水泥窯余熱回收汽輪機拖動技術(shù)經(jīng)濟分析

南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司 侯賓才 方明 劉亞雷 王朝雄 劉木堂 · 2015-10-15 13:21 留言

  1  前言

  隨著中國經(jīng)濟的不斷發(fā)展,能源問題日益突出。在巨大的用能壓力下,如何提高生產(chǎn)過程中所排余熱回收及利用效率,緩解生產(chǎn)用電緊張的形勢,是一個值得深入探討的問題。

  在水泥企業(yè)生產(chǎn)過程中,各種能源的轉(zhuǎn)換和使用直至廢氣排放過程構(gòu)成水泥企業(yè)的能量流動過程。在水泥窯生產(chǎn)過程中所排余熱主要有兩部分:① 窯頭篦冷機所排熱空氣;② 窯尾預(yù)熱器C1筒所排廢氣,充分回收利用這兩部分熱量可顯著降低水泥生產(chǎn)能耗,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟。目前對于以上這兩部分余熱,主要通過設(shè)置窯頭余熱鍋爐、窯尾余熱鍋爐來回收并產(chǎn)生過熱蒸汽,然后通過汽輪機做功帶動發(fā)電機發(fā)電。

  但是在水泥企業(yè)的生產(chǎn)工序中,有許多風(fēng)機和磨機等高耗能設(shè)備,這些設(shè)備動輒幾MW,若直接以電機驅(qū)動將會消耗大量的電能,給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)造成沉重的負(fù)擔(dān)。如果能夠利用水泥余熱所產(chǎn)的蒸汽,選擇其中一臺或多臺高耗能轉(zhuǎn)動設(shè)備直接利用工業(yè)汽輪機拖動,這樣減小能量利用過程中的中間轉(zhuǎn)換損失,既能提高能源的利用率,也有利于降低對當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的負(fù)荷,具有較好的熱經(jīng)濟性和社會效益。

  從能源有效利用的角度看,汽輪機拖動轉(zhuǎn)動設(shè)備經(jīng)過以下能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié):蒸汽—汽輪機—轉(zhuǎn)動設(shè)備;電動機拖動轉(zhuǎn)動設(shè)備經(jīng)過以下能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié):蒸汽一汽輪機—發(fā)電機—電力傳輸網(wǎng)絡(luò)—電動機—轉(zhuǎn)動設(shè)備。兩相比較,汽輪機直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動設(shè)備減少了能量轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié),其能源的有效利用率更高。

  2  汽輪機拖動常見布置方式

  水泥窯余熱拖動機組主要由工業(yè)驅(qū)動汽輪機、齒輪減速箱、變速離合器、電機以及轉(zhuǎn)動設(shè)備等組成,按照布置方式的不同,可將轉(zhuǎn)動設(shè)備設(shè)計為雙出軸形式,汽輪機與電機布置在轉(zhuǎn)動設(shè)備的兩側(cè)(見圖1),或者將汽輪機與電機布置在同側(cè)驅(qū)動轉(zhuǎn)動設(shè)備(見圖2)。

  (1)兩側(cè)布置


  圖1水泥窯余熱拖動機組兩側(cè)布置圖

  (2)同側(cè)布置


  圖2水泥窯余熱拖動機組同側(cè)布置圖

  其中,低速聯(lián)軸器為膜片聯(lián)軸器,3S離合器可以保證在汽輪機不做功的情況下,將其解列出系統(tǒng),降低電機拖動負(fù)荷。上述布置方案,對拖動用蒸汽參數(shù)波動適應(yīng)性較大,并且若汽輪機并列運行,則能夠有效降低電機電流,但投資成本較高,需進行細(xì)致的技術(shù)經(jīng)濟性分析。

