水泥厂余热发电系统降压提效改造

水泥生产会造成大量的能源和资源消耗，水泥厂是名副其实的产碳大户，据统计，水泥工业二氧化碳排放量占世界二氧化碳总排放量的7.5%，占我国二氧化碳总排放量的13.75%。而水泥企业余热发电技术是对熟料线上的废气进行回收利用，是不需要燃料的余热利用，符合当下可持续发展、绿色发展的趋势，并可以帮助企业减少外购电量，降低水泥成本，提高市场竞争力。水泥余热大电机组遵循以“热定电”设计思路，根据熟料生产线的热源情况进行选型与设计，当公司熟料生产线进行大规模技改项目之后，会造成余热发电系统汽轮机实际运行的参数与设计时的参数出现偏差，使汽轮机无法发挥出全部的效能。本文所述的改造是针对汽轮机的通流性进行改造，通过降低蒸汽压力，降低实际值与设计值偏差，增大通流面积的方式来实现汽轮机高效运行，提高水泥熟料生产线余热发电量。1、余热发电节能降耗分析1.1余热发电节能降耗的可行性1）经济方面水泥熟料生产线配套余热发电是水泥熟料生产过程中必不可少的一环，如今水泥市场形势一直低迷，水泥厂若能实现节能降耗，将会降低企业外购电量，大大减少水泥生产运营成本，同时减少碳排放。此外，现今的技术条件与技术应用模式也会降低研发成本，促进发电厂汽轮机组节能降耗工作的全面发展。2）技术方面随着汽轮机科技的发展，我国的相关技术、工艺也在不断提升，为汽轮机改造提供了很大支持，减少了很多阻碍，企业工作人员可充分利用先进技术与措施，不断调整汽轮机的整体结构，进一步提高安全性、稳定性以及能源转换比率。1.2余热发电汽轮机能耗影响因素1）通流性汽轮机组的工作效率与通流性密切相关，通流性越好，机组的功率损耗越小，单位功率条件下的能源消耗越少；反之，通流性越差，损耗就越高，能源消耗也就越多。我公司汽轮机在投入使用之后，长时间保持高负荷运转状态，随着运行时间越来越长，或其他外部因素的影响，汽轮机将会出现通流性不足的现象，此时单位功率条件下的能源消耗会不断增加。想要提高汽轮机组的通流性，工作人员可以对通流面积和气流量进行调整。2）出力系数出力系数是汽轮机组运行参数中一项极为重要的核心指标。出力系数越高，汽轮机能耗越低，发电水平越高。电厂调整出力系数，可实现发电能力的调控，避免出现电力能源浪费现象。3）气压与温度汽轮机组运行过程中，所处环境的气压与温度均会影响其耗能水平。通常情况下，若汽轮机组处于气压较大的状态，蒸汽流量将会大幅增加，运行效率也会随之下降。此外，汽轮机组需搭配锅炉使用，若生产系统空气输入量不变，燃料输入量下降，锅炉内水量将会大幅增加。此时，锅炉内部水垢生成概率增加，会降低锅炉热转换效率，增加整体的发电能耗。2、汽轮机运行现状与低效原因分析2.1运行现状如表1所示，2#汽轮机组的运行压力在0.8MPa左右，流量在41t/h左右，而汽轮机组的设计值是压力为1.25MPa，流量为47.25t/h，可见系统压力实际运行值与设计值存在较大偏差，导致汽轮机运行效率低下。表1两台机组主要运行参数统计表2.2原因分析我公司余热发电系统投产时间较早，由于余热发电是以热定电，汽轮机前期设计时参考的是之前熟料线的余热产生量，目前，熟料线已完成多项改造，余热资源在质和量上出现明显变化，导致汽轮机的设计值与目前的发展状况不符合。蒸汽在相同温度下压力的变化对蒸汽的比容（m3/kg）影响较大，以蒸汽温度350℃为例，蒸汽压力为0.8MPa时比蒸汽压力为1.25MPa条件下比容增加0.151 036 5m3/kg，增加比例为61.27%，如表2所示。由于热量增加，蒸汽体积随之增加，导致原设计的2#汽轮机通流量无法实现对蒸汽的充分消化与利用，严重影响汽轮发电机组运行效率。表2蒸汽在不同温度压力下热焓值、比容对照表3、汽轮机降压提效改造方案3.1改造原则我公司改造是基于熟料生产线工况进行的改造。随着熟料生产线完成多项技改，节能减耗效果明显，因此煤耗量减少，余热发电所需的热量也随之减少，蒸汽量也随之减少，蒸汽压力降低，已经不适应现在的运行情况，所以我公司采用了一种以改造汽轮机通流性为基础的降压改造，通过增加汽轮机的通流面积改善机组通流性差的问题来实现汽轮机的效率提升。主要方法为降低汽轮机主汽压力，增大蒸汽通流性，增大汽轮机的通流面积。3.2具体实施方案图1所示为汽轮机改造的结构。将主蒸汽管道由原来的DN300调整为DN350，相应的电动主汽阀尺寸由原来的入口DN300，出口DN200调整为出入口均为DN250，喉径不变，电动主汽阀操作座行程进行相应改造，满足新电动主汽阀最大流量要求，相应的导汽管由原来的DN200更改为DN250，导汽管重新设计法兰，保证与本体短接法兰准确连接。将调节阀更换全新阀碟、阀座，重新调整行程，同时对气缸本体进行扩孔，调节阀的阀座孔由原来的4孔变为6孔，调节阀油动机进行相应改造，满足调节阀的配气要求。汽轮机结构如图2所示，汽轮机的通流部分由静叶片和动叶片组成，有1级单列调节级和8级压力，降压改造后，汽轮机的通流面积不够，末级余速损失太大，因此对汽轮机的整个通流部分进行改造，汽轮机的级数不变，通过在下缸增加一组喷嘴，改变叶片高度，调整叶片角度来增加通流能力。改造后调节级的静叶高和静叶高保持不变，第1级叶片静叶高由26mm增加到37.5mm，动叶高由28mm增加到40.5mm，第2级叶片静叶高由32mm增加到47mm，动叶高由34mm增加到50mm，第3级叶片静叶高由42mm增加到59.5mm，动叶高由44mm增加到62.5mm，第4级叶片静叶高由60mm增加到76.5mm，动叶高由63mm增加到79.5mm，第5级叶片静叶片由82mm增加到100.5mm，动叶高由96mm增加到104mm，第6级到第8级末三级叶片尺寸不变，通过增加5°的叶片角度来增加通流能力。根据电动主汽阀、调节阀的改造，修改TSI行程参数，并重新整定，修改调速器设置参数，满足降压改造后的要求。图1余热发电系统结构示意（部分）图2汽轮机叶片结构示意3.3实施效果改造后汽轮机参数如表3所示。改造后的汽轮机主汽参数贴合实际生产线的真实数值，保证机组安全性的同时提高了发电效率，图3、图4所示为2#汽轮机发电功率改造前后的趋势图。表3改造后汽轮机参数图32022年10-11月份2#汽轮机发电趋势图（改造前）图42023年6月份2#汽轮机发电趋势图（改造后）由图3可以看出，2#汽轮机改造之前的发电功率大多在6~8MW，由图4可以看出，2#汽轮机改造之后的发电功率大