餘熱發電閃蒸熱力系統

閃蒸餘熱發電系統就是在發電熱力系統配置中套用了閃蒸機理，其概念屬於熱力學範疇，即：根據廢氣餘熱品質的不同而生產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，而熱水經過閃蒸，生產出低壓的飽和蒸汽，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作功，推動汽輪機轉動，共同生產電能。低壓蒸汽發生器內的飽和水進入除氧器，與冷凝水一起經除氧後由給水泵供給鍋爐。

簡介

目前水泥行業在全國範圍內已經建設和正在建設的純低溫餘熱電站達40多座，其中絕大部分由天津院設計，並且絕大部分為單壓系統，即水泥線的窯頭和窯尾餘熱鍋爐只生產相同或相近參數的主蒸汽，在汽輪機房混合後進入汽輪機作功發電。已經建成的餘熱電站中，套用閃蒸技術的僅有四套機組：套用日本技術的寧國水泥廠兩套，二是山東某企業一套以及江西亞東。其中寧國水泥廠餘熱電站運行正常，山東的某企業據說已經投運，但未見運行狀況的相關報導。

天津水泥設計院於2001年開始了閃蒸餘熱發電的研究，並於2002年在河南某企業補燃電站中運用了閃蒸技術。但是由於低壓蒸汽發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。那么目前由於閃蒸餘熱發電系統能更大程度的吸收和利用低溫廢氣餘熱，從而在一定程度上可提高餘熱發電功率，因此得到越來越多的學者和業主的認可。

套用閃蒸技術的純低溫餘熱電站到底效率如何，以及在什麼條件下考慮建設閃蒸餘熱電站，目前在大家心目中還沒有個清晰的概念。筆者根據從事餘熱發電的設計及研究工作，就這方面與大家做一探討。

原理

基本概念

①．閃蒸：一定壓力下的凝結水或鍋爐水被降壓，部分水分吸收顯熱進行的二次蒸發，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：將飽和水轉化成蒸汽所需要的熱量。

閃蒸機理

①．閃蒸機理：當高壓下的凝結水的壓力被降低時，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。

②．閃蒸比：閃蒸蒸汽和高壓凝結水的質量比：

Rf = (SH － SL) / H * 100% Rf：閃蒸比

SH：單位質量下高壓凝結水的顯熱

SL：單位質量下被降壓後凝結水的顯熱

H：低壓蒸汽所含的潛熱

閃蒸套用領域

閃蒸原理在聚酯，釀酒，醫藥，石化，海水淡化等行業中有非常廣泛的套用。電站中的疏水擴容器、連續排污擴容器、疏水膨脹箱的設備也是套用了閃蒸理論。

熱力系統構成

閃蒸餘熱發電系統就是在發電熱力系統配置中套用了閃蒸機理，其概念屬於熱力學範疇，即：根據廢氣餘熱品質的不同而生產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，而熱水經過閃蒸，生產出低壓的飽和蒸汽，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作功，推動汽輪機轉動，共同生產電能。低壓蒸汽發生器內的飽和水進入除氧器，與冷凝水一起經除氧後由給水泵供給鍋爐。圖1、圖2、圖3為三種含有一級閃蒸配置的發電系統。

圖1.一級閃蒸發電系統

（窯頭餘熱鍋爐生產閃蒸熱水）

圖2.一級閃蒸發電系統（窯頭餘熱鍋爐生產低溫熱水，再經窯尾餘熱鍋爐加熱成閃蒸熱水）

圖3.一級閃蒸發電系統

（窯頭窯尾餘熱鍋爐生產相同參數的熱水）

上述三種含有閃蒸配置的發電系統，是根據廢氣餘熱的不同尤其是餘熱鍋爐允許的排煙溫度的不同而進行設計的，圖1系統可用於窯尾排煙溫度較高的情況；圖2系統用於窯尾餘熱鍋爐生產一定參數的主蒸汽後還有大量餘熱可以利用，但最終排煙溫度又不能很抵的情況；圖三系統是一種比較靈活的配置方式，窯頭和窯尾鍋爐汽水系統相對獨立，它可以適應圖1系統和圖2系統的煙氣情況，更可以適應窯尾廢氣不用於物料烘乾或者物料烘乾溫度可以很低的情況。圖三所示系統可更有效地適應水泥窯廢氣的波動。

