浅谈余热发电技术

饱和温度 ℃
120.23 133.54 143.62 151.85 179.88 187.96 201.73
222.9
247.51
1.2主蒸汽压力与余热锅炉废气出口温度的关系
P=1.0MPa时 T=179.9℃+Δtmin P=1.27MPa时 T=191.6℃+Δtmin P=2.45MPa时 T=216.7℃+Δtmin P=0.1MPa时 T=100℃+Δtmin P=0.075MPa时 T=89.2℃+Δtmin Δtmin由锅炉设计确定
图：5000T/D生产线余热分布图
3.2冷却机取风方式
图：单取风余热发电废气温度和热量分布图
图：双取风余热发电废气温度和热量分布图
3.3朗肯循环
朗肯循环是典型的热工过程，也是理想化的热能（蒸汽）--动力循 环，是各种复杂的蒸汽动力循环的基本循环，是研究复杂循环的理 论基础。
Байду номын сангаасV燃料
6
5
4
1
3.43 435 0.82 0.007 39 2369.66 0.916 10393.59 4.03 483.83
高压 10.2 550 100000 1000 2720.86 1418.62 567.87 1119.88 100 150.42 4113.52 5801.28
9.81 535 0.82 0.007 39 2335.62 0.9019 11893.25 3.33 422.82
低压 1.5 355
100000 1000
2791.97 851.74 210.04
1873.21 100
150.29 2356.78 4440.03
1.11 340 0.82 0.007 39 2402.48 0.9297 8660.64 5.15 580.64
中压 3.82 450 100000 1000 2801.49 1077.95 331.51 1570.58 100 150.32 3169.74 5071.83
国内目前的高压火电厂(单机为25～100MW的中型火电厂)，发电用蒸汽参 数一般为9.81MPa—550℃，其发电标准煤耗为380～420g/Kwh，转换效 率约为29～33%(反映在汽轮机汽耗率上为：每KWh发电量消耗蒸汽为 4.3Kg—汽机叶片为老红旗叶片)；
国内目前的超高压、亚临界火电厂(单机为200～600MW的大型火电厂)， 发电用蒸汽参数一般为16～18MPa—555～575℃，其发电标准煤耗为 300～330g/Kwh，转换效率约为37～41%(反映在汽轮机汽耗率上为：每 KWh发电量消耗蒸汽为3.45Kg—汽机叶片为老红旗叶片)；
锅炉 主蒸汽压力 主蒸汽温度 锅炉入口废气量 锅炉入口废气温度 饱和蒸汽焓 饱和水焓 过热器传热面积 蒸发器传热面积 省煤器段给水温度 省煤器出口废气温度 省煤器传热面积 总面积
汽轮机 进汽压力 进汽温度 高压缸效率 排汽压力 排汽温度 实际排汽焓 排汽干度 发电量 汽轮机汽耗 标准煤耗
MPa ℃ Nm3/h ℃ kJ/kg kJ/kg m2 m2 ℃ ℃ m2 m2
2068.9 1601.14
14.75 100
150.33 4648.99 6264.88
21.62 575 0.82
0.007 39
2244.07 0.8639
13439.83 3.12
374.17
2.3水泥窑低温余热电站汽轮机汽耗率
蒸汽参数采用0.69～0.98MPa—300～340℃时， 汽轮机汽耗率为：每KWh发电量消耗蒸汽 6.1～5.5Kg—汽机叶片为全三维叶片；
超高压 18
550 100000
1000 2507.49 1734.18
753.54 629.41
100 150.39 4556.14 5939.1
17.61 535 0.82
0.007 39
2229.65 0.8579
12457.07 3.28
403.69
临界 22.01
590 100000
1000 2087.94
高温废气进入(tfj)
t
蒸汽流出(t z) 压力为P
tfj
tz
废气
｛tmin
tb 水及水蒸汽tb
常温水流入(tg ) 压力为P
低温废气流出(tfc)
tfc tg
L
水及水蒸汽的变化过程示意图
在上述三个变化过程中，水变为蒸汽的温度称为饱 和温度（tb），其对应的水称为饱和水、蒸汽为饱和 蒸汽；第三个过程结束后产生的蒸汽为过热蒸汽，过 热蒸汽温度tz与饱和温度tb之差（tz-tb）称为水蒸气 过热度。对于不同的压力P，饱和温度tb是不同的。在 水及水蒸气被热源（废气）加热过程中，热源与水及 水蒸气间必将存在换热温差，并且热源温度必须高于 水及水蒸气温度，同时在此换热过程中的某一位置存 在最小温差点，此点称为换热温差窄点△tmim.
