技术丨水泥厂余热发电系统运行管理的几点体会

目前我国预分解窑水泥的生产管理水平还比较粗放，导致生产成本居高不下，技术指标与先进值仍有一定的差距，这是水泥行业贯性管理的结果。水泥行业结构调整较快，产能增速高位运行，由于生产工艺、装备水平等方面的进步，电耗、煤耗等均比原来立窑、初期的新型干法生产线下降很多。思想上认为目前这指标处于较理想状态，或者是认为这设备工艺设计有问题，无法取得更好的经济技术指标。这些都是影响和制约水泥企业技术骨干和管理层对日常工作的探索、创新和精细化管理的因素。

1 利用热力学第二定律提高余热发电量

目前余热发电工艺很多，有单压系统、双压系统和闪蒸系统等，设计单位和水泥厂均一直奉行的纯低温余热发电介入预分解窑水泥生产线基本原则是“四不原则”。

这个基本原则大体内容是：（1）不影响熟料生产；（2）不增加熟料生产的热耗和电耗；（3）不改变熟料生产中原燃料烘干热源；（4）不改变熟料生产工艺流程及设备。这个“四不原则”在我国发展纯低温余热发电的初级阶段有很大的现实意义，但设计上过于保守，很多前期设计的发电系统吨熟料发电量指标均低于30 kWh/t，影响到余热发电系统的达标。随着技术进步和技改，发电量取得了很大突破，很多技术改造成功的文献即可证明，很多企业在一定程度上陆续突破“四不原则”。

我公司2008年年底4 000 t/d熟料生产线点火投入运营，2009年年中7.5 MW纯低温余热发电并网发电，设计的发电系统是单压系统，窑头取风口位于篦冷机二段与三段交接处，是典型的基于“四不原则”进行设计和建造的纯低温余热发电系统。并网运行后，吨熟料发电量长期低于30 kWh/t，离设计的34 kWh/t指标相差5 kWh/t左右。

最初，余热发电运行指导思想是能量守恒，即热力学第一定律：就是不同形式的能量在传递与转换过程中守恒的定律，表达式为Q=△U+W。表述形式：热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。

这一定律指导下，于是要提高余热发电量，窑操作员就会想到尽可能多地回收熟料热量，加大篦冷机用风，为保证负压，随即加大窑头排风机频率；工艺技术员就会想到提高熟料饱合比和硅率，降低熟料结粒，增加表面积，为冷却创造条件。目的是提高热的回收率，增加热能总量。实践证明，上述操作在增加熟料电耗的同时，并不能大幅度地提高吨熟料发电量。

热力学第二定律：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，或不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。

开尔文表述：不可能制成一种循环动作的热机，从单一热源取热，使之完全变为功而不引起其它变化。热力学第二定律更符合余热发电系统的指导，因为更注重热的功效率。基于热力学第二定律，注意到能量的品位差别与梯级利用，开始提出总能系统。

总能系统主要含义为：按照能量品位的高低进行梯级利用，处理好功、热（冷）与工质内能等多种能量之间的配合关系与转换利用，不仅要着眼于提高单一设备或工艺的能源利用率，而且要全面兼顾动力、动态、经济、环保等多因素、多目标，以获得全局的最佳总效率。

应用到实践，我公司立即调整操作指导思想。不再着重于热回收量的大小，更关注热的功效率，即从过去的加大熟料的冷却用风调整为减少冷却风量，降低篦冷机三段风机和窑头排风机频率，提高废气的温度100 ℃，保证在420 ℃运行。使其余电过热蒸汽品质大幅提高，吨熟料发电量达到36 kWh/t，月平均吨熟料发电量增加7 kWh/t以上，提高能效24%以上。具体参数调整见表1。在取得较好的经济效益的同时，最大化地减少了窑头AQC锅炉的磨损和熟料系统用电量，达到窑与余热发电两个系统的稳定和经济运行的目的。

为了保证熟料性能，每天进行2个批次熟料物理性能检验。项目涉及凝结时间、需水量、净浆流动度、强度等指标，均显示正常。经分析，熟料急冷关键是在1 350 ℃和600 ℃两个温度区间，我公司的调整加快了二段速度，使二段更薄，达到600 ℃急冷目的。三段速度调整引起的出窑熟料温度高对易磨性有一定影响，略微提高熟料KH，改善易磨性和粒度控制。三段风量减少后，篦板磨损会有增加。随着三段风量减少，降低窑头排风机的频率，风速下降，缓解了AQC过热器的磨损。

