75噸/時(shí)余熱(帶補(bǔ)燃)流化床鍋爐改純低溫余熱發(fā)電技術(shù)在日產(chǎn)2500噸水泥生產(chǎn)線上的應(yīng)用

前言
　　浙江虎山集團(tuán)有限公司是國家“一五”時(shí)期投資興建的浙江省第一家大型水泥企業(yè)，企業(yè)始建于1958年，由原浙江江山水泥廠改組而成。2006年，被國家發(fā)改委、國土資源部、中國人民銀行列為國家重點(diǎn)支持水泥工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整大型企業(yè)（集團(tuán)），名列21位。2007年，加盟中國建材南方水泥有限公司。

　　浙江虎山集團(tuán)有限公司2500t/d窯外分解爐帶補(bǔ)燃的12MW余熱發(fā)電項(xiàng)目是在國家“九五”期間發(fā)布《煤矸石綜合利用管理辦法》時(shí)鼓勵(lì)發(fā)展煤矸石電廠，發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的時(shí)候投資興建的。年發(fā)電量為8400×10⁴kw.h（以年運(yùn)行時(shí)數(shù)7000小時(shí)計(jì)），供電量為7344×10⁴kw.h，年平均發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為315.54g/kw.h，余熱利用量占電站總耗能熱量的35%。項(xiàng)目在投產(chǎn)后的幾年內(nèi)取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，但由于各地煤矸石的發(fā)熱量的波動(dòng)很大，很難適應(yīng)正常生產(chǎn)的需要。工藝上為保證煤矸石的充分穩(wěn)定燃燒，均需在煤矸石中摻入近20%的煙煤進(jìn)行生產(chǎn)。最近幾年煙煤價(jià)格不斷攀升，靠余熱帶補(bǔ)燃流化床鍋爐發(fā)電項(xiàng)目已經(jīng)沒有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。另外根據(jù)國務(wù)院批復(fù)的國家環(huán)保局制定的《酸雨控制區(qū)和二氧化硫污染控制區(qū)劃分方案》，對(duì)電廠二氧化硫(SO₂)排放提出了嚴(yán)格要求，對(duì)現(xiàn)有燃煤含硫量大于1%的電廠，要求在2010年前分期分批建成脫硫設(shè)施或采取其它具有相當(dāng)效果的減排措施。浙江虎山集團(tuán)在這樣的形勢下，感覺到十分有必要將原來2500t/d水泥生產(chǎn)線的余熱（帶補(bǔ)燃）流化床鍋爐電站向純低溫余熱電站改造。項(xiàng)目于2008年3月開始實(shí)施，并在當(dāng)年7月實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電?，F(xiàn)將有關(guān)情況介紹如下：

　　一、改造的內(nèi)容及相關(guān)技術(shù)措施
　　1、拆除原有的75t/h循環(huán)流化床燃煤鍋爐；

　　2、將原來2500t/d水泥線上的兩臺(tái)中溫中壓的余熱鍋爐改造為低溫低壓余熱鍋爐，改造后窯頭AQC爐的技術(shù)參數(shù)：鍋爐入口設(shè)計(jì)溫度取值為380℃，蒸汽壓力為1.35MPa，蒸汽溫度為340±20℃，蒸汽量為9.5t/h；窯尾SP爐的技術(shù)參數(shù)：鍋爐入口設(shè)計(jì)溫度取值為340℃，蒸汽壓力為1.35MPa，蒸汽溫度為315±20℃，蒸汽量為14.3t/h；

　　3、將原來中溫中壓的12MW汽輪機(jī)組改造成低溫低壓的6MW純凝式汽輪機(jī)組，發(fā)電機(jī)保留不變；除氧系統(tǒng)利用原有的系統(tǒng)，對(duì)部分管路進(jìn)行改造；