水泥余热发电的发展历程
在20世纪20-30年代，回转窑废气温度为800-900℃，熟料热耗为 7400kJ/kg KJ/kg，发电能力110kWh左右，装机容量小于 3000kW，技术落后。
20世纪80年代，采用了带有回热的朗肯循环系统，运行参数提高 到2.5MPa左右，单机容量达到了3000kW，发电指标达到了熟料 热耗6700-7400kJ/kg，吨熟料发电量100-130kWh，国产第一代 水泥窑余热发电专用锅炉和国产的1500、3000kW汽轮发电机也 满足了水泥余热发电系统的需要。
蒸汽参数采用0.98～1.27MPa—310～340℃时， 汽轮机汽耗率为：每KWh发电量消耗蒸汽 5.4～5.2Kg—汽机叶片为全三维叶片；
蒸汽参数采用2.29MPa—370℃时，汽轮机汽 耗率为：每KWh发电量消耗蒸汽4.62Kg(有补 汽时为4.25～4.41Kg)—汽机叶片为全三维叶 片。
2.2火力发电厂的标准煤耗及汽耗率
前述的转换效率用于火力发电厂时,则反应为：发电用蒸汽参数不同,发电煤耗 也不同,即转换效率不同，例如：
国内目前的中压火电厂(单机为3～25MW的小型火电厂)，发电用蒸汽参数 一般为3.43MPa—435℃，其发电标准煤耗为540～580g/Kwh，转换效率 约为21～23%(反映在汽轮机汽耗率上为：每KWh发电量消耗蒸汽为 4.73Kg—汽机叶片为老红旗叶片)；
P=1.0MPa时,水加热至Tb=179.9℃才形成蒸汽 P=1.27MPa时,水加热至Tb=191.6℃才形成蒸汽 P=2.45MPa时,水加热至Tb=216.7℃才形成蒸汽 P=0.1MPa时,水加热至Tb=100℃才形成蒸汽 P=0.007MPa时,水加热至Tb=39.2℃才形成蒸汽
水及水蒸气压力与饱和温度关系表
绝对压力 MPa
0.001
0.005
0.007
0.009
0.01
0.02
0.05
0.1
0.16
饱和温度 ℃
6.982
32.9
39.02 43.79 45.83 60.09 81.35 99.63 113.32
绝对压力 MPa
0.2
0.3
0.4
0.5
1
1.2
1.6 2.45 3.82
汽轮机 De
T
发电机
2
5
冷凝器
冷却水
4
3
给水泵
3
1 6
2
Dg
S
朗肯循环原理图
朗肯循环过程图(T-S图)
汽轮机排汽2（一般为绝对压力0.007-0.01MPa并含有10-5%的水分的3945℃饱和蒸汽及水的混合物）经凝汽器凝结成水3后（水温不变）在经凝结 水泵升压至锅炉给水压力（由于泵做功，使水温升高1-2℃），在锅炉内通 过吸收热量，使水变成给水压力下的饱和温度5，继续加热变成饱和蒸汽6， 再继续加热为给水压力下的过热蒸汽1，过热蒸汽进入汽轮机推动汽轮机做 功后自汽轮机排汽排出2，完成一个热力循环。
对于余热发电由于余热热源温度的限制，进汽压力、温度不可能无限制 提高，制约了循环热效率的提高，排汽压力受到冷却水的温度的限制， 也不能过低。
通过对朗肯循环的分析结合水泥窑的特点，得出水泥窑余热电站原则： – A 利用相对高温废气余热尽量生产相对高压、高温的蒸汽减少换热 温差、提高热效率； – B 对于中低温余热废气，应先考虑用低温余热废热取代汽轮机的回 热抽汽，当低温余热废气余热量过大时，利用剩余的中温废气余热 再生产中低压参数蒸汽，并按蒸汽压力分别补入汽轮机； – C 对于余热发电，其循环热效率不可能高于朗肯循环热效率。
2.4废气余热品为的界定
