技术 | 水泥余热发电余热锅炉给水管网阻力分析

本文以某海外水泥余热发电改造项目为例，分析了余热锅炉给水管网的阻力特点，通过对原有给水泵的能力校核，证明了原给水泵流量扬程裕量充足，可以克服改造后的给水管网阻力，使余热锅炉运行参数达到设计值。给水管网阻力分析表明，余热锅炉厂区给水管道应尽量简短以减小沿程损失，如果地形工艺条件具备，可高位布置给水泵低位布置锅炉，以形成灌注压头，从而减小厂区管道总阻力。锅炉贴身给水管道高差相对固定且长度短，因此其总阻力优化空间不大。

目前，在一些发展中国家电力短缺的水泥厂，普遍采用低蒸汽参数的燃煤锅炉，配合余热锅炉共同驱动汽轮发电机组的装机方案。尽管受制于余热锅炉较低的蒸汽参数和较低的燃煤锅炉经济性，但由于是采用多炉一机方案，简洁实用，对于解决水泥厂自身用电短缺而言，仍然十分经济；该方案避免了独立小火电机组的建设，因而在部分发展中国家和地区的水泥厂中仍较为普遍。

1 实例介绍

以巴基斯坦某水泥厂余热发电工程为例，该厂区共设置了8台锅炉，其中l台AQC余热锅炉，1台PH余热锅炉，5台GE余热锅炉组成的GE炉组，1台CFB燃煤锅炉。由于该水泥厂新建了1条熟料线，配套地增加了1台AQC锅炉和2台PH锅炉，为了避免用煤发电，现拟用新增的余热锅炉替换原有的CFB燃煤锅炉，并拟定了如下的改造措施：

(1)将CFB锅炉从原热力系统中切除，即切断其主蒸汽及给水管道与原系统厂区蒸汽及给水管道的连接；

(2)将新增余热锅炉主蒸汽接入原CFB锅炉主蒸汽与系统厂区蒸汽管道接口；

(3)将原CFB锅炉的厂区给水管道延伸至余热锅炉给水进口。

2热力系统耦合分析

根据上述替换方案，为了确保余热锅炉成功替换CFB锅炉，工艺方案应注意考虑如下几点：

(1)余热锅炉蒸汽参数(温度、压力)与CFB锅炉基本保持一致；

(2)锅炉给水调阀阀后的压头是蒸汽参数达到设计值的保证，将原有给水管网延伸至余热锅炉各给水点，延伸后的管网必须满足余热锅炉各给水调阀阀后的压头要求。

然而余热锅炉替换CFB锅炉时，余热锅炉给水流量取决于余热条件，CFB锅炉给水流量取决于锅炉设计；因此，替换后的给水流量存在差异，会引起给水泵性能的偏移。

给水管道的延伸改变了管阻特性，新的流量下，给水泵的扬程需校核。因此，确保项目改造成功的关键就是在给水泵性能点偏移后，即在改造后的系统总给水流量下，给水泵的扬程能否在克服延伸后的佘热锅炉给水管网总阻力及各给水调阀节流损失，达到余热锅炉各给水调阀阀后设定的给水压头。因此，需分析给水泵性能点偏移、延伸后的余热锅炉给水管网阻力以及给水泵扬程校核，比较水泵提供的扬程和达到给水调阀阀后压头所需的扬程，若前者大于等于后者，表明原给水泵可以保证改造后余热锅炉蒸汽参数(设计值)达标达产；若前者小于后者，说明原给水泵的扬程不足，余热锅炉的设计总给水流量还需额外加压才能保证蒸汽参数达标(设计值)。

由于计算初始，尚不知原给水泵扬程是否满足改造后的工况，故先假设在延伸的给水管道上有l台给水加压泵。

3给水泵性能点偏移

采用新的余热锅炉替换原CFB锅炉前后的给水泵性能点参数如表l所列。由表1可知，余热锅炉替换前后，泵的扬程变化不大，依然可能提供约350 m的扬程。

4余热锅炉给水管网阻力分析

4．1 管网分析

燃煤锅炉通常是将给水预热、蒸发及蒸汽过热受。热面全部集中布置在1个炉膛内，通常只设置1个汽包和1个给水调阀组即可。不同于燃煤锅炉，余热锅炉可根据存在的位置分散布置。

