余熱發(fā)電閃蒸熱力系統(tǒng)

閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)就是在發(fā)電熱力系統(tǒng)配置中應用了閃蒸機理，其概念屬于熱力學范疇，即：根據(jù)廢氣余熱品質(zhì)的不同而生產(chǎn)一定壓力的主蒸汽和及熱水，主蒸汽進入汽輪機高壓進汽口，而熱水經(jīng)過閃蒸，生產(chǎn)出低壓的飽和蒸汽，補入補汽式汽輪機的低壓進汽口，主蒸汽及低壓蒸汽在汽輪機內(nèi)作功，推動汽輪機轉(zhuǎn)動，共同生產(chǎn)電能。低壓蒸汽發(fā)生器內(nèi)的飽和水進入除氧器，與冷凝水一起經(jīng)除氧后由給水泵供給鍋爐。圖1、圖2、圖3為三種含有一級閃蒸配置的發(fā)電系統(tǒng)。

圖1.一級閃蒸發(fā)電系統(tǒng)

（窯頭余熱鍋爐生產(chǎn)閃蒸熱水）

圖2.一級閃蒸發(fā)電系統(tǒng)（窯頭余熱鍋爐生產(chǎn)低溫熱水，再經(jīng)窯尾余熱鍋爐加熱成閃蒸熱水）

圖3.一級閃蒸發(fā)電系統(tǒng)

（窯頭窯尾余熱鍋爐生產(chǎn)相同參數(shù)的熱水）

上述三種含有閃蒸配置的發(fā)電系統(tǒng)，是根據(jù)廢氣余熱的不同尤其是余熱鍋爐允許的排煙溫度的不同而進行設計的，圖1系統(tǒng)可用于窯尾排煙溫度較高的情況；圖2系統(tǒng)用于窯尾余熱鍋爐生產(chǎn)一定參數(shù)的主蒸汽后還有大量余熱可以利用，但最終排煙溫度又不能很抵的情況；圖三系統(tǒng)是一種比較靈活的配置方式，窯頭和窯尾鍋爐汽水系統(tǒng)相對獨立，它可以適應圖1系統(tǒng)和圖2系統(tǒng)的煙氣情況，更可以適應窯尾廢氣不用于物料烘干或者物料烘干溫度可以很低的情況。圖三所示系統(tǒng)可更有效地適應水泥窯廢氣的波動。

目前水泥行業(yè)在全國范圍內(nèi)已經(jīng)建設和正在建設的純低溫余熱電站達40多座，其中絕大部分由天津院設計，并且絕大部分為單壓系統(tǒng)，即水泥線的窯頭和窯尾余熱鍋爐只生產(chǎn)相同或相近參數(shù)的主蒸汽，在汽輪機房混合后進入汽輪機作功發(fā)電。已經(jīng)建成的余熱電站中，應用閃蒸技術(shù)的僅有四套機組：應用日本技術(shù)的寧國水泥廠兩套，二是山東某企業(yè)一套以及江西亞東。其中寧國水泥廠余熱電站運行正常，山東的某企業(yè)據(jù)說已經(jīng)投運，但未見運行狀況的相關(guān)報道。

天津水泥設計院于2001年開始了閃蒸余熱發(fā)電的研究，并于2002年在河南某企業(yè)補燃電站中運用了閃蒸技術(shù)。但是由于低壓蒸汽發(fā)生器的控制以及補汽式汽輪機的設計均存在問題，使得閃蒸出的低壓補汽運行沒有達到預期的效果。那么目前由于閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)能更大程度的吸收和利用低溫廢氣余熱，從而在一定程度上可提高余熱發(fā)電功率，因此得到越來越多的學者和業(yè)主的認可。

應用閃蒸技術(shù)的純低溫余熱電站到底效率如何，以及在什么條件下考慮建設閃蒸余熱電站，目前在大家心目中還沒有個清晰的概念。筆者根據(jù)從事余熱發(fā)電的設計及研究工作，就這方面與大家做一探討。

余熱發(fā)電閃蒸熱力系統(tǒng)基本概念

①．閃蒸：一定壓力下的凝結(jié)水或鍋爐水被降壓，部分水分吸收顯熱進行的二次蒸發(fā)，所得到的蒸汽就是閃蒸蒸汽。

②．飽和水溫度：當水在一定壓力下加熱至一定的溫度，再加熱水溫不再升高而只是將水轉(zhuǎn)化成蒸汽，此水叫飽和水，此溫度即為飽和水溫度。大氣壓下的飽和水溫度為100℃，壓力越高飽和水溫度越高。

