技术丨国外水泥窑余热联合自备电站的应用

前言

本文介绍了巴基斯坦阿托克水泥有限公司4000t/d生产线配套建设一座带CFB锅炉的15MW余热联合自备电站的设计与应用效果，该项目采用“三炉一机”配置，即两台烟气余热锅炉加一台循环流化床锅炉(CFB锅炉)，配置一套中温中压汽轮发电机组。

与一般国外项目水泥窑同步建设余热电站和自备电站不同，通过将余热锅炉和CFB锅炉统一设计在一个热力系统中，建设一座余热联合自备电站，既节约了项目投资，也降低了电站运行成本。该水泥窑余热联合自备电站方案，获得了业主的充分认可，该项目的成功运行，对国外类似工程设计具有一定的参考意义。

水泥窑余热联合自备电站中CFB锅炉与常规水泥窑补燃余热电站中的补燃锅炉作用是不同的，常规补燃锅炉的作用仅是对余热锅炉蒸汽进行再热，稳定蒸汽品质，保证汽轮机的稳定运行，不增加余热电站的装机规模。而余热联合自备电站中，CFB锅炉是电站发电的主力设备，余热锅炉仅作为CFB锅炉的辅助热源。该联合电站，可通过配置不同规格的CFB锅炉满足水泥生产线对电力的需求。

本项目中，阿托克水泥厂所在地区电力资源匮乏，在要增加发电量，投资还要省的背景下，业主认可了水泥窑余热联合自备电站方案，该电站装机规模为15MW。在常规4000t/d水泥窑余热电站中，电站发电量一般为6MW，即当联合电站装机要到15MW时，多出发电所需的蒸汽由CFB锅炉提供。

同时，业主也要求余热联合自备电站不仅仅余热锅炉和CFB锅炉联合运行，还要能独立运行，以保证电站能连续发电，即电站热力系统设计需考虑以下三种发电工况：三台锅炉联合运行；CFB锅炉单独运行；两台余热锅炉单独运行。结合CFB锅炉运行的经济性，兼顾水泥窑余热锅炉具备独立发电的功能，不同于常规余热电站的低压蒸汽参数的设计，本次采用了中温中压的热力系统设计，主蒸汽参数为3.82MPa-450℃。

阿托克水泥窑余热联合自备电站热力系统方案见图1，特点如下：

图1 阿托克水泥窑余热联合自备电站原则性热力系统图

(1)在AQC余热锅炉中，设置了一台兼顾余热锅炉和CFB锅炉总热水量的热水器，即汽轮发电机房凝汽器中的凝结水，经凝结水泵送入AQC锅炉热水器加热到104℃后，再送入热力除氧器进行除氧，既充分利用了窑头余热资源，也减少了热力除氧器对低压蒸汽的需求；

(2)由于生料中综合水分较低，因此SP锅炉设置一套0.35MPa的低压蒸汽系统，锅炉排烟温度为180℃，低压蒸汽可为热力除氧提供补充热源，剩余的低压蒸汽送入汽轮机进行补汽发电；

(3)SP余热锅炉生产的饱和蒸汽与AQC余热锅炉生产的饱和蒸汽，汇总后送入AQC余热锅炉公共过热器过热到350℃，然后与CFB锅炉过热蒸汽一起进入CFB锅炉公共过热器进行再热，最终CFB锅炉出口蒸汽温度为450℃。

(4)考虑CFB锅炉单独运行工况，汽轮机设置低温抽汽口，在余热锅炉不运行时，通过抽汽，给热力除氧器提供热源。

(5)考虑余热锅炉独立运行工况，设计要求余热锅炉及汽轮发电机组降压至2.35MPa后，可稳定运行。

阿托克水泥窑余热联合自备电站于2018年4月投入运行，电站投入后运行稳定，联合电站三台锅炉同时运行时，发电量约15400kW，CFB锅炉独立运行时约11000kW，余热锅炉独立运行时的发电量约4500～5000kW。

电站稳定运行的同时，调试中也发现一些缺陷，主要是当余热锅炉独立运行发电时，AQC余热锅炉的热水器管道震动大。经分析，由于CFB锅炉未投运，AQC锅炉热水器的给水量大幅度减小，凝结水泵变频后，给水压力也降低，造成热水器工作压力偏低，出水温度高，管道中的凝结水沸腾造成震动。在此情况下，通过关小热水器出水阀门增大热水器中给水的压力，一定程度上减轻了热水器管道震动大的问题。因此，在水泥窑余热联合自备电站的设计中，如需要余热锅炉与CFB锅炉能单独运行发电，可让两套锅炉系统的给水及除氧分开，互不干涉，避免类似情况出现。

同时也可以看到，余热锅炉独立运行时的发电量较传统的低压余热电站更低，因为受限于水泥窑废气温度，虽然降压能运行，但锅炉及汽轮机的效率也相应降低。不过电站自投运以来，CFB锅炉系统较稳定，单独余热锅炉运行发电的情况较少。

在“一带一路”大环境下，水泥企业走出去，面对的主要是发展中国家的业主，这些发展中国家普遍存在地区供电不稳定或电力短缺等情况，而水泥窑对电量需求较大，如业主希望为水泥窑建设自备电站，在传统的建设余热电站和自备电站两座电站方案之外，采取水泥窑余热联合自备电站方案，可大幅度节约电站投资和运行成本，能给业主多一个解决供电问题的方案选择。

作者：李伟明

来源：《合肥水泥研究设计院有限公司》

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