計算分析

熱力系統的確定是在理論基礎上，通過熱力計算，對結果進行分析並最佳化而成的。下面以某廠為例，計算出各壓力等級下單壓和一級閃蒸餘熱發電系統（圖3所示系統）的發電能力。

某廠，其餘熱條件如下：窯頭中部取風后有153000m3(標)/h-360℃的廢氣進入窯頭餘熱鍋爐；窯尾出C1筒的廢氣參數為330000m3(標)/h-340℃，可全部進入窯尾餘熱鍋爐。窯尾餘熱鍋爐的出口廢氣溫度不應低於220℃，用於後續的生料烘乾。

發電能力變化（循環參數不同） 表1

鍋爐主蒸汽壓力等級; 項目	單位	2.5MPa; 單壓	1.35MPa; 單壓	2.5MPa; 一級閃蒸	1.6MPa; 一級閃蒸
餘熱鍋爐主蒸汽溫度	℃	320	320	320	320
餘熱鍋爐主蒸汽焓值	kJ/kg	3058.6	3086.8	3058.6	3078.5
餘熱鍋爐鍋筒對應的飽和溫度	℃	227.07	196.69	227.07	209.00
汽輪機主蒸汽壓力	MPa	2.35	1.25	2.35	1.5
汽輪機主蒸汽溫度	℃	310	310	320	320
汽輪機低壓蒸汽壓力	MPa	－	－	0.2	0.2
汽輪機低壓蒸汽溫度	℃	－	－	120	120
SP爐	餘熱鍋爐進口廢氣流量	Nm/h	330000	330000	330000	330000
餘熱鍋爐進口廢氣溫度	℃	340	340	340	340
主蒸汽流量	kg/h	21783	23386	21557	24436
主蒸汽溫度	℃	320	320	320	320
蒸汽段給水溫度	℃	170	170	200	200
至低壓蒸汽發生器熱水流量	kg/h	－	－	15000	2000
至低壓蒸汽發生器熱水溫度	℃	－	－	200	200
廢氣出口溫度（用於烘乾）	℃	230	200	200	200
熱水段給水溫度	℃	－	－	75.3	48.4
AQC爐	餘熱鍋爐進口廢氣流量	Nm/h	152800	152800	152800	152800
餘熱鍋爐進口廢氣溫度	℃	360	360	360	360
主蒸汽溫度	℃	320	320	350	350
主蒸汽流量	kg/h	10637	12449	10292.7	11383.4
給水溫度	℃	40	40	75.3	48.4
至低壓蒸汽發生器熱水流量	kg/h	－	－	15000	3000
至低壓蒸汽發生器熱水溫度	℃	－	－	200	200
餘熱鍋爐廢氣出口溫度（進窯頭電收塵器）	℃	126.1	91.6	97.4	81.6
蒸汽發生器	總熱水量	kg/h	－	－	30000	5000
熱水溫度	℃	－	－	200	200
熱水壓力	MPa	－	－	3	2.2
熱水焓值	kJ/kg	－	－	852.79	852.46
低壓蒸汽產量	kg/h	－	－	4847	807
低壓蒸汽壓力	MPa	－	－	0.2	0.2
低壓蒸汽溫度	℃	－	－	120	120
低壓蒸汽焓值	kJ/kg	－	－	2706.3	2706.3
低壓蒸汽乾度		－	－	0.98	0.98
低壓熱水溫度	℃	－	－	120	120
低壓熱水流量	kg/h	－	－	25153	4193
低壓熱水焓值	kJ/kg	－	－	504.12	504.12
散蒸器的壓力下的汽化潛熱	kJ/kg	－	－	2202.18	2202.18
低壓蒸汽理論發電功率	kW	－	－	497	83
汽汽輪機輪機	汽輪機主蒸汽進汽壓力	MPa	2.35	1.25	2.35	1.5
汽輪機主蒸汽進汽流量	kg/h	32420	35835	31849	35819
汽輪機排汽壓力	MPa	0.008	0.008	0.008	0.008
汽輪機排汽溫度	℃	41.5	41.5	41.5	41.5
汽輪機(含發電機)總效率	%	77.5	77.5	77.5	77.5
主進汽理論汽耗率	kg/kWh	4.967	5.395	4.875	5.153
主蒸汽發電能力	kW	6527	6642	6533	6951
總發電能力	kW	6527	6642	7030	7034

