增设C2蒸汽过热器提高余热发电能力的分析

包文忠，刘忠成，张福滨

增设C2蒸汽过热器提高余热发电能力的分析

Analysis of Improving the Power Generation Capacity of Waste Heat by Adding a C2Cogeneration Steam Superheater

包文忠1，刘忠成2，张福滨2

本文以某5000t/d新型干法水泥生产线双压余热发电系统为例，分析了在窑尾C2预热器中增设SP锅炉蒸汽过热器对水泥及余热发电系统的影响，并做了投资收益对比。结果表明，增设SP-SH蒸汽过热器，不采取措施会使熟料热耗增加14671kJ/t熟料（0.5kg标煤/ t），余热发电量可提高728kW，相当于在使余热电站总投资增加<7%的情况下使余热发电量增加9%，增加的投资在1.6年左右即可收回。关键词：C2预热器；SP-SH蒸汽过热器；余热发电；能量梯级利用；热耗

1 引言

水泥窑低温余热发电技术因其在降低水泥生产成本的同时，还能得到良好的环境效益，一经提出就得到了国家政策的大力支持和提倡，因此在天津水泥工业设计研究院有限公司率先推出此项国产化技术后，受到了业内专家的广泛关注。在不影响水泥窑产量和质量的情况下，实现余热发电量的最大化与水泥单位综合能耗的最小化。

综合国内的研究现状，为了提高余热发电量，有的以篦冷机的改造及取风口位置合理的选择为切入点[1][2][3]，有的以加强管道的保温及减少阀门的泄露等为重点[1][2][4]，有的以热力系统及热力参数的选择作为突破口[5-9]，有的以提高中控操作和运行水平作为提高发电量的途径[4][10][11]。

图1 SP-SH蒸汽过热器的布置方式

笔者认为，在C2预热器中增设窑尾锅炉的蒸汽过热器（下文称为“SP-SH蒸汽过热器”）是提高余热发电量的有效途径。由于窑尾余热锅炉的进气温度一般为300～330℃，而窑头锅炉的进气温度通过取风口的合理选择可以达到360～420℃，因此窑尾废气温度限制了窑尾主蒸汽参数的提高，进而限制了整个余热电站的主蒸汽参数的提高，从而限制了余热发电量的增加。增设SP-SH蒸汽过热器的目的就是通过提高窑尾锅炉的主蒸汽参数提高全厂的余热发电能力。这种方法在国内已有学者作了论述[4][9]，本文将以某5000t/d新型干法水泥生产线余热发电系统为例对此方法作一简单的分析。

2 SP-SH蒸汽过热器的布置方式

SP-SH蒸汽过热器布置在C2级预热器内，见图1。

在窑尾布置的SP余热锅炉分为蒸汽中压段、蒸汽低压段两段运行：蒸汽中压段生产2.45MPa（a）-300℃的过热蒸汽，蒸汽通入布置在C2级预热器内的SP-SH蒸汽过热器，SP-SH蒸汽过热器将SP炉蒸汽中压段生产的2.45MPa（a）-300℃过热蒸汽继续过热至2.4MPa（a）-380℃，然后与窑头余热锅炉生产的2.4MPa（a）-380℃的过热蒸汽混合做为汽轮机主蒸汽。

3 增设SP-SH蒸汽过热器对系统的影响

与常规余热发电系统相比，增设SP-SH蒸汽过热器之后，对余热发电量有较大的贡献，但是对熟料热耗、SP锅炉的钢耗会有一定的影响。

3.1 对熟料热耗的影响

在窑尾C2级预热器内增设SP-SH蒸汽过热器之后，过热蒸汽温度升高到了380℃。经计算，出C2级预热器进C1级预热器的废气温度由541℃降低到532℃，降低了9℃，进而导致C1级预热器出口的废气温度也要降低4℃左右。如果不采取适当的措施，在C1级预热器烟气的5℃的温升要有对应的增加煤耗的热量来补充，热耗的增加为：

式中：

F——窑尾废气的流量，m3（标）/h

C1fq——出C2级预热器的废气比热，kJ/（m3（标）·℃）

C2fq——出C1级预热器的废气比热，kJ/（m3（标）·℃）

Δt1——增设SP-SH蒸汽过热器后C1出口的废气温度降低量，℃

Δt2——增设SP-SH蒸汽过热器后C2出口的废气温度降低量，℃

m——水泥窑熟料的日产量，t/d

一般情况下，在进行水泥生产线设计及施工时,为了减少窑尾增湿塔喷水量及保护窑尾高温风机，要采取适当的方法来降低窑尾高温风机入口的废气温度，主要措施就是C1级预热器本体及其出口废气管道的保温仅仅按照防烫伤保温进行设计（也就是说有意让废气热量放散来降低废气温度）。如果加强C1级预热器本体及其出口废气管道的保温，则出C1级预热器的废气温度可高于设计值320℃。

水泥窑配套建设余热电站后，窑尾锅炉充分吸收了窑尾废气的热量，窑尾增湿塔不再喷水，窑尾高温风机也不会再超温，因此需按经济性保温来加强C1级预热器本体及其出口废气管道的保温。根据经验，补充加强C1级预热器本体及其出口废气管道的保温后,可使出C1级预热器的废气温度提高10～15℃，这样做可基本消除增设SP-SH蒸汽过热器后对熟料热耗的影响。