  3  案例分析

  本文以國內(nèi)典型的5000t/d水泥生產(chǎn)線余熱回收汽輪機拖動項目為例進行技術(shù)經(jīng)濟分析,該生產(chǎn)線采用第四代篦冷機,窯尾預(yù)熱器采用六級預(yù)熱器,出口煙風(fēng)溫度約為260℃。余熱利用思路為:窯頭、窯尾煙氣余熱—余熱鍋爐—蒸汽—汽輪機—轉(zhuǎn)動設(shè)備,考慮機組運行的安全性、可靠性以及經(jīng)濟性,本方案中轉(zhuǎn)動設(shè)備確定為高溫風(fēng)機、窯尾排風(fēng)風(fēng)機以及水泥磨。

  水泥窯生產(chǎn)過程中所排余熱主要有兩部分:① 窯頭篦冷機所排熱空氣;② 窯尾預(yù)熱器C1筒所排廢氣,具體參數(shù)如下表所示:

  表1  水泥余熱資源參數(shù)

  3.1 主要設(shè)備

  水泥窯余熱拖動系統(tǒng)的主要設(shè)備包括窯頭余熱鍋爐、窯尾余熱鍋爐、驅(qū)動汽輪機、電機及其輔機等設(shè)備。

  (1)余熱鍋爐

  根據(jù)表1的煙風(fēng)參數(shù),余熱鍋爐的主蒸汽壓力定為0.85MPa,其中窯頭鍋爐采用立式結(jié)構(gòu),自然循環(huán),煙氣下進上出,受熱面管束采用鰭片管,傳熱效果好;窯尾鍋爐也采用立式結(jié)構(gòu),自然循環(huán),煙氣上進下出,受熱面管束采用光管,窯頭、窯尾鍋爐的具體參數(shù)如下表所示:

  表2  窯頭、窯尾余熱鍋爐參數(shù)

  (2)驅(qū)動汽輪機

  高溫風(fēng)機、窯尾排風(fēng)風(fēng)機采用圖2所示的同側(cè)布置方式,將原風(fēng)機電動機改造成雙伸軸,汽輪機和電機布置在風(fēng)機左側(cè);減速器和汽輪機端采用3S離合器聯(lián)接,減速器、電機以及風(fēng)機之間采用膜片聯(lián)軸器聯(lián)接。

  水泥磨也采用圖2所示的同側(cè)布置方式,配置1臺電動發(fā)電機(容量為3500kW),便于啟動、富裕發(fā)電、事故時用,汽輪機、電動/發(fā)電機同側(cè)布置;汽輪機與減速器之間采用3S離合器連接,減速器、電動/發(fā)電機以及水泥磨之間采用膜片聯(lián)軸器聯(lián)接,其中水泥磨自帶的減速器含有手動離合裝置。

  表3  汽輪機及被拖動設(shè)備參數(shù)

  3.2 工作流程

  (1)起動時當(dāng)水泥窯剛起動時,余熱回收系統(tǒng)還沒有過熱蒸汽產(chǎn)生,拖動汽輪機通過離合器與系統(tǒng)脫開;此時電機投入使用,電機單獨拖動高溫風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機工作,使水泥窯系統(tǒng)起動、直至正常工作,有熱煙氣產(chǎn)生;然后將熱煙氣送入余熱鍋爐產(chǎn)生過熱蒸汽,將過熱蒸汽送至汽輪機入口,使其膨脹做功;

  (2)正常工作時隨著過熱蒸汽量逐漸增大,汽輪機輸出功率和轉(zhuǎn)速也逐漸增大,當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度時,離合器自動嚙合,汽機與電機、風(fēng)機連接投入使用;當(dāng)汽輪機輸出功率足夠時,切斷電機電源,汽輪機單獨拖動高溫風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機、水泥磨工作。

  (3)蒸汽量不足時:當(dāng)水泥線生產(chǎn)線波動,過熱蒸汽量不足時,連接電機電源,電機投入使用,此時汽輪機、電機雙驅(qū)動高溫風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機以及水泥磨;

  (4)蒸汽量富裕時:汽輪機除拖動高溫風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機以及水泥磨正常運行外,富裕的蒸汽拖動電動/發(fā)電機,使其機械能全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,所發(fā)電能供其他設(shè)備使用。

