水泥工業(yè)中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備

　　1、中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的研制過程與現(xiàn)狀

　　我國水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)源于二十世紀三十年代日本人在我國東北及華北地區(qū)建設(shè)的若干條中空窯高溫余熱發(fā)電站，其水泥窯廢氣溫度為800℃～900℃、熟料熱耗為6700KJ～8400KJ/kg，所配套的高溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力為每噸熟料90kW～130kW。二十一世紀八十年代末，根據(jù)水泥工業(yè)節(jié)能降耗提高企業(yè)經(jīng)濟效益的需要，結(jié)合新型干法水泥熟料煅燒技術(shù)的發(fā)展、水泥生產(chǎn)過程中的廢氣余熱溫度已降至450℃以下的條件，國家在“八·8226；五”期間安排了國家重大科技攻關(guān)項目《水泥廠中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備的研究開發(fā)》工作。針對這一項目，根據(jù)當時國內(nèi)火力發(fā)電主要設(shè)備（鍋爐、汽輪機、發(fā)電機）中的汽輪機設(shè)計、制造、材料技術(shù)的限制，國家建材局確定：項目的開發(fā)工作走兩條技術(shù)線路，其一：利用國產(chǎn)標準系列的汽輪機開發(fā)研制帶補燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備，即國家建材局委托天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院承擔的“八五”國家重大科技攻關(guān)項目課題——《帶補燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備的研究開發(fā)》；其二：開發(fā)研制適于水泥廠純中低溫余熱發(fā)電的特種汽輪機，即國家建材局委托中國建筑材料科學研究承擔的“八五”國家重大科技攻關(guān)項目課題——《雙流低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)及螺桿膨脹機的研究開發(fā)》。

　　就上述兩個課題，天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院、中國建筑材料科學研究院分別開展了各自的各項目具體工作。

　　對于天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院：

　　根據(jù)其所承擔的“八·8226；五”攻關(guān)課題任務，經(jīng)過對熱能動力循環(huán)理論及在此之前該院已經(jīng)設(shè)計投產(chǎn)的多個中空窯高溫余熱電站熱力循環(huán)系統(tǒng)及裝備在生產(chǎn)運行過程中所存在問題的細致分析和總結(jié)，結(jié)合新型干法水泥生產(chǎn)線的工藝特點、廢氣余熱品位、廢氣余熱分布、水泥生產(chǎn)系統(tǒng)與余熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合起來后的復雜性，確定了課題開發(fā)工作重點集中于如下幾個方面：（1）余熱電站的熱力循環(huán)系統(tǒng)配置研究及系統(tǒng)、設(shè)備配置計算方法的研究；（2）余熱電站內(nèi)各余熱鍋爐及補燃鍋爐的研制；（3）水泥生產(chǎn)系統(tǒng)與余熱電站系統(tǒng)間管理、操作及安全保護關(guān)系的研究；（4）余熱電站汽水管道配置及鍋爐給水除氧系統(tǒng)的研究；（5）余熱電站控制思想及計算機控制系統(tǒng)的研究；（6）帶補燃的中低溫余熱電站與純中低溫余熱電站節(jié)能效果及投資效益的比較分析研究。在確定上述研究開發(fā)工作重點的同時，確定了課題研究開發(fā)成果的應用方向——：1）利用課題開發(fā)成果為具有150℃至450℃廢氣余熱的水泥生產(chǎn)企業(yè)建設(shè)帶補燃鍋爐的中低溫余熱電站；2）一旦適于水泥窯150℃至450℃廢氣余熱的純中低溫余熱電站特種汽輪機開發(fā)研制成功，課題開發(fā)成果取消補燃鍋爐后直接采用特種汽輪機以實現(xiàn)純中低溫余熱發(fā)電。

　　天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院經(jīng)過十年的艱苦努力全面完成了課題開發(fā)工作任務，同時在國家建材局原科技司的支持下至2000年進一步完成了適于水泥窯150℃至450℃廢氣余熱的純中低溫余熱電站所需特種汽輪機混壓進汽（補汽式）汽輪機的開發(fā)研制任務，至2000年底：

　　為了確定經(jīng)濟、合理、高效的熱力循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)參數(shù)及電站汽水管路配置和除氧系統(tǒng)；為了解決余熱鍋爐所存在的磨損、漏風、集灰、爐內(nèi)換熱過程不清、換熱效果不明以至余熱鍋爐熱效率低下影響余熱發(fā)電量的問題；為了解決補燃鍋爐受熱面匹配、與余熱鍋爐的關(guān)系及補燃鍋爐主蒸汽調(diào)溫措施等問題，在天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院內(nèi)建設(shè)運行了一套2000t/d預分解窯6000kW補燃電站1：20的模型實驗線。