以上計算基於如下條件：

①. 汽輪機及發電機整體效率77.5%。

②. 汽輪機排汽壓力為0.008MPa。

③. 閃蒸系統鍋爐給水溫度與鍋爐排煙溫度之差大於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果可以看出：

a. 閃蒸發電系統的發電能力大於單壓系統。主蒸汽壓力1.6MPa閃蒸系統發電能力比主蒸汽壓力1.35MPa的單壓系統多6%。

b. 窯尾餘熱鍋爐主蒸汽產量，主蒸汽壓力1.6MPa閃蒸系統大於主蒸汽壓力2.5MPa時的閃蒸系統。

這是由於主蒸汽壓力2.5MPa系統的窯尾餘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系統生產的蒸汽量少。

c. 窯尾餘熱鍋爐閃蒸熱水產量，主蒸汽壓力1.6MPa閃蒸系統低於主蒸汽壓力2.5MPa時的閃蒸系統。

由於主蒸汽壓力2.5MPa系統窯尾餘熱鍋爐生產的主蒸汽量少，因此主蒸汽段排煙溫度升高，導致熱水段可利用的熱量多，因此可生產更多的閃蒸用的熱水。

另外還有如下原因：

對於一級閃蒸熱水的生產，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生器的進水溫度，增加低壓蒸汽發生器的輸入的熱量。這樣在提高管道運行穩定性的同時，可以提高低壓蒸汽產量。表2為1000kg不同壓力等級的熱水經低壓蒸汽發生器後可能生產的最大的餘熱發電量。

表2

序號	計算項目	單位	數據	數據	數據	數據	數據	數據
1	汽輪機進汽的主蒸汽壓力	MPa	0.6	0.8	1.0	1.25	1.5	2.35
2	低壓蒸汽發生器進口熱水流量	kg/h	1000	1000	1000	1000	1000	1000
3	低壓蒸汽發生器進口最高的熱水溫度	℃	166.05	173.35	179.85	187.11	197.24	213.84
4	低壓蒸汽發生器進口熱水壓力	MPa	1.15	1.35	1.55	1.8	2.2	3.0
5	低壓蒸汽發生器進口熱水熱水焓值	kJ/kg	789.70	822.30	851.52	884.41	930.81	1008.20
6	低壓蒸汽溫度	℃	120	120	120	120	120	120
7	低壓蒸汽壓力	MPa	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
8	低壓蒸汽焓值	kJ/kg	2706.3	2706.3	2706.3	2706.3	2706.3	2706.3
9	低壓蒸汽乾度	%	98	98	98	98	98	98
10	低壓蒸汽發生器壓力下的汽化潛熱	kJ/kg	2202.18	2202.18	2202.18	2202.18	2202.18	2202.18
11	低壓蒸汽產量	kg/h	132.33	147.43	160.97	176.21	197.71	233.57
12	低壓熱水溫度	℃	120	120	120	120	120	120
13	低壓熱水焓值	kJ/kg	504.12	504.12	504.12	504.12	504.12	504.12
14	低壓熱水流量	kg/h	867.67	852.57	839.03	823.79	802.29	766.43
15	低壓蒸汽發電功率	kW	11.415	12.718	13.886	15.201	17.056	20.149
16	低壓蒸汽比率	%	13.23	14.74	16.10	17.62	19.77	23.36

註：低壓蒸汽發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，低壓蒸汽發生器進口熱水溫度取值低於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

