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。

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

热效率与初压的关系图表明，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。

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。热效率与初压的关系图表示提高T1时ηt随之增加的情况。

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。

（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：TQ=C.F.Δ，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：

表二：

表三：

目前普遍采用的单压系统。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。

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。

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

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%。

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。2100433B

余热发电闪蒸热力系统基本概念

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。

余热发电闪蒸热力系统闪蒸机理

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

余热发电闪蒸热力系统闪蒸应用领域

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

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

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

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。2100433B

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。