4.1.1水泥窑余热锅炉工艺特点

（1）窑头废气温降大，窑头锅炉一般设置两级蒸发；窑尾废气温降小，故窑尾锅炉通常设置一级蒸发。

（2）由于窑尾锅炉进出口烟气温降有限，同时为进一步利用窑头废气余热，故通常窑尾锅炉的给水是在窑头锅炉内先期预热的。

与燃煤锅炉相比，水泥窑余热锅炉热工特点在于：给水集中预热、多汽包分散布置及多点给水，延伸后的余热锅炉的给水管网如图1所示。

4．1．2水泥窑余热锅炉给水管 ** 点

(1)佘热锅炉全部给水先期在AQC炉公共省煤器内集中预热，然后分散供应各给水点(点8—11)。

(2)各给水分支管路上均设置有给水调节阀，因此各给水管道的总阻力除自身管段阻力外，还应包含调节阀的节流损失。

(3)由于现场给水管网起始高差大、跨度大，余热锅炉分散布置在不同高度的平台上，所以从给水管网的原给水泵出口(点o)至各给水点(点8一11)的高差差异很大。

(4)假设的加压泵设置在点3、4之间，若需要此泵，则3、4点分别为泵的给水进出口；否则，点3、4可合并为一。对管道总阻力而言，无论加压泵是否存在，其影响均可忽略不计，因为加压泵的增设不改变点2和5之间的相对高差，即不改变管网的高差阻力；而且对管段2—3和4—5的管长增减约在201TI，l沿程和局部阻力的增减不超过2 Ill。

4．2管阻计算

给水管道总阻力根据DL／T5054--2016标准中水力计算式(7．2．1—3)执行。该公式综合了沿程、局部以及高差阻力，既能总体计算，也可分项计算。在不考虑调阀节流损失的情况下，各管段阻力损失计算结果如表2所列。

由图2可知：

(1)不论管道长短及高差大小，各段的局部阻力损失都很小，且数量上区别不大。

(2)管段1、2、4属于较长的厂区管道，管道总阻力受地形高差、管道始末端高差的影响较大；因此，如果现场地形条件允许，厂区管道设计可将给水泵高位布置、锅炉低位布置，以形成灌注压头来减小管道总阻力。

(3)由于管道较长，管段l、2、4的沿程阻力显著的高于局部阻力。

(4)管段3、5、6、7属于锅炉贴身布置管道，长度短，且由于锅炉给水的进出口位置取决于锅炉设计；因此，在给定的锅炉布置下，各段的高差阻力相对固定。

(5) 管段3、5、6、7的长度短，因此沿程阻力并不显著，与局部阻力大致相当。这些管段的总阻力主要取决于高差阻力，即给水进出口的相对位置。因此，对水泥窑余热锅炉的给水管道的总阻力进行分析时，应将厂区管道和锅炉贴身布置管道区分对待。

由于厂区管道的高差阻力和沿程阻力占主要，尤其是较长的厂区管道沿程阻力占比十分显著，因此厂区管道走向上应尽量简短；如果地形工艺条件允许，可采用给水泵高位布置，锅炉低位布置以形成灌注压头，从而减小总阻力。

锅炉贴身布置的给水管道其高差阻力基本取决于锅炉接口位置，加之管道短，沿程阻力和局部阻力都不大，因此总阻力的优化空间不大。

4．3薄弱环节的确定

从图1可知，点6的给水压力必须满足给水点8一ll的调阀阀后水压。因此，根据点8一ll各点的用水压力及管阻，在不考虑调阀节流损失的情况下，倒推点6的水压值，取最高值对应的给水点为最不利点。若点6的水压值能克服至最不利点的管道总阻力及调阀节流损失，且能达到该点处的水压要求，则其他各给水点的流量水压均可通过增强给水调阀的节流作用而实现。

由表3可知，余热锅炉给水管网的最薄弱点为PH锅炉的给水入口处，该处的水压表压值为252．69 m。

4．4给水泵扬程校核

给水泵扬程必须满足最薄弱点的水压值才能使余热锅炉性能系统性达标，为此还需附加给水调阀节流损失和AQC炉公共省煤器阻力损失。最薄弱点的调阀节流损失最低，一般约在o．1 MPa；AQC锅炉的公共省煤器本体阻力设计上限为0．35 MPa，但实际一般不超过0．2 MPa。据此，附加上述损失后，最薄弱点对应的给水泵出口表压值为353．47 m。给水泵入口闪蒸罐内表压压力为2．92 m，给水泵灌注压头12．0 m；因此给水泵的入口水压为14．92 m，满足最薄弱点的给水压力所需的泵扬程338．55 m。

原给水泵可提供的扬程为350 m，因此实际运行中原给水泵仍具有约11．45～26．45 m的扬程裕量，可以满足余热锅炉实际运行对给水压力的要求。因此可不必设置加压泵。

5结语

针对水泥窑余热锅炉多点给水的特点，分析了余热锅炉给水管 ** 点及管阻分布特点，并得出对于余热锅炉厂区给水管道，应尽量做到简短以减小沿程阻力损失；而厂区管道布置上可充分利用地形高差，如果地形工艺条件具备，可高位布置水泵，低位布置余热锅炉以形成灌注压头，从而减小厂区管道总阻力。

对于锅炉贴身给水管道，一般长度较短，因此沿程局部阻力损失都不大，且受制于锅炉接口位置的分布，高差阻力较为固定。因此对于锅炉贴身管道的总阻力优化空问不大。

该项目计算结果表明，改造后的给水泵在系统设计流量下具备350 m扬程，并在克服管网阻力、AQC公共省煤器阻力及给水调阀节流损失后，仍具有约11．45～26．45 m的扬程裕量，可以满足新增余热锅炉的给水要求。