再熱機組在水泥工廠自備電站中的應用研究

王彩霞，馮帥

再熱機組在水泥工廠自備電站中的應用研究

王彩霞，馮帥

在國外電力匱乏地區的水泥工廠自備電站中，常采用“溫度對口，梯級利用”原則，利用再熱機組高壓缸排汽壓力與工廠煙氣余熱蒸汽壓力相近的特點，將余熱蒸汽與再熱機組高度結合，利用燃煤鍋爐的再熱器提高余熱蒸汽品質，進而提高機組整體熱力系統效率與發電量。本文結合工程實例，對比分析了高溫超高壓一次再熱機組與常規形式的高溫高壓機組加純低溫余熱機組的各項電站指標，顯示超高壓再熱機組方案的煤耗、自用電、發電量等技術指標都優于傳統高溫高壓加余熱機組方案。文中還從廠區占地、投資對比、系統配置等多方面對再熱機組與常規形式做了對比分析，為高溫超高壓一次再熱機組應用于其他工業企業自備電站提供了示范作用。

再熱機組；自備電站；余熱；水泥工廠；工業企業

隨著國家“一帶一路”倡議的實施，中國企業在國外投資建設的水泥、鋼鐵等高耗能項目越來越多。尤其在印尼、巴基斯坦、菲律賓、印度等電力匱乏的地區，由于電網不發達，在建設工廠的同時還需建設自備電站。一般常規的傳統做法是將企業排放的煙氣余熱進行回收，建設純低溫余熱電站。由于純低溫余熱電站的發電量不足以滿足企業生產所需電力，還需要同時再建設一座燃煤火力發電自備電站，這樣企業將建設兩座電站，設置兩套汽輪發電機組、兩套電氣系統等，無論是項目投資，還是廠區占地、施工周期都給企業帶來巨大的壓力，造成企業經濟效益的降低。

根據熱力學中的“溫度對口、梯級利用”原則，我們創造性地利用高溫超高壓一次再熱機組高壓缸排汽壓力與工業余熱蒸汽壓力相近的特點，將余熱煙氣產生的蒸汽連同汽機高壓缸排汽一同送至燃煤鍋爐的再熱器進行再熱，提高蒸汽溫度，進而提高蒸汽品質，再進入汽機的低壓缸做功發電，做功的排汽進入冷凝設備，余熱資源與燃煤電站完全融合，簡化了常規系統的設備配置，提高了電站整體熱效率，降低了投資、燃料消耗和運行費用。

1 余熱發電系統簡介

余熱發電技術是依據余熱“梯級利用”的原則，將工業生產中排出的大量廢氣通過余熱鍋爐將廢熱進行熱交換回收，產生過熱蒸汽推動汽輪機實現熱能向機械能的轉換，從而帶動發電機發電。

以水泥工廠余熱發電為例，水泥窯余熱發電技術就是對新型干法水泥熟料燒成系統中的廢氣余熱進行回收利用。如在窯頭設置AQC余熱鍋爐（窯頭余熱鍋爐），有效利用窯頭冷卻機的220℃（在不影響三次風取風的前提下，冷卻機中部開口可取到360℃左右）的廢氣；再如窯尾廢氣340～350℃，用于生料烘干的風溫為180～240℃，尚有100～170℃余量溫差余熱可以梯級利用，可在窯尾設置SP余熱鍋爐（窯尾余熱鍋爐）進行回收利用。在余熱鍋爐內，廢氣與水進行熱交換，使水產生1.1～1.6MPa-320～340℃的低壓過熱蒸汽，過熱蒸汽進入汽輪發電機組進行發電。

圖1 水泥窯余熱發電熱力系統流程圖

工藝流程如圖1所示。

2 再熱汽輪發電機組簡介

中間再熱汽輪機是蒸汽在汽輪機內做了一部分功后，從中間引出，通過燃煤鍋爐的再熱器提高溫度，然后再回到汽輪機繼續做功，最后排入機組的冷凝設備。蒸汽采用中間再熱，不僅能減少汽輪機排氣濕度，還可改善汽輪機末幾級葉片的工作條件，減輕濕蒸汽對葉片的沖蝕，提高低壓部分的內效率，提高汽輪機的相對內效率。同時，采用中間再熱循環，正確地選擇再熱壓力后，系統循環效率可以提高3.6%～4.2%。

純燃煤電站中采用再熱機組與非再熱機組的技術指標以及投資與系統效率如圖2與表1所示。

由圖2可以看到，采用再熱機組，相較于非再熱機組，收益提高～10%，系統熱效率由37%～39%提高至40%～43%，提高了3%～4%，對于長期運行的電站來說，可大幅減少全年燃料的消耗，降低運行費用。由表1可以看到，在耗煤量相同的條件下，采用再熱機組，汽機的汽耗率降低～16.5%，全年售電收益增加～2 688萬元。

圖3為65MW超高壓一次再熱凝汽式汽輪機圖。

3 再熱機組在水泥工廠自備電站中的應用

某水泥工廠里兩條3 000t/d水泥熟料生產線配套建設三臺余熱鍋爐以及一臺180t/h煤粉鍋爐，一套制粉系統，一套直接空冷系統，以及電站配套上煤、除灰渣、壓縮空氣等輔機系統，裝機規模為65MW的高溫超高壓一次再熱機組。