　　為了摸清適于水泥窯生產(chǎn)運行的立式余熱鍋爐具體結(jié)構(gòu)方式及熱力、換熱特性同時摸清立式余熱鍋爐對于廢氣溫度、廢氣粉塵的適應性，結(jié)合模型實驗線內(nèi)的實驗用立式余熱鍋爐的運行情況從而驗證實驗所獲得的數(shù)據(jù)，為蘇州南新水泥有限公司700t/d中空窯6000kW800～900℃廢氣溫度的高溫余熱電站實驗研制了國內(nèi)首臺水泥窯高溫立式余熱鍋爐。在實際生產(chǎn)運行過程中經(jīng)過對該臺余熱鍋爐的三次局部更改，自1996年實現(xiàn)了均噸熟料余熱發(fā)電量為6562KJ/kg—173kW.h/t、小時噸熟料余熱發(fā)電量為6562KJ/kg—192kW.h/t的國內(nèi)最高指標（比其它同規(guī)模、同類型水泥窯的臥式余熱鍋爐余熱電站在熟料熱耗相同的條件下，余熱發(fā)電量提高20%以上），達到了預期目的，為中低溫余熱電站高效余熱鍋爐的設(shè)計、制造奠定了理論及實用技術(shù)基礎(chǔ)。

　　利用課題開發(fā)成果建設(shè)投產(chǎn)了兩條工業(yè)實驗用以煤粉為燃料的帶補燃鍋爐的中低溫余熱電站，其一為魯南水泥廠兩條2000t/d帶有四級預熱器預分解窯的一臺12000kW凝汽式汽輪發(fā)電機的補燃余熱電站；其二為北京琉璃河水泥廠一條2000t/d帶有五級預熱器預分解窯的一臺12000kW抽汽供熱式汽輪發(fā)電機組的補燃余熱電站。兩個余熱電站先后于1996年下半年投入生產(chǎn)運行。通過這兩個電站的投入運行驗證了試驗結(jié)果并為熱力循環(huán)系統(tǒng)及參數(shù)配置、汽水管路配置、除氧系統(tǒng)配置、余熱鍋爐與補燃鍋爐參數(shù)配置及設(shè)計制造、計算機控制系統(tǒng)配置及控制思想、電站與水泥生產(chǎn)系統(tǒng)間的安全保護生產(chǎn)管理關(guān)系提供了實際經(jīng)驗。

　　通過對上述各項工作的理論總結(jié)及上述幾個工程在實際生產(chǎn)運行過程中所存在問題的分析，考慮國家資源綜合利用政策及水泥廠具有將補燃電站運行過程中補燃鍋爐產(chǎn)生的爐渣、粉煤灰做為水泥生產(chǎn)用原料的特點，在上述幾個余熱電站工程已經(jīng)正常投入生產(chǎn)運行的基礎(chǔ)上，為了將補燃鍋爐技術(shù)升級為流化床補燃鍋爐而使電站燃用煤矸石等劣質(zhì)燃料，1998年至1999年為湖北葛州壩水泥廠一條700t/d帶有五級預熱器的預分解窯及一條2000t/d帶有五級預熱器的預分解窯配套建設(shè)了一臺12000kW凝汽式汽輪機組的煤矸石補燃中低溫余熱電站。

　　在湖北葛州壩水泥廠中低溫余熱電站啟動調(diào)試過程中，通過對流化床補燃鍋爐所存在具體技術(shù)問題的進一步分析研究并通過整頓改造使整套電站于1999年10月投入正常生產(chǎn)運行。此舉標志著天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院所承擔的“八五”國家重大科技攻關(guān)課題—《帶補燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備的研究開發(fā)》任務及對課題開發(fā)成果進行技術(shù)升級的任務已全面完成。在解決了課題所確定的六個重點問題的基礎(chǔ)上形成了完整的課題開發(fā)成果《帶補燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備》，同時形成了完整的中低溫余熱電站工程設(shè)計思想及各項具體技術(shù)措施（包括裝備），為余熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)及裝備技術(shù)的進一步發(fā)展、實現(xiàn)純中低溫余熱發(fā)電及裝備技術(shù)在水泥工業(yè)的推廣應用奠定了理論及實際生產(chǎn)運行技術(shù)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院分別為河南七里崗水泥廠一條700t/d及一條1000t/d帶有五級預熱器的預分解窯、黑龍江省牡丹江水泥廠一條2000t/d帶有四級預熱器的預分解窯、杭州錢潮建材股份有限公司1000t/d帶有五級預熱器的預分解窯配套建設(shè)了以流化床為補燃鍋爐的一臺7500kW（七里崗）凝汽式汽輪發(fā)電機組、一臺12000kW（牡丹江）抽汽供熱式汽輪發(fā)電機組、一臺4500kW（杭州錢潮）混壓進汽式（補汽式）汽輪發(fā)電機組的中低溫余熱電站，目前在為河南洛陽水泥廠、吉林雙陽水泥廠、新疆屯河水泥公司配套設(shè)計以流化床為補燃鍋爐的補燃中低溫余熱電站。

　　天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院在進行上述帶補燃鍋爐的課題研究開發(fā)工作的同時，為了切實了解并掌握國外先進工業(yè)國家純中低溫余熱發(fā)電裝備技術(shù)情況，1995年承擔了由日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）贈送全套純中低溫余熱發(fā)電設(shè)備的安徽寧國水泥廠4000t/d帶有四級預熱器預分解窯的6480kW純中低溫余熱發(fā)電工程的可行性研究報告、施工圖設(shè)計、施工駐廠報務任務并參與了日方贈送設(shè)備的具體談判工作。該電站于1997年投入正常生產(chǎn)運行，經(jīng)過對窯頭熟料冷卻機冷卻風系統(tǒng)進行改造后（改造為循環(huán)風，使冷卻機余風由200℃～300℃提高至360℃），僅利用窯頭熟料冷卻機廢氣余熱（165300Nm3/h--360℃↓91℃）及窯尾預熱器廢氣余熱（258550Nm3/h—350℃↓250℃）實現(xiàn)了發(fā)電6480kW的目的。在這套純余熱發(fā)電技術(shù)裝備中，采用的汽輪機即為適于水泥窯廢氣余熱品位及余熱分布的特種汽輪機：二級低參數(shù)混壓進汽式（補汽式）汽輪機，其原理及參數(shù)見圖一。

