朱家興

【摘 要】現(xiàn)如今，我國(guó)的科技發(fā)展十分迅速，通過(guò)建立鍋爐煙氣余熱發(fā)電制冷供熱耦合系統(tǒng)，可全年利用工質(zhì)R410a與煙氣換熱驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，將部分煙氣余熱作為溴化鋰吸收式制冷機(jī)組中發(fā)生器的熱源，推動(dòng)制冷循環(huán)，讓鍋爐余熱回收利用到多系統(tǒng)領(lǐng)域，達(dá)到降低煙氣溫度、助力煙氣脫硫、節(jié)能減排等目的。

【關(guān)鍵詞】鍋爐煙氣余熱；發(fā)電；優(yōu)化

引言

我國(guó)的工業(yè)能耗約占能源消耗總量的70%，而工業(yè)能耗的60%～65%都轉(zhuǎn)化為載體不同、溫度不同的余熱。在鋼鐵、水泥、石油化工、玻璃、有色冶金及陶瓷等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量低溫余熱，如熱水、蒸汽和低品位煙氣等，余熱數(shù)量大、品位低。針對(duì)鋼鐵行業(yè)燒結(jié)煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng)，建立模型優(yōu)化分析受熱面布置方案及蒸汽參數(shù)對(duì)余熱利用率和系統(tǒng)發(fā)電功率的影響。研究了主汽壓力和余熱鍋爐入口煙溫對(duì)1200t/d玻璃窯余熱發(fā)電發(fā)電功率的影響?，F(xiàn)有研究基本上都是針對(duì)蒸汽參數(shù)優(yōu)化，針對(duì)中低參數(shù)余熱發(fā)電系統(tǒng)的取熱優(yōu)化研究較少。針對(duì)基于朗肯循環(huán)的低溫?zé)煔庥酂岚l(fā)電系統(tǒng)，本文試圖從系統(tǒng)凈輸出功率最大的角度研究系統(tǒng)最佳余熱回收量，指導(dǎo)低溫?zé)煔庥酂岚l(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1系統(tǒng)的建立

鍋爐煙氣余熱發(fā)電制冷供熱耦合系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），包括煙氣換熱器、加壓泵、冷凝器、汽輪機(jī)、單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)機(jī)組與相應(yīng)的閥門組成，制冷工質(zhì)選擇R410a，鍋爐煙氣出口與煙氣換熱器連接，煙氣換熱器中的制冷工質(zhì)R410a吸熱，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)進(jìn)入汽輪機(jī)中，推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電。從汽輪機(jī)出來(lái)的乏氣進(jìn)入冷凝器放熱，又由氣態(tài)變成液態(tài)，經(jīng)過(guò)加壓泵，制冷工質(zhì)R410a又回到煙氣換熱器中循環(huán)利用。而從煙氣換熱器中換熱出來(lái)的煙氣，分成兩個(gè)部分，一部分直接進(jìn)入脫硫設(shè)備，脫硫直接排放到大氣中，另一部分進(jìn)入單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)機(jī)組中的發(fā)生器，而這兩部分煙氣的量由調(diào)節(jié)閥控制。煙氣進(jìn)入單效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)機(jī)組中的發(fā)生器放熱，溴化鋰溶液中的水吸熱生成高壓水蒸氣進(jìn)入冷凝器放熱，高壓水蒸氣放熱變成冷劑水經(jīng)過(guò)膨脹閥節(jié)流減壓，變成濕蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器中，制冷劑濕蒸汽在蒸發(fā)器中吸熱汽化（蒸發(fā)）變成低壓水蒸氣進(jìn)入吸收器中放熱，其中蒸發(fā)器中的冷劑水經(jīng)過(guò)循環(huán)泵灑在蒸發(fā)器換熱表面，溴化鋰濃溶液在溶液熱交交換器中預(yù)冷，再經(jīng)過(guò)減壓閥節(jié)流變成閃蒸溶液（濃溶液+水蒸氣）進(jìn)入吸收器，濃溶液與從蒸發(fā)器中來(lái)的低壓水蒸氣一起換熱混合成稀溶液，稀溶液經(jīng)過(guò)發(fā)生器泵在溶液熱交換器時(shí)預(yù)熱回到發(fā)生器中，溴化鋰溶液以此循環(huán)利用。

2熱力模型

2.1物理模型

高耗能工業(yè)固體產(chǎn)品冷卻工序中，工業(yè)產(chǎn)品沿著冷卻線逐漸降溫，伴隨余熱煙氣排放。從熱量平衡的角度，冷卻工序排放余熱總量為工業(yè)產(chǎn)品輸入到輸出過(guò)程中釋放的固體顯熱及結(jié)晶熱。余熱煙氣取熱范圍越大，雖然總熱量增加，但由于混合后的煙氣溫度下降，系統(tǒng)效率反而降低。因此，回收所有煙氣用于余熱發(fā)電不是最高效的，也不是最經(jīng)濟(jì)的。圖2是成品燒結(jié)礦冷卻過(guò)程示意圖，在燒結(jié)礦冷卻過(guò)程中排放余熱煙氣，是一種典型的低溫?zé)煔庥酂帷?00～700℃的燒結(jié)礦從燒結(jié)機(jī)落料到冷卻機(jī)上并形成一定厚度的填充層。一般冷卻機(jī)前段上方設(shè)置煙罩用于收集冷風(fēng)與熾熱燒結(jié)礦石進(jìn)行熱交換后的中低溫?zé)煔?，?jīng)煙罩收集后的余熱煙氣引入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽發(fā)電。

