水泥工業(yè)中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備(下)

杭州易達(dá)工程技術(shù)有限公司 唐金泉 · 2005-11-10 00:00 留言
    對(duì)于圖八所示理想的帶有三級(jí)回?zé)岬难h(huán)系統(tǒng),在假設(shè)鍋爐產(chǎn)氣量為Z1(kg/h)而消耗的燃料為煤及部分廢氣余熱(廢氣量為V,溫度為t,比熱為CF,環(huán)境溫度為t0=25℃)的條件下,各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算如下:
    循環(huán)發(fā)電功率:
    De=(1/3600)[Z1(h1-hⅠ)+(Z1-α1Z1)(hⅠ-hⅡ)+(Z1-α1Z1-α2Z1)( hⅡ
-hⅢ)+(Z1-α1Z1-α2Z1-α3Z1)(hⅢ-h2)]                                (1)
    回?zé)岢槠哂械陌l(fā)電能力:
    Ds=(1/3600)[ α1Z1(h1-h2)+ α2Z1(hⅡ-h2)+ α3Z1(hⅢ-h2)]       (2)
    循環(huán)耗功(給水泵、凝結(jié)水泵):Dg—忽略不計(jì)
    循環(huán)吸熱量之一即鍋爐燃料消耗量:
    q1=M=(Z1/3600)(h1-h4)                                      (3)
    循環(huán)吸熱量之二即廢氣余熱量:
    q1’=V•T•CF•(1/3600)                                  (2’)
    循環(huán)供應(yīng):
    ψ=0.95q1+[CF•t-(t0+273) CF•ln(t+273)/(t0+273)]V/3600   (2”) 
    循環(huán)放熱量即通過(guò)冷凝器被冷卻水帶走的熱量:
    q2=(Z2/3600)(h2-h3)                                    (4)
    汽輪機(jī)排汽量:
    Z2=Z1(1-α1-α2-α3)                                 (5)
    循環(huán)熱效率:
    η=(q1-q2)/q1                                        (6)
    循環(huán)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                   
    假設(shè):一臺(tái)12000kw汽輪機(jī)及一臺(tái)燃料鍋爐(不利用余熱,即V=0) 按圖七組成一個(gè)三級(jí)回?zé)嵫h(huán),循環(huán)系統(tǒng)各點(diǎn)參數(shù)如下:
0. De=12000kw
1. 汽輪機(jī)進(jìn)汽(鍋爐產(chǎn)汽):
   h1=3300kJ/kg,t1=435℃,P1=3.43Mpa
2. 汽輪機(jī)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級(jí)回?zé)岢槠?
hⅢ=2480kJ/kg,tⅢ=91℃,PⅢ=0.075Mpa α3Z1=4070kg/h
Ⅱ. Ⅱ級(jí)回?zé)岢槠?
hⅡ=2650kJ/kg,tⅡ=125℃,PⅡ=0.209Mpaα2Z1=980kg/h
Ⅰ. Ⅰ級(jí)回?zé)岢槠?
hⅠ=2910kJ/kg,tⅠ=230℃,PⅠ=0.804Mpaα1Z1=5900kg/h
3’. Ⅲ級(jí)回?zé)峒訜崞髂Y(jié)水出水:
h3’=368kJ/kg,t3’=88℃
3’’.Ⅱ級(jí)回?zé)峒訜崞髂Y(jié)水出水:
h3’’=435kJ/kg,t3’’=104℃
h3’’’. Ⅰ級(jí)回?zé)峒訜崞髂Y(jié)水出水:
h3’’’=703kJ/kg,t3’’’=168℃
4. 鍋爐給水: h4=703kJ/kg,t4=168℃,P4=3.43MPa
    將上述各點(diǎn)參數(shù)代入式(1)、(2)、(2’)、(2’’)、(3)、(4)、(5)、(6)、(6’)后計(jì)算得出:
    汽輪機(jī)發(fā)電功率:De=12000kw
    汽輪機(jī)進(jìn)汽量(鍋爐產(chǎn)汽量):Z1=42343.66kg/h
    回?zé)岢槠烤哂械陌l(fā)電能力:Ds=1663.5kw
    循環(huán)吸熱量(鍋爐燃料消耗量):
    q1=M=30546.25kW(26.27x4.1868x106kJ/h
    循環(huán)供應(yīng)?。害?29018.9kw