　　4、更換凝結(jié)水泵、給水泵；

　　5、化水系統(tǒng)及循環(huán)水系統(tǒng)保留不變；

　　6、相應(yīng)的電氣及自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行改造。

　　7、各車間利用原有的廠房和基礎(chǔ)；

　　二、窯頭AQC爐及窯尾SP爐的工藝流程

　　　　　　　　　　　　1．鍋爐               2．降塵器               3．鍋爐進(jìn)口閥門        

　　　　　　　　　　　　4．直通閥             5．鍋爐出口閥門         6．閘板閥    

　　　　　　　　　　　　7．鎖風(fēng)分格輪         8．雙翻板閥             9．拉鏈機(jī)      

　　1、窯頭AQC爐采用三段受熱面，最大限度地利用了窯頭熟料冷卻機(jī)廢氣余熱。I段為蒸汽鍋爐，生產(chǎn)1.35MPa－340℃的蒸汽，作為汽輪機(jī)主蒸汽，II段生產(chǎn)的170℃的熱水作為AQC爐、SP爐蒸汽段給水，Ⅲ段生產(chǎn)100℃的熱水，送入除氧器。

　　2、窯尾SP爐采用一段受熱面，保證電站運(yùn)行安全并充分保證水泥生產(chǎn)線烘干用廢氣余熱。SP爐生產(chǎn)的蒸汽與AQC爐蒸汽段生產(chǎn)的蒸汽一起進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。

　　三、純低溫余熱改造過程中關(guān)鍵問題的處理
　　1、AQC、SP爐整體鋼架改造方案的確定
　　原AQC、SP爐共有8根主立柱，其基礎(chǔ)的相關(guān)尺寸均一樣（見圖一）。杭州中科設(shè)計(jì)院從節(jié)省投資出發(fā)，在與杭鍋廠溝通后，確定除受熱面、鍋筒需更新外，原有的立柱及平臺(tái)欄桿、部分橫梁均予以利用。SP爐由于受熱面增加較大，原基礎(chǔ)的跨度尺寸由原來的3990mm增加至4790mm。設(shè)計(jì)時(shí)原考慮鍋爐中心線位置不變，將兩側(cè)A、B軸的四根立柱均向外移400mm，后來發(fā)現(xiàn)這樣的施工難度較大，不僅土建需要重做8個(gè)基礎(chǔ)，而且如果8根立柱均外移，會(huì)給原SP爐進(jìn)風(fēng)管的支撐帶來難度，施工工藝比較復(fù)雜，最終決定靠近預(yù)熱器系統(tǒng)的A軸向的四根主立柱不動(dòng)，僅將B軸的四排立柱向外移動(dòng)800mm。

圖一

　　AQC爐的整體鋼架經(jīng)杭鍋廠技術(shù)人員核算后，確定原來的基礎(chǔ)能夠滿足新鍋爐的安裝要求，除部分橫梁位置需要調(diào)整外，其主立柱位置可不做移動(dòng)。

　　2、植筋技術(shù)在窯尾SP爐的應(yīng)用
　　由于SP爐B軸的四根主立柱需移位，其基礎(chǔ)需要重新施工?？紤]到利用基礎(chǔ)內(nèi)部主鋼筋再焊接羅紋鋼的方法來做鍋爐柱腳四周的護(hù)筋，對(duì)基礎(chǔ)的損害較大，另外由于內(nèi)部主鋼筋的位置不規(guī)則，其定位有難度，所以鍋爐柱腳四周的護(hù)筋施工采用的是植筋的方法。

　　植筋是指在混凝土、墻體巖石等基材上鉆孔，然后注入高強(qiáng)植筋膠，再插入鋼筋或型材，膠固后將鋼筋與基材粘接為一體，是加固補(bǔ)強(qiáng)行業(yè)中一種建筑技術(shù)。其工藝流程：定位 →鉆孔 → 清孔 → 鋼材除銹 → 錨固膠配制 → 植筋 → 固化、保護(hù) → 檢驗(yàn)。植筋膠在常溫、低溫下均可良好固化，若固化溫度25℃左右，2天即可承受設(shè)計(jì)荷載；若固化溫度5℃左右，4天即可承受設(shè)計(jì)荷載，且錨固力隨時(shí)間延長繼續(xù)增長。

