水泥窑与余热发电系统的协调控制

　　1 引言

　　水泥行业是一个高耗能行业，所以水泥行业的节能减排倍受重视。余热发电技术(特别是纯低温余热发电技术)作为一种重要的节能减排技术，在水泥行业中得到广泛应用，且节能效果显著。

　　新型干法水泥窑纯低温余热发电系统应遵循的基本原则为：不能影响水泥的正常生产;不能增加水泥熟料的烧成热耗及电耗;不改变水泥生产用原燃料的烘干热源;不改变水泥生产的工艺流程及设备。但在新型干法水泥生产系统的窑头、窑尾增加回收废气热量的余热锅炉，二者共同组成一个新的整体，一个相互耦合的系统。尽管现有的生产线设立两个控制室将两者分开的控制，且以水泥生产线“均衡稳定生产”为前提，但作为整体中的一部分，对其某些参数的控制和调整肯定影响着其它部分的运行，只是这种影响是有利的还是有害的，影响较大还是较小。

　　为使整套系统安全稳定高效地运行，有必要研究二者之间的相互影响关系，并对两系统采取协调控制的措施，使系统整体效益最大。

　　2 水泥窑与余热发电系统的相互影响关系

　　2.1 水泥窑工况的变化对余热发电系统的影响

　　回转窑的产量、入窑生料成分和含水量、燃料特性等因素影响着回转窑的工况，同时也影响着余热发电系统的运行。如生料水分影响着出预热器进SP炉的烟气温度。

　　受窑头排风机负荷和系统阻力增加的影响，经过AQC炉的废气量减少，影响AQC炉的出力，降低了系统的发电能力。

　　分解炉、预热器内结皮等使进入SP锅炉的废气量减少，废气温度降低，直接影响SP炉的出力。

　　2.2 余热电站的投运对水泥窑生产的影响

　　窑头余热锅炉的取风口在二段，靠近篦冷机的高温段，它直接影响入窑二次风温[1]和三次风温^[2]，若篦冷机设置多个取风口，还使系统复杂，窑头负压控制困难^[1]。

　　AQC炉投运后，增加了系统的阻力，且系统漏风量也大，直接导致窑头排风量增加，电机负荷增加，耗电增加。严重时，还可能使窑头排风机满负荷或窑头罩负压达不到要求。

　　若AQC炉煤磨的取风口都设置在篦冷机中温区时，AQC炉的投运，煤磨入口负压增加，煤磨用风温度降低，煤磨产量下降，耗电增加^[1]。

　　AQC锅炉的投运，降低了入除尘器的温度，保护了窑头电除尘设备，使收尘效果改善，较低的排风温度也有利于窑头排风机的稳定运行^[1]，另外也降低了篦冷机的喷水量。

　　增设SP余热锅炉，增加了系统阻力，造成漏风量增加，高温风机电耗增加^[1]。

　　增设SP余热锅炉，使入生料磨的烘干废气温度下降，煤磨增大阀门开度，提高通风量，加剧了磨损的同时烘干效果也打折。原料磨冬季自然温度低或夏季含水量大时，磨机产量略有下降，运行时问稍有增加，每吨生料多耗电约3～4kWh^[3]。

　　SP锅炉降低了入生料磨废气的温度，减少了增湿塔喷水量，同时也减小了入除尘器的烟气量，降低了尾排风机的负荷，减少电耗。

　　SP锅炉采用振打除灰时，回灰不稳定，使入窑生料成分波动较大^[1] ，回转窑工况不稳定，孰料质量降低。

　　如果回转窑操作员的经验不足，生产过程中还可能出现如下的现象^[4]：(1)回转窑产量低，煤耗电耗偏高;(2)生料磨产量低，出口温度低，电耗高。

　　3 低温余热发电与水泥生产协调控制

　　低温余热发电与水泥生产协调控制可以包含三个层次的含义：水泥生产物料、燃料的协调控制;窑系统与余热锅炉的协调控制;余热锅炉与汽轮发电机组的协调控制。其关系如图1所示：