    循環(huán)放熱量即通過(guò)冷凝器被冷卻水帶走熱量:
    q2=18679.9kw(16.06x4.1868x106kJ/h)
    汽輪機(jī)排汽量:Z2=33353.66kg/h
    循環(huán)熱效率:η=38.85%
    循環(huán)效率:ηψ=41.35%
    對(duì)于上述循環(huán),假設(shè)將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)抽汽回?zé)彡P(guān)閉,即沒(méi)有抽汽回?zé)幔ú焕贸槠訜徨仩t給水)則其形成了朗肯循環(huán),參數(shù)有變化的各點(diǎn)如下:
    Ⅲ.Ⅲ級(jí)回?zé)岢槠簠?shù)均為0
    Ⅱ.Ⅱ級(jí)回?zé)岢槠?;參?shù)均為0
    Ⅰ.Ⅰ級(jí)回?zé)岢槠簠?shù)均為0
    3’.Ⅲ級(jí)回?zé)峒铀鞒鏊篽3’=163.8Kj/Kg,t3’=39.02℃
    3’’. Ⅱ級(jí)回?zé)峒訜崞鞒鏊篽3’’=163.8 kJ/kg,t3’’=39.02℃
    3’’’.Ⅰ級(jí)回?zé)峒訜崞鞒鏊篽3’’’=163.8kJ/kg,t3’’’=39.02℃
4.鍋爐給水:h4=163.8kJ/kg,t4=39.02℃,P4=3.43MPa
    將上述各點(diǎn)(包括有回?zé)嵫h(huán)中參數(shù)無(wú)變化的各點(diǎn)參數(shù))代入式(1)、(2)、(2’)、(2’’)、(3)、(4)、(5)、(6)、(6’)后計(jì)算得出:
    汽輪機(jī)發(fā)電功率:De=12000kw
    汽輪機(jī)進(jìn)汽量(鍋爐產(chǎn)汽量):Z1=38571.43kg/h
    回?zé)岢槠哂械陌l(fā)電能力:Ds=0kw
    循環(huán)吸熱量(鍋爐燃料消耗量):q1=M=33602KW(28.9x4.1868x106KJ/h
    循環(huán)供應(yīng)?。害?31922kw
    循環(huán)放熱量即通過(guò)冷凝器被冷卻水帶走熱量q2=21602.1kw(18.58x4.1868x106kJ/h)
    汽輪機(jī)排汽量:Z2=Z1=38571.43kg/h
    循環(huán)熱效率:η=35.71%
    循環(huán)效率:ηψ=37.59%
    對(duì)上述理想的三級(jí)抽汽回?zé)嵫h(huán)與朗肯循環(huán)對(duì)比計(jì)算結(jié)果分析如下:
(1) 對(duì)于有三級(jí)抽汽回?zé)岬难h(huán):
    汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電功率為12000kw 時(shí):
    汽輪機(jī)進(jìn)汽量Z1為42343.66kg/h
    鍋爐消耗燃料量q1=M為:30546.25kw
    循環(huán)供應(yīng)ψ為:29018.9kW
    鍋爐給水溫度t4為:168℃
    汽機(jī)抽汽具有的Ds=1663.5kw發(fā)電能力沒(méi)有發(fā)電而用于加熱汽機(jī)凝結(jié)水(鍋爐給水)使鍋爐給水溫度由39.02℃提高至168℃。
    系統(tǒng)循環(huán)熱效率η為38.85%,循環(huán)效率ηψ為41.35%。
(2)對(duì)于沒(méi)有抽汽回?zé)岬睦士涎h(huán):
    汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電能力為12000kw時(shí):
    汽輪機(jī)主進(jìn)汽量Z1為38571.43kg/h(比有回?zé)嵫h(huán)時(shí)少3772.23kg/h,9.8%)
    鍋爐燃料消耗量為:q1=M=33602.1kw(比有回?zé)嵫h(huán)時(shí)多3055.8kw,9.1%)
    循環(huán)供應(yīng)ψ為:31922kw(比有回?zé)釙r(shí)多2903.1kw)
    鍋爐給水溫度t4為:39.02℃
    系統(tǒng)循環(huán)熱效率η為:35.71%,循環(huán)效率ηψ為37.59%