　　利用植筋方法，鍋爐柱腳四周護(hù)筋的施工可以在四根主立柱移位調(diào)整好后再進(jìn)行，即方便了立柱的移位，又節(jié)省了施工時(shí)間。

　　3、SP爐鍋筒定位偏差的處理
　　鍋爐在安裝過程中發(fā)現(xiàn)其定位尺寸有偏差，按圖紙位置定位后，其鍋爐與主立柱發(fā)生干涉（見圖二）。其原因是由于改造后的鍋爐總設(shè)計(jì)高度為24.5m，而原來鍋爐的高度有25.252m，而在施工時(shí)利用了原鍋爐最頂部的框架對(duì)SP爐的進(jìn)風(fēng)管道進(jìn)行支撐，所以主立柱移位后就沒有縮短，也不好縮短，同時(shí)由于頂部橫梁也不能割除，鍋爐到過熱器的三根下降管（管2）也無法施工。處理方案：在與杭州中科院及杭鍋廠溝通后，由設(shè)計(jì)院出更改單，將鍋爐往外移800mm，原來800mm的定位尺寸改為1600mm。施工時(shí)相應(yīng)將管1也進(jìn)行加長。

　　圖二

　　考慮到窯頭AQC爐原高度（17.756m）比改造后的設(shè)計(jì)高度（15.81m）也要高，在鍋爐的就位時(shí)也會(huì)碰到相似的情況，所以由設(shè)計(jì)院出圖，將改造后的鍋爐各層定位基準(zhǔn)由原來的0：00平面改為主立柱的最頂面（17.756m），相當(dāng)于提高鍋筒及整個(gè)受熱面的垂直高度，避免了類似情況的發(fā)生。由于事先與施工單位溝通好，所以后面AQC爐的施工比較順利。

　　4、汽輪機(jī)組的改造
　　1）改造方案的確定
　　我們?cè)瓉淼钠啓C(jī)組是青汽廠的N12-3.43型12MW凝汽式汽輪機(jī)組，額定進(jìn)汽溫度435℃。最初我們希望能夠利用原來的設(shè)備基礎(chǔ)，采購新的純低溫凝汽式汽輪機(jī)。在咨詢了多家廠家之后，雖然機(jī)組的工藝參數(shù)均能滿足設(shè)計(jì)要求，但對(duì)原來的基礎(chǔ)均要進(jìn)行處理，有的甚至需要更改機(jī)組平臺(tái)標(biāo)高，且交貨期估計(jì)要7個(gè)月。在與青汽廠的技術(shù)交流時(shí)，我們提出是否可利用原機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造。青汽廠對(duì)于舊機(jī)組的改造以前也沒有做過，但是認(rèn)為從技術(shù)上分析還是可行的，并且也愿意進(jìn)行這方面的研究，所以最終我們決定還是與青汽廠合作，利用原來的汽輪機(jī)組，僅對(duì)其內(nèi)部的通流部分進(jìn)行改造，以適應(yīng)低溫低壓的需要。改造后的汽輪機(jī)技術(shù)參數(shù)：進(jìn)汽參數(shù)為1.25Mpa；進(jìn)汽溫度為310±20℃；最高溫度為380 ℃；進(jìn)汽流量為32 t/h；汽耗為5.2kg/kwh。通過改造大大減少了設(shè)備的投資，且改造的總工期也就2個(gè)月時(shí)間。