　　图1 协调控制系统图

　　3.1 水泥孰料生产中物料、燃料的协调控制

　　新型干法水泥生产物料、燃料的协调控制主要是实现水泥生产线的均衡稳定生产。根据理论分析及生产实践经验，新型干法水泥生产线“均衡稳定”生产是非常重要的，它不仅是气流和物料在悬浮状态下保持良好热交换的必需条件，也是保持悬浮预热器及分解炉各部位合理风速的要求，因此，生产中最重要的工艺原则是“五稳保一稳”，即：以保证入窑生料化学成分的稳定、保证入窑生料喂入量的稳定、保证入窑煤粉化学成分的稳定、保证入窑煤粉喂入量的稳定、保证设备运转率的稳定来确保熟料烧成窑系统热工制度的稳定。在窑系统运行调节控制过程中，窑系统的通风状况主要是通过高温风机入口风门的开度或高温风机的转速来调节，窑与分解炉两者的通风比率主要依据分解炉各相应部位废气成分调节分解炉入口二次风管风门来控制。同时，由于窑尾排风机通常是在最大负荷下运行，喂煤量的改变会引起排风量随之改变，容易引起整个操作紊乱。所以在一般情况下，不进行喂煤量的变动，或者进行缓慢的改变。

　　为使物料和燃料能够协调供应，在生产过程中，逐步建立一套物料量、燃料量和其它相关参数对应关系表(或图)，在运行中逐步完善，形成物料、燃料最佳配比。

　　3.2 水泥窑系统与余热锅炉的协调控制

　　窑系统与余热锅炉的协调控制主要是保证水泥生产系统稳定运行，充分利用好废气的热量，提高吨熟料发电量。水泥生产过程和余热发电过程相互耦合作用，以稳定水泥生产为主，这样就要求余热发电过程应能够很好地适应水泥生产过程调整，具有可靠的安全经济运行的调节手段。根据水泥生产纯低温余热发电系统工艺流程分析，余热发电系统投入运行后会对水泥生产具有一定的影响，主要集中在以下几方面。(1)对窑尾高温风机的影响：在窑尾SP 锅炉漏风控制、结构设计、受热面配置、清灰设计、除灰设计、废气管道设计合适的条件下，电站投入运行后， 窑尾高温风机负荷将有所降低， 这种影响是正面的。(2)对增湿塔的影响：将随着电站的投入或解列以及废气流量的分布等调整喷水量，直至停止或全开喷水。(3)对生料粉磨及煤磨的影响：随着电站的投入或解列， 烘干废气温度将产生较大幅度的变化，需要根据烘干废气温度的变化调整烘干废气量或生料粉磨的运行方式。(4)对窑尾电除尘影响：由于地区不同、配料不同、燃料不同或其它条件不同，余热电站投入运行后会对窑尾电除尘的除尘效果产生不同程度的影响。(5)对窑头电除尘器的影响：电站投入运行后， 窑头电除尘器工作温度大为降低， 粉尘负荷也相应降低，提高了除尘效率。(6)对窑系统操作的影响：由于窑系统增加了两台余热锅炉， 而余热锅炉废气不但取自水泥生产系统，而且还要送回水泥生产系统，势必增加窑系统窑头、窑尾、废气处理、生料粉磨、煤制备系统的操作环节。

　　水泥生产过程决定余热发电过程。对于纯低温余热发电系统，影响吨熟料发电量的因素很多，如熟料热耗(涉及窑头、窑尾废气温度等);熟料形成热(涉及生料配料成分);原料、燃料烘干所需要的废气温度、废气量(涉及可用于发电的余热量);电站热力系统构成方式及蒸汽参数( 涉及发电系统循环效率);熟料实际产量和规模(涉及锅炉、汽轮机等设备效率);废热取热方式(涉及对窑生产及熟料热耗的影响)等等，主要考虑的是水泥窑自身特点决定的废气量和废气温度，以及废气用于物料烘干温度的高低。在纯低温余热发电系统中，热源可分为两部分：一部分为窑尾预热器预热生料后产生的废气，这部分废气在水泥窑产量变化不大的情况下比较稳定，热量所占比例较大，但废气中含有大量的粉尘，粉尘颗粒细，容易在锅炉受热面上积灰;另一部分为窑头冷却机冷却熟料后的热空气，由于水泥熟料在煅烧及落入冷却机冷却的工艺过程中的不稳定，冷却机处热空气温度波动较大，波动值最高可达100℃以上，并且随机性很强，难以控制。窑头运行工况的剧烈变化会破坏自然循环余热锅炉的水动力平衡，甚至可能造成所谓的“汽塞”现象，导致锅炉汽包水位异常，危及锅炉的安全运行。因此，窑头AQC锅炉协调控制对纯低温余热发电系统的稳定具有至关重要的作用。