圖一.二級混壓進汽式汽輪機原理及參數(shù)分布（日本NEDO贈送）

　　上述這臺汽輪機無論其結(jié)構(gòu)方式還是參數(shù)配置國內(nèi)是沒有先例的（在中小型汽輪機設(shè)計制造方面，在本文發(fā)表之前，國內(nèi)僅能生產(chǎn)一個進汽口—即僅為主進汽口的汽輪機，其進汽參數(shù)為1.2～1.6MPa-280～340℃、1.3MPa-340℃、1.6MPa-340℃、2.4MPa-385℃、3.43MPa-435℃等），該臺汽輪機整機內(nèi)效率為77.5%，連同發(fā)電機在內(nèi)的總效率為75.5%。該工程日方所贈送的全套設(shè)備造價約合15億日元，寧國水泥廠配套資金約2800萬元人民幣。

　　為了實現(xiàn)國產(chǎn)化裝備的純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應用，天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院在充分消化吸收日本人贈送給安徽寧國水泥廠純中低溫余熱發(fā)電全套設(shè)備中的混壓進汽式（補汽式）汽輪機設(shè)計、制造技術(shù)后，由于中國建筑材料科學研究院承擔的“八五”國家重點科技攻關(guān)課題《雙流低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)及螺桿膨脹機的研究開發(fā)》工作遇到了困難。天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院與杭州汽輪機廠、杭州錢潮建材股份公司合作于1997年承擔了國家建材局部門研究開發(fā)項目——也為中國建筑材料科學研究院“八五”國家重大科技攻關(guān)課題的延續(xù)項目——《水泥廠中低溫余熱發(fā)電專用設(shè)備——混壓進汽式（補汽式）汽輪機的研究開發(fā)》項目。經(jīng)過近兩年的研究、實驗，首臺樣機——4500kW混壓進汽式（補汽式）汽輪機應用于杭州錢潮建材股份有限公司1000t/d帶五級預熱器的預分解窯4500kW以流化床鍋爐為補燃鍋爐的中低溫余熱電站（該電站之所以仍采用補燃發(fā)電，主要考慮：一旦混壓進汽即補汽不成功，將補汽系統(tǒng)自發(fā)電熱力系統(tǒng)中切除后，電站仍能正常運行發(fā)電，除電站經(jīng)濟效益不能達到預期效果外，不致于使電站不能生產(chǎn)運行而給水泥廠造成更大的損失），該電站（包括混壓進汽系統(tǒng)）于2000年7月1日并網(wǎng)發(fā)電成功至9月6日全套電站通過生產(chǎn)運行考核，噸熟料余熱發(fā)電能力比標準單級進汽汽輪機機組提高7.2Kw以上，其汽輪機原理及參數(shù)見圖二。 

圖二.混壓進汽式汽輪機原理及參數(shù)分布（國內(nèi)研究制造）

　　這臺汽輪機的整機內(nèi)效率達到了74.4%，連同發(fā)電機在內(nèi)的總效率達到了71.5%，這臺機組在研制過程中，由于未能很好地解決速關(guān)閥及穩(wěn)定補汽參數(shù)等措施使補汽很困難（必須在補參數(shù)數(shù)基本不波動不波動的情況下才能補入汽輪機）。但盡管如此，這臺機組的試制及試運，為實現(xiàn)我國水泥工業(yè)純中低溫余熱電站全套裝備的國產(chǎn)化、為在國內(nèi)水泥工業(yè)推廣應用純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)摸索了裝備設(shè)計、制造技術(shù)經(jīng)驗（即將該臺機組的補汽技術(shù)應用到國產(chǎn)進汽參數(shù)為1.2～1.6MPa-280～340℃的一個進汽口的標準汽輪機后，可設(shè)計制造出適于水泥窯純中低溫余熱發(fā)電所需的特種汽輪機—低參數(shù)混壓進汽式（補汽式）汽輪機，與帶補燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電工藝及裝備技術(shù)結(jié)合后取消補燃鍋爐，形成完整的水泥窯純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備并可保證安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟、高效地投入生產(chǎn)運行），將在國內(nèi)水泥工業(yè)二十一世紀中低溫余熱電站熱力循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計、裝備技術(shù)設(shè)計及制造、國產(chǎn)化純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)的推廣應用方面引進革命性變化并與新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)、帶補燃鍋爐的中低溫余熱發(fā)電技術(shù)的推廣應用有同等重要的意義。項目開發(fā)成果已于2000年12月份通過了國家建材局的技術(shù)鑒定。