余熱煙氣參數為：AQC1鍋爐：183 609m3（標）/h-345℃；AQC2鍋爐：199 030m3（標）/h-345℃；PH1鍋爐：100 000m3（標）/h-300℃。

余熱鍋爐產生的余熱蒸汽參數為：AQC1鍋爐：10.91t/h-2.6MPa-325℃ ；AQC2鍋 爐 ：11.82t/h-2.6MPa-325℃；PH1鍋爐:3.97t/h-2.6MPa-280℃。

再熱機組的高壓缸排汽壓力為2.5MPa-330℃，因此，本項目余熱鍋爐蒸汽壓力提高至2.6MPa，較常規純低溫余熱電站蒸汽壓力有所提高，主要是為了更好地滿足與汽機高壓缸排汽混合的要求，余熱蒸汽經過管道損失0.1MPa后與汽機高壓缸排汽混合，然后一起進入燃煤鍋爐再熱器，再熱后的蒸汽參數為2.2MPa-535℃，進入汽機低壓缸做功發電。本項目燃煤加余熱的65MW高溫超高壓一次再熱全廠熱力系統如圖4所示。

圖2 各等級非再熱、再熱機組性能收益對比圖

表1 65MW級再熱機組與非再熱機組技術指標對比表

本項目根據煤質分析采用煤粉鍋爐，煤粉鍋爐產生的177.6t/h-13.83MPa-540℃的高溫超高壓蒸汽首先進入汽機高壓缸，高壓缸設置兩級抽汽分別用于兩級高加，高壓缸的排汽135.8t/h-2.449MPa-331℃與三臺余熱鍋爐蒸汽混合進入燃煤鍋爐再熱器，利用燃煤鍋爐煙道熱煙氣設置再熱器再加熱蒸汽，提高蒸汽溫度（再熱后的蒸汽參數為162.5t/h-2.2MPa-540℃），然后送入汽機低壓缸，做功發電后排入空冷島冷凝。低壓缸設置4個抽汽口，分別為熱力除氧器以及三級低加進行抽汽加熱。

由于余熱鍋爐的蒸汽壓力選為2.5MPa，經過熱力計算，其鍋爐排煙溫度分別為：AQC1為214℃，PH1為230℃，AQC2為214℃。余熱鍋爐排煙還有大量余熱并未充分利用，因此為充分利用煙氣余熱，提高電站整體熱力效率，本項目在余熱鍋爐蒸發段后設置大的熱水器，將系統空冷島冷凝的凝結水送入到余熱鍋爐熱水器中加熱，加熱到160℃后再送入熱力除氧器，這樣可避免三級低壓的抽汽，減少低壓缸抽汽量，增加發電量，提高系統熱效率，降低運行煤耗。同時三級低加保留設置，當余熱鍋爐停運時，依然采用低加加熱凝結水形式，余熱鍋爐熱水器與低加互為備用，保證電站的安全性。余熱鍋爐經熱水器后，排煙分別降低至108℃/202℃/109℃，煙氣余熱得到充分利用。

圖3 65MW等級超高壓一次再熱凝汽式汽輪機

圖4 65MW燃煤+余熱高溫超高壓一次再熱全廠熱力系統圖

為滿足電站汽水系統的除氧要求，本項目設置兩臺除氧器，一臺為煤粉鍋爐供水的熱力除氧器，工作壓力為0.8716MPa，一臺為余熱鍋爐供水的真空除氧器，工作壓力為0.02MPa。

本項目65MW的高溫超高壓一次再熱汽輪機采用單缸結構，與之前的雙缸高溫超高壓汽輪機相比，單缸結構提高了汽輪機的內效率，降低了機組的土建成本，提高了機組的綜合經濟性。

4 再熱機組與常規自備電站的對比分析

在水泥工廠中，本項目既存在余熱鍋爐低壓蒸汽，又存在煤粉爐的高壓蒸汽，為充分利用其發電，有兩種利用方式：一種為常規設置兩套發電系統，一套為純低溫余熱發電（如圖1所示），另一套為純燃煤電站系統；另一種為本項目設置的燃煤+余熱混合的高溫超高壓一次再熱機組形式（如圖4所示）。

4.1 技術指標對比分析

根據表2的計算分析，采用燃煤余熱混合的超高壓一次再熱機組，電站的全年凈發電量由44 579.2×104kWh提高至45 895.2×104kWh，按照0.6元/kWh計算，全年可增加收益789.6萬元；同時，由于采用超高壓機組，蒸汽參數得以提高，電站的運行煤耗大幅度降低，由40.5t/h降低至37.95t/h，全年共節煤20 400t，按照燃煤每噸350元計算，全年共節省714萬元，整體電站全年的收益增加為1 503.6萬元。

4.2 電氣對比分析

采用超高壓一次再熱方式，只安裝一臺65MW的機組，采用發電機變壓器組接線方式，通過一回150kV并網電纜接入廠區已有的150kV變電站，電站廠用電源11kV母線采用單母線接線，廠用電源引自升壓變低壓側，廠用備用電源引自現有150kV變電站的11kV母線段。電氣主接線見圖5a。

