标题：余热发电闪蒸热力系统
简介
目前水泥行业在全国范围内已经建设和正在建设的纯低温余热电站达40多座，其中绝大部分由天津院设计，并且绝大部分为单压系统，即水泥线的窑头和窑尾余热锅炉只生产相同或相近参数的主蒸汽，在汽轮机房混合后进入汽轮机作功发电。已经建成的余热电站中，应用闪蒸技术的仅有四套机组：应用日本技术的宁国水泥厂两套，二是山东某企业一套以及江西亚东。其中宁国水泥厂余热电站运行正常，山东的某企业据说已经投运，但未见运行状况的相关报道。
天津水泥设计院于2001年开始了闪蒸余热发电的研究，并于2002年在河南某企业补燃电站中运用了闪蒸技术。但是由于低压蒸汽发生器的控制以及补汽式汽轮机的设计均存在问题，使得闪蒸出的低压补汽运行没有达到预期的效果。那么目前由于闪蒸余热发电系统能更大程度的吸收和利用低温废气余热，从而在一定程度上可提高余热发电功率，因此得到越来越多的学者和业主的认可。
应用闪蒸技术的纯低温余热电站到底效率如何，以及在什么条件下考虑建设闪蒸余热电站，目前在大家心目中还没有个清晰的概念。笔者根据从事余热发电的设计及研究工作，就这方面与大家做一探讨。
原理
基本概念①．闪蒸：一定压力下的凝结水或锅炉水被降压，部分水分吸收显热进行的二次蒸发，所得到的蒸汽就是闪蒸蒸汽。
②．饱和水温度：当水在一定压力下加热至一定的温度，再加热水温不再升高而只是将水转化成蒸汽，此水叫饱和水，此温度即为饱和水温度。大气压下的饱和水温度为100℃，压力越高饱和水温度越高。
③．显热：饱和水所包含的热量，温度越高显热越高。所以，压力越高饱和水显热越高。
④．潜热：将饱和水转化成蒸汽所需要的热量。闪蒸机理①．闪蒸机理：当高压下的凝结水的压力被降低时，部分显热就被释放出来，这部分热量就会以潜热的方式被水吸收，引起部分水的蒸发。
②．闪蒸比：闪蒸蒸汽和高压凝结水的质量比：
Rf = (SH － SL) / H * 100% Rf：闪蒸比
SH：单位质量下高压凝结水的显热
SL：单位质量下被降压后凝结水的显热
H：低压蒸汽所含的潜热闪蒸应用领域闪蒸原理在聚酯，酿酒，医药，石化，海水淡化等行业中有非常广泛的应用。电站中的疏水扩容器、连续排污扩容器、疏水膨胀箱的设备也是应用了闪蒸理论。
热力系统构成
闪蒸余热发电系统就是在发电热力系统配置中应用了闪蒸机理，其概念属于热力学范畴，即：根据废气余热品质的不同而生产一定压力的主蒸汽和及热水，主蒸汽进入汽轮机高压进汽口，而热水经过闪蒸，生产出低压的饱和蒸汽，补入补汽式汽轮机的低压进汽口，主蒸汽及低压蒸汽在汽轮机内作功，推动汽轮机转动，共同生产电能。低压蒸汽发生器内的饱和水进入除氧器，与冷凝水一起经除氧后由给水泵供给锅炉。图1、图2、图3为三种含有一级闪蒸配置的发电系统。
图1.一级闪蒸发电系统
（窑头余热锅炉生产闪蒸热水）
图2.一级闪蒸发电系统（窑头余热锅炉生产低温热水，再经窑尾余热锅炉加热成闪蒸热水）
图3.一级闪蒸发电系统
（窑头窑尾余热锅炉生产相同参数的热水）
上述三种含有闪蒸配置的发电系统，是根据废气余热的不同尤其是余热锅炉允许的排烟温度的不同而进行设计的，图1系统可用于窑尾排烟温度较高的情况；图2系统用于窑尾余热锅炉生产一定参数的主蒸汽后还有大量余热可以利用，但最终排烟温度又不能很抵的情况；图三系统是一种比较灵活的配置方式，窑头和窑尾锅炉汽水系统相对独立，它可以适应图1系统和图2系统的烟气情况，更可以适应窑尾废气不用于物料烘干或者物料烘干温度可以很低的情况。图三所示系统可更有效地适应水泥窑废气的波动。
计算分析