壓力	0.7	0.9	1.1	1.35	1.75	2.5
溫度	164.96	175.36	184.07	193.35	205.72	223.94

d. 窯頭餘熱鍋爐主蒸汽產量，主蒸汽壓力1.6MPa閃蒸系統也大於主蒸汽壓力2.5MPa時的閃蒸系統。

e. 窯頭餘熱鍋爐閃蒸熱水產量，主蒸汽壓力1.6MPa閃蒸系統也低於主蒸汽壓力2.5MPa時的閃蒸系統。

f. 主蒸汽壓力1.6MPa閃蒸系統窯頭餘熱鍋爐排煙溫度低於主蒸汽壓力2.5MPa時的閃蒸系統。

由於1.6MPa閃蒸系統窯頭餘熱鍋爐生產的用於閃蒸的熱水量少，因此低壓蒸汽發生器產生的低壓熱水量少，因此1.6MPa閃蒸系統窯頭餘熱鍋爐的給水溫度低，因此可以降低餘熱鍋爐排煙溫度。

g. 在汽輪機主蒸汽都是320℃的情況下，主蒸汽壓力1.6MPa閃蒸系統發電能力大於主蒸汽壓力2.5MPa時的閃蒸系統發電系統。

這是一個不確定的結論，不同廢氣參數下，可能計算結果會不同。具體的水泥廠，應根據具體的廢氣參數進行比較確定。

5. 目前閃蒸餘熱發電系統國產化存在的問題及注意事項

a．補汽式汽輪機的設計及製造

補汽式汽輪機又稱混壓進汽式汽輪機，據不完全統計，套用補汽式汽輪機建設的餘熱電站有六套（寧國兩套、山東某企業一套、天津院設計的有三套），目前除寧國水泥廠餘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、穩定地投入運行。

補汽式汽輪機由於補汽的存在使得排汽流量大於與主蒸汽流量，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節配汽等機構，要適應補汽參數及補汽量隨水泥窯的波動而變化。

b．閃蒸發電系統控制問題

主蒸汽進汽閥與低壓進汽閥之間的聯鎖、保護、控制、調節關係要適應安全生產運行要求。

低壓蒸汽發生器進水溫度和進水量發生變化時，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生變化，都會對整套系統產生影響。

c．發展汽水兩相流理論

汽水兩相流理論套用到閃蒸餘熱電站閃蒸熱水的輸送設計中，並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生器進水為兩相流時低壓蒸汽發生器的安全性。

6．結論

a. 對於水泥窯餘熱利用，應儘可能的用較高溫度段的廢氣生產作功能力強的主蒸汽，剩下的較低溫度的廢氣，儘可能生產較多的熱水，用來一級閃蒸，生產低壓蒸汽用來增加餘熱發電量。

b. 閃蒸餘熱發電系統中：儘可能生產較高參數的主蒸汽，是為了在質上利用餘熱；儘可能生產較高溫度的熱水，為了在量上最大程度利用餘熱。

c. 餘熱鍋爐生產的用於閃蒸的熱水越多，低壓蒸汽發生器排水量增多，導致餘熱鍋爐給水溫度越高，導致餘熱鍋爐排煙溫度升高，導致餘熱利用量減少。

d. 不是任何水泥窯都適合建設閃蒸餘熱電站，在發電量上占優勢，在投資上可能不占優勢。

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

f. 國產補汽式汽輪機的技術成熟度急待提高。

6．結論

g. 對於水泥窯餘熱利用，應儘可能的用較高溫度段的廢氣生產作功能力強的主蒸汽，剩下的較低溫度的廢氣，儘可能生產較多的熱水，用來一級閃蒸，生產低壓蒸汽用來增加餘熱發電量。

h. 閃蒸餘熱發電系統中：儘可能生產較高參數的主蒸汽，是為了在質上利用餘熱；儘可能生產較高溫度的熱水，為了在量上最大程度利用餘熱。

i. 當窯尾用於生料烘乾的廢氣溫度較高時，不能牽強採用閃蒸系統，否則影響發電量。

j. 對於一級閃蒸系統，餘熱鍋爐生產的用於閃蒸的熱水越多，低壓蒸汽發生器排水量增多，導致餘熱鍋爐給水溫度越高，導致餘熱鍋爐排煙溫度升高，導致餘熱利用量減少。採取多級閃蒸系統可降低末級閃蒸器出水溫度。

k. 因閃蒸系統需要增加投資，因此需進行技術經濟比較，來確定是否採用閃蒸系統。

l. 閃蒸系統在一定條件下，比單壓系統增加發電功率。

m. 國產補汽式汽輪機的技術成熟度急待提高。