　　經(jīng)過從事余熱發(fā)電技術(shù)開發(fā)工作的技術(shù)人員及國內(nèi)水泥生產(chǎn)企業(yè)、余熱發(fā)電各類裝備制造企業(yè)的十余年的共同努力，目前我國水泥工業(yè)能夠安全、可靠、經(jīng)濟、高效地采用如下三種類型的余熱發(fā)電技術(shù)及裝備：（1）利用水泥窯150℃～900℃的高、中、低溫廢氣余熱進行發(fā)電，其發(fā)電能力可以達到——在每公斤水泥熟料熱耗為6562KJ的條件下，每噸水泥熟料發(fā)電能力大于195kW；（2）利用流化床補燃鍋爐技術(shù)，將水泥窯150℃～450℃的中、低溫廢氣余熱全部回收并用以發(fā)電，根據(jù)廢氣余熱溫度的不同，余熱發(fā)電能力可以達到每噸水泥熟料32～50kW；（3）利用純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)，將水泥窯150℃～450℃的廢氣余熱全部轉(zhuǎn)換為熱能，根據(jù)廢氣余熱溫度的不同，在熟料熱耗不變的條件下，每噸水泥熟料余熱發(fā)電能力為25～48kW。

　　對于中國建筑材料科學研究院：

　　根據(jù)其所承擔的課題任務，中國建筑材料科學研究院匯同天津大學等有關(guān)單位對雙流低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)及螺桿式膨脹機進行了大量的實驗研究工作，先后在實驗室內(nèi)研究開發(fā)成功了5kW及150kW的兩相流螺桿式膨脹機并開發(fā)制造出了600kW樣機，其整機內(nèi)效率達到了60%左右。由于國內(nèi)設(shè)計、制造、材料技術(shù)水平的限制，螺桿膨脹機的大型化問題目前遇到了暫時難以克服的困難。同時由于單臺機組發(fā)電能力的限制，使其難以在實際工程中推廣應用，因此這項技術(shù)的研究開發(fā)工作處于停頓狀態(tài)。

　　對于南京水泥工業(yè)設(shè)計研究院：

　　“八五”期間，南京水泥工業(yè)設(shè)計研究院沒有承擔國家的余熱發(fā)電技術(shù)攻關(guān)任務，但其在水泥窯純中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的研究、開發(fā)方面同樣做了積極的、有意義的探索，為江西萬年水泥廠2000t/d帶有四級預熱器的預分解窯利用窯尾約180000Nm3/h—410℃及窯頭熟料冷卻機約140000Nm3/h——250℃的廢氣余熱設(shè)計投產(chǎn)了一套3000kW（汽輪機為：一個進汽口的國產(chǎn)標準汽輪機，其進汽參數(shù)為1.2MPa-280℃）純中低溫余熱電站。盡管由于當時國產(chǎn)汽輪機的限制及其它設(shè)備、該院熱力循環(huán)系統(tǒng)及參數(shù)配置技術(shù)的限制，使該條水泥窯具有的3600kW余熱發(fā)電能力僅能達到實際生產(chǎn)運行的1700～2100kW，但確為純中低溫余熱電站國產(chǎn)化裝備在水泥企業(yè)的設(shè)計、生產(chǎn)運行提供了可以借鑒的經(jīng)驗，也為實現(xiàn)純中低溫余熱電站系統(tǒng)配置技術(shù)及裝備設(shè)計、制造國產(chǎn)化貢獻了力量。

　　綜上所述，經(jīng)過十余年的艱苦努力，我國水泥工業(yè)無論是高溫，還是中溫、低溫廢氣余熱可全部回收轉(zhuǎn)換為電能并實現(xiàn)了余熱發(fā)電工藝及裝備的國產(chǎn)化目標，為二十一世紀我國水泥工業(yè)中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備在水泥、鋼鐵、冶金、化工等行業(yè)的推廣應用奠定了堅實的工程設(shè)計技術(shù)、裝備設(shè)計及制造技術(shù)、生產(chǎn)運行管理技術(shù)、自動控制技術(shù)基礎(chǔ)，為我國節(jié)能技術(shù)的進一步發(fā)展創(chuàng)造了條件。

　　2、中低溫余熱發(fā)電技術(shù)的理論基礎(chǔ)

　　目前，所有的熱能—動力（僅能熱能通過某種工質(zhì)而轉(zhuǎn)換為動力，本文特指為熱力發(fā)電廠）轉(zhuǎn)換技術(shù)之理論基礎(chǔ)均基于朗肯循環(huán)理論，僅僅是由于熱能的不同（如：燃煤、燃氣、燃油、核能、工業(yè)余熱、地熱、垃圾焚燒等）、熱能-動力轉(zhuǎn)換過程中所采用的工質(zhì)不同（如：水及水蒸氣、有機物、油類等）、根據(jù)熱源溫度同時為提高循環(huán)效率所采用的工質(zhì)參數(shù)及實際循環(huán)方式不同（如：超高壓超高溫、高壓高溫、中壓中溫、低壓低溫、回熱循環(huán)、回熱再循環(huán)、抽汽供熱循環(huán)等）使熱能-動力轉(zhuǎn)換過程（熱力發(fā)電廠）名稱不同，有的稱為火力發(fā)電廠、有的稱為核電廠、垃圾電廠、熱電廠、余熱電站等等。由于本文所述為余熱發(fā)電技術(shù)，同時國內(nèi)由于制造成本、安全、供應、環(huán)保的限制，使熱能-動力轉(zhuǎn)換過程中所采用的工質(zhì)僅能采用水及水蒸氣，因此本文所述的中低溫余熱發(fā)電技術(shù)中：熱能-動力轉(zhuǎn)換僅指廢氣余熱轉(zhuǎn)換為電能并稱其為余熱電站、熱源僅指工業(yè)廢氣余熱、工質(zhì)為水及水蒸氣。