　　2）汽輪機(jī)主油泵的處理
　　在改造前，N12-3.43汽輪機(jī)主軸存在有問題，試生產(chǎn)后運(yùn)行大約有半年時(shí)間的時(shí)候，出現(xiàn)過汽輪機(jī)主軸與主油泵聯(lián)接部分的軸頭斷裂事故（見圖三）。在當(dāng)時(shí)由于生產(chǎn)比較緊張，另外從費(fèi)用上考慮，就沒有將汽輪機(jī)的主軸更換。將原來主軸軸頭斷裂的地方加工后做了一個(gè)內(nèi)螺紋孔，重新加工了一只外螺紋結(jié)構(gòu)的主油泵，螺紋配合后繼續(xù)使用。處理好運(yùn)行有3個(gè)月時(shí)間，主油泵與主軸配合的螺紋出現(xiàn)滑扣至使機(jī)組無法運(yùn)行。又重裝加工了一只主油泵，為確保螺紋副聯(lián)接的可靠性，在聯(lián)接過程中使用TS鈦合金劑混合劑對(duì)羅紋副進(jìn)行固化處理，主油泵的徑向跳動(dòng)調(diào)到0.00、-0.02、+0.015、+0.025mm。此次處理后總計(jì)運(yùn)行有2個(gè)月時(shí)間，碰到了機(jī)組的改造。

圖三

　　出于運(yùn)行可靠性考慮，公司決定將汽輪機(jī)主軸更換。改造好返廠安裝過程中，注意 到兩付油封環(huán)與外面的油泵殼體四周的間隙不均勻，特別是上、下間隙，經(jīng)測量外側(cè)油封環(huán)上間隙有4.0mm，而下間隙僅有0.1 mm，內(nèi)側(cè)油封環(huán)下間隙有0.12mm（圖三1、2位置）。估計(jì)前面的幾個(gè)事故可能均與此尺寸上下不均有關(guān)：在1#瓦出現(xiàn)燒瓦或出現(xiàn)龜裂時(shí),由于下間隙僅0.1 mm，造成軸頭下沉而油封環(huán)又沒有足夠的下浮余量，1點(diǎn)位置由原來的懸浮點(diǎn)變?yōu)槠啓C(jī)主軸的主支撐點(diǎn)從而造成主軸斷軸及主油泵頭損毀。而在前面幾個(gè)事故過程中均伴有1#瓦燒瓦事故，并且1點(diǎn)位置油封環(huán)的巴氏合金也嚴(yán)重?zé)龤?。由于要調(diào)整好油封環(huán)的上下間隙需動(dòng)到汽輪機(jī)機(jī)頭的基礎(chǔ)部分，非常麻煩。就采取了簡單的處理方案：在不影響主油泵出力的情況下將內(nèi)外兩側(cè)的油封環(huán)外圓車削掉2.0mm，安裝后下間隙的尺寸基本在1.1mm，預(yù)留出其上下浮動(dòng)的空間?，F(xiàn)汽輪機(jī)改造后已正常運(yùn)行有10個(gè)月。當(dāng)然，還有待更長時(shí)間的觀察。

　　5、鍋爐本體外保溫方式及外護(hù)板安裝位置的變更處理
　　鍋爐本體原保溫方式：緊貼內(nèi)護(hù)板用無石棉硅酸鈣板加粘結(jié)灰漿進(jìn)行砌筑，外面加一層硅酸鋁耐火纖維氈，然后采用Ф4圓鋼現(xiàn)場彎制成抓釘后，抓釘一端與殼體焊接，另一端穿過保溫層和鐵絲網(wǎng)，緊壓住鐵絲網(wǎng)折彎，最后一層為抹面涂料。鍋爐的外護(hù)板采用彩鋼瓦，在保溫施工完成后，緊貼著立柱及橫梁施工（如圖四）。由于上述施工工藝較為復(fù)雜，并且如果施工不當(dāng)很容易引起外部抹面涂料脫落后影響到內(nèi)部保溫材料的固定，并且由于外護(hù)板做在最外面，平時(shí)也不容易發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的脫落情況，所以我們采用原水泥線上成熟的保溫方式：保溫材料選用層狀的復(fù)合硅酸鹽保溫材料，將保溫材料與內(nèi)護(hù)板用高溫膠水貼結(jié)后，將外護(hù)板直接緊貼著保溫材料施工（如圖五）。由于煙氣逐級(jí)通過鍋爐的過熱段、蒸發(fā)段后，爐墻的溫度也逐層下降，保溫材料廠的厚度也可以從δ200、150、100mm隨高度的下降而相應(yīng)的減薄。這種保溫方式保溫效果非常好，施工也方面。而外護(hù)板不僅起到裝飾的作用，同時(shí)也起到保護(hù)保溫材料廠的作用。