用热力学第二定律指导调整提高了能效利率，藉此对“四不原则”进行分析评价。

“四不原则”是在初期余热发电作为新工艺新技术时期，同时水泥市场量价齐升阶段，为了保证系统的可靠性，减少对窑系统的干扰，以水泥为主业、余电为辅业的思路，不太注重余电能效发挥。

“四不原则”是当时的一种推理，并不能证明余热取风口靠前、低温段冷却风量下降及其他变化会对窑系统产生什么干扰。随着市场需求下降成本压力的上升，纯低温余热发电技术的成熟，有些设计院和水泥厂开展了富有成效的技改。第二定律是在“四不原则”基础上进行的一种新的尝试和改造，最终要看综合效益产出。

2 余热发电促进避峰生产，提高余热发电的经济效益

水泥厂是耗电大户，基本都使用的是国电电网供电。国电电网工业用电分为峰、平、谷三个区间，单价区别较大，峰值电价是0.857 7元/度，平值电价是0.540 1元/度，谷值电价是0.225 5元/度。在市场不景气，产能未能充分发挥的条件下，水泥厂均选择避峰生产，即水泥磨在谷值期间开机生产，降低生产成本。

尽可能多用谷值期间的电，避免使用峰值的高价电，降低水泥生产综合电价，是成本降低的有力措施。但绝大多数生产管理人员往往忽视了余热发电系统对避峰生产的作用。

众所周知，余热发电的成本远远低于国家电网的价格，基本在0.10～0.15元/度。同样是1度电，在峰、平、谷三个区间产生的经济效益是不同的，若按余热发电最高成本0.15元/度计算，峰、平、谷三个区间产生的效益分别是0.707 7元/度、0.390 1元/度和0.075 5元/度。水泥厂连续运行的设备主要是回转窑系统，合理调整运行，原料磨也可以避峰电。因此若加强峰电期间的发电运行，提高发电量，将大大降低用电成本，为企业创造效益。

基于上述情况，我公司主要采取措施如下：（1）加大峰电、平电期间的余热发电量统计，加重此区间的考核力度，重奖重罚，机制上予以保证；（2）降低熟料冷却用风，进一步提高AQC锅炉进口温度，增加发电量；（3）减少峰电期间设备运行负荷，根据负荷选择性地停止磨机、破碎机和辅机等设备。经运行观察，基本可以在用电高峰期实现自给自足的目标。

3 孤网运行，提高窑系统的连续运转

国家电网每年均会组织1～2次线路检查，需要停电作业。若与水泥厂生产安排不一致，将会引起停电停机，会给企业增加点火柴油、煤和电等方面的消耗。分析我公司日常负荷控制情况，余热发电量超出窑系统用电总量的1 000 kWh，完全可以用余热发电系统带动窑系统的运行用电。

主要需解决的问题是发电负荷波动对窑系统电机工作频率产生的跳停事件。我公司于2011年10月组织了1次孤网运行，用余热发电系统带窑系统生产运行，仅维持了2 h，以失败告终，风险较大，后来几年均未组织孤网运行。

2015年5月为配合窑连续运行的目标，再次组织孤网运行，邀请孤网运行方面的专家进行指导，实现了“断网停电——孤网运行——合闸供电”三阶段的操作，达到了大网停电，仍完成窑和余电系统的稳定运行。

措施是：断网停电前，做好负荷控制，防止过高过低波动引起的电压波动。具体为：

（1）通过适当降低窑喂料量，使窑况处于较轻的状态，增强窑系统热工抗干扰能力；

（2）严禁调整篦冷机篦速和冷却风机频率；

（3）断开电力室所有的补偿柜；

（4）密切监控好发电负荷与用电负荷平衡，过高过低通过水泥磨和窑尾排风机的高压电机变频调节，平衡电网负荷，保证电网频率50 Hz。

4 结束语

对余热发电系统的运行管理，不再着重于热回收量的大小，更关注热的功效率，即从过去的加大熟料的冷却用风调整为减少冷却风量，降低篦冷机三段风机和窑头排风机频率，提高废气温度100 ℃，保证在420 ℃运行。使其余电过热蒸汽品质大幅提高，吨熟料发电量达到36 kWh/t，月平均吨熟料发电量增加7 kWh/t以上，提高能效24%以上。

加大峰电、平电期间的余热发电量统计，加重此区间的考核力度，重奖重罚，机制上予以保证；降低熟料冷却用风，进一步提高AQC锅炉进口温度，增加发电量；减少峰电期间设备运行负荷，根据负荷选择性地停止磨机、破碎机和辅机等设备，基本可以在用电高峰期实现自给自足的目标。我公司余热发电量超出窑系统用电总量的1 000 kWh，完全可以用余热发电系统带动窑系统的运行用电。

作者：杨金波

机构：安康市尧柏水泥有限公司

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