　　2.1 幾個基本概念

　　2.1.1廢氣余熱品為的界定

　　對于熱能-動力轉(zhuǎn)換設(shè)備------蒸汽輪機而言，國內(nèi)標準的中小型汽輪機按進汽參數(shù)分為： 

　　高壓高溫機組，進汽壓力大于3.43Mpa進汽溫度為435-555℃；中壓中溫（及次中壓中溫）機組，，進汽壓力為2.45-3.43Mpa進汽溫度為340-435℃；低壓低溫機組， 進汽壓力小于2.45Mpa進汽溫度為280-340℃。根據(jù)汽輪機進氣參數(shù)，考慮利用廢氣余熱生產(chǎn)水蒸氣所需傳熱溫差的要求，水泥窯余熱品位應當確定為：

　　高溫廢氣余熱：廢氣溫度大于650℃
　　中溫廢氣余熱：廢氣溫度350～650℃
　　低溫廢氣余熱：廢氣溫度小于350℃

　　2.1.2 高、中、低溫余熱電站的界定

　　根據(jù)余熱電站利用的廢氣余熱品位及余熱電站是否除利用余熱外再另補充燃料的情況，余熱電站分為純余熱電站及補燃余熱電站兩種。當余熱電站僅利用余熱來發(fā)電時，稱為純余熱電站，其根據(jù)利用的廢氣余熱品位又分為：當廢氣余熱溫度為650℃以上時，稱為純高、中、低溫余熱電站-簡稱為“高溫余熱電站”；當廢氣溫度為350℃～650℃時，稱為純中、低溫余熱電站—簡稱“純中溫余熱電站”；當廢氣溫度為小于350℃時，稱“純低溫余熱電站”（本文所述“純中、低溫余熱電站”包括“純低溫余熱電站”）。當余熱電站除利用余熱外又補充燃料時，稱為補燃余熱電站，并根據(jù)利用的余熱品位，與純余熱電站一樣分為：“補燃高溫余熱電站”、“補燃中溫余熱電站”、“補燃低溫余熱電站”，本文所述“補燃中低溫余熱電站”同樣包括“補燃低溫余熱電站”。

　　2.1.3 水及水蒸氣飽和溫度、水蒸氣過熱度、換熱溫差窄點

　　水在某一恒定壓力下進行加熱，在此過程中一般來講有如下三個過程：第一個過程，水在常溫下被逐步加熱至某一溫度tb，在此溫度下水開始逐漸產(chǎn)生蒸汽，其蒸汽溫度與水溫相同為tb；第二個過程，水繼續(xù)被加熱時水溫tb將不再變化，而產(chǎn)生的溫度為tb的蒸汽將不斷增加至水全部變?yōu)檎羝?；第三個過程，水全部變?yōu)檎羝罄^續(xù)加熱，則水蒸氣的溫度將不斷升高至tz，其具體過程見圖三： 

圖三.水及水蒸汽的變化過程示意圖

　　在上述三個變化過程中，水變?yōu)檎羝臏囟确Q為飽和溫度（tb），其對應的水稱為飽和水、蒸汽為飽和蒸汽；第三個過程結(jié)束后產(chǎn)生的蒸汽為過熱蒸汽，過熱蒸汽溫度tz與飽和溫度tb之差（tz-tb）稱為水蒸氣過熱度。對于不同的壓力P，飽和溫度tb是不同的（見表一）。在水及水蒸氣被熱源（廢氣）加熱過程中，熱源與水及水蒸氣間必將存在換熱溫差，并且熱源溫度必須高于水及水蒸氣溫度，同時在此換熱過程中的某一位置存在最小溫差點，此點稱為換熱溫差窄點△tmim.

表一 水及水蒸氣壓力與飽和溫度關(guān)系表 

　　2.1.4熱量與一般通過熱平衡的方法，即通過熱量的收入與支出來分析評價某一熱工過程，進而確定熱效率。但是熱平衡評價方法是基于熱力學第一定律，即能量收入與支出之和必須是零。它僅表示能源在量方面的利用情況，而并不涉及能質(zhì)。能質(zhì)的表現(xiàn)方式是考察能源對環(huán)境而言所能作的最大有用功，它是基于熱力學第二定律：熱量只能從高溫熱源傳遞給低溫熱源，因此，并不是所有的熱量都能作功，溫度愈高，作功能力愈大，環(huán)境溫度下的熱量不能作功。通過對余熱發(fā)電熱力循環(huán)過程進行能質(zhì)分析和評價，可以對余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)進行更深入的分析從而找出構(gòu)成合理、高效的余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)的方法。能質(zhì)的評價分析是通過“平衡”（exergy-balance）來完成的。它與熱平衡的區(qū)別在于：熱平衡是基于供應熱量與消耗熱量（包括所獲得的有用功折算熱量）之和必須是零，二者在量上是相等的；平衡則基于供應 與消耗（包括所獲得的有用功）之差必須大于零，或者說供應必須大于各項消耗之和。這是因為熱工過程存在不可逆性，總是存在著損失。熱平衡分析法不考慮過程是否可逆、傳熱方向、傳熱溫差等等，而平衡則要考慮由于不可逆因素（如傳熱溫差的大小）的影響，使所耗能源的作功能力發(fā)生變化。由于供應熱與消耗熱之間存在著溫差，這樣，雖然兩者之間供應熱量與消耗熱量相等，但供應熱量的作功能力比所消耗熱量的作功能力要大得多，其差值即為損失，其中由于設(shè)備、管道輸送等具體技術(shù)原因形成的損失稱為“技術(shù)損失”，而由于傳熱過程必須有溫差等原因造成的損失稱為“固有損失”。因此的平衡分析反映了過程的方向性和不可逆程度，同時進一步揭示了能的本質(zhì)，即利用“效率”來評價熱工過程能夠在本質(zhì)上反映這一熱工過程的實際情況。