热力系统的确定是在理论基础上，通过热力计算，对结果进行分析并优化而成的。下面以某厂为例，计算出各压力等级下单压和一级闪蒸余热发电系统（图3所示系统）的发电能力。
某厂，其余热条件如下：窑头中部取风后有153000m3(标)/h-360℃的废气进入窑头余热锅炉；窑尾出C1筒的废气参数为330000m3(标)/h-340℃，可全部进入窑尾余热锅炉。窑尾余热锅炉的出口废气温度不应低于220℃，用于后续的生料烘干。
发电能力变化（循环参数不同） 表1
锅炉主蒸汽压力等级
项目单位2.5MPa
单压1.35MPa
单压2.5MPa
一级闪蒸1.6MPa
一级闪蒸余热锅炉主蒸汽温度℃320320320320余热锅炉主蒸汽焓值kJ/kg3058.63086.83058.63078.5余热锅炉锅筒对应的饱和温度℃227.07196.69227.07209.00汽轮机主蒸汽压力MPa2.351.252.351.5汽轮机主蒸汽温度℃310310320320汽轮机低压蒸汽压力MPa－－0.20.2汽轮机低压蒸汽温度℃－－120120SP炉余热锅炉进口废气流量Nm/h330000330000330000330000余热锅炉进口废气温度℃340340340340主蒸汽流量kg/h21783233862155724436主蒸汽温度℃320320320320蒸汽段给水温度℃170170200200至低压蒸汽发生器热水流量kg/h－－150002000至低压蒸汽发生器热水温度℃－－200200废气出口温度（用于烘干）℃230200200200热水段给水温度℃－－75.348.4AQC炉余热锅炉进口废气流量Nm/h152800152800152800152800余热锅炉进口废气温度℃360360360360主蒸汽温度℃320320350350主蒸汽流量kg/h106371244910292.711383.4给水温度℃404075.348.4至低压蒸汽发生器热水流量kg/h－－150003000至低压蒸汽发生器热水温度℃－－200200余热锅炉废气出口温度（进窑头电收尘器）℃126.191.697.481.6蒸汽发生器总热水量kg/h－－300005000热水温度℃－－200200热水压力MPa－－32.2热水焓值kJ/kg－－852.79852.46低压蒸汽产量kg/h－－4847807低压蒸汽压力MPa－－0.20.2低压蒸汽温度℃－－120120低压蒸汽焓值kJ/kg－－2706.32706.3低压蒸汽干度
－－0.980.98低压热水温度℃－－120120低压热水流量kg/h－－251534193低压热水焓值kJ/kg－－504.12504.12散蒸器的压力下的汽化潜热kJ/kg－－2202.182202.18低压蒸汽理论发电功率kW－－49783汽汽轮机轮机汽轮机主蒸汽进汽压力MPa2.351.252.351.5汽轮机主蒸汽进汽流量kg/h32420358353184935819汽轮机排汽压力MPa0.0080.0080.0080.008汽轮机排汽温度℃41.541.541.541.5汽轮机(含发电机)总效率%77.577.577.577.5主进汽理论汽耗率kg/kWh4.9675.3954.8755.153主蒸汽发电能力kW6527664265336951总发电能力kW6527664270307034
以上计算基于如下条件：
①. 汽轮机及发电机整体效率77.5%。
②. 汽轮机排汽压力为0.008MPa。
③.   闪蒸系统锅炉给水温度与锅炉排烟温度之差大于20℃。