圖四　　　　　　　　　　　　　　圖五

　　6、影響發(fā)電量的相關(guān)因素分析
　　對(duì)于鍋爐來講，在汽輪機(jī)系統(tǒng)正常的情況下，除氧器壓力穩(wěn)定，給水溫度正常，其產(chǎn)汽量的主要影響因素個(gè)人認(rèn)為主要有兩個(gè)：一是鍋爐的進(jìn)口風(fēng)溫、二是進(jìn)口負(fù)壓。

　　SP爐：在窯況正常的情況下，SP爐的進(jìn)口風(fēng)溫及負(fù)壓均比較穩(wěn)定，所以SP爐的產(chǎn)汽量也較穩(wěn)定。但如果振打清灰不及時(shí)，也會(huì)對(duì)產(chǎn)汽量有影響。在試生產(chǎn)初期，窯尾SP爐的內(nèi)部振打桿與蒸發(fā)段管箱支架的焊接點(diǎn)脫落有四分之一，引起部分蒸發(fā)段沒有正常清灰。利用停窯機(jī)會(huì)將振打桿恢復(fù)后，在相同的進(jìn)風(fēng)溫度下，鍋爐出風(fēng)溫度比原來降低有5~6℃，說明鍋爐的熱交換的效率得到明顯提高了。

　　AQC爐：AQC爐的鍋爐進(jìn)口風(fēng)溫波動(dòng)較大，在窯況正常的時(shí)候波動(dòng)幅度也可達(dá)到100℃以上，負(fù)壓也隨時(shí)調(diào)整。所以汽輪機(jī)的發(fā)電量在很大程度上取決于窯頭鍋爐的進(jìn)風(fēng)溫度及負(fù)壓。為了提高AQC爐的產(chǎn)汽量，相應(yīng)的可以采取以下措施：檢查電收塵本體的漏風(fēng)，保證下面分格輪的鎖風(fēng)效果；盡量隔離利用窯頭收塵器的負(fù)壓進(jìn)行收塵的揚(yáng)塵點(diǎn)，如熟料鏈斗機(jī)地坑的收塵，一般收塵風(fēng)量均比較大，如果設(shè)在鍋爐進(jìn)口，將直接降低入鍋爐的風(fēng)溫，最好設(shè)立獨(dú)立的收塵系統(tǒng)；在操作方面，可以適當(dāng)控制好篦冷機(jī)的用風(fēng)，如有意識(shí)的減少篦冷機(jī)后面幾室風(fēng)機(jī)的用風(fēng)，控制合理的篦速等；另外窯系統(tǒng)的三次風(fēng)用風(fēng)調(diào)整也將直接影響到AQC鍋爐的進(jìn)風(fēng)溫度。我公司曾碰到過這種情況：一次檢修結(jié)束后重新開窯，AQC爐的進(jìn)口風(fēng)溫明顯下降，發(fā)電量也大幅受影響，不管采取什么措施，風(fēng)溫就是達(dá)不到停窯之前的水平。后來仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)窯系統(tǒng)的工況發(fā)生有很大的變化，主要表現(xiàn)在窯頭罩的負(fù)壓及篦冷機(jī)的用風(fēng)上：①窯頭罩負(fù)壓較大，基本在-100~-50Pa，而停檢前負(fù)壓基本在-30~-10Pa，有時(shí)還是微正壓；②篦冷機(jī)最后三室風(fēng)機(jī)的風(fēng)門開度比原來大了很多，以前這幾臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)門的開度均保持在35~45%，現(xiàn)在開度均在65%~75%，這一點(diǎn)與窯頭罩的負(fù)壓有關(guān)聯(lián)：以前是風(fēng)機(jī)風(fēng)門開大后窯頭罩正壓大，所以風(fēng)門想開大而不能，現(xiàn)在是風(fēng)門不開大窯頭罩的負(fù)壓就會(huì)拉更高而影響窯系統(tǒng)的鍛燒。當(dāng)時(shí)就懷疑是否是由于三次風(fēng)的用風(fēng)量增大有關(guān)，因?yàn)樵谕８G期間曾對(duì)三次風(fēng)管的平段進(jìn)行過清灰。再次停窯檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)三次風(fēng)管的閘閥已高溫?zé)龤?，由于三次風(fēng)用量的增加引起去鍋爐的風(fēng)量減少，而操作上為了加大進(jìn)鍋爐的風(fēng)量而將余排風(fēng)開得很大，不足的風(fēng)量只能靠篦冷機(jī)后面幾室的風(fēng)機(jī)來補(bǔ)充，大量冷風(fēng)的摻入，進(jìn)鍋爐的風(fēng)溫自然就明顯下降。

