余热发电热力系统不平衡原因及管理与维护

王海涛，贾津秋

1 概述

近年来，水泥窑低温余热发电技术在水泥工业中得到了普遍的应用和推广，该技术的应用大幅降低了水泥生产的能耗，提高了企业经济效益，保护了环境。但是，由于水泥生产线的升级改造，目前多数余热发电系统普遍存在着热力系统不平衡的问题以及运行期间系统管理、维护不到位的问题，造成发电系统运行指标的偏离，发电效率降低。本文将对水泥窑纯低温余热发电存在的这两方面问题进行具体分析，并提出相应的改造建议，希望能够为企业提高烟气余热利用率提供帮助。

2 水泥窑余热发电面临的普遍性问题分析

2.1 热力系统不平衡的问题

在设计之初，水泥窑余热发电系统需选取与其烟气温度、压力、流量等参数相匹配的最佳工况点，使热力系统达到平衡，而且还要综合考虑站用电、耗水量等几个综合指标，使热量利用率最佳，发电收益最大化。随着水泥工艺技术的进步，目前大多数企业对生产线进行了升级改造，如第四代篦冷机的应用、脱硫脱硝技术的应用等。一系列的升级改造使余热发电系统中的某些参数与原始设计值发生了偏差，导致系统原有的热力平衡被打破，系统整体效率下降，发电量偏低。具体从以下三个系统进行阐述。

2.1.1 窑尾余热锅炉系统

窑尾余热锅炉利用的烟风温度主要取决于水泥窑预热器C1级烟气出口温度。由于生产工艺的改进以及脱硝技术的应用，水泥窑预热器C1级烟气出口温度越来越低，现阶段余热锅炉利用的烟风温度较原始设计值已偏低30～50℃。烟风温度的降低使得余热锅炉出力达不到额定设计要求，并且蒸汽温度及蒸汽压力有不同程度的降低。蒸汽参数降低将导致整个热力系统压力下降，使整个热力系统发电效率下降。

2.1.2 窑头余热锅炉系统

对于窑头，目前大部分水泥厂采用第四代篦冷机，第四代篦冷机对熟料的冷却更充分，使篦冷机取风口温度偏高，窑头余热锅炉的进口烟风温度升高，多数窑头余热锅炉进口的烟风温度均比原始设计值偏高20～40℃。烟风温度升高，使原有窑头余热锅炉排烟温度过高，已安装的窑头余热锅炉能力相对偏小，烟气余热没有得到完全回收利用。

2.1.3 汽轮机发电系统

由于窑尾余热锅炉的出力不足，产汽压力比设计值要低，直接导致汽轮机前混合蒸汽压力降低，汽轮机的进汽压力偏离设计值，造成机组效率降低。如，多数系统设计的锅炉出口蒸汽压力为1.25MPa，汽轮机进汽压力为1.15MPa，但运行时汽轮机的进汽压力约为 0.8～0.9MPa，明显偏离设计值。同时在设计时汽轮机发电系统机组选型会稍微偏大，当出现发电指标偏离的情况时，通常会通过加大蒸汽量来提高发电量，但事实上，这样做会使汽轮机的进汽压力进一步降低，机组效率更低，同时还会使站用电加大，整体经济指标并不理想。

综上所述，窑尾余热锅炉系统、窑头余热锅炉系统、汽轮机发电系统分别存在着参数偏离原始设计值的问题，导致整个热力系统的热平衡被打破，整体发电量下降，电站收益降低。

2.2 系统管理和维护的问题

系统运行后，使用方对系统的管理和维护不到位，同样会导致系统发电指标偏离，整体发电量下降，电站收益降低。具体表现在以下几个方面。

2.2.1 热力系统的保温问题导致系统热损失增大

系统运行一段时间后，由于对蒸汽管道、烟风管道以及阀门等处的保温维护不及时，使得局部保温失效，造成系统热损失增大。特别是对烟风管道，如窑尾余热锅炉进口烟风管道合理温降应该在10℃之内，多数实际温降却＞15℃。如果保温做得好，后期维护得好，温度能控制在合理范围内，对于一条2 500t/d水泥线配置的4 500kW余热电站，发电功率约能提升100kW。