③．顯熱：飽和水所包含的熱量，溫度越高顯熱越高。所以，壓力越高飽和水顯熱越高。

④．潛熱：將飽和水轉(zhuǎn)化成蒸汽所需要的熱量。

余熱發(fā)電閃蒸熱力系統(tǒng)閃蒸機理

①．閃蒸機理：當高壓下的凝結(jié)水的壓力被降低時，部分顯熱就被釋放出來，這部分熱量就會以潛熱的方式被水吸收，引起部分水的蒸發(fā)。

②．閃蒸比：閃蒸蒸汽和高壓凝結(jié)水的質(zhì)量比：

Rf = (SH － SL) / H * 100% Rf：閃蒸比

SH：單位質(zhì)量下高壓凝結(jié)水的顯熱

SL：單位質(zhì)量下被降壓后凝結(jié)水的顯熱

H：低壓蒸汽所含的潛熱

余熱發(fā)電閃蒸熱力系統(tǒng)閃蒸應用領域

閃蒸原理在聚酯，釀酒，醫(yī)藥，石化，海水淡化等行業(yè)中有非常廣泛的應用。電站中的疏水擴容器、連續(xù)排污擴容器、疏水膨脹箱的設備也是應用了閃蒸理論。

熱力系統(tǒng)的確定是在理論基礎上，通過熱力計算，對結(jié)果進行分析并優(yōu)化而成的。下面以某廠為例，計算出各壓力等級下單壓和一級閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)（圖3所示系統(tǒng)）的發(fā)電能力。

某廠，其余熱條件如下：窯頭中部取風后有153000m3(標)/h-360℃的廢氣進入窯頭余熱鍋爐；窯尾出C1筒的廢氣參數(shù)為330000m3(標)/h-340℃，可全部進入窯尾余熱鍋爐。窯尾余熱鍋爐的出口廢氣溫度不應低于220℃，用于后續(xù)的生料烘干。

發(fā)電能力變化（循環(huán)參數(shù)不同） 表1

以上計算基于如下條件：

①. 汽輪機及發(fā)電機整體效率77.5%。

②. 汽輪機排汽壓力為0.008MPa。

③. 閃蒸系統(tǒng)鍋爐給水溫度與鍋爐排煙溫度之差大于20℃。

④. 主蒸汽汽耗率、低壓蒸汽汽耗率的值按理論計算值選取。

通過表格中的計算結(jié)果可以看出：

a. 閃蒸發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力大于單壓系統(tǒng)。主蒸汽壓力1.6MPa閃蒸系統(tǒng)發(fā)電能力比主蒸汽壓力1.35MPa的單壓系統(tǒng)多6%。

b. 窯尾余熱鍋爐主蒸汽產(chǎn)量，主蒸汽壓力1.6MPa閃蒸系統(tǒng)大于主蒸汽壓力2.5MPa時的閃蒸系統(tǒng)。

這是由于主蒸汽壓力2.5MPa系統(tǒng)的窯尾余熱鍋爐汽包飽和壓力大、飽和溫度高導致的鍋爐蒸汽段排煙溫度高，使得2.5MPa系統(tǒng)生產(chǎn)的蒸汽量少。

c. 窯尾余熱鍋爐閃蒸熱水產(chǎn)量，主蒸汽壓力1.6MPa閃蒸系統(tǒng)低于主蒸汽壓力2.5MPa時的閃蒸系統(tǒng)。

由于主蒸汽壓力2.5MPa系統(tǒng)窯尾余熱鍋爐生產(chǎn)的主蒸汽量少，因此主蒸汽段排煙溫度升高，導致熱水段可利用的熱量多，因此可生產(chǎn)更多的閃蒸用的熱水。

另外還有如下原因：

對于一級閃蒸熱水的生產(chǎn)，當提高熱水工作壓力時，可提高對應的飽和溫度（不同壓力下對應的飽和溫度見表3），因此可以提高低壓蒸汽發(fā)生器的進水溫度，增加低壓蒸汽發(fā)生器的輸入的熱量。這樣在提高管道運行穩(wěn)定性的同時，可以提高低壓蒸汽產(chǎn)量。表2為1000kg不同壓力等級的熱水經(jīng)低壓蒸汽發(fā)生器后可能生產(chǎn)的最大的余熱發(fā)電量。