④. 主蒸汽汽耗率、低压蒸汽汽耗率的值按理论计算值选取。
通过表格中的计算结果可以看出：
a. 闪蒸发电系统的发电能力大于单压系统。主蒸汽压力1.6MPa闪蒸系统发电能力比主蒸汽压力1.35MPa的单压系统多6%。
b. 窑尾余热锅炉主蒸汽产量，主蒸汽压力1.6MPa闪蒸系统大于主蒸汽压力2.5MPa时的闪蒸系统。
这是由于主蒸汽压力2.5MPa系统的窑尾余热锅炉汽包饱和压力大、饱和温度高导致的锅炉蒸汽段排烟温度高，使得2.5MPa系统生产的蒸汽量少。
c. 窑尾余热锅炉闪蒸热水产量，主蒸汽压力1.6MPa闪蒸系统低于主蒸汽压力2.5MPa时的闪蒸系统。
由于主蒸汽压力2.5MPa系统窑尾余热锅炉生产的主蒸汽量少，因此主蒸汽段排烟温度升高，导致热水段可利用的热量多，因此可生产更多的闪蒸用的热水。
另外还有如下原因：
对于一级闪蒸热水的生产，当提高热水工作压力时，可提高对应的饱和温度（不同压力下对应的饱和温度见表3），因此可以提高低压蒸汽发生器的进水温度，增加低压蒸汽发生器的输入的热量。这样在提高管道运行稳定性的同时，可以提高低压蒸汽产量。表2为1000kg不同压力等级的热水经低压蒸汽发生器后可能生产的最大的余热发电量。
表2
序号计算项目单位数据数据数据数据数据数据1汽轮机进汽的主蒸汽压力MPa0.60.81.01.251.52.352低压蒸汽发生器进口热水流量kg/h1000100010001000100010003低压蒸汽发生器进口最高的热水温度℃166.05173.35179.85187.11197.24213.844低压蒸汽发生器进口热水压力MPa1.151.351.551.82.23.05低压蒸汽发生器进口热水热水焓值kJ/kg789.70822.30851.52884.41930.811008.206低压蒸汽温度℃1201201201201201207低压蒸汽压力MPa0.20.20.20.20.20.28低压蒸汽焓值kJ/kg2706.32706.32706.32706.32706.32706.39低压蒸汽干度%98989898989810低压蒸汽发生器压力下的汽化潜热kJ/kg2202.182202.182202.182202.182202.182202.1811低压蒸汽产量kg/h132.33147.43160.97176.21197.71233.5712低压热水温度℃12012012012012012013低压热水焓值kJ/kg504.12504.12504.12504.12504.12504.1214低压热水流量kg/h867.67852.57839.03823.79802.29766.4315低压蒸汽发电功率kW11.41512.71813.88615.20117.05620.14916低压蒸汽比率%13.2314.7416.1017.6219.7723.36
注：低压蒸汽发生器给水温度的确定：为了保证管道在不汽化情况下安全运行，低压蒸汽发生器进口热水温度取值低于管道工作压力对应的饱和温度20℃。
不同压力对应的饱和温度 表3
压力0.70.91.11.351.752.5温度164.96175.36184.07193.35205.72223.94
d. 窑头余热锅炉主蒸汽产量，主蒸汽压力1.6MPa闪蒸系统也大于主蒸汽压力2.5MPa时的闪蒸系统。
e. 窑头余热锅炉闪蒸热水产量，主蒸汽压力1.6MPa闪蒸系统也低于主蒸汽压力2.5MPa时的闪蒸系统。
f. 主蒸汽压力1.6MPa闪蒸系统窑头余热锅炉排烟温度低于主蒸汽压力2.5MPa时的闪蒸系统。