2.2.2 窑尾余热锅炉系统漏风及清灰装置失灵

窑尾余热锅炉的烟风管道上设有一个旁路阀门，窑尾余热锅炉的负压压差比较大，旁路阀门如果关得不严将导致漏风率＞5%，相当于烟风热量没有完全被窑尾余热锅炉回收利用。比如对于2 500t/d水泥生产线，如果窑尾旁路烟风阀漏风率由10%降到5%，则发电功率能提升约100kW。这一点可以通过测量风机入口的风温是否比窑尾余热锅炉出口风温高来检验。同时余热锅炉运行一段时间后，清灰装置可能会部分失灵，造成余热锅炉对流管束的积灰，积灰会影响传热效率，使热量利用不充分，产汽量下降。

2.2.3 水泥窑窑操调节不及时

水泥窑余热发电系统的发电指标与水泥窑窑操的调节也有着紧密的联系，在某个窑操班组操作时，如果发电指标持续较低，则说明该班组的调节存在问题。窑操可以通过对篦冷机内料层的厚度以及配风比的调节，来影响窑头余热锅炉可利用的烟风热量，进而影响余热发电量。实践证明，适当地增加料层厚度和降低一级推进速度，会提升余热利用的效果，提升发电指标。

2.2.4 真空系统不理想

汽轮机发电系统的发电效率严重依赖凝汽器的真空度，真空度降低会导致汽轮机排汽温度升高，使得机组效率降低。影响凝汽器真空度的因素主要包括以下几方面：（1）原始的射水抽气系统本身的真空度就不理想。一般来说，射水抽气器工作时水温越低，其建立的真空度越高；反之，水温越高，抽吸能力越小。某些地区由于季节差异，夏季时水箱温度偏高，水池散热较差，随着运行时间增加，抽出的高温混合气夹杂物使工作水温不断升高，造成真空度偏低。（2）凝汽器的换热效果不好也会导致真空度降低。比如循环水处理的不理想或者运行期间不经处理直接使用，会造成凝汽器铜管腐蚀、结垢，从而影响凝汽器的换热效果，致使真空度降低。

3 改造建议

基于以上水泥窑余热发电现存问题的分析，提出相应的改造建议如下：

3.1 修正热力系统，使其重新平衡

对于热力系统的不平衡，需要重新对系统进行分析、设定和计算并进行相关的改造，使系统重新平衡。建议的改造方式主要有两种，其一，保持汽轮机的进汽参数不变，同时更换窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉，更改系统流程，设置窑尾余热锅炉产出的饱和蒸汽的压力为窑头余热锅炉锅筒工作压力的1.02～1.05倍，此饱和蒸汽进入窑头余热锅炉的过热段，与其生产的饱和蒸汽一并进行过热，窑头余热锅炉需加大过热段，过热段的产汽参数满足汽轮机进汽要求。其二，更改汽轮机的通流部分，以适应汽轮机当前的进汽压力，无需更改原热力系统流程，但需加大窑头余热锅炉，使之能最大化地利用窑头烟气余热并增加产汽量，增加汽轮机进汽量，从而提升发电指标。

3.2 加强管理和维护

系统的管理和维护对提升余热电站的收益同样至关重要，应做好系统的保养和维护工作，加强单元设备的能耗管理，进一步强化工作人员的节能意识，不可因系统本身是利用余热资源的节能项目，就忽略余热资源的利用率，从而造成能源的浪费。

4 结论与建议

以上论述是针对比较典型的案例进行的，因为每条水泥线的工艺以及人员、技术力量各不相同，对于不同的水泥生产线应该有针对性地进行现场调研，提出更适合的改造方案。

同时，企业为了提高水泥窑余热发电系统的能源利用率，应逐一排查系统现存的问题，并根据自身实际情况完善余热发电系统，选择合理的改造措施，提高发电效率，节约成本，创造经济效益的同时创造社会效益。