水泥窑余热回收汽轮机拖动技术经济分析

  1  前言

  随着中国经济的不断发展，能源问题日益突出。在巨大的用能压力下，如何提高生产过程中所排余热回收及利用效率，缓解生产用电紧张的形势，是一个值得深入探讨的问题。

  在水泥企业生产过程中，各种能源的转换和使用直至废气排放过程构成水泥企业的能量流动过程。在水泥窑生产过程中所排余热主要有两部分：① 窑头篦冷机所排热空气；② 窑尾预热器C1筒所排废气，充分回收利用这两部分热量可显着降低水泥生产能耗，实现可持续发展和循环经济。目前对于以上这两部分余热，主要通过设置窑头余热锅炉、窑尾余热锅炉来回收并产生过热蒸汽，然后通过汽轮机做功带动发电机发电。

  但是在水泥企业的生产工序中，有许多风机和磨机等高耗能设备，这些设备动辄几MW，若直接以电机驱动将会消耗大量的电能，给当地电网造成沉重的负担。如果能够利用水泥余热所产的蒸汽，选择其中一台或多台高耗能转动设备直接利用工业汽轮机拖动，这样减小能量利用过程中的中间转换损失，既能提高能源的利用率，也有利于降低对当地电网的负荷，具有较好的热经济性和社会效益。

  从能源有效利用的角度看，汽轮机拖动转动设备经过以下能量转换环节：蒸汽—汽轮机—转动设备；电动机拖动转动设备经过以下能量转换环节：蒸汽一汽轮机—发电机—电力传输网络—电动机—转动设备。两相比较，汽轮机直接驱动转动设备减少了能量转换的中间环节，其能源的有效利用率更高。

  2  汽轮机拖动常见布置方式

  水泥窑余热拖动机组主要由工业驱动汽轮机、齿轮减速箱、变速离合器、电机以及转动设备等组成，按照布置方式的不同，可将转动设备设计为双出轴形式，汽轮机与电机布置在转动设备的两侧(见图1)，或者将汽轮机与电机布置在同侧驱动转动设备(见图2)。

  （1）两侧布置

  图1水泥窑余热拖动机组两侧布置图

  （2）同侧布置

  图2水泥窑余热拖动机组同侧布置图

  其中，低速联轴器为膜片联轴器，3S离合器可以保证在汽轮机不做功的情况下，将其解列出系统，降低电机拖动负荷。上述布置方案，对拖动用蒸汽参数波动适应性较大，并且若汽轮机并列运行，则能够有效降低电机电流，但投资成本较高，需进行细致的技术经济性分析。

  3  案例分析

  本文以国内典型的5000t/d水泥生产线余热回收汽轮机拖动项目为例进行技术经济分析，该生产线采用第四代篦冷机，窑尾预热器采用六级预热器，出口烟风温度约为260℃。余热利用思路为：窑头、窑尾烟气余热—余热锅炉—蒸汽—汽轮机—转动设备，考虑机组运行的安全性、可靠性以及经济性，本方案中转动设备确定为高温风机、窑尾排风风机以及水泥磨。

  水泥窑生产过程中所排余热主要有两部分：① 窑头篦冷机所排热空气；② 窑尾预热器C1筒所排废气，具体参数如下表所示：

  表1  水泥余热资源参数

  3.1 主要设备

  水泥窑余热拖动系统的主要设备包括窑头余热锅炉、窑尾余热锅炉、驱动汽轮机、电机及其辅机等设备。

  （1）余热锅炉

  根据表1的烟风参数，余热锅炉的主蒸汽压力定为0.85MPa，其中窑头锅炉采用立式结构，自然循环，烟气下进上出，受热面管束采用鳍片管，传热效果好；窑尾锅炉也采用立式结构，自然循环，烟气上进下出，受热面管束采用光管，窑头、窑尾锅炉的具体参数如下表所示：

  表2  窑头、窑尾余热锅炉参数

  （2）驱动汽轮机

  高温风机、窑尾排风风机采用图2所示的同侧布置方式，将原风机电动机改造成双伸轴，汽轮机和电机布置在风机左侧；减速器和汽轮机端采用3S离合器联接，减速器、电机以及风机之间采用膜片联轴器联接。

  水泥磨也采用图2所示的同侧布置方式，配置1台电动发电机（容量为3500kW），便于启动、富裕发电、事故时用，汽轮机、电动/发电机同侧布置；汽轮机与减速器之间采用3S离合器连接，减速器、电动/发电机以及水泥磨之间采用膜片联轴器联接，其中水泥磨自带的减速器含有手动离合装置。

