余热发电单压热力系统
2．单压系统的概念目前普遍采用的单压系统热力流程如图一所示。本热力系统中，窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉生产相同或相近参数的主蒸汽，混合后进入汽轮机，汽轮机只有一个进汽口——主进汽口。主蒸汽在汽轮机内作功后经除氧，由给水泵为窑头余热锅炉供水，窑头余热锅炉生产的热水再为窑头余热锅炉蒸汽段和窑尾余热锅炉供水，两台余热锅炉生产出合格的主蒸汽，从而形成一个完整的热力循环。
图一：单压系统热力流程
这个热力系统的特点是汽轮机只设置一个进汽口，窑头余热锅炉和窑尾余热锅炉只生产参数相同或相近的主蒸汽。那么对于水泥窑废气余热的调配及利用、余热锅炉的设计、电站热力系统的配置等因素的考虑的唯一的目的，就是提高主蒸汽产量及品质。主蒸汽产量及品质在外部条件确定的情况下，完全决定了余热发电系统的发电功率。
3．影响主蒸汽参数选择的外部因素影响主蒸汽参数选择的外部因素有：进口烟风特性、出口烟风特性、锅炉制造成本、汽轮机汽耗等。
3.1 进口烟风特性
进口烟风特性包括烟气量、烟气温度、烟气成分等，影响主蒸汽参数选择的主要因素是烟气的温度。烟气的温度决定了主蒸汽可能达到的最高温度。主蒸汽最高温度一般要比废气温度低10~15℃。影响烟气温度的几个因素包括：窑尾出C1筒以及冷却机排烟（风）温度的设计值、窑尾C1筒及C1筒到窑尾高温风机或增温塔入口废气管道的保温状况、窑尾生料的投料量及喷煤量、窑尾生料配料是否含有煤矸石等物质、窑尾预热器漏风状况、窑头冷却机取风位置以及熟料产量等。
3.2 出口烟风特性
出口烟风特性也就是余热锅炉出口烟气（风）特性，包含烟气量、烟气温度、烟气成分等，影响主蒸汽参数选择的主要因素同样是烟气的温度。余热锅炉允许的排烟（风）温度影响了余热锅炉可利用的烟气温降，影响了余热锅炉可能的最大产汽量，甚至影响汽水系统的配置。影响排烟温度的几个因素包括：生料和煤的水份状况以及磨机的形式、后续收尘器的形式及环保要求等。允许的排烟温度越低，意味着余热锅炉可利用的热量的增加，为了更多的吸收此部分热量，意味着蒸汽参数和蒸汽量有所调整。
3.3 锅炉制造成本
锅炉制造成本主要取决窄点温差（ΔT）的选择。锅炉传热吸热特性如下图二所示。锅炉给水由温度Tg加热到饱和温度Ts，然后给水在这一温度下继续吸热汽化成饱和蒸汽，饱和蒸汽继续吸热后生温到Tc，成为合格的过热主蒸汽。烟气流程呈线性下降。窄点温差ΔT决定了换热过程的难易程度。
图二：锅炉传热吸热特性
（Tin：烟气进口温度；Tou：烟气出口温度；Tg：锅炉给水温度；Tc：锅炉主蒸汽温度；
Ts：锅炉锅筒压力下的饱和水和水蒸气的温度；ΔT：传热窄点温差）
根据传热学公式：Q=C.F.ΔT，当换热温差ΔT小时，当吸收同样热量的时候，余热锅炉需要更大的受热面，从而增加锅炉制造成本。
3.4 汽轮机汽耗率
汽轮机汽耗率反映的是汽轮机和发电机的综合效率，它最终决定了汽轮机的实际发电功率。
水泥窑纯低温余热电站低参数汽轮机在不同工况下的理论汽耗率如表一、表二、表三所示。
表一：
进汽压力
(MPa)
进汽温度
(℃)
进汽焓
(kJ/kg)
排汽压力
(MPa)
排汽温度
(℃)
排汽焓
(kJ/kg)
汽轮机及发电机
总效率(%)
汽耗率
(kg/kWh)
1.25
310
3066.3
0.008
41.5
2400.0
77.5
5.395
1.0
310
3072.4
0.008
41.5
2427.8
77.5
5.585
0.8
310
3077.3
0.008
41.5
2454.9
77.5
5.790
0.6
310
3082.0
0.008
41.5
2489.0
77.5
6.085
表二：
进汽压力
(MPa)
进汽温度
(℃)
进汽焓
(kJ/kg)
排汽压力
(MPa)
排汽温度
(℃)
排汽焓
(kJ/kg)
汽轮机及发电机
总效率(%)
汽耗率
(kg/kWh)
1.25
310
3066.3
0.007
38.9
2386.9
77.5%
5.299
1.0
310
3072.4
0.007
38.9
2427.8
77.5%
5.477
0.8
310
3077.3
0.007
38.9
2442.6
77.5%
5.672
0.6
310
3082.0
0.007
38.9
2477.3
77.5%
5.953
表三：
进汽压力
(MPa)
进汽温度
(℃)
进汽焓
(kJ/kg)
排汽压力
(MPa)
排汽温度
(℃)
排汽焓
(kJ/kg)
汽轮机及发电机
总效率(%)
汽耗率
(kg/kWh)
1.25
310
3066.3
0.005
32.8