    上述兩個(gè)循環(huán)能夠得到的發(fā)電功率同樣為12000kw,對(duì)于有抽汽回?zé)岬难h(huán),雖然汽機(jī)抽汽所具有的Ds=1663.5kw發(fā)電能力沒(méi)有發(fā)電使汽機(jī)進(jìn)汽量Z1比沒(méi)有抽汽回?zé)岬睦士涎h(huán)多9.8%,但由于抽汽用來(lái)加熱汽機(jī)凝結(jié)水(鍋爐給水),將鍋爐給水溫度t4由沒(méi)有抽汽回?zé)岬睦士涎h(huán)的39.02℃提高至抽汽回?zé)嵫h(huán)的168℃,反而使鍋爐燃料消耗量比沒(méi)有抽汽回?zé)岬睦士涎h(huán)下降了9.1%,其綜合作用結(jié)果是使抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)的循環(huán)熱效率比沒(méi)有回?zé)岬睦士涎h(huán)熱效率提高了38.85%-35.71%=3.14%,循環(huán)效率提高了41.35%-37.59%=3.76%。
    取得上述結(jié)果的直接原因是由于抽汽回?zé)嵫h(huán)的抽汽將汽機(jī)凝結(jié)水加熱至168℃,即鍋爐給水溫度t4由39.02℃提高至168℃所致,對(duì)于消耗有用燃料的熱電廠來(lái)講,雖然采用抽汽回?zé)嵫h(huán)時(shí)要求鍋爐產(chǎn)汽量相對(duì)(朗肯循環(huán))較大,但由于提高了鍋爐給水溫度,在發(fā)電功率相同的條件下鍋爐燃料消耗量是下降的(提高了循環(huán)熱效率),因此采用抽汽回?zé)嵫h(huán)是有經(jīng)濟(jì)意義的。
(3)假設(shè)有V=71919Nm3/h、t=220℃、CF=0.314x4.1868kJ/Nm3℃的廢氣,其所含熱量足以能夠?qū)㈠仩t給水溫度由39.02℃提高至168℃而將各級(jí)抽汽關(guān)閉時(shí)(暫時(shí)稱為:廢熱取代抽汽回?zé)岬难h(huán)),循環(huán)系統(tǒng)各點(diǎn)參數(shù)改變?nèi)缦拢?BR>    0.De=12000kw
    1.汽輪機(jī)進(jìn)汽(鍋爐產(chǎn)汽):h1=3300kJ/Kg,t1=435℃,P1=3.43Mpa
    2.汽輪機(jī)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級(jí)回?zé)岢槠簠?shù)均為0
    Ⅱ.Ⅱ級(jí)回?zé)岢槠簠?shù)均為0
    Ⅰ.Ⅰ級(jí)回?zé)岢槠簠?shù)均為0
    3’. Ⅲ級(jí)回?zé)峒訜崞髂Y(jié)水出水:h3’=368kJ/kg,t3’=88℃(熱源為:廢熱)
    3’’. Ⅱ級(jí)回?zé)峒訜崞髂Y(jié)水出水:h3’’=435kJ/kg,t3’’=104℃(熱源為
廢熱)
    3’’’. Ⅰ級(jí)回?zé)峒訜崞髂Y(jié)水出水:h3’’’=703kJ/kg,t3’’’=168℃(熱源為:廢熱)
4.鍋爐給水. h4=703kJ/kg, t4=168℃,P4=3.43Mpa
    將上述各點(diǎn)參數(shù)代入式(1)、(2)、(2’)、(2’’)、(3)、(4)、(5)、(6)、(6’)后計(jì)算得出:
    汽輪機(jī)發(fā)電功率:De=12000kw
    汽輪機(jī)進(jìn)氣量(鍋爐產(chǎn)氣量):Z1=38571.43kg/h
    鍋爐燃料消耗量即循環(huán)吸熱量之一:q1=M=27825kw(23.93x4.1868x106kJ/h)
    循環(huán)吸熱量之二:q1’=5777kw
    循環(huán)供應(yīng) :
    ψ=27825x0.95+71919[0.314x4.1868x220-(25+273)x0.314x4.1868xln
(273+220/(273+25))x1/3600=28272.07kw
    鍋爐給水溫度:t4=168℃
    循環(huán)放熱量即通過(guò)冷凝器被冷卻水帶走熱量: q2=21602kw(18.58x4.1868x106kJ/h)
    循環(huán)熱效率(不計(jì)廢熱): η=43.12%,循環(huán)效率(不計(jì)廢熱) ηψ=45.4%
   循環(huán)熱效率(計(jì)廢熱): η=35.71%,循環(huán)效率(不計(jì)廢熱) ηψ=42.44%
   需要的廢熱量: Q=Z1(h4-h3)/3600=5777kw(4.96x4.1868x106kJ/h)=71919x0.314x4.1868x1/3600
   將抽汽回?zé)嵫h(huán)、朗肯循環(huán)、廢熱取代抽汽回?zé)岬难h(huán)計(jì)算結(jié)果比較列于表二
    表二:抽汽回?zé)嵫h(huán)、朗肯循環(huán)、廢熱取代抽汽回?zé)岬难h(huán)指標(biāo)對(duì)比表
       