　　2.1.4.1 能的概念

　　能有熱能、機械能、電能、化學能等多種形式。利用能的最終目的是轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Γ虼?，的物理意義就是：對某一狀態(tài)的能在可逆條件下過渡到環(huán)境狀態(tài)時能夠最大限度的轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉@一共性的量度。與余熱發(fā)電相關(guān)的熱能，其與溫度成正比，計算方法如下：

　?。?） 氣體與固體的顯熱

　　設(shè)工質(zhì)（氣體與固體）在某一設(shè)備中進行可逆穩(wěn)定的流動過程（見圖四），則進入系統(tǒng)和流出系統(tǒng)的能量是相等的。如忽略進口和出口處工質(zhì)的動能和位能差，則可寫出能量平衡方程（a）和熵方程（b）： 

　　能量方程：h1+∫dq= h2+Ws………………………………………(a)
　　熵方程：S1+∫dq/T= S2 …………………………………………(b)
　　式中：h1、h2-----工質(zhì)在狀態(tài)1和2時的焓；
　　　　　s1、s2-----工質(zhì)在狀態(tài)1和2時的熵；
　　　　　q------系統(tǒng)吸收或放出的熱量；
　　　　　Ws------系統(tǒng)所作的功；
　　　　　T-------熱源的絕對溫度。

圖四：穩(wěn)定流動過程的能量及熵平衡

　　設(shè)環(huán)境溫度為T0，并以T0乘方程（b）后與方程(a)相減可得： 
　　h1-T0S1-∫(T0/T)dq+∫dq= h2-T0S2+Ws

　　整理后上式可寫成：
　　Ws=（h1- h2）-T0（S1- S2）+∫(1-T0/T)dq ……………………(c)

　　如果沒有熱源存在，即dq=0，再令狀態(tài)2處于環(huán)境狀態(tài)，以下標0表示，那么式(c)變?yōu)椋?
　　Ws=（h1- h0）-T0（S1- S0） …………………………………(d)

　　由于過程是可逆的，因此WS即是氣體或固體的顯熱在狀態(tài)1下變化到環(huán)境狀態(tài)時對環(huán)境所做的最大有用功，即狀態(tài)1的工質(zhì)熱能ψ=Ws。

　　根據(jù)定壓過程焓及熵的定義，（d）式可寫成

　　ψ=(CpT1·8226；T1-CpT08226；T0)-T0[CpT1·8226；Ln(T1/273)-CpT0·8226；Ln(T0/273)]
                  …………………………(d)

　　上式中工質(zhì)定壓比熱CpT1和CpT0數(shù)值相差較小，近似寫成：

　　ψ=(CpT1·8226；t1-T0·8226；CpT1·8226；Ln(T1/ T0)  ……………………………(e)
　　式中：T-----絕對溫度K
　　　　　CpT1----為工質(zhì)在溫度為T1時的定壓比熱
　　　　　t-------為攝氏溫度℃

式(e)僅適用于定壓過程

　　（2） 各種筒體表面的散熱

　　對于溫度為恒溫T的筒體表面，其散熱量為Q，由于散熱過程不與工質(zhì)相聯(lián)系，所以散熱量Q的做功能力僅與T及環(huán)境溫度T0有關(guān)，相當于在T與T0之間進行一個可逆的卡諾循環(huán)。筒體表面散熱量Q對環(huán)境所做的功：

　　Ws=(1-T0/T)Q  ………………………………………………(f)

　　根據(jù)卡諾定理及 的定義，Ws即是熱量Q的最大有用功，也就是筒體表面散熱量Q的ψ：

　　ψ= Ws=(1-T0/T)Q 

　　 如果筒體各部分表面溫度T是變化的，那么應分別計算各部分的。全部表面的散熱ψ：

　　ψ=∫Q0(1-T0/T)dQ  …………………………………………(g)

　?。?）燃料燃燒的熱量  

　　 根據(jù)Rant提出的近似式，高位發(fā)熱量為Q的燃料所具有的最大作功能力Ws=0.95Q。因此，燃料本身所具有的：

　　ψ=Ws=0.95Q   ………………………………………………(h) 

　　(4) 電功率形成的  

　　 根據(jù)Rant理論，任何一個熱力過程都是為了獲得有用功，只不過由于熱力過程的不同，所獲得的有用功形式不同（如：電能、機械能、環(huán)境舒適度等），而電能是100%的有用功，即電功率形成的也就是電功率本身，也即： 

