨時隨地指導電廠生產，實現精簡崗位、節約成本、提高效益的效果。

2.3.3 變頻技改。（1）各電廠所有輔機動力都按設計的額定功率輸出，由于電廠負荷隨時變化，大部分都無法滿負荷運行，造成動力浪費，耗電高，通過對各輔機實行變頻技改，實現了各輔機功耗與發電負荷匹配的效果，各電廠平均廠用電率下降1.5 個百分比。（2）變頻技改主要分為四種方式：有變頻功能的電機增加變頻器；無變頻功能的電機換為變頻電機；一備一運的輔機，同時技改；兩備一運的輔機，備用一工頻和一變頻，運行一變頻，并把兩變頻技改為一變頻器拖兩電機的方式，以節約投資。

2.3.4 其他。（1）完善各電廠DCS的冗余功能，消除單獨工程師站易系統崩潰而導致停產的缺陷。（2）增加各電廠并網備用點，消除因唯一并網點故障而無法送電的損失。

2.4 水系統的技術創新

2.4.1 零排放。（1）化水系統精準監控水質、水量；應用零排藥劑，精確加注藥劑、藥量；零排污。（2）風機、水泵等輔機的冷卻水全回收、零排放，射水箱補水改循環水零排放。（3）射水箱水、RO濃水、反滲透濃水、反洗水、溢流水等排放水全回收、零排放。

2.4.2 水泵節能技改。針對實際發電負荷低于額定功率，造成循環水泵、給水泵實際工作揚程低于設計值，水泵工作效率不足50%，造成電能浪費。經研究水泵工作模型，通過技改葉輪來降低水泵揚程，使水泵效率提高50%～70%，功耗降低約60kW，經各電廠推廣應用，節能明顯。

2.4.3 一體化化學水處理系統。（1）結合余熱電廠鍋爐化水的實際，開發一套全自動免維護一體化化學水處理及加藥系統，結構合理，布局緊湊，功耗低，資源省。（2）實現從原水- 預處理- 多級過濾- 一級反滲透- 二級反滲透- 除鹽- 用水，全流程不間斷處理，并能自動加注各類藥劑，完成在線水質分析，遠程數據監測，管理人員少，運行穩定、可靠，應用效果明顯。

2.5 生產管理增效

2.5.1 電廠管理創新。（1）避免鍋爐、煙風管道漏風；避免蒸汽、水管跑沫滴漏。（2）加強鍋爐、煙風和蒸汽管道的保溫。（3）提高電廠自動化和信息化水平，降低勞動強度，精簡崗位，節約成本。（4）采取有效的激勵機制，發動全員參與節能降耗的“五小”創造。

2.5.2 電廠與水泥廠的協作機制。（1）信息共享，建立聯控聯調的協作機制，從管理層到操作層，運用大數據分析系統，平衡雙方生產線的最佳效益點。（2）通過協作機制，提高窯、篦冷機等主系統的穩定性，提高設備運轉率，降低故障率和非停頻率，降低停產時間。（3）協調水泥廠生產工藝，運用窯頭循環冷卻技術，調整配料，避免熟料結大塊。（4）運用大數據分析系統，平衡風閥開度、風機出力，優化水、電、汽的分享與結算。（5）協作雙方生產用水，因地制宜，采取自來水廠、水泥廠或電廠三者靈活供水模式。（6）如有條件，還可探究磨煤用風、高溫風、中溫風的取風位置及風量大小的優化。

3 結論

通過水泥余熱發電各系統一系列的技術創新和管理創新，實實在在提升了整個發電系統的能效，從表1 可以看出，2019 年相比2015 年數據，5 個電廠發電量最高提升41.6%、平均負荷最高提升59.2%、廠用電率最高下降70.8%，這三項關鍵指標真實反映了我司多年來在機、爐、電、水各大系統中開展能效提升所達到的效果。

各電廠發電指標對比