表2

注：低壓蒸汽發(fā)生器給水溫度的確定：為了保證管道在不汽化情況下安全運行，低壓蒸汽發(fā)生器進口熱水溫度取值低于管道工作壓力對應的飽和溫度20℃。

不同壓力對應的飽和溫度 表3

d. 窯頭余熱鍋爐主蒸汽產(chǎn)量，主蒸汽壓力1.6MPa閃蒸系統(tǒng)也大于主蒸汽壓力2.5MPa時的閃蒸系統(tǒng)。

e. 窯頭余熱鍋爐閃蒸熱水產(chǎn)量，主蒸汽壓力1.6MPa閃蒸系統(tǒng)也低于主蒸汽壓力2.5MPa時的閃蒸系統(tǒng)。

f. 主蒸汽壓力1.6MPa閃蒸系統(tǒng)窯頭余熱鍋爐排煙溫度低于主蒸汽壓力2.5MPa時的閃蒸系統(tǒng)。

由于1.6MPa閃蒸系統(tǒng)窯頭余熱鍋爐生產(chǎn)的用于閃蒸的熱水量少，因此低壓蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的低壓熱水量少，因此1.6MPa閃蒸系統(tǒng)窯頭余熱鍋爐的給水溫度低，因此可以降低余熱鍋爐排煙溫度。

g. 在汽輪機主蒸汽都是320℃的情況下，主蒸汽壓力1.6MPa閃蒸系統(tǒng)發(fā)電能力大于主蒸汽壓力2.5MPa時的閃蒸系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)。

這是一個不確定的結(jié)論，不同廢氣參數(shù)下，可能計算結(jié)果會不同。具體的水泥廠，應根據(jù)具體的廢氣參數(shù)進行比較確定。

5. 目前閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)國產(chǎn)化存在的問題及注意事項

a．補汽式汽輪機的設計及制造

補汽式汽輪機又稱混壓進汽式汽輪機，據(jù)不完全統(tǒng)計，應用補汽式汽輪機建設的余熱電站有六套（寧國兩套、山東某企業(yè)一套、天津院設計的有三套），目前除寧國水泥廠余熱電站日本供貨的汽輪機外，其他混壓進汽汽輪機都沒有達到預其目的，補汽不能正常、穩(wěn)定地投入運行。

補汽式汽輪機由于補汽的存在使得排汽流量大于與主蒸汽流量，所以在補汽式汽輪機設計中最重要的是加大低壓缸的通流面積，而一些補汽式汽輪機之所以存在困難，就是沒有作到這一點。

另外，汽輪機補汽口要考慮調(diào)節(jié)配汽等機構(gòu)，要適應補汽參數(shù)及補汽量隨水泥窯的波動而變化。

b．閃蒸發(fā)電系統(tǒng)控制問題

主蒸汽進汽閥與低壓進汽閥之間的聯(lián)鎖、保護、控制、調(diào)節(jié)關(guān)系要適應安全生產(chǎn)運行要求。

低壓蒸汽發(fā)生器進水溫度和進水量發(fā)生變化時，低壓蒸汽的壓力變化以及蒸汽量變化，以及低壓熱水溫度和流量發(fā)生變化，都會對整套系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

c．發(fā)展汽水兩相流理論

汽水兩相流理論應用到閃蒸余熱電站閃蒸熱水的輸送設計中，并充分考慮輸送管道在輸送兩相流時的安全性以及低壓蒸汽發(fā)生器進水為兩相流時低壓蒸汽發(fā)生器的安全性。

6．結(jié)論

a. 對于水泥窯余熱利用，應盡可能的用較高溫度段的廢氣生產(chǎn)作功能力強的主蒸汽，剩下的較低溫度的廢氣，盡可能生產(chǎn)較多的熱水，用來一級閃蒸，生產(chǎn)低壓蒸汽用來增加余熱發(fā)電量。

b. 閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)中：盡可能生產(chǎn)較高參數(shù)的主蒸汽，是為了在質(zhì)上利用余熱；盡可能生產(chǎn)較高溫度的熱水，為了在量上最大程度利用余熱。