2.2數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)凈輸出功率函數(shù)：Pe=Qrηbηpηtηriηmηg-Wp，（1）式（1）中，Pe為系統(tǒng)凈輸出功率，kW；Qr為余熱回收量，kW；ηb為余熱鍋爐效率，%；ηp為管道效率，%；ηt為朗肯循環(huán)效率，%；ηri為汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率，%；ηm為發(fā)電機(jī)械效率，%；ηg為發(fā)電效率，%；Wp為發(fā)電系統(tǒng)自耗電功率，kW。余熱發(fā)電系統(tǒng)一般不設(shè)回?zé)嵯到y(tǒng)，也沒(méi)有再熱過(guò)程，ηt僅考慮主蒸汽參數(shù)和排汽溫度的影響；ηb主要與煙氣溫度T0及余熱鍋爐排煙溫度Tpy有關(guān)；ηri與汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)、主蒸汽參數(shù)有關(guān)，而主蒸汽參數(shù)主要受余熱鍋爐入口煙氣溫度T0的影響。余熱發(fā)電系統(tǒng)自耗電主要來(lái)自鍋爐引風(fēng)機(jī)、給水泵及循環(huán)水泵耗功。給水泵耗功占比比較小，在此忽略不計(jì)。在排汽壓力、汽機(jī)內(nèi)效率一定且不外供蒸汽的情況下，循環(huán)水泵耗功就與汽機(jī)入口輸入熱量是同步變化的，即汽機(jī)入口輸入熱量越大，循環(huán)水泵耗功越大。從以上分析可以看出，模型目標(biāo)函數(shù)Pe可視為僅與余熱鍋爐入口煙氣溫度、流量、余熱鍋爐排煙溫度及汽機(jī)排汽溫度等幾個(gè)變量有關(guān)系。

2.3低溫?zé)煔庥酂岚l(fā)電系統(tǒng)邊界條件

針對(duì)物理模型中提到的燒結(jié)-環(huán)冷工藝，正常生產(chǎn)時(shí)燒結(jié)機(jī)和環(huán)冷機(jī)的運(yùn)行速度基本不變。燒結(jié)礦隨著臺(tái)車水平移動(dòng)，空氣從下往上垂直流動(dòng)、穿透燒結(jié)礦，可以認(rèn)為燒結(jié)礦被冷卻的過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的一維傳熱過(guò)程。燒結(jié)礦在環(huán)冷機(jī)圓周方向上逐漸冷卻，每塊燒結(jié)礦的冷卻是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，但是從整個(gè)環(huán)冷機(jī)看，排放的余熱煙氣總熱量基本不隨時(shí)間變化，燒結(jié)冷卻過(guò)程可以看做一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程。

3經(jīng)濟(jì)性分析

3.1經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

（1）費(fèi)用年值工程的總費(fèi)用通常包括初投資和年運(yùn)行費(fèi)用兩部分，由于二者性質(zhì)不同，所以采用費(fèi)用年值——利用資金回收系數(shù)折算比率，將初投資費(fèi)用進(jìn)行折算再與運(yùn)行費(fèi)用相加，得出費(fèi)用年值。其計(jì)算公式 式中：Z為費(fèi)用年值，元/年；Ct為初投資，元；Cr為年運(yùn)行費(fèi)用，元/年；j為年利率，10%；n為設(shè)備使用壽命，年。（2）凈現(xiàn)值凈現(xiàn)值（NPV）指標(biāo)是通過(guò)計(jì)算方案壽命期內(nèi)每年發(fā)生的現(xiàn)金流量，并按一定折現(xiàn)率將各年的凈現(xiàn)金流量折算到投資期初，將各年現(xiàn)值進(jìn)行疊加就得到凈現(xiàn)值，可由式 式中：CI為流入凈現(xiàn)金；CO為流出凈現(xiàn)金；（CI-CO）t為第t年的凈現(xiàn)金流量；i為基準(zhǔn)收益率；t為計(jì)算年分?jǐn)?shù)。NPV>0表示方案不僅回收了投資，而且還有盈余，凈現(xiàn)值越大，方案收益方案越好；NPV=0表示方案回收了投資，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，方案也可行；NPV<0表示方案不但不能回收投資，而且還有虧損，方案不可行。（3）動(dòng)態(tài)投資回收期回收期反映了方案投資回收的速度。動(dòng)態(tài)投資回收期是指方案凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值累計(jì)為零時(shí)的時(shí)間?；厥掌谠蕉?，說(shuō)明方案越早開(kāi)始盈利，設(shè)備壽命期內(nèi)收益越多，因此必須把動(dòng)態(tài)回收期至少控制在設(shè)備壽命期內(nèi)，否則方案不可行，動(dòng)態(tài)投資回收期可由式 式中：m為累計(jì)凈現(xiàn)金流量首次為正值或零的年數(shù)；Ft為第t年的凈現(xiàn)金流量。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立低溫?zé)煔庥酂岚l(fā)電系統(tǒng)凈輸出功率目標(biāo)函數(shù)，研究系統(tǒng)余熱取熱范圍、鍋爐排煙溫度及汽機(jī)排汽溫度與系統(tǒng)凈輸出功率之間的關(guān)系，指導(dǎo)低溫?zé)煔庥酂岚l(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。算例計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了模型的適用性。

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（作者單位：大連派思透平動(dòng)力科技有限公司）