  表3  汽轮机及被拖动设备参数

  3.2 工作流程

  （1）起动时：当水泥窑刚起动时，余热回收系统还没有过热蒸汽产生，拖动汽轮机通过离合器与系统脱开；此时电机投入使用，电机单独拖动高温风机、窑尾排风机工作，使水泥窑系统起动、直至正常工作，有热烟气产生；然后将热烟气送入余热锅炉产生过热蒸汽，将过热蒸汽送至汽轮机入口，使其膨胀做功；

  （2）正常工作时：随着过热蒸汽量逐渐增大，汽轮机输出功率和转速也逐渐增大，当汽轮机转速达到一定程度时，离合器自动啮合，汽机与电机、风机连接投入使用；当汽轮机输出功率足够时，切断电机电源，汽轮机单独拖动高温风机、窑尾排风机、水泥磨工作。

  （3）蒸汽量不足时：当水泥线生产线波动，过热蒸汽量不足时，连接电机电源，电机投入使用，此时汽轮机、电机双驱动高温风机、窑尾排风机以及水泥磨；

  （4）蒸汽量富裕时：汽轮机除拖动高温风机、窑尾排风机以及水泥磨正常运行外，富裕的蒸汽拖动电动/发电机，使其机械能全部转变为电能，所发电能供其他设备使用。

  （5）水泥磨停运、故障时：当水泥磨故障或停运时，通过手动离合装置使水泥磨脱开检修，此时汽轮机正常工作拖动电动/发电机工作，使其机械能全部转变为电能，所发电能供其他设备使用。

  3.3 节能效果

  余热回收拖动与发电机组相比，少了发电机的机械能转变为电能、电动机的电能转变为机械能的两次能量转变过程所产生的损失，以及电能传输过程中的线路损失。两者的节能比较主要体现在系统的传动效率上，余热回收拖动机组传动效率高，而余热回收发电机组的传动效率则较低，具体见下表。

  表4  余热回收拖动与发电系统性能比较

  注：变频器及变频电机均按西门子高效变频器及变频电机效率考虑。

  从上表可看出，汽机拖动比余热发电效率损失少6.5~7.5%；同时汽机拖动获得的有用功率比余热发电多7.6%左右，显然更节能。

  3.4 经济性分析

  3.4.1 投资

  两种余热利用方式的投资对比列于表5。从表中可以看出，余热拖动比余热发电约高800万元。

  表5  余热回收拖动与发电系统投资比较（单位：万元人民币）

  3.4.2 运行成本

  运行成本主要考虑化水消耗的药剂费、水费、人工及维护成本等，两种余热利用方式的运行成本对比见表6。从表中可以看出，余热发电的年供电成本比余热拖动的要高出250.7万元左右，余热发电的单位供电成本比余热拖动的要高出0.072元/kW.h左右。

  表6  余热回收拖动与发电系统的运行成本比较

  注：产品平均成本不含折旧及财务成本。

  综上所述，余热拖动项目较余热发电项目投资增加800万元，每年收入增加173.2万元，经营成本减少250.73万元，余热拖动项目的收益率要优于余热发电方案。

  4  结论

  本文提出了一种新的水泥窑余热回收汽轮机拖动系统，另外介绍了汽轮机拖动常见布置方式，并通过实例对其经济效益进行了分析，总结如下：

  （1）水泥窑余热回收汽轮机拖动系统主要是利用水泥窑余热所产的蒸汽通过汽轮机做功直接驱动高温风机、窑尾排风风机以及水泥磨，具体能量转换环节为：窑头、窑尾余热—余热锅炉—蒸汽—汽轮机—被拖动设备；

  （2）余热回收拖动与发电机组相比，少了发电机的机械能转变为电能、电动机的电能转变为机械能的两次能量转变过程所产生的损失，以及电能传输过程中的线路损失。两者的节能比较主要体现在系统的传动效率上，余热回收拖动机组传动效率高，同时还能降低电网负荷，对于降低单位GDP能耗具有十分重要的推动作用。

  （3）以国内典型的5000t/d水泥生产线采用余热回收拖动机组项目为例，简单介绍了主要设备配置、工作流程，并对其进行技术经济分析：汽机拖动比余热发电效率损失少6.5~7.5%，同时汽机拖动获得的有用功率比余热发电多7.6%左右；余热拖动项目虽较余热发电项目投资增加800万元，但是每年收入增加173.2万元，经营成本减少250.73万元，余热拖动项目的收益率要优于余热发电方案。