对于热能-动力转换设备------蒸汽轮机而言,国 内标准的中小型汽轮机按进汽参数分为: 高压高温机组,进汽压力大于3.43Mpa进汽温 度为435-555℃； 中压中温（及次中压中温）机组，进汽压力为 2.45-3.43Mpa进汽温度为340-435℃； 低压低温机组, 进汽压力小于2.45Mpa进汽温 度为280-340℃。
2蒸汽参数与发电能力的关系
2.1热的质即热量转换为电量的能力 1Kg/h－1000℃的热水,其含有的热量为1000Kcal/h(是热量的量)，
这个热量理论上转化为电量的最大能力为N=[1-273/(1000＋ 273)]×1000×4.1868/3600=0.9135kW(热量的质)，理论转换效 率为0.9135×860/1000=78.56%。 10Kg/h－100℃的热水,其含有的热量同样为1000Kcal/h，但这 个热量理论上转化为电量的最大能力为N=[1-273/(100＋ 273)]×1000×4.1868/3600=0.3118kW，理论转换效率为 0.3118×860/1000=26.8%。
可利用热量： 窑头：38900000 kJ/h 窑头：24060000 kJ/h 折合：2.15吨标煤/小时
5000t/d水泥生产线 窑尾废气：332000Nm3/h--330℃----200℃ 窑头废气：282000Nm3/h--290℃----105℃ 可利用热量： 窑尾：70900000kJ/h 窑头：70800000kJ/h 折合：4.84吨标煤/小时
根据汽轮机进汽参数，考虑利用废气 余热生产水蒸气所需传热温差的要求， 水泥窑余热品位应当确定为：
高温废气余热：废气温度大于650℃ 中温废气余热：废气温度350～650℃ 低温废气余热：废气温度小于350℃
3国内余热发电系统简介
3.1熟料生产线余热分布 2500t/d水泥生产线
窑尾废气：169000Nm3/h--340℃----200℃ 窑头废气：142000Nm3/h--230℃----104℃
80年代水泥生产发展新型干法窑为主，由于水泥窑增加了预热器 及分解炉，窑尾烟气温度大幅度降低，对余热发电系统提出了一 个难题，1995年带补燃锅炉余热发电系统在鲁南投入生产， 1997年日本赠送了全套的纯中低温余热发电系统，中国进入了纯 低温余热发电系统时代。
1水及水蒸汽的基本知识
水在某一恒定压力下进行加热，在此过程中一般来讲 有如下三个过程： 第一个过程，水在常温下被逐步加热至某一温度tb,在此温 度下水开始逐渐产生蒸汽，其蒸汽温度与水温相同为tb； 第二个过程，水继续被加热时水温tb将不再变化，而产生 的温度为tb的蒸汽将不断增加至水全部变为蒸汽； 第三个过程，水全部变为蒸汽后继续加热，则水蒸气的温 度将不断升高至tz。
通过分析以上过程可知： • 循环热效率=1-（h1-h2）/（h1-h4）
所以在消耗同样热量的条件下多发电的措施有如下几点： • A 提高进汽温度 • B 提高进汽压力 • C 降低汽轮机排汽压力
什么叫“冷端损失”？
火电厂在运行时，用高压水泵把水打进锅炉，再逐步加热， 使水变为蒸汽，继续加热，变为过热蒸汽，再经过管道和阀门进 入汽轮机做功。蒸汽经过汽轮机多级叶片做功后，压力和温度在 逐渐降低，经过最后一级叶片做功后，其蒸汽压力已不足半个大 气压，温度也降到了几十摄氏度，但此时仍为“气态”。这时如 果再把它打入锅炉进行加热，消耗能源太大，在经济上不划算。 只有想方设法把它再变成水后打入锅炉，才划算。如何把这些低 温低压的蒸汽再变成水呢？只有采用冷却方法，同样压力温度的 蒸汽变成水，会释放出大量热，即为潜在热，１千克水要释放约 ６００大卡热量，再通过水冷或空冷把这些热带走，这些被带走 的热就是火电厂的“冷端损失”。