水泥工业余热发电技术分析及优化

　　在水泥工业生产过程中会产生大量的废热,若将这部分余热资源加以回收利用,则可以大大节省能源,提高能源利用率.主要以水平旋转水泥窑系统的能量分析为基础,阐述了干法水泥窑主要的热源损失有水泥窑废气、冷却机出来的热空气、窑表面的对流及热辐射,并分析了回收这些废热的可行方法.阐述了水泥窑的能量平衡关系、能量利用效率以及提高余热利用效率的措施.阐述了在常规的单压、双压、闪蒸余热回收发电系统中,系统性能和参数的选取、优化及其影响因素.

　　上述内容对水泥窑中低温余热利用进行了相关研究,指出了废热来源,提出了利用能量平衡关系进行研究的方法,并介绍了实际应用于水泥窑余热回收利用的有机工质循环和常规循环.对于卡林纳循环,它的应用只限于示范运行阶段,尚未进入商业化阶段,因此相对于单压、双压、闪蒸3种常规循环还存在一定的问题,所以对于水泥窑中的低温余热,常采用常规循环进行回收,在技术上更为成熟.但是,大部分文献对于单压、双压、闪蒸3种常规循环进行的研究仅停留在单一系统,而未曾对3种余热发电方案在水泥窑中低温余热利用中的优劣进行分析比较.另外,大部分文献也只进行了热力学第一定律下的计算,得到了功率、效率等经济性指标,却未曾进行系统的分析.由热力学第二定律可知:没有进行分析的系统分析方法是不完整的,因此尚需对3种系统及其效率进行详细的对比分析与研究.

　　笔者以5000t/d级水泥窑为研究对象,通过分析单压、双压、闪蒸循环系统的热力平衡关系建立了系统的热力学模型,采用遗传算法分别优化各模型的蒸汽压力、流量等热力参数,得出了优化结果;研究系统参数与系统性能之间的基本规律,得到了参数对系统性能的具体影响;运用单元分析法对各系统进行详细的损失计算,并对各种模型进行了比较.

　　1、余热发电系统模型

　　以目前国内比较先进的窑外分解窑水泥熟料生产技术为例,此种窑的废气有2股,分别来自窑头冷却机和窑尾预热器,一般温度在300~400,且随生产工况的不同而有所波动,其具体的余热条件示于表1.

　　在上述余热条件中,窑头冷却机的中温端废气可全部用于发电,低温端废气因废气温度太低且波动范围相对太大、同时考虑水泥熟料冷却调整风量的需要,可暂不再考虑回收利用.窑尾预热器废气经余热锅炉后温度降至210~220后,可用于水泥原料烘干。

　　对窑头冷却机的中温端余热和窑尾预热器排出的余热进行了计算和优化.以空气为标准近似算出余热废气,密度取空气的密度.在汽水流程中,水和水蒸气的热力性质采用IF97标准,该标准具有计算速度快、结果准确等优点,工况点的计算误差均在0.5%以内,能满足工程实际需要.

　　在上述给定的余热条件下,笔者分别采用3种典型的常规系统进行回收,即单压、双压和闪蒸系统.各系统的简图分别示于图1、图2和图3.

　　在3种系统中,单压发电系统具有结构简单、主机设备成熟可靠、电站运行维护简单、适应水泥窑的强波动、投资低、发电成本低及操作运行人员少等优点.在该热力系统中,窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉生产相同参数的主蒸汽,经混合后进入汽轮机作功.

　　双压系统在余热锅炉中有2组不同工作压力的水循环,产生2股不同压力的新蒸汽,采用补气式汽轮机引入高压和低压部分作功.在双压锅炉中,增设另一组温度、压力较低的水循环,因其蒸发温度低,所以能有效降低烟气的排放温度,增大汽轮机输出功率.

　　闪蒸是水的相变过程,即在一定温度压力下的不饱和水,当将压力降低到某温度的饱和压力时,就会进入水饱和区而开始汽化,随着压力的下降,汽化程度不断提高.闪蒸余热发电技术,即在单压余热锅炉的条件下增设闪蒸设备,从省煤器集箱中抽取一定数量的未饱和水,通过闪蒸扩容使之变成一部分低压饱和二次蒸汽以供汽轮机作功,它可使流过省煤器的流量大幅度增加,使余热锅炉的排气温度降低,汽轮机的输出功率增大.

　　系统中的主要计算公式为:

　　蒸汽流量

　　式中:G为蒸汽流量,kg/s;Gg为锅炉废气流量,kg/s;hg1为过热器出口处废气焓,kJ/kg;hg2为节点处废气焓,kJ/kg;hs1为主蒸汽焓,kJ/kg;hs2为进入汽包前水焓,kJ/kg.

　　汽轮机输出功率

　　式中:Gz为汽轮机进汽流量,kg/s;h1为汽轮机进汽焓,kJ/kg;h2为汽轮机实际排汽焓,kJ/kg.

　　排汽干度

　　式中:x为排汽干度;ha为排汽压力下饱和水焓,kJ/kg;hb为排汽压力下饱和蒸汽焓,kJ/kg.

　　闪蒸流量

　　式中:Gfb为闪蒸蒸汽流量,kg/s;Gf为进入闪蒸器水流量,kg/s;hf为进入闪蒸器水焓,kJ/kg;hfa为闪蒸压力下饱和水焓,kJ/kg;hfb为闪蒸压力下饱和蒸汽焓,kJ/kg.