3.2 对SP锅炉钢耗的影响

锅炉钢耗量的增加主要体现在过热器受热面（蒸发器、省煤器实际上也会略有变化，本文先忽略不计）、锅炉结构件以及蒸汽管道重量的增加。

3.2.1 SP-SH蒸汽过热器钢耗的增加

在窑尾C2级预热器内增设SP-SH蒸汽过热器之后，在提高主蒸汽温度的同时，为了提高电站效率，也可以提高主蒸汽的压力。主蒸汽的压力可以从常规余热电站的低压（1.25MPa左右）提高到次中压（2.45MPa左右），即SP锅炉蒸发段的饱和温度（也就是过热器的入口温度）从194.2℃提高到228.0℃，即主蒸汽的参数从1.25MPa-300℃提升到2.4MPa-380℃。对于后者，过热器吸热量为3192-2802＝390kJ/kg，前者的过热器吸热量为3045-2787＝258kJ/kg，因此加装SP-SH蒸汽过热器后，单位质量蒸汽的吸热量增加132kJ/kg。根据传热量及传热系数，可以计算出多消耗的钢材量。

另外，由于SP-SH蒸汽过热器处于高温区，因此蒸汽管道的材质应略为提高，一般采用20G、15CrMo或者12Cr1MoV。

3.2.2 加装SP-SH蒸汽过热器后结构件重量的增加

加装SP-SH蒸汽过热器后，除了利用C2出口烟气管道做支撑外，一般来说还需设计外部框架来加强支撑，因此结构件重量会略有增加。

3.2.3 加装SP-SH蒸汽过热器后总重量的增加

对于一条国内常规5000t/d水泥生产线，加装SP-SH蒸汽过热器后，总重量增加约250t。考虑到受热面将采用高等级钢材，按1.2万元/吨计算，则需增加费用约300万元。国内一般地区5000t/d水泥生产线余热发电投资约4500万元，则总费用增加约6.7%。

3.3 对余热电站系统的影响

3.3.1 对余热发电量的影响

增设SP-SH蒸汽过热器后，主蒸汽的参数从1.25MPa-300℃提升到2.4MPa-380℃，即锅炉出口主蒸汽的焓值从3045kJ/kg提高到3192kJ/kg，综合考虑到锅炉出口到汽轮机进口沿程的压力和温度损失，相当于汽轮机进口主蒸汽焓值从3026kJ/kg提高到3176kJ/kg。假设两种情况下的排汽压力均为0.0075MPa，则两者排汽焓值约为2574kJ/kg。因此相当于增设SP-SH蒸汽过热器以后，汽轮机的有效焓降从452kJ/kg提升到602kJ/ kg，增幅为33.18%。经过计算，发电功率可以增加728kW，约占原余热发电量的9%。

增设SP-SH蒸汽过热器后，提高了主蒸汽的品质。给水泵的扬程由低压增加到次中压需要增加功率增加耗电量，凝结水泵的功率基本不增加。因此电站自用电略有增加，根据经验，自用电率增加<1%。

3.3.2 对余热发电系统的影响

增设SP-SH蒸汽过热器后，余热锅炉换热面积大，可以从根本上保证电站能够适应水泥生产的大范围波动，从而提高电站的运转率、可靠性及安全性。

采用较高的主蒸汽压力和温度，为汽机采用大范围变化主蒸汽压力和温度的滑参数运行创造了条件。

4 增设SP-SH蒸汽过热器的经济性分析

经过上节分析，增设SP-SH蒸汽过热器会引起余热电站三方面投资的增加：一是强化C1级预热器本体及其出口废气管道的保温的费用；二是SP-SH蒸汽过热器设备及建安的费用；三是SP余热锅炉蒸发段重量增加引起的费用。结合目前工程造价水平，三方面综合考虑，增加的费用约为300万元，还不到余热电站工程总投资的7%。

增设SP-SH蒸汽过热器可使发电功率增加728kW，全厂自用电按增加1%计算，增加耗电量约81kW。则加装SP-SH蒸汽过热器后，可增加供电647kW。按照年运行7200h，用电收益0.4元/kWh（外购电0.5元-发电成本0.1元）计算，年收益约为186万元，因此300万元的投资，1.6年即可收回成本。

5 结论

（1）在窑尾C2级预热器增设SP-SH蒸汽过热器，在不采取措施的情况下会使熟料热耗增加14671kJ/t熟料，若补充加强C1级预热器本体及其出口废气管道的保温可在一定程度上弥补此部分的热量损失。

（2）增设SP-SH蒸汽过热器，虽然会导致余热电站钢耗增加，但也会在提高电站可靠性的同时使余热发电量提高728kW，实际供电量可增加647 kW。

（3）增设SP-SH蒸汽过热器，在使余热电站总投资增加＜7%的情况下使余热发电量增加9%，对应的投资在1.6年左右即可收回成本。

（4）对于SP-SH蒸汽过热器，在设计时应充分结合现场情况，采用合适的受热面结构型式及受热面管节距，选择适宜的废气流速及防磨板片的材质型式，以便于清灰、利于检修、减小废气阻力及受热面磨损。

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TQ172.622.22

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2013-07-24；编辑：赵莲