水泥工业中低温余热发电技术及装备(下)

    对于图八所示理想的带有三级回热的循环系统，在假设锅炉产气量为Z1（kg/h）而消耗的燃料为煤及部分废气余热（废气量为V，温度为t,比热为CF,环境温度为t0=25℃）的条件下，各项参数计算如下：
    循环发电功率:
    De=(1/3600)[Z1(h1-hⅠ)+(Z1-α1Z1)(hⅠ-hⅡ)+(Z1-α1Z1-α2Z1)( hⅡ
-hⅢ)+(Z1-α1Z1-α2Z1-α3Z1)(hⅢ-h2)]                                (1)
    回热抽汽具有的发电能力：
    Ds=(1/3600)[ α1Z1(h1-h2)+ α2Z1(hⅡ-h2)+ α3Z1(hⅢ-h2)]       (2)
    循环耗功（给水泵、凝结水泵）：Dg—忽略不计
    循环吸热量之一即锅炉燃料消耗量：
    q1=M=(Z1/3600)(h1-h4)                                      (3)
    循环吸热量之二即废气余热量:
    q1’=V•T•CF•(1/3600)                                  (2’)
    循环供应：
    ψ=0.95q1+[CF•t-(t0+273) CF•ln(t+273)/(t0+273)]V/3600   (2”) 
    循环放热量即通过冷凝器被冷却水带走的热量：
    q2=(Z2/3600)(h2-h3)                                    (4)
    汽轮机排汽量：
    Z2=Z1（1-α1-α2-α3）                                 (5)
    循环热效率：
    η=（q1-q2）/q1                                        (6)
    循环效率：
    ηψ=De/ψ                                             (6’)
    上述各式中：
    De------kw                  Ds------kw
    Dg------kw                  q2------kw
    q1’------kw                 Q2------kw
    Z1------kg/h               ηψ------%
    Z2-----kg/h                 h-------KJ/kg
    η-----%                    V-------Nm3/h
    t------℃                   CF-------kJ/Nm3℃
    ψ-----kW                   
    假设：一台12000kw汽轮机及一台燃料锅炉（不利用余热，即V=0） 按图七组成一个三级回热循环，循环系统各点参数如下：
0. De=12000kw
1. 汽轮机进汽(锅炉产汽):
   h1=3300kJ/kg,t1=435℃,P1=3.43Mpa
2. 汽轮机排汽:
    h2=2180kJ/kg,t2=39.02℃,P2=0.007Mpa
3. 冷凝器出水:
    h3=163.8kJ/kg,t3=39.02℃,P3=0.007Mpa
Ⅲ. Ⅲ级回热抽汽:
hⅢ=2480kJ/kg,tⅢ=91℃,PⅢ=0.075Mpa α3Z1=4070kg/h
Ⅱ. Ⅱ级回热抽汽:
hⅡ=2650kJ/kg,tⅡ=125℃,PⅡ=0.209Mpaα2Z1=980kg/h
Ⅰ. Ⅰ级回热抽汽:
hⅠ=2910kJ/kg,tⅠ=230℃,PⅠ=0.804Mpaα1Z1=5900kg/h
3’. Ⅲ级回热加热器凝结水出水:
h3’=368kJ/kg,t3’=88℃
3’’.Ⅱ级回热加热器凝结水出水:
h3’’=435kJ/kg,t3’’=104℃
h3’’’. Ⅰ级回热加热器凝结水出水:
h3’’’=703kJ/kg,t3’’’=168℃
4. 锅炉给水: h4=703kJ/kg,t4=168℃,P4=3.43MPa
    将上述各点参数代入式(1)、（2）、（2’）、（2’’）、（3）、（4）、（5）、（6）、（6’）后计算得出：
    汽轮机发电功率：De=12000kw
    汽轮机进汽量（锅炉产汽量）：Z1=42343.66kg/h
    回热抽汽量具有的发电能力：Ds=1663.5kw
    循环吸热量（锅炉燃料消耗量）：
    q1=M=30546.25kW(26.27x4.1868x106kJ/h
    循环供应：ψ=29018.9kw
    循环放热量即通过冷凝器被冷却水带走热量：
    q2=18679.9kw(16.06x4.1868x106kJ/h)