c. 余熱鍋爐生產(chǎn)的用于閃蒸的熱水越多，低壓蒸汽發(fā)生器排水量增多，導致余熱鍋爐給水溫度越高，導致余熱鍋爐排煙溫度升高，導致余熱利用量減少。

d. 不是任何水泥窯都適合建設閃蒸余熱電站，在發(fā)電量上占優(yōu)勢，在投資上可能不占優(yōu)勢。

e. 閃蒸系統(tǒng)比較單壓系統(tǒng)，可以增加發(fā)電功率。多級閃蒸系統(tǒng)可以帶來能量的最大利用以及可降低末級低壓發(fā)生器的排水溫度，可降低余熱鍋爐的排煙溫度，使得最大程度的吸收余熱。

f. 國產(chǎn)補汽式汽輪機的技術(shù)成熟度急待提高。

6．結(jié)論

g. 對于水泥窯余熱利用，應盡可能的用較高溫度段的廢氣生產(chǎn)作功能力強的主蒸汽，剩下的較低溫度的廢氣，盡可能生產(chǎn)較多的熱水，用來一級閃蒸，生產(chǎn)低壓蒸汽用來增加余熱發(fā)電量。

h. 閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)中：盡可能生產(chǎn)較高參數(shù)的主蒸汽，是為了在質(zhì)上利用余熱；盡可能生產(chǎn)較高溫度的熱水，為了在量上最大程度利用余熱。

i. 當窯尾用于生料烘干的廢氣溫度較高時，不能牽強采用閃蒸系統(tǒng)，否則影響發(fā)電量。

j. 對于一級閃蒸系統(tǒng)，余熱鍋爐生產(chǎn)的用于閃蒸的熱水越多，低壓蒸汽發(fā)生器排水量增多，導致余熱鍋爐給水溫度越高，導致余熱鍋爐排煙溫度升高，導致余熱利用量減少。采取多級閃蒸系統(tǒng)可降低末級閃蒸器出水溫度。

k. 因閃蒸系統(tǒng)需要增加投資，因此需進行技術(shù)經(jīng)濟比較，來確定是否采用閃蒸系統(tǒng)。

l. 閃蒸系統(tǒng)在一定條件下，比單壓系統(tǒng)增加發(fā)電功率。

m. 國產(chǎn)補汽式汽輪機的技術(shù)成熟度急待提高。2100433B

目前普遍采用的單壓系統(tǒng)。本熱力系統(tǒng)中，窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐生產(chǎn)相同或相近參數(shù)的主蒸汽，混合后進入汽輪機，汽輪機只有一個進汽口——主進汽口。主蒸汽在汽輪機內(nèi)作功后經(jīng)除氧，由給水泵為窯頭余熱鍋爐供水，窯頭余熱鍋爐生產(chǎn)的熱水再為窯頭余熱鍋爐蒸汽段和窯尾余熱鍋爐供水，兩臺余熱鍋爐生產(chǎn)出合格的主蒸汽，從而形成一個完整的熱力循環(huán)。

這個熱力系統(tǒng)的特點是汽輪機只設置一個進汽口，窯頭余熱鍋爐和窯尾余熱鍋爐只生產(chǎn)參數(shù)相同或相近的主蒸汽。那么對于水泥窯廢氣余熱的調(diào)配及利用、余熱鍋爐的設計、電站熱力系統(tǒng)的配置等因素的考慮的唯一的目的，就是提高主蒸汽產(chǎn)量及品質(zhì)。主蒸汽產(chǎn)量及品質(zhì)在外部條件確定的情況下，完全決定了余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率。

物質(zhì)的沸點是隨壓力增大而升高，隨壓力降低而降低。這樣就可以讓高壓高溫流體經(jīng)過減壓，使其沸點降低，進入閃蒸罐。這時，流體溫度高于該壓力下的沸點。 流體在閃蒸罐中迅速沸騰汽化，并進行兩相分離。 使流體達到汽化的設備不是閃蒸罐，而是減壓閥。 閃蒸罐的作用是提供流體迅速汽化和汽液分離的空間。

物質(zhì)的沸點是隨壓力增大而升高，而壓力越低，沸點就越低。 這樣就可以讓高壓高溫流體經(jīng)過減壓，使其沸點降低，進入閃蒸罐。這時，流體溫度高于該壓力下的沸點。 流體在閃蒸罐中迅速沸騰汽化，并進行兩相分離。 使流體達到氣化的設備不是閃蒸罐，而是減壓閥。 閃蒸罐的作用是提供流體迅速氣化和汽液分離的空間。