余熱發(fā)電閃蒸熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前水泥行業(yè)在全國(guó)范圍內(nèi)已經(jīng)建設(shè)和正在建設(shè)的純低溫余熱電站達(dá)40多座，其中絕大部分由天津院設(shè)計(jì)，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(jī)房混合后進(jìn)入汽輪機(jī)作功發(fā)電。已經(jīng)建成的余熱電站中，應(yīng)用閃蒸技術(shù)的僅有四套機(jī)組：應(yīng)用日本技術(shù)的寧國(guó)水泥廠兩套，二是山東某企業(yè)一套以及江西亞?wèn)|。其中寧國(guó)水泥廠余熱電站運(yùn)行正常，山東的某企業(yè)據(jù)說(shuō)已經(jīng)投運(yùn)，但未見(jiàn)運(yùn)行狀況的相關(guān)報(bào)道。

天津水泥設(shè)計(jì)院于2001年開(kāi)始了閃蒸余熱發(fā)電的研究，并于2002年在河南某企業(yè)補(bǔ)燃電站中運(yùn)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(bǔ)汽式汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)均存在問(wèn)題，使得閃蒸出的低壓補(bǔ)汽運(yùn)行沒(méi)有達(dá)到預(yù)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(lái)越多的學(xué)者和業(yè)主的認(rèn)可。

應(yīng)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(shè)閃蒸余熱電站，目前在大家心目中還沒(méi)有個(gè)清晰的概念。筆者根據(jù)從事余熱發(fā)電的設(shè)計(jì)及研究工作，就這方面與大家做一探討。

熱力系統(tǒng)的確定是在理論基礎(chǔ)上，通過(guò)熱力計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析并優(yōu)化而成的。下面以某廠為例，計(jì)算出各壓力等級(jí)下單壓和一級(jí)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(fēng)后有153000m3(標(biāo))/h-360℃的廢氣進(jìn)入窯頭余熱鍋爐；窯尾出C1筒的廢氣參數(shù)為330000m3(標(biāo))/h-340℃，可全部進(jìn)入窯尾余熱鍋爐。窯尾余熱鍋爐的出口廢氣溫度不應(yīng)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(jì)算基于如下條件：

①. 汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)整體效率77.5%。

②. 汽輪機(jī)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(jì)算值選取。

通過(guò)表格中的計(jì)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(shí)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(dǎo)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(shí)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(dǎo)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(duì)于一級(jí)閃蒸熱水的生產(chǎn)，當(dāng)提高熱水工作壓力時(shí)，可提高對(duì)應(yīng)的飽和溫度（不同壓力下對(duì)應(yīng)的飽和溫度見(jiàn)表3），因此可以提高低壓蒸汽發(fā)生器的進(jìn)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(yùn)行穩(wěn)定性的同時(shí)，可以提高低壓蒸汽產(chǎn)量。表2為1000kg不同壓力等級(jí)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(yùn)行，低壓蒸汽發(fā)生器進(jìn)口熱水溫度取值低于管道工作壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度20℃。

不同壓力對(duì)應(yīng)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(shí)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(shí)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(shí)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(jī)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(shí)的閃蒸系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)。

這是一個(gè)不確定的結(jié)論，不同廢氣參數(shù)下，可能計(jì)算結(jié)果會(huì)不同。具體的水泥廠，應(yīng)根據(jù)具體的廢氣參數(shù)進(jìn)行比較確定。

5. 目前閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化存在的問(wèn)題及注意事項(xiàng)

a．補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)及制造

補(bǔ)汽式汽輪機(jī)又稱混壓進(jìn)汽式汽輪機(jī)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用補(bǔ)汽式汽輪機(jī)建設(shè)的余熱電站有六套（寧國(guó)兩套、山東某企業(yè)一套、天津院設(shè)計(jì)的有三套），目前除寧國(guó)水泥廠余熱電站日本供貨的汽輪機(jī)外，其他混壓進(jìn)汽汽輪機(jī)都沒(méi)有達(dá)到預(yù)其目的，補(bǔ)汽不能正常、穩(wěn)定地投入運(yùn)行。

補(bǔ)汽式汽輪機(jī)由于補(bǔ)汽的存在使得排汽流量大于與主蒸汽流量，所以在補(bǔ)汽式汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中最重要的是加大低壓缸的通流面積，而一些補(bǔ)汽式汽輪機(jī)之所以存在困難，就是沒(méi)有作到這一點(diǎn)。

另外，汽輪機(jī)補(bǔ)汽口要考慮調(diào)節(jié)配汽等機(jī)構(gòu)，要適應(yīng)補(bǔ)汽參數(shù)及補(bǔ)汽量隨水泥窯的波動(dòng)而變化。

b．閃蒸發(fā)電系統(tǒng)控制問(wèn)題

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

低壓蒸汽發(fā)生器進(jìn)水溫度和進(jìn)水量發(fā)生變化時(shí)，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(huì)對(duì)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(yīng)用到閃蒸余熱電站閃蒸熱水的輸送設(shè)計(jì)中，并充分考慮輸送管道在輸送兩相流時(shí)的安全性以及低壓蒸汽發(fā)生器進(jìn)水為兩相流時(shí)低壓蒸汽發(fā)生器的安全性。