采用常規方式，需要安裝一臺57.5MW燃煤機組和一臺7.5MW余熱機組。電氣主接線如圖5b，考慮余熱機組較為不穩定，7.5MW機組設在11kV廠用母線段上，可以向廠用負荷供電。

常規方案的兩臺機組相較于超高壓的一臺機組，電氣熱控需要增加的有：（1）7.5MW發電機出口斷路器柜一面，電壓互感器柜兩面；（2）發電機保護測控屏一面，勵磁控制屏一面；（3）汽機控制屏一面，安裝505控制器、8 500B汽機監控保護裝置等；（4）余熱純低溫汽機的DCS控制系統。

4.3 廠區占地對比分析

采用超高壓一次再熱機組，電站只設置一臺汽輪發電機組，配套設置一套電氣系統，因此相較于常規方案的燃煤與純低溫的兩臺汽輪發電機組，主廠房布置更加緊湊，占地更少，土建費用大幅度降低。本項目65MW超高壓一次再熱機組主廠房占地為56m×33m，空冷島占地為47.37m×23.6m；而常規方案主廠房占地為72m×33m，空冷島占地為59.22m×23.6m。由于主廠房縮小，土建費用與工期大幅降低，有利于項目的順利完成。

表2 技術指標對比分析

圖5 電氣對比分析

4.4 投資分析

由于蒸汽壓力的提高，汽輪機與燃煤鍋爐的耗鋼量會小幅上漲，因而采用高溫超高壓機組造價相較于常規高溫高壓機組會增加，但本項目采用超高壓一次再熱機組后，電站只設置一臺汽輪發電機組，相較于常規方案減少了一臺汽輪機和一臺發電機，同時減少了一套電氣熱控裝置（見4.2）。由于電站耗煤量降低，相應鍋爐配套的風機、輸灰設備、輸渣設備、空壓機、制粉裝置、上煤裝置等容量都會大幅降低，減少了機械設備采購費用。

電站主廠房與空冷島占地相較于常規形式大幅減少，土建費用降低，節省了廠區內的有效土地，為企業后續的生產擴建提供了土地保障。同時，由于熱力系統簡化，項目的安裝工程量大幅減少，降低了項目的安裝費用。

綜上所述，采用一臺超高壓一次再熱機組相較于常規形式會大幅度降低項目的投資，為企業帶來良好的經濟效益。

5 結語

該項目創造性地利用高溫超高壓一次再熱機組高壓缸排汽壓力與水泥余熱蒸汽壓力相近的有利條件，將余熱鍋爐產生的低壓蒸汽連同高壓缸排汽一同送至燃煤鍋爐再熱器，能提高余熱蒸汽品質和電站熱效率；同時，為充分利用水泥窯煙氣余熱，在余熱鍋爐設置熱水器，加熱凝結水，減少系統中低溫加熱器的抽汽量，能夠起到回收有效余熱的作用，提高電站的回熱性能，提高電站的熱效率，增加電站的凈發電量。

本文以工程實例為依據，將新形式的燃煤與余熱混合的高溫超高壓一次再熱系統與常規形式的高溫高壓機組加上純低溫余熱機組，從電站技術指標、系統配置、廠區占地、投資等方面進行分析比對，顯示高溫超高壓一次再熱機組能夠有效提高電站的技術指標，降低電站的運行成本，節約燃料消耗，同時，系統配置更為簡單，廠區占地更為緊湊，項目投資大幅節省，土建與安裝工程量大幅降低，施工周期大幅縮短，為企業帶來良好的經濟與社會效益。

在鋼鐵、化工、碳素等工業企業中，也會同時存在工業余熱與自備電站，本項目為高溫超高壓一次再熱機組在其他工業企業中的應用提供了示范作用，開拓了新的應用方向。■

Study on Application of Reheat Unit in Captive Power Station of the Cement Plant

WANG Caixia,FENG Shuai
（Sinoma Energy Conservation Ltd.,Tianjin,300400）

For captive power station in oversea cement plants where weak power supply,based on the principle of"energy grade,step utilize",waste heat steam can be highly connected with reheating power generation unit since the high pressure cylinder exhaust steam from reheating turbine unit is similar to waste heat generated steam,thus the reheater of coal fired boiler can improve the waste heat steam quality and increase the total thermal efficiency and power output of the power generation unit.This article compares and analyzes the indexes and data of high temperature super-high pressure reheating unit with the regular high temperature high pressure unit+condensing waste heat power generation unit,which shows the coal consumption,self-power consumption and power output of super-high reheating unit are all optimized to high temperature high pressure+waste heat power generation unit.Land occupation,investment and system configuration are also compared for reheating unit and regular unit,which shows the direction of reheating unit application in captive power plants of other industrial area.

MSWI reheat steam turbine unit;captive power station;waste heat;cement plant;industrial enterprise

TQ172.622.22

A

1001-6171（2017）06-0064-07

2017-06-20； 編輯：孫 娟