概论余热发电系统热力计算方法
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摘要：本文介绍了预热发电系统的热力计算方法及其推导过程，可根据本文理解余热发电系统热力计算，有一定的参考价值。
关键词：余热发电；热力计算
中图分类号：O414.1 文献标识码：A 文章编号：
1 系统热力计算方法和步骤及其划元原则
1.1 系统热力计算方法
以热平衡和工质平衡理论为基础，以基本换热计算单元为热平衡范围，在考虑掠过换热器外部的废气与换热器内流过的工质之间换热效率的基础上，建立一系列包含热平衡范围内各项热收入与热支出项目的热平衡方程，以求解每个基本换热计算单元在换热过程中的某未知参数值。
1.2 系统划元原则
系统划元系指将余热发电系统划分为一系列可计算的基本换热计算单元，单元内的换热过程可建立唯一热平衡方程，以求解该单元在换热过程中的某未知参数值。系统中的汽轮机做功、蒸汽冷凝、热力除氧和高温水闪蒸等均已是基本换热计算单元；而余热锅炉内的热水器、省煤器、蒸发器、汽包和过热器等则需将其划分为各种类型的基本换热计算单元。这些基本换热计算单元既可是上述独立换热单元，也可是独立换热单元的各种组合。所谓基本换热单元系最大可计算单元，以此单元为热平衡范围而建立的热平衡方程仅有一个因变量，或相邻换热单元的两个热平衡方程间有两个相关联的因变量，通过两方程的联立而求解出两个因变量。 除已知省煤器出口废气温度外，划元一般以蒸发器为分界点，这样，可以根据已知的设计参数———某压力下的饱和蒸汽温度、 节点温差 ΔTPP及接近点温差ΔTAP，按所给公式间接求出蒸发器出口废气温度及蒸发器进口未饱和水温度，使二者变为已知条件，进而求出该段蒸汽产量。
1.3 系统热力计算步骤
1）根据废气余热资源条件，设计确定余热发电系统主蒸汽参数及补汽参数；
2）从余热锅炉出汽端开始，逆工质流向将余热发电系统划分为一系列基本换热计算单元，逐一建立相应的热平衡方程；
3） 按划分的基本换热计算单元顺序建立各单元热力参数表；
4）按序逐元代入相应热平衡方程，计算求解相应的未知数；
5）逐元计算，直至求解出汽轮机进口蒸汽参数；
6）计算发电机发电能力，设计发电机装机功率。
2 符号说明
符号编码说明
公式中有关量的符号编码规则为：1-2-3-45-67-8，其意义如下：
1为换热器内外流体物理性质参数代码：
t———温度，℃；
P———压力，MPa；
C———废气或工质比热容，kJ/（m3·℃ ）或kJ/（kg·℃）；
h———工质比焓，kJ/kg；
V———废气流量，m3/h；
G———工质流量，kg/h；
Q———废气或工质热量，kJ/h；
ηth———保热系数，即掠过该段废气与换热器内工质进行热交换的换热效率，%。
文中有关气体体积参数均为标准状态下的。
2 为流体名称代码：
f———废气；
s———蒸汽；
w———未饱和或饱和水。
3 为流体处于换热器件端口代码：
i———换热器件进口；
o———换热器件出口。
45 为换热器件名称代码：
gr———过热器；
qb———汽包；
zf———蒸发器；
sm———省煤器；
rs———热水器；
sz———闪蒸器；
cy———除氧器；
bl———篦冷机；
qj———汽轮机。
67 为换热器所处锅炉名称代码：
sp———SP 炉；
aq———AQC 炉；
as———ASH 过热器。
8 为流体所处换热器压力或废气温度状态代码：
h———高压；
l———低压；
z———中温。
例如：tfizfsph表示SP 炉高压蒸发器进口废气温度；hsoqbaqh表示AQC 炉高压汽包出口蒸汽比焓 ；Gwismspl表示SP 炉低压省煤器进口未饱和水流量。