6．結(jié)論

a. 對(duì)于水泥窯余熱利用，應(yīng)盡可能的用較高溫度段的廢氣生產(chǎn)作功能力強(qiáng)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(lái)一級(jí)閃蒸，生產(chǎn)低壓蒸汽用來(lái)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(dǎo)致余熱鍋爐給水溫度越高，導(dǎo)致余熱鍋爐排煙溫度升高，導(dǎo)致余熱利用量減少。

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

e. 閃蒸系統(tǒng)比較單壓系統(tǒng)，可以增加發(fā)電功率。多級(jí)閃蒸系統(tǒng)可以帶來(lái)能量的最大利用以及可降低末級(jí)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(guó)產(chǎn)補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的技術(shù)成熟度急待提高。

6．結(jié)論

g. 對(duì)于水泥窯余熱利用，應(yīng)盡可能的用較高溫度段的廢氣生產(chǎn)作功能力強(qiáng)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(lái)一級(jí)閃蒸，生產(chǎn)低壓蒸汽用來(lái)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(dāng)窯尾用于生料烘干的廢氣溫度較高時(shí)，不能牽強(qiáng)采用閃蒸系統(tǒng)，否則影響發(fā)電量。

j. 對(duì)于一級(jí)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(dǎo)致余熱鍋爐給水溫度越高，導(dǎo)致余熱鍋爐排煙溫度升高，導(dǎo)致余熱利用量減少。采取多級(jí)閃蒸系統(tǒng)可降低末級(jí)閃蒸器出水溫度。

k. 因閃蒸系統(tǒng)需要增加投資，因此需進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，來(lái)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(guó)產(chǎn)補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的技術(shù)成熟度急待提高。2100433B

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(yīng)用了閃蒸機(jī)理，其概念屬于熱力學(xué)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(jìn)入汽輪機(jī)高壓進(jìn)汽口，而熱水經(jīng)過(guò)閃蒸，生產(chǎn)出低壓的飽和蒸汽，補(bǔ)入補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的低壓進(jìn)汽口，主蒸汽及低壓蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)作功，推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，共同生產(chǎn)電能。低壓蒸汽發(fā)生器內(nèi)的飽和水進(jìn)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(jí)閃蒸配置的發(fā)電系統(tǒng)。

圖1.一級(jí)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(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)（窯頭余熱鍋爐生產(chǎn)低溫?zé)崴?，再?jīng)窯尾余熱鍋爐加熱成閃蒸熱水）

圖3.一級(jí)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(duì)獨(dú)立，它可以適應(yīng)圖1系統(tǒng)和圖2系統(tǒng)的煙氣情況，更可以適應(yīng)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(yīng)水泥窯廢氣的波動(dòng)。

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(jìn)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(dāng)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(jī)理

①．閃蒸機(jī)理：當(dāng)高壓下的凝結(jié)水的壓力被降低時(shí)，部分顯熱就被釋放出來(lái)，這部分熱量就會(huì)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：?jiǎn)挝毁|(zhì)量下高壓凝結(jié)水的顯熱

SL：?jiǎn)挝毁|(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(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用。電站中的疏水?dāng)U容器、連續(xù)排污擴(kuò)容器、疏水膨脹箱的設(shè)備也是應(yīng)用了閃蒸理論。

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(jìn)入汽輪機(jī)，汽輪機(jī)只有一個(gè)進(jìn)汽口——主進(jìn)汽口。主蒸汽在汽輪機(jī)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(tái)余熱鍋爐生產(chǎn)出合格的主蒸汽，從而形成一個(gè)完整的熱力循環(huán)。

這個(gè)熱力系統(tǒng)的特點(diǎn)是汽輪機(jī)只設(shè)置一個(gè)進(jìn)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(duì)于水泥窯廢氣余熱的調(diào)配及利用、余熱鍋爐的設(shè)計(jì)、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(diǎn)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(guò)減壓，使其沸點(diǎn)降低，進(jìn)入閃蒸罐。這時(shí)，流體溫度高于該壓力下的沸點(diǎn)。 流體在閃蒸罐中迅速沸騰汽化，并進(jìn)行兩相分離。 使流體達(dá)到汽化的設(shè)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(diǎn)是隨壓力增大而升高，而壓力越低，沸點(diǎn)就越低。 這樣就可以讓高壓高溫流體經(jīng)過(guò)減壓，使其沸點(diǎn)降低，進(jìn)入閃蒸罐。這時(shí)，流體溫度高于該壓力下的沸點(diǎn)。 流體在閃蒸罐中迅速沸騰汽化，并進(jìn)行兩相分離。 使流體達(dá)到氣化的設(shè)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。