2356.2
77.5%
5.070
1.0
310
3072.4
0.005
32.8
2383.9
77.5%
5.229
0.8
310
3077.3
0.005
32.8
2410.9
77.5%
5.403
0.6
310
3082.0
0.005
32.8
2444.9
77.5%
5.651
4．影响主蒸汽参数选择的热力学内在因素热力学中为了提高循环热效率也就是提高发电量，通常采取提高主蒸汽参数包括提高主蒸汽温度和主蒸汽压力来实现。其原因如下：
4.1 蒸汽初压力对循环热效率的影响
研究蒸汽参数对循环热效率的影响时，运用T-s图最为方便。
如图三所示，原循环（吸热过程为4-1）的平均吸热温度为 ，现维持初温T1和终压 P2不变，而将初压由P1提高至P1’。设初压提高后循环（吸热过程为4-1’）的平均吸热温度为 ，显然由于 ，故初压提高后的循环热效率 ηt’必大于原循环的热效率ηt，即
循环热效率ηt与初压 P1的关系如图四所示。该图表明，热效率ηt是随着 P1的提高而增加的，且当 P1较低时，ηt随 P1的提高有显著增加，而当 P1较高时，ηt的增加就不那么明显了。这主要是由于饱和温度的提高比饱和压力的提高要慢得多，特别在高压时更是如此。
图三 蒸汽初压对循环的影响 图四 热效率与初压的关系
另外，单纯提高初压，会使汽轮机膨胀终了时的乏汽干度下降，而蒸汽中含水过多将危及汽轮机的安全，并且降低汽轮机最后几级的工作效果。因此在提高初压时，应同时提高初温，以保证乏汽的干度不致过低。按汽轮机的设计要求，乏汽干度应不低于88%。
4.2 蒸汽初温度对循环热效率的影响
用类似的分析方法可以得到：若维持初压 P1和终压 P2不变（因而 不变）而将初温由 T1提高至 时，由于必然会提高循环的平均吸热温度 ，故循环热效率 ηt亦必然增加，如图三所示。图四表示提高 T1时 ηt随之增加的情况。
从图三还可以看出，初温提高后，循环功量将增大，因而使汽耗率降低；同时乏汽干度也增大，这对汽轮机的工作也是有利的。
5．主蒸汽参数的选择根据上述热力学分析，从提高热力循环效率以及发电量考虑，水泥窑余热发电的主蒸汽参数应该是越高越好。但是受到影响余热电站主蒸汽参数选择的外在因素的影响，提高主蒸汽的参数又要受到一定的限制，因此只能根据具体情况进行计算后，才能总结出一些规律。下表是笔者针对各压力级的主蒸汽系统进行的热力计算结果。
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。针对锅炉生产2.5MPa、1.35 MPa、1.1 MPa、0.9 MPa、0.7 MPa等五种压力的主蒸汽（进入汽轮机的主蒸汽压力分别为2.35MPa、1.25 MPa、1.0 MPa、0.8 MPa、0.6 MPa）情况。计算发电量如表四所示。
发电能力变化（循环参数不同） 表四
锅炉主蒸汽压力等级
项目
2.5MPa
1.35MPa
1.35MPa
1.1MPa
0.9MPa
0.7MPa
余热锅炉主蒸汽温度℃
320
320
310
320
320
320
余热锅炉主蒸汽焓值kJ/kg
3058.6
3086.8
3064.9
3092.6
3097.1
3101.6
余热锅炉主蒸汽比容积m/kg
0.1033
0.1968
0.1931
0.2429
0.2983
0.3852
余热锅炉锅筒对应的饱和温度℃
227.07
196.69
196.69
187.96
179.88
170.41
汽轮机主蒸汽压力MPa
2.35
1.25
1.25
1.0
0.8
0.6
汽轮机主蒸汽温度℃
310
310
300
310
310
310
SP炉
余热锅炉进口废气流量Nm/h
330000
330000
330000
330000
330000
330000
余热锅炉进口废气温度℃
340
340
340
340
340
340
主蒸汽流量kg/h
21783
23386
23616
23326
23282
23240
给水温度℃
170
170
170
170
170
170
废气出口温度℃（用于烘干）
234
220
220
220
220
220
AQC炉
余热锅炉进口废气流量Nm/h
152800
152800
152800
152800
152800
152800
余热锅炉进口废气温度℃
360
360
360
360
360
360
主蒸汽流量kg/h
10637
12449
12572
12939
13383
13890
给水温度℃
40
40
40
40
40
40
余热锅炉废气出口温度℃（进窑头电收尘器）
126.1
91.6
90.5
83.8
76.7
68.5
汽轮机