  (5)水泥磨停運、故障時:當(dāng)水泥磨故障或停運時,通過手動離合裝置使水泥磨脫開檢修,此時汽輪機正常工作拖動電動/發(fā)電機工作,使其機械能全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,所發(fā)電能供其他設(shè)備使用。

  3.3 節(jié)能效果

  余熱回收拖動與發(fā)電機組相比,少了發(fā)電機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?、電動機的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的兩次能量轉(zhuǎn)變過程所產(chǎn)生的損失,以及電能傳輸過程中的線路損失。兩者的節(jié)能比較主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的傳動效率上,余熱回收拖動機組傳動效率高,而余熱回收發(fā)電機組的傳動效率則較低,具體見下表。

  表4  余熱回收拖動與發(fā)電系統(tǒng)性能比較

  注:變頻器及變頻電機均按西門子高效變頻器及變頻電機效率考慮。

  從上表可看出,汽機拖動比余熱發(fā)電效率損失少6.5~7.5%;同時汽機拖動獲得的有用功率比余熱發(fā)電多7.6%左右,顯然更節(jié)能。

  3.4 經(jīng)濟性分析

  3.4.1 投資

  兩種余熱利用方式的投資對比列于表5。從表中可以看出,余熱拖動比余熱發(fā)電約高800萬元。

  表5  余熱回收拖動與發(fā)電系統(tǒng)投資比較(單位:萬元人民幣)

  3.4.2 運行成本

  運行成本主要考慮化水消耗的藥劑費、水費、人工及維護成本等,兩種余熱利用方式的運行成本對比見表6。從表中可以看出,余熱發(fā)電的年供電成本比余熱拖動的要高出250.7萬元左右,余熱發(fā)電的單位供電成本比余熱拖動的要高出0.072元/kW.h左右。

  表6  余熱回收拖動與發(fā)電系統(tǒng)的運行成本比較

  注:產(chǎn)品平均成本不含折舊及財務(wù)成本。

  綜上所述,余熱拖動項目較余熱發(fā)電項目投資增加800萬元,每年收入增加173.2萬元,經(jīng)營成本減少250.73萬元,余熱拖動項目的收益率要優(yōu)于余熱發(fā)電方案。

  4  結(jié)論

  本文提出了一種新的水泥窯余熱回收汽輪機拖動系統(tǒng),另外介紹了汽輪機拖動常見布置方式,并通過實例對其經(jīng)濟效益進行了分析,總結(jié)如下:

  (1)水泥窯余熱回收汽輪機拖動系統(tǒng)主要是利用水泥窯余熱所產(chǎn)的蒸汽通過汽輪機做功直接驅(qū)動高溫風(fēng)機、窯尾排風(fēng)風(fēng)機以及水泥磨,具體能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)為:窯頭、窯尾余熱—余熱鍋爐—蒸汽—汽輪機—被拖動設(shè)備;

  (2)余熱回收拖動與發(fā)電機組相比,少了發(fā)電機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋㈦妱訖C的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的兩次能量轉(zhuǎn)變過程所產(chǎn)生的損失,以及電能傳輸過程中的線路損失。兩者的節(jié)能比較主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的傳動效率上,余熱回收拖動機組傳動效率高,同時還能降低電網(wǎng)負(fù)荷,對于降低單位GDP能耗具有十分重要的推動作用。

  (3)以國內(nèi)典型的5000t/d水泥生產(chǎn)線采用余熱回收拖動機組項目為例,簡單介紹了主要設(shè)備配置、工作流程,并對其進行技術(shù)經(jīng)濟分析:汽機拖動比余熱發(fā)電效率損失少6.5~7.5%,同時汽機拖動獲得的有用功率比余熱發(fā)電多7.6%左右;余熱拖動項目雖較余熱發(fā)電項目投資增加800萬元,但是每年收入增加173.2萬元,經(jīng)營成本減少250.73萬元,余熱拖動項目的收益率要優(yōu)于余熱發(fā)電方案。

編輯:陳宗勤

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