馮嬌龍，弓學(xué)敏，，張振超，楊玖林，仝興林

(1.華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003; 2.保定華電電力設(shè)計研究院有限公司，河北 保定 071003)

在水泥工業(yè)大規(guī)?；l(fā)展和常規(guī)能源短缺的矛盾下，回收利用生產(chǎn)工序中的余熱資源就顯得尤為重要。近幾年來，國內(nèi)許多水泥企業(yè)都采用了水泥窯煙氣余熱發(fā)電技術(shù)，它不僅降低了生產(chǎn)工序的能耗，而且還減輕了水泥企業(yè)的碳排放壓力。如果能高效地回收水泥窯頭和窯尾廢氣的余熱用于發(fā)電，來提高企業(yè)自供電率，實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能減排，這樣既能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，又能取得良好的環(huán)境效益［1－3］。

為了能進(jìn)一步提高余熱發(fā)電機(jī)組的發(fā)電能力，低溫余熱發(fā)電技術(shù)由最初的單壓過熱蒸汽系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展到雙壓系統(tǒng)和閃蒸系統(tǒng)技術(shù)。對于雙壓系統(tǒng)而言，陳慶芳等學(xué)者已經(jīng)對系統(tǒng)的可控參數(shù)通過遺傳算法優(yōu)化過;對于閃蒸系統(tǒng)，王統(tǒng)彬在其碩士論文中主要對閃蒸器側(cè)的可控參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。但是，在實際運(yùn)行中，閃蒸器的高效運(yùn)行并沒有達(dá)到預(yù)期的效果。本文的創(chuàng)新點在于以系統(tǒng)回收率的最大值為目標(biāo)函數(shù)，利用變尺度優(yōu)化法對主蒸汽壓力和閃蒸器工作壓力進(jìn)行組合優(yōu)化，并且得到的壓力值適用于同類機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 閃蒸補(bǔ)汽式余熱發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)分析

閃蒸余熱發(fā)電系統(tǒng)是一種在熱力系統(tǒng)中配備了閃蒸設(shè)備的發(fā)電系統(tǒng)，將常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)無法利用的部分低品位能量，通過閃蒸器閃蒸降壓出低壓的飽和蒸汽，與余熱鍋爐產(chǎn)生出的過熱蒸汽分別送入補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的低壓和高壓進(jìn)氣口端，推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動，共同生產(chǎn)電能［4－6］。

1.1 初始參數(shù)選取

本文以某水泥生產(chǎn)線3×3 000 t/d的廢氣回收發(fā)電機(jī)組為算例，該機(jī)組的熱力系統(tǒng)如圖1。

圖1 閃蒸余熱發(fā)電機(jī)組的熱力系統(tǒng)

主機(jī)側(cè)的初始參數(shù)如表1。

表1 主機(jī)側(cè)的初始參數(shù)選取

輔機(jī)側(cè)的初始參數(shù)如表2。

表2 輔機(jī)側(cè)的初始參數(shù)選取

煙氣熱源側(cè)的參數(shù)如表3。

表3 煙氣的初始參數(shù)

1.2 熱力學(xué)系統(tǒng)分析

余熱鍋爐煙氣和工質(zhì)的溫度分布如圖2所示［7］。汽包的工作壓力可以按主蒸汽壓力的1.05倍取［8］。該模型假設(shè)兩點:

(1)忽略鍋爐的排污損失和凝結(jié)水泵能耗; (2)假設(shè)煙氣成分不變。

圖2 余熱鍋爐煙氣溫度以及工質(zhì)溫度分布

1.2.1 煙氣和工質(zhì)在換熱過程中的能量平衡

將水泥窯窯尾和窯頭的高溫?zé)煔庾鳛橛酂徨仩t的熱源，煙氣的放熱量Qy和工質(zhì)的吸熱量Q'達(dá)到能量平衡。

1.2.2 閃蒸器的閃蒸過程熱力學(xué)模型

經(jīng)余熱鍋爐低溫段加熱后的飽和水進(jìn)入閃蒸器，通過一級擴(kuò)容閃蒸出一定量的低壓飽和蒸氣，進(jìn)入汽輪機(jī)相應(yīng)低壓進(jìn)汽口作功發(fā)電，而閃蒸器內(nèi)的飽和水進(jìn)入除氧器，與冷凝水一起經(jīng)除氧后由給水泵供給鍋爐，實現(xiàn)一個完整的熱力循環(huán)［9－12］，閃蒸過程的能量平衡和質(zhì)量平衡如下。

1.2.3 機(jī)組性能評價指標(biāo)

傳統(tǒng)的燃煤機(jī)組主要采用“煤耗率”來作為機(jī)組優(yōu)劣的評價指標(biāo)，但是余熱發(fā)電機(jī)組卻以高溫的廢氣作為熱源，只能以發(fā)電凈功率、回收率作為指標(biāo)來評價。

式中 Nnet——機(jī)組的發(fā)電凈功率;

Ey，in——煙氣的進(jìn)口值;