    從表上可以看出,由于用廢熱取代了汽輪機(jī)回?zé)岢槠?,使廢熱取代抽汽回?zé)岬难h(huán)綜合了抽汽回?zé)嵫h(huán)鍋爐給水溫度高而降低鍋爐燃料消耗量、朗肯循環(huán)所需鍋爐產(chǎn)汽量少?gòu)亩瘸槠責(zé)嵫h(huán)鍋爐燃料消耗更進(jìn)一步減少的優(yōu)點(diǎn),綜合作用的結(jié)果是在發(fā)電功率相同的條件下廢熱取代抽汽回?zé)嵫h(huán)的鍋爐燃料消耗量比抽汽回?zé)嵫h(huán)減少8.9%,比朗肯循環(huán)減少17.19%,而系統(tǒng)效率則比沒(méi)有利用余熱的抽汽回?zé)嵫h(huán)提高(42.44-41.35)/41.35%=2.6%、更比朗肯循環(huán)提高(42.44-37.59)/37.59%=12.9%,這對(duì)火力發(fā)電廠及余熱利用方式的確定有十分重要的意義。
    根據(jù)上述分析,對(duì)于抽汽回?zé)嵫h(huán):汽輪機(jī)抽汽的做功能力為1663.5kw(對(duì)于第一級(jí)抽汽,抽汽參數(shù)為:抽汽量5900kg/h、壓力0.804Mpa、溫度230℃、焓hⅠ=2910KJ/kg,發(fā)電能力為5900(2910-2180)/3600=1196.3kw,每kw發(fā)電能力消耗蒸汽5900/1196.3=4.93kg/kw;對(duì)于第二級(jí)抽汽,抽汽參數(shù)為:抽汽量980kg/h、壓力0.209Mpa、溫度125℃即飽和溫度、焓hⅡ=2650KJ/kg,發(fā)電能力為980(2650-2180)/3600=127.9kw,每kw發(fā)電能力消耗蒸汽980/127.9=7.66kg/kw;對(duì)于第三級(jí)抽汽,抽汽參數(shù)為:抽汽量4070kg/h、壓力0.075Mpa、溫度91℃--飽和溫度、焓hⅢ=2480KJ/kg,發(fā)電能力為4070(2480-2180)/3600=339.3kw,每kw發(fā)電能力消耗蒸汽4070/339.3=11.99kg/kw,由于抽汽用于加熱汽機(jī)冷凝水(鍋爐給水)使發(fā)電能力損失掉,但由此給我們一個(gè)提示:如果有合適溫度的廢熱,用此廢熱生產(chǎn)一定量的相似于回?zé)岢槠麉?shù)的蒸汽后補(bǔ)入汽輪機(jī)無(wú)疑會(huì)增加汽輪機(jī)的發(fā)電功率,也必將提高循環(huán)系統(tǒng)效率。
    對(duì)于水泥窯廢氣余熱發(fā)電,從上述2.2、2.3條的分析可以得出構(gòu)成余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)的四點(diǎn)原則:
    a.利用相對(duì)高溫的廢氣余熱應(yīng)盡量生產(chǎn)相對(duì)高壓、高溫的蒸汽以減少換熱溫差、提高效率;
    b.對(duì)于中低溫廢氣余熱,應(yīng)首先考慮用低溫廢氣余熱取代汽輪機(jī)的回?zé)岢槠?;?dāng)?shù)蜏貜U氣余熱量過(guò)于大時(shí),利用剩余的低溫廢氣余熱連同中溫廢氣余熱再生產(chǎn)中低壓蒸汽并按蒸汽壓力分別補(bǔ)入補(bǔ)燃鍋爐或補(bǔ)入汽輪機(jī),按此原則同樣可以獲得最高的循環(huán)效率。
    c.對(duì)于低溫廢氣余熱,如果為純余熱電站,則應(yīng)考慮按廢氣溫度的不同將廢氣余熱全部用來(lái)生產(chǎn)不同壓力、溫度的蒸汽并按壓力分別通補(bǔ)入汽機(jī)不同壓力的進(jìn)汽口,按此原則也可以獲得最高的循環(huán)效率。
    d.對(duì)于廢氣余熱發(fā)電,其循環(huán)熱效率是不可能高于朗肯循環(huán)熱效率的,而且用循環(huán)熱效率來(lái)評(píng)價(jià)余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)首先是不科學(xué)的、其次也是沒(méi)有實(shí)際意義的,能夠真實(shí)反映余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)技術(shù)水平及熱能—?jiǎng)恿D(zhuǎn)換效果的應(yīng)為而且也僅為:“ 效率”(即效率=發(fā)電功率/廢氣余熱總?。┎⑶覍⒋蟠蟾哂谘h(huán)熱效率。
    上述四點(diǎn)結(jié)論是指導(dǎo)余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),是確定余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)的理論基礎(chǔ),按此確定的余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)我們稱為余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng),熱力循環(huán)稱為余熱發(fā)電循環(huán)。
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