前言
目前，在海拔高度大于3500m，即超高海拔地区水泥窑余热发电项目设计中，所能参照的设计参数及设备数据均是在常规海拔或一般高原地区的使用环境下得到的，但不同的使用环境会对设备性能产生一定的影响。因此，研究超高海拔地区水泥窑余热发电的设计及设备选型的特殊性很有必要。本文详细分析了超高海拔地区环境条件对电气设备、水泵及冷却塔等设备的影响，提出了超高海拔地区水泥窑余热发电项目设计应注意的问题，并介绍了相关水泥窑余热发电项目的具体情况。
01
设计要点
1.1 电气设备
超高海拔地区，气压较低，空气密度较小，空气散热能力进一步减弱，对电气设备的绝缘、散热、安全距离等多方面产生影响，因此需要根据超高海拔地区的特殊环境进行合理设计，具体需要考虑以下几个方面：
(1)对断路器额定工作电压、短时工频耐受电压、雷电冲击耐受电压、分断能力进行计算，考察其是否能满足系统要求；由于需对配电柜的电气间隙进行调整，从而导致配电柜体积增加，故设计人员应考虑其对工艺布局的影响，宜在常规设计的基础上留有15％～25％的空间裕度；
(2)变压器的温度与海拔的升高、冷却方法有关，因此其温升应进行适当修正，如自冷型变压器，其修正系数后=l (rl000)，其中疋为海拔高度，m。
(3)超高海拔地区，电机实际带动能力减弱，发热量增加明显，影响电机输出的额定功率。当相同功率的电机在超高海拔地区运行时，功率会下降，因此在选择电机时，应及时将实际海拔和温度通知电机厂家，让电机厂家根据电机功率的下降量和绝缘温度的需求，选择合适的电机。
(4)考虑超高海拔地区降容效应，选择变频器等电气设备时需按厂家提供的降容系数表进行选型；在设计日照时屋外软导线和管型母线考虑综合校正系数，较常规海拔或一般高原地区截面增大。
(5)电缆的选择首要考虑室外恶劣环境对电缆的影响，应采用耐寒电力电缆，并采用沿管沟敷设的方式。同时注意10kV电缆头应采用冷缩电缆头。
1.2 水泵及冷却塔
(1)水泵。水泥窑余热发电项目中的水泵主要包括锅炉给水泵、凝结水泵以及循环冷却水泵等，上述水泵均为白灌式离心泵，大气压的变化对水泵的气蚀余量和安装高度有较大的影响。
离心泵的吸水性能通常使用允许吸上真空高度Hs来衡量的。Hs值越大，说明水泵的吸水性能越好，但是水样本中的Ha是水泵在标况下(气压为10.33mH₂O，水温为20℃时)的允许吸上高度。因此，在工程上应用时，需要考虑到大气压强和水温的影响，对水泵厂所给定的皿值，作如下的修正：
Hs’=Hs-(10.33-Ha)-(Hva-0.24)
式中：Hs’——修正后采用的允许吸上真空高度(m)；Hs——水泵厂给定的允许吸上真空高度，m；Ha——安装地点的大气压，mH₂O；Hva——实际水温下的饱和蒸汽压力。
另外，超高海拔地区空气质量相对较少，流经电机散热片的空气质量少，导致电机散热性能大为降低，对电机性能产生很大影响。因此，在配置水泵电机时通常按普通功率适当提档或选用高原电机。
(2)冷却塔。机械通风冷却塔是利用空气和水直接接触来冷却循环水的设备，空气与水在冷却塔内的热交换主要有两种：接触传热；蒸发传热，其中蒸发散热占主导作用，根据大气温度和湿度的不同，一般占总换热量的60％～90％。
根据研究发现，随着海拔的升高，蒸发散热量增大，即冷却塔的综合换热量会随海拔的升高而增加，所以超高海拔地区冷却塔的设计并不需要进行修正，只需考虑当地的湿球及干球温度对冷却塔的影响即可；另外，超高海拔地区的冷却塔风机须选配高原电机，有条件时宜采用高原变频电机。
(3)循环水池。因超高海拔地区冻土层比较厚，循环水池会有部分高度设置在冻土层内。故循环水池外壁需设维护结构保温，即在循环水池壁外一定距离处砌墙，墙壁与水池壁之间的空间填充细沙或者灰渣土等，该方式施工简单，并且不增加日常维护费用。尽管循环水池部分高度可以设置在冻土层内，但需注意的是循环水管需埋置于冻土层以下，以免冻坏。
1.3 保温、防冻
超高海拔地区温度低，需要对室外布置的余热锅炉本体及室外汽水管线和辅助设备进行保温处理。对于汽水管道，可采用两层防潮反射膜保温措施：在两层保温层之间包裹一层耐高温铝箔玻纤布(见图1)，并在镀锌铁皮与第二层保温层之间包裹一层纳米气囊绝热防潮层(见图2)。
图1 高温铝箔玻纤布
图2 纳米气囊反射层
同时还需对相关设备及管道采用防冻措施，具体防冻原则：1)确保热源；2)无热源时从设计源头确保炉管、蒸汽及水管的疏水排尽，遇到无法排尽的地方，考虑电伴热或者烘干钨灯、取暖器等设备；3)运行维护责任到位，设立外管，锅炉本体，厂房疏水点专人负责，在气温较低的情况下，全天监视；4)室外架空布置的管道除配置低处疏水点外，另配置便于拆卸的管道(一般可设计1m法兰段)及压缩空气吹扫点。
02
案例介绍
2.1 基本情况
本项目为西藏藏中建材股份有限公司4000t/d熟料水泥生产线配套低温余热发电工程，建设地点位于西藏自治区拉萨市，建设场地海拔3740m。主要建设规模为：一台AQC锅炉(双压)、一台SP锅炉(双压)以及一套12MW补汽凝汽式汽轮发电机组。
2.2 设计特点
(1)智能化控制系统：本项目为“智能工厂”项目，智能化水平较高，控制系统总共包含21个PID自动控制回路，82个基本联锁关系，18个程控子系统，Dcs中自主开发了106个功能块，达到了“一键启机”的控制水平，每班运行人员仅需2人。
(2)预留太阳能集热系统接入口：考虑到西藏地区丰富的光照资源，本项目预留了光热与余热发电耦合接口，设置一台DN800的分汽缸，考虑光热耦合接口，同时在汽机房内预留出光热给水泵的安装场地。
2.3 实际运行状况
项目已于2017年10月通过72h试运行及24h性能考核，因窑生产线工况波动较大，考核期间机组发电功率基本维持在7500kw左右，主要原因是因为窑尾锅炉进口烟温偏离设计值较大，设计320℃，实际只有280℃左右，对机组发电功率的产生了较大的影响，但是后期通过对c1旋风筒进行保温后，明显提升了窑尾锅炉进口烟温，使系统发电指标达到了设计要求。
03
结论
超高海拔地区水泥窑余热发电项目设计，应充分考虑当地气候条件对设备的影响并进行合理设计，应考虑随着海拔的升高，环境变化对电气设备的绝缘、散热、安全距离以及对水泵性能的影响；因此在设计时，应考虑一定的修正或者留有适当余量，同时对室外布置的余热锅炉本体及室外汽水管线和辅助设备进行保温防冻处理。
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