    汽轮机排汽量：Z2=33353.66kg/h
    循环热效率：η=38.85%
    循环效率：ηψ=41.35%
    对于上述循环，假设将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级抽汽回热关闭，即没有抽汽回热（不利用抽汽加热锅炉给水）则其形成了朗肯循环，参数有变化的各点如下：
    Ⅲ.Ⅲ级回热抽汽：参数均为0
    Ⅱ.Ⅱ级回热抽汽；参数均为0
    Ⅰ.Ⅰ级回热抽汽：参数均为0
    3’.Ⅲ级回热加水器出水：h3’=163.8Kj/Kg,t3’=39.02℃
    3’’. Ⅱ级回热加热器出水：h3’’=163.8 kJ/kg,t3’’=39.02℃
    3’’’.Ⅰ级回热加热器出水：h3’’’=163.8kJ/kg,t3’’’=39.02℃
4．锅炉给水：h4=163.8kJ/kg,t4=39.02℃,P4=3.43MPa
    将上述各点（包括有回热循环中参数无变化的各点参数）代入式（1）、（2）、（2’）、（2’’）、（3）、（4）、（5）、（6）、（6’）后计算得出：
    汽轮机发电功率：De=12000kw
    汽轮机进汽量（锅炉产汽量）：Z1=38571.43kg/h
    回热抽汽具有的发电能力：Ds=0kw
    循环吸热量（锅炉燃料消耗量）：q1=M=33602KW(28.9x4.1868x106KJ/h
    循环供应：ψ=31922kw
    循环放热量即通过冷凝器被冷却水带走热量q2=21602.1kw(18.58x4.1868x106kJ/h)
    汽轮机排汽量：Z2=Z1=38571.43kg/h
    循环热效率：η=35.71%
    循环效率：ηψ=37.59%
    对上述理想的三级抽汽回热循环与朗肯循环对比计算结果分析如下：
(1) 对于有三级抽汽回热的循环：
    汽轮发电机发电功率为12000kw 时：
    汽轮机进汽量Z1为42343.66kg/h
    锅炉消耗燃料量q1=M为：30546.25kw
    循环供应ψ为：29018.9kW
    锅炉给水温度t4为：168℃
    汽机抽汽具有的Ds=1663.5kw发电能力没有发电而用于加热汽机凝结水（锅炉给水）使锅炉给水温度由39.02℃提高至168℃。
    系统循环热效率η为38.85%,循环效率ηψ为41.35%。
（2）对于没有抽汽回热的朗肯循环：
    汽轮发电机发电能力为12000kw时：
    汽轮机主进汽量Z1为38571.43kg/h(比有回热循环时少3772.23kg/h,9.8%)
    锅炉燃料消耗量为：q1=M=33602.1kw(比有回热循环时多3055.8kw,9.1%)
    循环供应ψ为：31922kw(比有回热时多2903.1kw)
    锅炉给水温度t4为：39.02℃
    系统循环热效率η为：35.71%,循环效率ηψ为37.59%
    上述两个循环能够得到的发电功率同样为12000kw，对于有抽汽回热的循环，虽然汽机抽汽所具有的Ds=1663.5kw发电能力没有发电使汽机进汽量Z1比没有抽汽回热的朗肯循环多9.8%，但由于抽汽用来加热汽机凝结水（锅炉给水），将锅炉给水温度t4由没有抽汽回热的朗肯循环的39.02℃提高至抽汽回热循环的168℃，反而使锅炉燃料消耗量比没有抽汽回热的朗肯循环下降了9.1%，其综合作用结果是使抽汽回热系统的循环热效率比没有回热的朗肯循环热效率提高了38.85%-35.71%=3.14%，循环效率提高了41.35%-37.59%=3.76%。
    取得上述结果的直接原因是由于抽汽回热循环的抽汽将汽机凝结水加热至168℃,即锅炉给水温度t4由39.02℃提高至168℃所致,对于消耗有用燃料的热电厂来讲,虽然采用抽汽回热循环时要求锅炉产汽量相对(朗肯循环)较大,但由于提高了锅炉给水温度,在发电功率相同的条件下锅炉燃料消耗量是下降的(提高了循环热效率),因此采用抽汽回热循环是有经济意义的。
（3）假设有V=71919Nm3/h、t=220℃、CF=0.314x4.1868kJ/Nm3℃的废气，其所含热量足以能够将锅炉给水温度由39.02℃提高至168℃而将各级抽汽关闭时（暂时称为：废热取代抽汽回热的循环），循环系统各点参数改变如下：
    0.De=12000kw
    1.汽轮机进汽（锅炉产汽）：h1=3300kJ/Kg,t1=435℃,P1=3.43Mpa
    2.汽轮机排汽：h2=2180kJ/kg, t2=39.02℃,P2=0.007Mpa
    3.冷凝器出水： h3=163.8kJ/kg, t3=39.02℃,P3=0.007Mpa
    Ⅲ.Ⅲ级回热抽汽：参数均为0
    Ⅱ.Ⅱ级回热抽汽：参数均为0
    Ⅰ.Ⅰ级回热抽汽：参数均为0
    3’. Ⅲ级回热加热器凝结水出水：h3’=368kJ/kg,t3’=88℃(热源为：废热)