　　水泥線的鍛燒與余熱發(fā)電既相互關(guān)聯(lián)，也存在有矛盾。如在窯系統(tǒng)的操作上，三次風(fēng)用風(fēng)的增加可能會(huì)降低窯頭鍋爐的進(jìn)口風(fēng)溫，但增加三次風(fēng)用風(fēng)量對(duì)窯的工況有利，如果刻意的追求發(fā)電量就會(huì)與窯系統(tǒng)的鍛燒發(fā)生矛盾。應(yīng)當(dāng)樹立“水泥生產(chǎn)是主業(yè)，發(fā)電是副業(yè)，副業(yè)不能影響主業(yè)，主業(yè)應(yīng)兼顧副業(yè)”的思想，水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行是保證余熱電站安全、穩(wěn)定生產(chǎn)的前提。

　　四、2009年余熱電站實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)

　　五、結(jié)論
　　由于公司決策及時(shí)，原有的75t/h循環(huán)流化床燃煤鍋爐于2008年3月15日開始停用并進(jìn)行2500t/d水泥線的余熱鍋爐純低溫改造，至7月17日兩臺(tái)鍋爐、汽輪機(jī)及相應(yīng)的輔機(jī)設(shè)備全部改造完成并成功并網(wǎng)發(fā)電，總共改造用了4個(gè)月時(shí)間。在改造中最大限度的利用了原有系統(tǒng)和設(shè)施，總投資估計(jì)約1400萬元。從投產(chǎn)到現(xiàn)在已累計(jì)運(yùn)行約5500小時(shí)，累計(jì)發(fā)電約24000000kwh。從發(fā)電量上來看，平均噸熟料發(fā)電量為37.15 kwh/t ，在此期間2500t/d水泥生產(chǎn)線的噸熟料煤耗為118.08kg/t，各項(xiàng)指標(biāo)均比較理想。雖然還有幾個(gè)問題有待探討解決，如廠用電量率較高、AQC爐阻力偏大、過熱段易磨損等，但是純低溫余熱改造后，其產(chǎn)生的效益已遠(yuǎn)非原來的余熱（帶補(bǔ)燃）流化床鍋爐可比。在目前節(jié)能減排形勢下，純余熱改造是原水泥線余熱（帶補(bǔ)燃）流化床鍋爐電站很好的發(fā)展方向。