　　ψ=De   …………………………………………………………(i)

　　2.1.4.2熱效率、效率

　　熱力過程的熱效率是指熱力過程所獲得的有用功（折算成熱量）與熱力過程所供應的所有熱量（包括熱力過程所消耗的有用功折算出的熱量）之比值，而效率則為熱力過程所獲得的有用功與熱力過程所供應的所有供應之比值。

　　2.2 朗肯循環(huán)

　　朗肯循環(huán)是一典型的熱工過程，也是理想化的熱能（蒸汽）--動力循環(huán)，是各種復雜的蒸汽動力循環(huán)的基本循環(huán)，是研究復雜循環(huán)的理論基礎(chǔ)，其原理及循環(huán)過程分別見圖五、圖六。

圖五：朗肯循環(huán)原理圖

圖六：朗肯循環(huán)過程圖(T-S圖)

　　汽輪機排汽2（一般為絕對壓力0.007 ～0.01Mpa并含有若干水份的39～45℃飽和蒸汽及水混合物）經(jīng)冷凝器全部凝結(jié)成凝結(jié)水3后（水溫仍為39～45℃）再經(jīng)給水泵升壓至鍋爐給水壓力4（由于給水泵做功，使水溫升高1～2℃），在鍋爐內(nèi)通過燃燒燃料M將水加熱至給水壓力下的飽和溫度5、繼續(xù)加熱使之全部變?yōu)榻o水壓力下的飽和蒸汽6、再繼續(xù)加熱為給水壓力下的過熱蒸汽1，過熱蒸汽進入汽輪機推動發(fā)動機發(fā)電機De后自汽輪機排汽排出為2，自此完成一個熱能---動力循環(huán)。

　　在上述循環(huán)中做了如下假設(shè)：鍋爐燃料燃燒放熱量全部被工質(zhì)（水及水蒸氣）吸收而沒有損失，汽輪機在蒸汽膨脹做功過程中及推動發(fā)電機發(fā)電時沒有任何做功損失，水及水蒸氣在輸送過程中沒有任何壓力、溫度、流量損失。假設(shè)：循環(huán)過程中各點的工質(zhì)焓分別為h1、h2、h3、h4、h5、h6，則其：

　　循環(huán)發(fā)電功率De= h1- h2
　　循環(huán)放熱量（工質(zhì)）即通過冷凝器被冷卻水帶走的熱量q2=h2- h3 
　　循環(huán)耗功率（工質(zhì)）即給水泵耗功Dg=h4- h3 
　　循環(huán)供應熱量（以下簡稱：循環(huán)吸熱量）即燃料消耗量q1=M=h1- h4
　　循環(huán)供應 ，即消耗的燃料ψq1=0.95q1
　　循環(huán)凈發(fā)電功率 D0= De-Dg
　　循環(huán)熱效率η=（De-Dg）/ q1=( q1- q2)/ q1=1- (h1- h2)/( h1- h4)
　　循環(huán)效率ηψ=（De-Dg）/ψq1

　　通過對上述朗肯循環(huán)的分析，提高其循環(huán)熱效率及效率（即在消耗同樣熱量的條件下多發(fā)電）的措施有如下三點結(jié)論：

　　(1)提高汽輪機進汽溫度（即鍋爐出口蒸汽溫度）可提高循環(huán)熱效率及效率（不再用理論推導證明）。如：假設(shè)利用1000Kg/h-3.43Mpa-350℃蒸汽進行朗肯循環(huán)發(fā)電，其汽輪機排汽壓力為0.007Mpa，此時該循環(huán)的各點工質(zhì)焓為：h1=3104kJ/Kg、h2=2080kJ/kg、h3=163.8kJ/kg、h4=167.38kJ/kg，其：

　　循環(huán)發(fā)電功率De=(3104-2080)x1000/3600=284.4KW
　　循環(huán)耗功率Dg=(167.38-163.8)x1000/3600=0.994KW
　　循環(huán)吸熱量（燃料消耗量）q1=(3104-167.38)x1000/3600=815.72KW
                  (70.15x104x4.1868KJ/h)
　　循環(huán)供應ψq1 =774.9kW
　　循環(huán)熱效率η=（284.4-0.994）/815.72=34.74%
　　循環(huán)效率ηψ=（284.4-0.994）/774.9=36.6%

　　再假設(shè)利用1000kg/h-3.43Mpa-435℃蒸汽進行朗肯循環(huán)發(fā)電，其汽輪機排汽壓力仍為0.007Mpa，此時該循環(huán)的各點工質(zhì)焓為：h1=3300kJ/kg、h2=2180kJ/kg、h3=163.8kJ/kg、h4=168.28kJ/kg，其：

　　循環(huán)發(fā)電功率De=(3300-2180)x1000/3600=311.1KW
　　循環(huán)耗電率Dg=(168.28-163.8)x1000/3600=1.24KW
　　循環(huán)吸熱量(燃料消耗量)q1=(3304-168.28)x1000/3600=871.03KW 
                  (74.91x104x4.1868kJ/h)
　　循環(huán)供應ψq1=827.5kW
　　循環(huán)熱效率η=（311.1-1.24）/871.03=35.58%
　　循環(huán)效率ηψ=（311.1-1.24）/827.5=37.4%
　　利用上述實際計算方法同樣可以證明：