    3’’. Ⅱ级回热加热器凝结水出水：h3’’=435kJ/kg,t3’’=104℃(热源为
废热)
    3’’’. Ⅰ级回热加热器凝结水出水：h3’’’=703kJ/kg,t3’’’=168℃(热源为：废热)
4.锅炉给水. h4=703kJ/kg, t4=168℃,P4=3.43Mpa
    将上述各点参数代入式(1)、（2）、（2’）、（2’’）、（3）、（4）、（5）、（6）、（6’）后计算得出：
    汽轮机发电功率：De=12000kw
    汽轮机进气量（锅炉产气量）：Z1=38571.43kg/h
    锅炉燃料消耗量即循环吸热量之一：q1=M=27825kw(23.93x4.1868x106kJ/h)
    循环吸热量之二：q1’=5777kw
    循环供应 ：
    ψ=27825x0.95+71919[0.314x4.1868x220-(25+273)x0.314x4.1868xln
(273+220/(273+25))x1/3600=28272.07kw
    锅炉给水温度:t4=168℃
    循环放热量即通过冷凝器被冷却水带走热量： q2=21602kw(18.58x4.1868x106kJ/h)
    循环热效率(不计废热): η=43.12%,循环效率(不计废热) ηψ=45.4%
   循环热效率(计废热): η=35.71%,循环效率(不计废热) ηψ=42.44%
   需要的废热量： Q=Z1(h4-h3)/3600=5777kw(4.96x4.1868x106kJ/h)=71919x0.314x4.1868x1/3600
   将抽汽回热循环、朗肯循环、废热取代抽汽回热的循环计算结果比较列于表二
    表二：抽汽回热循环、朗肯循环、废热取代抽汽回热的循环指标对比表
       
    从表上可以看出，由于用废热取代了汽轮机回热抽汽，使废热取代抽汽回热的循环综合了抽汽回热循环锅炉给水温度高而降低锅炉燃料消耗量、朗肯循环所需锅炉产汽量少从而比抽汽回热循环锅炉燃料消耗更进一步减少的优点，综合作用的结果是在发电功率相同的条件下废热取代抽汽回热循环的锅炉燃料消耗量比抽汽回热循环减少8.9%，比朗肯循环减少17.19%,而系统效率则比没有利用余热的抽汽回热循环提高（42.44-41.35）/41.35%=2.6%、更比朗肯循环提高（42.44-37.59）/37.59%=12.9%,这对火力发电厂及余热利用方式的确定有十分重要的意义。
    根据上述分析，对于抽汽回热循环：汽轮机抽汽的做功能力为1663.5kw(对于第一级抽汽，抽汽参数为：抽汽量5900kg/h、压力0.804Mpa、温度230℃、焓hⅠ=2910KJ/kg,发电能力为5900（2910-2180）/3600=1196.3kw，每kw发电能力消耗蒸汽5900/1196.3=4.93kg/kw;对于第二级抽汽，抽汽参数为：抽汽量980kg/h、压力0.209Mpa、温度125℃即饱和温度、焓hⅡ=2650KJ/kg,发电能力为980（2650-2180）/3600=127.9kw，每kw发电能力消耗蒸汽980/127.9=7.66kg/kw;对于第三级抽汽，抽汽参数为：抽汽量4070kg/h、压力0.075Mpa、温度91℃--饱和温度、焓hⅢ=2480KJ/kg,发电能力为4070（2480-2180）/3600=339.3kw，每kw发电能力消耗蒸汽4070/339.3=11.99kg/kw,由于抽汽用于加热汽机冷凝水（锅炉给水）使发电能力损失掉，但由此给我们一个提示：如果有合适温度的废热，用此废热生产一定量的相似于回热抽汽参数的蒸汽后补入汽轮机无疑会增加汽轮机的发电功率，也必将提高循环系统效率。
    对于水泥窑废气余热发电，从上述2.2、2.3条的分析可以得出构成余热发电热力循环系统的四点原则：
    a.利用相对高温的废气余热应尽量生产相对高压、高温的蒸汽以减少换热温差、提高效率；
    b.对于中低温废气余热，应首先考虑用低温废气余热取代汽轮机的回热抽汽；当低温废气余热量过于大时，利用剩余的低温废气余热连同中温废气余热再生产中低压蒸汽并按蒸汽压力分别补入补燃锅炉或补入汽轮机，按此原则同样可以获得最高的循环效率。
    c.对于低温废气余热，如果为纯余热电站，则应考虑按废气温度的不同将废气余热全部用来生产不同压力、温度的蒸汽并按压力分别通补入汽机不同压力的进汽口，按此原则也可以获得最高的循环效率。
    d.对于废气余热发电，其循环热效率是不可能高于朗肯循环热效率的，而且用循环热效率来评价余热发电热力系统首先是不科学的、其次也是没有实际意义的，能够真实反映余热发电热力系统技术水平及热能—动力转换效果的应为而且也仅为：“ 效率”（即效率=发电功率/废气余热总）并且将大大高于循环热效率。
    上述四点结论是指导余热发电热力系统及设备设计的基础，是确定余热发电热力系统的理论基础，按此确定的余热发电热力系统我们称为余热发电热力循环系统，热力循环称为余热发电循环。
（中国水泥网 转载请注明出处）