余熱發(fā)電閃蒸熱力系統(tǒng)原理

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(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。電站中的疏水擴容器、連續(xù)排污擴容器、疏水膨脹箱的設(shè)備也是應(yīng)用了閃蒸理論。

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(shè)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(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。

熱力系統(tǒng)的確定是在理論基礎(chǔ)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(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(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(yīng)的飽和溫度（不同壓力下對應(yīng)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(yīng)的飽和溫度20℃。

不同壓力對應(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(yīng)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(shè)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(yīng)用補汽式汽輪機建設(shè)的余熱電站有六套（寧國兩套、山東某企業(yè)一套、天津院設(shè)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(yù)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用到閃蒸余熱電站閃蒸熱水的輸送設(shè)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(yīng)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(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，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(yīng)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(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

目前水泥行業(yè)在全國范圍內(nèi)已經(jīng)建設(shè)和正在建設(shè)的純低溫余熱電站達40多座，其中絕大部分由天津院設(shè)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(yīng)用閃蒸技術(shù)的僅有四套機組：應(yīng)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(shè)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(shè)計均存在問題，使得閃蒸出的低壓補汽運行沒有達到預(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，因此得到越來越多的學(xué)者和業(yè)主的認可。

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有個清晰的概念。筆者根據(jù)從事余熱發(fā)電的設(shè)計及研究工作，就這方面與大家做一探討。

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(shè)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(shè)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(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(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。