　　(2)提高汽輪機進汽壓力(即鍋爐出口蒸汽壓力)可提高循環(huán)熱效率及效率。

　　(3)降低汽輪機排汽壓力可提高循環(huán)熱效率及效率。

　　在實際工程中，由于材料、水及水蒸氣特性的限制，對于余熱發(fā)電由于余熱熱源溫度的限制，進汽輪機的蒸汽壓力、溫度不可能無限制提高，因此相應的制約了循環(huán)熱效率的提高；同樣，由于汽輪機排汽受冷卻水溫度（自然狀態(tài)下的水溫）的限制也不可能過低，也制約了熱效率的提高。因此，在實際工程中為了提高循環(huán)熱效率及效率，只能根據(jù)實際情況盡可能的提高汽輪機進汽壓力、溫度并盡可能的降低汽輪機排汽壓力。

　　在上述所分析計算中，由于假設(shè)所消耗的燃料品質(zhì)是一樣的（均為優(yōu)質(zhì)煤），因此，熱效率與效率之間數(shù)值差別不大，也即在常規(guī)的火力發(fā)電廠中用“循環(huán)熱效率”評價與用“循環(huán)效率”評價，其結(jié)果是基本相同的。

　　2.3 與余熱發(fā)電技術(shù)相關(guān)的實用理想熱能（蒸汽）--動力循環(huán)

　　上述所分析的朗肯循環(huán)是理想化的熱能（蒸汽）--動力循環(huán)，但其分析出的提高循環(huán)熱效率的措施則對于任何實用的熱能（蒸汽）--動力循環(huán)都有相同意義。由于僅借助上述三個措施限制了循環(huán)熱效率及效率的進一步提高，因此為了進一步提高循環(huán)熱效率在實際火力發(fā)電廠工程中所采用的熱能（蒸汽）--動力循環(huán)都是在朗肯循環(huán)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的實用熱能（蒸汽）--動力循環(huán)：蒸汽再熱循環(huán)、抽汽回熱循環(huán)、蒸汽再熱回熱循環(huán)等，而對于余熱發(fā)電，則由于廢氣溫度的限制，在實際工程中采用的都是由抽汽回熱循環(huán)發(fā)展起來的余熱發(fā)電熱力循環(huán)。為了分析余熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)成、循環(huán)熱效率、循環(huán)效率、提高余熱發(fā)電量的具體措施、余熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向，本文對理想的抽汽回熱循環(huán)做對比計算分析（由于篇幅所限，不再做理論推導分析）。理想回熱循環(huán)原理及循環(huán)過程見圖七、圖八：

圖七：三級回熱回循環(huán)原理圖

圖八：三級回熱循環(huán)過程圖(T-S圖)

　　汽輪機排汽2經(jīng)冷凝器全部凝結(jié)成凝結(jié)水3后（水溫為t3=39～45℃）經(jīng)凝結(jié)水泵送入第Ⅲ級回熱加熱器（加熱器熱源為汽機第Ⅲ級回熱抽汽），其出水溫度為t3’；出第Ⅲ級回熱加熱器的水再進入第Ⅱ級回熱加熱器（加熱器熱源為汽機第Ⅱ級回熱抽汽），其出水溫度為t3′′；出第Ⅱ級回熱加熱器的水經(jīng)過水泵升壓后再進入第Ⅰ級回熱加熱器（加熱器熱源為汽機第Ⅰ級回熱抽汽），其出水溫度為t4；出第Ⅰ級回熱加熱器的水進入鍋爐后通過燃燒燃料M將水繼續(xù)加熱至給水壓力P4下的飽和溫度t5，繼續(xù)加熱使之全部變?yōu)榻o水壓力P4下的飽和蒸汽，再繼續(xù)加熱為給水壓力P4（理想循環(huán)中P4=P1）即蒸汽壓力P1下的過熱蒸汽t1，過熱蒸汽進入汽輪機推動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電De后自汽輪機排出為2，自此完成一個抽汽回熱循環(huán)。根據(jù)抽汽回熱循環(huán)理論中：利用回熱抽汽加熱汽機凝結(jié)水從而最大限度地提高循環(huán)效率的方式為---極限回熱循環(huán)的原理（極限回熱循環(huán)為：設(shè)無窮個回熱加熱器及無窮個回熱抽汽，利用回熱抽汽將汽機凝結(jié)水由凝結(jié)水溫度t3逐級加熱至鍋爐給水壓力P4下的飽和溫度t5），在工程中考慮設(shè)備、熱力系統(tǒng)配置的實際可能性，實際采用的回熱循環(huán)均為遵循等焓升分配理論而確定的有限級抽汽回熱循環(huán)，即回熱抽汽級數(shù)及抽汽參數(shù)按著將汽機凝結(jié)水3所對應的焓h3加熱至鍋爐給水壓力P4下的飽和水焓h5之總焓升平均分配成若干段后，每一段焓升對應一級回熱抽汽，而每一級回熱抽汽參數(shù)及抽汽量加熱汽機凝結(jié)水（鍋爐給水）后使汽機凝結(jié)水的焓升（溫度升高值）均相等的原則來確定回熱抽汽級數(shù)及抽汽參數(shù)。