ηEntrogy——回收率。

2 可控參數(shù)對系統(tǒng)火用回收率的影響

2.1 主蒸汽壓力對機(jī)組性能指標(biāo)的影響

由圖3可知，其他參數(shù)不變的情況下，隨著主蒸汽壓力p1在可控范圍內(nèi)逐漸增大，主蒸汽的做功W1先增后減，閃蒸汽的做功W2增大，泵的能耗ΔWP增大。

式中 W1——主蒸汽做功;

W2——閃蒸汽做功;

ΔWp——給水泵功耗。

與常規(guī)機(jī)組不同的是，并不是隨著主蒸汽的壓力增加機(jī)組的做功能力也一直增加，而是主蒸汽的壓力存在一個使得機(jī)組做功能力最強(qiáng)的最優(yōu)值，這是因為隨著主蒸汽壓力的增加，對應(yīng)的焓值增加，做功能力加強(qiáng)，但是在熱源煙氣側(cè)的參數(shù)不變化的情況下，主蒸汽的流量會隨著其焓值的增加而減小，所以做功能力因其排氣量的降低而下降。在排煙溫度和閃蒸器的工作壓力給定的情況下，由質(zhì)量守恒可知閃蒸器的排汽流量會隨著主蒸汽流量的減小而增加，所以閃蒸器的低壓蒸汽做功能力W2增加。由公式(5)知，機(jī)組的發(fā)電凈功率Nnet會隨主蒸汽壓力的增加而存在一個最大值。

圖3 主蒸汽壓力對凈功率和泵功耗的影響

圖4 主蒸汽壓力對回收率的影響

2.2 閃蒸器工作壓力對機(jī)組回收率影響

在其他參數(shù)不變的情況下，隨著閃蒸器工作壓力的增加，對應(yīng)其閃蒸出的飽和蒸汽焓值也增加，由式(3)、式(4)可知，在其它參數(shù)不變的情況下，只有閃蒸汽的流量減少才能滿足閃蒸器內(nèi)的能量平衡。由圖5可見，隨著閃蒸器的工作壓力pfe增加時，閃蒸汽的焓值增大，流量減小。

由圖6可見，隨著閃蒸器的工作壓力pfe增加時，主蒸汽的做功W1不變，閃蒸汽的做功W2先增大后減小，機(jī)組的發(fā)電凈功率Nnet也是先增大后減小，泵的能耗ΔWP降低。原因是隨著pfe增大時，主蒸汽不會受影響，故W1不變;由圖5和公式(9)可知，W2存在一個最大值，故W2先增大后減小;ΔWP的變化范圍為68.58～60.19 kW，它對Nnet變化趨勢影響不大，所以由公式(5)可知，Nnet也存在一個最大值。

圖5 閃蒸器的工作壓力對其流量和焓值的影響

圖6 主蒸汽壓力對機(jī)組凈功率和泵功耗的影響

圖7 閃蒸器壓力對回收率的影響

3 可控參數(shù)的優(yōu)化

為了能進(jìn)一步提高閃蒸余熱機(jī)組的發(fā)電性能，可控參數(shù)的組合優(yōu)化顯然是一個非常有效的手段［13］。由上文可知，主蒸汽壓力和閃蒸器的工作壓力在一定范圍內(nèi)都存在一個使得機(jī)組系統(tǒng)性能最大化的最優(yōu)值，下文將這兩個參數(shù)作為獨(dú)立變量，以余熱發(fā)電機(jī)組的回收率作為目標(biāo)函數(shù)［14］，在特定的約束條件下，利用變尺度優(yōu)化法進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

3.2 優(yōu)化算法

變尺度優(yōu)化方法主要適用于多維變量的二次逼近，它的基本思想是搜索將目標(biāo)函數(shù)無限逼近所有獨(dú)立變量構(gòu)成的函數(shù)［15］。算法的執(zhí)行如下。

泰勒級數(shù)

3.3 優(yōu)化結(jié)果及其分析

優(yōu)化結(jié)果如圖8和表4顯示

圖8 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果

由表4可知:對 pfe、p1同時優(yōu)化后回收率ηExergy較原始參數(shù)和單一優(yōu)化后的參數(shù)都有所提高，分別提高了1.308%、1.067%和0.637 7%，發(fā)電凈功率Nnet分別提高了1.33%、1.10%和0.55%，而且pfe、p1的優(yōu)化值符合機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的范圍，達(dá)到了優(yōu)化的目的，優(yōu)化的結(jié)果和思路對該類余熱機(jī)組具有指導(dǎo)性意義。

表4 優(yōu)化前后機(jī)組的主要性能參數(shù)對比

3 結(jié)論

(1)在其它可控參數(shù)一定的情況下，主蒸汽壓力和閃蒸器工作壓力都在各自的約束范圍內(nèi)存在一個使閃蒸余熱發(fā)電機(jī)組性能最大化的最優(yōu)值。

(2)通過變尺度優(yōu)化法，優(yōu)化得到一組主蒸汽壓力和閃蒸器工作壓力值，這組壓力值能進(jìn)一步提高閃蒸余熱發(fā)電機(jī)組的性能。

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