汽轮机主蒸汽进汽压力MPa
1.25
2.35
1.25
1.0
0.8
0.6
汽轮机主蒸汽进汽流量kg/h
32420
35835
36188
36265
36665
37130
汽轮机排汽压力MPa
0.008
0.008
0.008
0.008
0.008
0.008
汽轮机排汽温度℃
41.5
41.5
41.5
41.5
41.5
41.5
汽轮机(含发电机)总效率%
77.5
77.5
77.5
77.5
77.5
77.5
理论汽耗率kg/kWh
4.967
5.395
5.461
5.585
5.79
6.085
平均发电能力kW
6527
6642
6627
6493
6332
6102
最大发电能力kW
（当汽轮机排汽压力为0.005MPa时）
7068
6935
6786
6570
通过表格中的计算结果可以看出：
a. 在主蒸汽都是320℃的情况下，主蒸汽压力1.25MPa时发电量最大。
主蒸汽1.25MPa系统与主蒸汽0.8MPa系统相比，窑头余热锅炉烟气温度由1.25MPa系统的91.6℃降低到0.8MPa系统的76.7℃，蒸汽量增加了2.2%，发电功率减少了4.7%。选择高循环参数的系统（1.25MPa）且冷却水水温足够低的情况下（汽轮机排汽压力降低到0.005MPa时），其发电功率比低循环参数（0.8MPa）且冷却水温较高（汽轮机排汽压力为0.008MPa时）的发电系统提高发电量11.6%。
具体分析原因有以下几点：
①．对于窑尾余热锅炉，由于进口烟气温度和排烟温度已经确定，也就是说可利用的废气热值已经确定，那么窑尾余热锅炉的蒸汽量取决于给水温度（即给水焓值，本计算假定窑尾给水温度一定，因为给水焓值随压力变化很小，可忽略变化的差值）及主蒸汽焓值。从表中可以看出，随着主蒸汽参数降低，主蒸汽焓值升高，因此窑尾余热锅炉的主蒸汽产量必定降低。那么主蒸汽作功能力随蒸汽参数降低而降低，再加上所产蒸汽量降低，所以窑尾余热锅炉将随着主蒸汽参数降低导致发电功率降低。
②．对于窑头，由于供应窑尾余热锅炉的给水量减少以及排烟温度不受制约，因此主蒸汽参数降低后窑头余热锅炉的主蒸汽产量有所提高。
③．汽轮机的汽耗率随压力降低而升高，主蒸汽1.25MPa系统与主蒸汽0.8MPa系统相比，汽耗率降低6.8%。汽耗率随压力变化趋势的曲线如图五。
图五：
b. 在主蒸汽同样是320℃的情况下，主蒸汽为2.35MPa的系统比1.25MPa的系统的发电量低。
这是因为在主蒸汽2.35MPa的系统中，窑尾余热锅炉锅筒的饱和温度达到了227℃，加上最小换热端差后，使得锅炉的排烟温度降不下来，达230℃，同样窑头也存在类似的问题。尽管汽轮机的汽耗率大幅降低，但不能在量上充分利用余热，使得蒸汽产量降低，因此综合发电量降低。
c. 在主蒸汽压力同样是1.35MPa时，主蒸汽温度320℃时比主蒸汽温度310℃时的发电量大，这符合上述的热力学的基本理论。
d. 值得一提的是：
①. 主蒸汽为0.8MPa系统中窑尾余热锅炉给水温度设定为170℃，而窑尾余热锅炉锅筒的饱和温度达到了179.9℃，那么对于这么高温度的给水，由于接近于汽化温度，而会给管道带来不安全因素。如果为了保障管道及系统安全运行，则必须降低窑尾余热锅炉的给水温度，就意味着给水焓值降低，则窑尾余热锅炉的产汽量将更低，整套系统的发电量将更低。
②.有的学者认为：“对于同一种热力循环系统，当主蒸汽温度相同时，主蒸汽压力越高，其发电能力越低，这一点是不遵循热力循环基本理论的。这主要是因为；在水泥窑可用于发电的废气余热量及温度已确定的条件下，主蒸汽压力越高，锅炉汽包蒸汽饱和温度也就越高，相应的锅炉出口废气温度也提高。在此情况下，将产生不能回收的可用于发电的低温余热量；或者虽然可以将不能回收的低温余热量回收并用于发电，但由于废气温度的提高，加大了换热温差从而增加了火用损失，也就同样降低了发电能力……”因此部分学者和业主得出结论：主蒸汽压力应根据汽轮机允许的压力尽量采用低压。通过上述计算和分析，以上观点是不全面的。对于余热发电而言，整套热力系统包含锅炉、汽轮机、系统管道等诸多环节，不能单从锅炉这个环节来判断整个电站的发电功率。通过上述计算分析，主蒸汽的压力的选择应根据热力系统计算结果选择。
6．采用低压热力系统的条件
水泥窑单压纯余热发电系统有以下情况时，可优先考虑低压力的热力系统：
a. 废气参数太低，如有的厂窑尾废气温度低于300℃，实在不能生产更高温度和更高压力的主蒸汽时，被迫生产低参数的主蒸汽。
b. 少数厂窑尾废气去生料烘干的废气温度比较低或水泥工艺不用窑尾废气去烘干物料时，即当窑尾废气温度允许降低到200℃以下时，为了充分利用废气余热，可采用低压热力系统。