　　2、余热发电系统的参数优化

　　在余热回收利用中,期望能够将余热所带的热量最大程度地转化为有用功,从而达到节约能源的目的.所以在中低温余热利用中,动力循环就存在一个最优化问题,即调整动力循环的各个参数,使动力循环的输出功率达到最大.笔者采用遗传算法对余热发电循环的参数进行了优化,得出在给定余热条件下循环系统所能输出的最大功率与最优参数取值.

　　遗传算法的优化是以适应度函数的极大值作为优化的目标,而且子代的进化都是以适应度函数作为选择的基础,因此适应度函数的设计直接影响遗传算法的性能.在本文的参数优化过程中,采用如下的适应度函数值:

　　式中:fitness为适应度函数值;w为功率;const为一常数,可以选为在优化的参数范围内汽轮机发出的功率最小值或低于最小值的某一常数.

　　实践证明,这种适应度函数值的选取方法与直接以输出功率作为适应度函数值相比,其结果收敛得更快,而且对上一代最优值的保存效果也更好.

　　笔者采用SGA算法,编码方式采用二进制编码,选择算子采用比例选择方法,交叉算子采用单点交叉,而变异算子则采用随机变异.

　　在用遗传算法进行优化以前,必须确定几个关键的参数,这些参数选取的适当与否,将直接影响最后的优化结果.在本文的参数优化过程中,根据多次尝试,将遗传算法中的关键控制参数选取如下:种群规模为100,交叉概率为0.8,变异概率为0.01,终止条件为300代.

　　因余热利用循环中的参数较多,不可能对每一个参数都进行优化,因此忽略次要参数,选取对整个循环系统输出功率影响较大的几个参数,以系统输出功率最大为目标对系统进行优化.为了使结果便于比较,将各系统除了优化变量以外的其他参数均选为相同.对于单压系统,优化参数选为主蒸汽压力;对于双压系统,优化参数选为主蒸汽压力及二次蒸汽压力;而对于闪蒸系统,优化参数则选为主蒸汽压力、闪蒸压力与闪蒸汽水流量.

　　通过编制的遗传算法程序,对3个系统分别进行优化,并将最终的优化结果列于表2.

　　从表2可以看出:在给定的相同余热条件下,双压系统的功率最大,其次是闪蒸系统,而单压系统的功率最小.从余热利用的角度看:余热发电系统的电功率越大,则说明余热发电系统将废气中的余热更多地转化成了有用功.通过对结果进行详细比较后,得出:双压系统功率比单压系统大746.21kW,而双压系统功率则比闪蒸系统大214.79kW.因此,在给定的余热条件下,双压系统具有最大的发电量.另外,从系统余热利用效率的角度看:双压系统的余热利用效率高于闪蒸和单压系统,分别比闪蒸和单压系统的余热利用效率高出0.2%和0.68%,这与双压系统具有最大发电量的结论是一致的.对于确定的水泥窑可利用余热量,余热利用效率越高,则发电功率也越大.

　　3、余热发电系统的分析

　　为了对余热发电系统作出完善的热力学评价,需要对系统进行分析.笔者采用单元分析法,即将1个独立的能量系统分成若干个单元,并对每一个单元逐一进行损失计算与分析,这样可以详细探寻组成能量系统所有环节的损失大小,以及它在总损失中所占的地位,从而确定最大损失的存在部位,找出提高系统热经济性的方向.

　　在本文研究的余热发电系统中,造成损失的部件主要有余热锅炉、汽轮机、凝汽器和闪蒸器;以及混合过程中产生的损失.在优化结果的基础上,运用单元分析法,分别对3种余热发电系统内部的各个部件列出了平衡方程,并得到了系统的损失情况.从表3可以看出:在各个系统内部,余热锅炉的损失所占比重最大,因此余热锅炉是系统的最大损失点,要提高系统整体性能,应该首先从余热锅炉着手,改进余热锅炉的结构,并尽量使余热锅炉工质换热过程中的不可逆减少.除余热锅炉外,汽轮机的损失也比较大,因此可以通过改进汽轮机结构,比如设计更合理的叶型,采用长叶片、扭叶片,减少漏气损失、湿气损失等,以降低汽轮机作功过程中的不可逆,从而提高系统效率.从3种系统余热锅炉损失的大小比较看:双压系统余热锅炉损失最小,其次是闪蒸系统,单压余热锅炉的损失为最大,这是因为双压锅炉更好地实现了能量的梯级利用,因而减少了不可逆损失.在闪蒸系统内部,闪蒸器以及混合过程的损失比较小是因为闪蒸流量较小,带来的损失也比较小.从系统的效率看:双压系统的效率最高,闪蒸系统次之,单压系统效率最低,这说明双压系统能有效地利用余热,尽管其结构复杂,但在相同的余热条件下,效率却更高,从另一个角度也说明了双压系统作功比单压系统大,体现了双压系统的优越性.由此认为:双压系统余热利用最充分.

　　4、结论

　　在给定的余热条件下,与单压系统和闪蒸系统相比,双压系统具有最大发电量.

　　主蒸汽压力、二次蒸汽压力、闪蒸压力以及闪蒸汽水流量对各系统汽轮机输出功率均有较大影响,并得到了其对系统的具体影响规律.

　　在系统组成部件中,余热锅炉的损失最大.为了提高系统的整体性能,首先应该改进余热锅炉,并尽量减少余热锅炉换热过程中的不可逆损失.

　　原标题:水泥窑余热发电技术的分析及优化