而Vlfzf、Vlfsm、Vlfgr分别代表进入蒸发器、省煤器、过热器的中、低温废气流量。
3 各基本换热计算单元计算公式推导
3.1 蒸发器段热力过程计算公式
以图1 上部蒸发器 zf 和汽包 qb 段为热平衡边界。
图1 各换热段热平衡边界范围
建立如下热平衡方程：用于蒸发蒸发器和汽包内蒸汽的废气焓降=汽包出口主蒸汽热焓+排污带走热焓-进汽包高温水显热。 即：
根据汽包工质平衡有：
该段入口废气焓：
该段出口废气焓：
tsoqb等于汽包主蒸汽设计压力下的饱和蒸汽温度，查水蒸气焓熵图或水蒸气表确定；ΔTPP一般取8~20℃。
该段进汽包高温水温度：
由公式(1)～(6)计算该段蒸汽产量：
3.2 省煤器段热力过程计算公式
以图1 中部省煤器段为热平衡边界。建立如下热平衡方程：用于加热省煤器内热水的废气焓降=流过省煤器热水显热升。 即：
根据该段工质平衡有：
该段入口废气焓：
该段入口废气焓：
该段出口废气焓：
由公式(8)～(11)计算该段出口废气比热温度积：
3.3 省煤器、蒸发器和过热器段热力过程计算公式
以图1 下部省煤器 sm、蒸发器 zf 和过热器 gr 段为热平衡边界。建立如下热平衡方程：用于加热这 3 个换热器内工质的废气焓降=出过热器高温蒸汽热焓-进省煤器低温水显热+排污带走热焓。 即：
根据该段工质平衡有：
该段入口废气焓：
该段出口废气焓：
由公式(13)～(16)计算该段蒸汽产量：
3.4 过热器段热力过程计算公式
以图2 过热器 gr 段为热平衡边界。
图2 过热器段热平衡边界范围
建立如下热平衡方程：用于加热过热器内蒸汽的废气焓降=流过过热器蒸汽焓升。 即：
根据该段工质平衡有：
该段入口废气焓：
该段出口废气焓：
由公式(18)～ (21)计算该段出口废气比热温度积：
3.5 蒸发器和过热器段热力过程计算公式
以图3 蒸发器和过热器 gr 段为热平衡边界。
图3 蒸发器和过热器段热平衡边界条件
建立如下热平衡方程：用于蒸发和过热该段工质的废气焓降=过热器出口主蒸汽热焓+排污带走热焓-进汽包高温水显热。 即：
根据该段工质平衡有：
该段入口废气焓：
该段出口废气焓：
由公式(23)～(26)计算该段蒸汽产量：
3.6 热水器段热力过程计算公式
以图4 热水器 rs 段为热平衡边界。
图4 热水器段热平衡边界范围
建立如下热平衡方程：用于加热热水器内热水的废气焓降=流过热水器热水显热升。 即：
根据该段工质平衡有：
该段入口废气焓：
该段出口废气焓：
由公式(28)～(31)计算该段出口废气比热温度积：
3.7 闪蒸器热力过程计算公式
以图5 闪蒸器 sz 为热平衡边界。
图5 闪蒸器热平衡边界范围
建立如下热平衡方程： 进闪蒸器高压高温水显热=出闪蒸器低压低温饱和水热焓+出闪蒸器低压低温饱和蒸汽热焓。 即：
根据工质平衡有：
由公式(33)和(34)计算闪蒸器闪蒸出的蒸汽量：
3.8 热力除氧器热力过程计算公式
以图6 热力除氧器 cy 为热平衡边界。
图6 热力除氧器热平衡边界范围
建立如下热平衡方程：进热力除氧器未饱和水显热+进热力除氧器蒸汽热焓=出热力除氧器低压低温饱和水热焓。
即：
根据工质平衡有：
由公式(36)和(37)计算热力除氧器耗用蒸汽量：
3.9 发电机发电能力计算公式
在分别求出设计参数下的高压和低压蒸汽产量后，即可进行发电机发电能力的计算。
参考文献：
[1] 中国水泥网.水泥窑纯低温余热发电技术大全 [M].北京：中国建材工业出版社，2009.3：17-35.
作者简介：
陈哲，男，工程师，现在中煤邯郸设计工程有限责任公司从事暖通、动力设计工作。
杜梅霞，女，助理工程师，现在中煤邯郸设计工程有限责任公司从事暖通设计工作。