　　在纯低温余热发电系统中，窑尾SP余热锅炉加装有旁路系统，废气可以经余热锅炉吸热降温至210℃左右再进入高温风机或经过旁路系统送至原系统直接进入高温风机。在窑头将篦冷机余风抽风口设置为两个，一只靠前，一只在后，靠前的高温抽风口热风送AQC锅炉，靠后的低温抽风与AQC锅炉出风混合后经除尘器和余风风机排入大气，两路废气的流量通过各抽风口进出口调节风门来调节。余热发电系统运行过程中，SP锅炉旁路阀的开关，AQC锅炉抽风口调节风门的开度、阀门调节顺序、阀门动作快慢等扰动会对窑系统的温度场、流动场等热工参数分布产生一定的影响，通过对不同操作方式的对比研究，确定最佳的调整操作方式，减少扰动对水泥生产系统“均衡稳定生产”的影响，保证余热发电系统具有较好的稳定性。同时，进行调节阀门控制策略研究，确定水泥生产与余热发电合理的控制方式。由于余热发电系统必须适应水泥生产工况的波动，具有明显的非线性特征，不能建立准确的数学模型，系统协调控制难度大。而模糊控制具有智能化、能够进行非线性系统控制等优点，将在DCS控制平台的基础上进行余热发电系统模糊控制策略研究，建立合理的控制规则，提高余热发电系统运行的稳定性。

　　余热发电过程反作用于水泥生产过程。余热发电过程影响这余热锅炉出口烟气的温度，影响着系统阻力和通风状况。

　　3.3 余热锅炉与汽轮发电机组的协调控制

　　余热锅炉与汽轮发电机组的协调控制主要是在余热锅炉系统波动较大的情况下，保证汽轮发电机组的安全运行。水泥生产纯低温余热发电技术是利用窑的废气热量来进行发电，其基本原则是：以热定电，即当水泥窑的废气流量、温度增加时，余热锅炉的产汽量增大，余热发电量增加，而水泥窑的废气流量、温度降低时，余热锅炉的产汽量减少，余热发电量降低。由于新型干法水泥生产的特点，窑头废气温度、窑尾废气温度波动较大，相应地可利用的余热量也会随之波动，导致余热锅炉系统产汽量、汽温出现较大的波动，影响汽轮发电机组的安全、经济、可靠运行。余热锅炉可调节手段有限，调节响应慢，汽轮机组调节响应快，可通过调节汽轮机进汽量来保证蒸汽系统压力稳定，并通过研究合理的余热锅炉、汽轮发电机组运行控制方式，使余热发电系统适应废气余热参数的变化，整个系统有较高的适应性和可靠性。

　　4 总结

　　水泥窑系统和余热发电系统不是彼此独立的，而是一个耦合的相互联系的整体。本文分析了水泥窑和余热发电系统两者在运行过程中相互的影响关系，为实现对协调控制打下了基础。

　　通过对水泥窑和余热发电系统进行协调控制，实现两系统的安全稳定高效运行。减少余热发电系统对水泥生产过程的影响，避免主蒸汽参数大幅波动，满足汽轮机长期稳定、高效运行，提高孰料产量和余热发电系统的发电量，使整体效益最高。

　　参考文献：

　　[1] 刘天振.余热发电对回转窑和磨机系统的影响.水泥[J]，2009,5.

　　[2] 张福滨.常规扩展余热发电系统和非常规余热发电系统介绍.水泥[J]，2007,9.

　　[3] 陈建国.5500t/d孰料新型干法生产线国产化纯低温余热发电机组运行分析.水泥技术[J]，2007，1.

　　[4] 赵进城.余热发电对窑和磨系统运行的影响.水泥[J]，2008,2.