由于1.6MPa闪蒸系统窑头余热锅炉生产的用于闪蒸的热水量少，因此低压蒸汽发生器产生的低压热水量少，因此1.6MPa闪蒸系统窑头余热锅炉的给水温度低，因此可以降低余热锅炉排烟温度。
g. 在汽轮机主蒸汽都是320℃的情况下，主蒸汽压力1.6MPa闪蒸系统发电能力大于主蒸汽压力2.5MPa时的闪蒸系统发电系统。
这是一个不确定的结论，不同废气参数下，可能计算结果会不同。具体的水泥厂，应根据具体的废气参数进行比较确定。
5. 目前闪蒸余热发电系统国产化存在的问题及注意事项
a．补汽式汽轮机的设计及制造
补汽式汽轮机又称混压进汽式汽轮机，据不完全统计，应用补汽式汽轮机建设的余热电站有六套（宁国两套、山东某企业一套、天津院设计的有三套），目前除宁国水泥厂余热电站日本供货的汽轮机外，其他混压进汽汽轮机都没有达到预其目的，补汽不能正常、稳定地投入运行。
补汽式汽轮机由于补汽的存在使得排汽流量大于与主蒸汽流量，所以在补汽式汽轮机设计中最重要的是加大低压缸的通流面积，而一些补汽式汽轮机之所以存在困难，就是没有作到这一点。
另外，汽轮机补汽口要考虑调节配汽等机构，要适应补汽参数及补汽量随水泥窑的波动而变化。
b．闪蒸发电系统控制问题
主蒸汽进汽阀与低压进汽阀之间的联锁、保护、控制、调节关系要适应安全生产运行要求。
低压蒸汽发生器进水温度和进水量发生变化时，低压蒸汽的压力变化以及蒸汽量变化，以及低压热水温度和流量发生变化，都会对整套系统产生影响。
c．发展汽水两相流理论
汽水两相流理论应用到闪蒸余热电站闪蒸热水的输送设计中，并充分考虑输送管道在输送两相流时的安全性以及低压蒸汽发生器进水为两相流时低压蒸汽发生器的安全性。
6．结论
a. 对于水泥窑余热利用，应尽可能的用较高温度段的废气生产作功能力强的主蒸汽，剩下的较低温度的废气，尽可能生产较多的热水，用来一级闪蒸，生产低压蒸汽用来增加余热发电量。
b. 闪蒸余热发电系统中：尽可能生产较高参数的主蒸汽，是为了在质上利用余热；尽可能生产较高温度的热水，为了在量上最大程度利用余热。
c. 余热锅炉生产的用于闪蒸的热水越多，低压蒸汽发生器排水量增多，导致余热锅炉给水温度越高，导致余热锅炉排烟温度升高，导致余热利用量减少。
d. 不是任何水泥窑都适合建设闪蒸余热电站，在发电量上占优势，在投资上可能不占优势。
e. 闪蒸系统比较单压系统，可以增加发电功率。多级闪蒸系统可以带来能量的最大利用以及可降低末级低压发生器的排水温度，可降低余热锅炉的排烟温度，使得最大程度的吸收余热。
f. 国产补汽式汽轮机的技术成熟度急待提高。
6．结论
g. 对于水泥窑余热利用，应尽可能的用较高温度段的废气生产作功能力强的主蒸汽，剩下的较低温度的废气，尽可能生产较多的热水，用来一级闪蒸，生产低压蒸汽用来增加余热发电量。
h. 闪蒸余热发电系统中：尽可能生产较高参数的主蒸汽，是为了在质上利用余热；尽可能生产较高温度的热水，为了在量上最大程度利用余热。
i. 当窑尾用于生料烘干的废气温度较高时，不能牵强采用闪蒸系统，否则影响发电量。
j. 对于一级闪蒸系统，余热锅炉生产的用于闪蒸的热水越多，低压蒸汽发生器排水量增多，导致余热锅炉给水温度越高，导致余热锅炉排烟温度升高，导致余热利用量减少。采取多级闪蒸系统可降低末级闪蒸器出水温度。
k. 因闪蒸系统需要增加投资，因此需进行技术经济比较，来确定是否采用闪蒸系统。
l. 闪蒸系统在一定条件下，比单压系统增加发电功率。
m. 国产补汽式汽轮机的技术成熟度急待提高。