1  前言

  隨著中國經(jīng)濟(jì)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(gè)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(dòng)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(jī)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(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)。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(jī)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

  但是在水泥企業(yè)的生產(chǎn)工序中，有許多風(fēng)機(jī)和磨機(jī)等高耗能設(shè)備，這些設(shè)備動(dòng)輒幾MW，若直接以電機(jī)驅(qū)動(dòng)將會(huì)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(dòng)設(shè)備直接利用工業(yè)汽輪機(jī)拖動(dòng)，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(jì)性和社會(huì)效益。

  從能源有效利用的角度看，汽輪機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備經(jīng)過以下能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：蒸汽—汽輪機(jī)—轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備；電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備經(jīng)過以下能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：蒸汽一汽輪機(jī)—發(fā)電機(jī)—電力傳輸網(wǎng)絡(luò)—電動(dòng)機(jī)—轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備。兩相比較，汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)拖動(dòng)常見布置方式

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

  （1）兩側(cè)布置

  圖1水泥窯余熱拖動(dòng)機(jī)組兩側(cè)布置圖

  （2）同側(cè)布置

  圖2水泥窯余熱拖動(dòng)機(jī)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(jī)不做功的情況下，將其解列出系統(tǒng)，降低電機(jī)拖動(dòng)負(fù)荷。上述布置方案，對拖動(dòng)用蒸汽參數(shù)波動(dòng)適應(yīng)性較大，并且若汽輪機(jī)并列運(yùn)行，則能夠有效降低電機(jī)電流，但投資成本較高，需進(jìn)行細(xì)致的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jī)拖動(dòng)項(xiàng)目為例進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，該生產(chǎn)線采用第四代篦冷機(jī)，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(jī)—轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，考慮機(jī)組運(yùn)行的安全性、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性，本方案中轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備確定為高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)風(fēng)機(jī)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(jī)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(dòng)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(dòng)汽輪機(jī)、電機(jī)及其輔機(jī)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(jìn)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(jìn)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(dòng)汽輪機(jī)

  高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)風(fēng)機(jī)采用圖2所示的同側(cè)布置方式，將原風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)改造成雙伸軸，汽輪機(jī)和電機(jī)布置在風(fēng)機(jī)左側(cè)；減速器和汽輪機(jī)端采用3S離合器聯(lián)接，減速器、電機(jī)以及風(fēng)機(jī)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(dòng)發(fā)電機(jī)（容量為3500kW），便于啟動(dòng)、富裕發(fā)電、事故時(shí)用，汽輪機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)同側(cè)布置；汽輪機(jī)與減速器之間采用3S離合器連接，減速器、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)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(dòng)離合裝置。

  表3  汽輪機(jī)及被拖動(dòng)設(shè)備參數(shù)

  3.2 工作流程

  （1）起動(dòng)時(shí)：當(dāng)水泥窯剛起動(dòng)時(shí)，余熱回收系統(tǒng)還沒有過熱蒸汽產(chǎn)生，拖動(dòng)汽輪機(jī)通過離合器與系統(tǒng)脫開；此時(shí)電機(jī)投入使用，電機(jī)單獨(dú)拖動(dòng)高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)工作，使水泥窯系統(tǒng)起動(dòng)、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(jī)入口，使其膨脹做功；

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

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

  （4）蒸汽量富裕時(shí)：汽輪機(jī)除拖動(dòng)高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)以及水泥磨正常運(yùn)行外，富裕的蒸汽拖動(dòng)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，使其機(jī)械能全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽l(fā)電能供其他設(shè)備使用。

  （5）水泥磨停運(yùn)、故障時(shí)：當(dāng)水泥磨故障或停運(yùn)時(shí)，通過手動(dòng)離合裝置使水泥磨脫開檢修，此時(shí)汽輪機(jī)正常工作拖動(dòng)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)工作，使其機(jī)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(dòng)與發(fā)電機(jī)組相比，少了發(fā)電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋㈦妱?dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)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(dòng)效率上，余熱回收拖動(dòng)機(jī)組傳動(dòng)效率高，而余熱回收發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)效率則較低，具體見下表。

  表4  余熱回收拖動(dòng)與發(fā)電系統(tǒng)性能比較

  注：變頻器及變頻電機(jī)均按西門子高效變頻器及變頻電機(jī)效率考慮。

  從上表可看出，汽機(jī)拖動(dòng)比余熱發(fā)電效率損失少6.5~7.5%；同時(shí)汽機(jī)拖動(dòng)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(jì)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(dòng)比余熱發(fā)電約高800萬元。

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

  3.4.2 運(yùn)行成本

  運(yùn)行成本主要考慮化水消耗的藥劑費(fèi)、水費(fèi)、人工及維護(hù)成本等，兩種余熱利用方式的運(yùn)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(dòng)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(dòng)的要高出0.072元/kW.h左右。

  表6  余熱回收拖動(dòng)與發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行成本比較

  注：產(chǎn)品平均成本不含折舊及財(cái)務(wù)成本。

  綜上所述，余熱拖動(dòng)項(xiàng)目較余熱發(fā)電項(xiàng)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(dòng)項(xiàng)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(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，另外介紹了汽輪機(jī)拖動(dòng)常見布置方式，并通過實(shí)例對其經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析，總結(jié)如下：

  （1）水泥窯余熱回收汽輪機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)主要是利用水泥窯余熱所產(chǎn)的蒸汽通過汽輪機(jī)做功直接驅(qū)動(dòng)高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)風(fēng)機(jī)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(jī)—被拖動(dòng)設(shè)備；

  （2）余熱回收拖動(dòng)與發(fā)電機(jī)組相比，少了發(fā)電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?、電?dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)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(dòng)效率上，余熱回收拖動(dòng)機(jī)組傳動(dòng)效率高，同時(shí)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(dòng)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(dòng)機(jī)組項(xiàng)目為例，簡單介紹了主要設(shè)備配置、工作流程，并對其進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析：汽機(jī)拖動(dòng)比余熱發(fā)電效率損失少6.5~7.5%，同時(shí)汽機(jī)拖動(dòng)獲得的有用功率比余熱發(fā)電多7.6%左右；余熱拖動(dòng)項(xiàng)目雖較余熱發(fā)電項(xiàng)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(dòng)項(xiàng)目的收益率要優(yōu)于余熱發(fā)電方案。