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【摘要】对低温余热资源量的统计与评价，除了用热力学第一定律分析其所含的资源量以外，还必须用热力学第二定律（分析法）对低温余热资源的作功能力及其动力利用的理论限度进行分析。根据余热资源的总量以及载热介质的比，可以科学地判断低温余热的作功能力及其动力利用的理论限度，从而合理地配置装机容量。同时，低温余热对于节约能源都具有十分重要的作用，有利于资源的合理利用。
【关键词】低温；余热；发电
中途分类号：TM61 文献标识码：A文章编号：
一、引言
低温余热的利用大致有两种方式，一为热利用，二为动力利用。究竟以哪种利用方式为宜，一方面要看实际需要，另一方面要看低温余热资源的条件。温度过低的余热只适用于作一般的显热利用。如果余热的温度较高，量也足够大，那么利用低温余热发电产生动力，就会显示出其经济上的可行性。
二、低温余热发电的热力分析
（一）低温余热发电的热力循环
低温余热发电的动力利用装置，多采用朗肯循环。余热的载热介质（简称余热介质）通过预热器和蒸发器（或余热锅炉）来加热某种低沸点的中间工质（通常为水）。液态的中间工质在吸收了余热以后，在蒸发器中汽化为某一压力的蒸汽，然后推动汽轮机发电。进入汽轮机的蒸汽可以是饱和蒸汽，也可以是过热蒸汽。
在汽轮机中作过功的蒸汽排入凝汽器中冷凝为液态工质，用工质泵打回预热器，完成一个热力循环。
如果余热的温度较高，量也很大，那么可考虑采用更复杂一些的循环装置，称作余热发电装置的多级蒸发。在这一方案中，余热介质相继通过高压、低压等多个蒸发器来加热中间工质，使之产生压力不等的多股蒸汽，各股蒸汽根据其压力的高低，从适当的部位通入汽轮机发电作功。
如果余热介质是热水或是水蒸汽，那么只要条件符合要求，也可以使余热介质兼作作功的工质。以热水兼作作功工质时，需要使用扩容器。
纯低温余热发电系统的余热参数。预分解窑系统较为稳定，参数具有代表性和可靠性的前提下，进行现场热工标定。标定熟料产量5 260 t/d，测得窑尾预热器出口废气量29.3万 Nm3/h，废气温度318 ℃；由于入生料磨物料的综合水分较高，因此生料磨烘干物料所需废气温度较高，达220 ℃；另外，AQC锅炉从冷却机中部抽出的烟气量为25.5万Nm3/h、温度为360 ℃。
（二）低温余热发电的容量估算
在分析低温余热资源的动力利用时，除了用热力学第一定律分析其所含的资源量以外，还必须用热力学第二定律（分析法）对低温余热资源的作功能力及其动力利用的理论限度进行分析。根据余热资源的总量以及载热介质的比，可以科学地判断低温余热的作功能力及其动力利用的理论限度。温度过低的余热只适宜于做一般的显热利用。如果余热的温度较高，量也足够大，那么利用低温余热发电产生动力，就会显示出其经济上的可行性。
热平衡计算过程
需要补充的原始条件：
热量收入
（1）碳素氧化热
由C氧化成1m³ 的CO2放热 =17898.43 KJ/m³，由C氧化成1m³的CO放热 =5248.45 KJ/m³。碳素氧化热=302.18×19878.43+(426.86-2.22)×5250.50=7638119.90 KJ
（2）热风带入热
1150 ℃时干空气的比热容为1.429kJ/ m3•℃ ，水蒸气的比热为1.753 kJ/ m3•℃,热风带入热=[(1252.24-18.74)×1.429+18.74×1.753]×1150=2064848.00 KJ
（3）成渣热
炉料中以碳酸盐形式存在的CaO和MgO，在高炉内生成钙铝酸盐时，1kg放出热量1130.49 kJ
混合矿的CaO=1670.86×0.0154× =32.75 KJ。成渣热=32.75×1130.49=307023.55 kJ
热量支出
（1） 氧化物分解与脱硫耗热
铁氧化物分解热：设焦炭和煤粉中FeO以硅酸铁形态存在，烧结矿中FeO有20%以硅酸铁形态存在其余以Fe3O4，铁氧化物分解热由FeO、Fe3O4和Fe2O3三部分组成。
m（FeO）硅酸铁=1670.86×0.79×0.0818×0.2+360×0.0067+160×0.0045=24.72 kg。去除进入渣中的FeO，它也以硅酸铁形式存在，计3.69 kg，余下的m(FeO)硅酸铁=24.72-3.69=21.03 kg
（2）碳酸盐分解热
由CaCO3分解出1 Kg的CO2需热4044.64 KJ，由M gCO3分解出1 Kg CO2需热2487.08 KJ，混合矿石CO2量=1670.86×0.0154=25.73 Kg。假定CaCO3和M gCO3是按比例分配的。
三、低温余热发电的方案
（一）方案的选择
余热动力装置最常用的方案有中间工质方案与扩容方案两大类，每一类又有单级蒸发与多级蒸发之分。
在中间工质方案中，余热介质把热量通过面式换热器传给作为工质的中间介质，而余热介质本身并不作功。中间工质可以是非水工质也可以是水。如果余热介质本身是非水的或者是不洁净的，则中间工质方案是优先考虑的方案，在目前它是惟一可行的方案。
中间工质方案的主要优点是适应性比较强，通过工质种类的选择有可能减小汽轮机的尺寸，提高装置的循环效率，并有效地利用冬季的低温增加发电量。中间工质方案，特别是非水工质方案的最大缺点，就是不论在蒸发端还是凝结端，都需要相对来说比较庞大的换热器。品位低的余热装置，传热的端温差选得不能太大，非水中间工质的传热性能又差，这两个因素是导致换热面积大的主要原因。
（二）可利用余热条件
1、汽机系统
汽轮机为国产低压凝汽式汽轮机，额定功率为4.SMW。主汽参数:压力1.OMPa,温度310`，排汽压力0.007MPa,汽轮机转速为3000r/min,调速系统为电液控制。
2、锅炉系统
在窑头冷却机中部废气出口设置窑头余热锅炉:分两段设置(其中r段为蒸汽段，II段为热水段);在窑尾预热器废气出口设置窑尾余热锅炉(只设置I段一蒸汽段)。
窑头余热锅炉I段生产压力1.1MPa,温度340℃过热蒸汽7.3t/h。窑头余热锅炉II段生产的180℃左右的热水21.3t/h，其中7.6t/h的热水提供给窑头余热锅炉I段，另外13.7t/h的热水作为窑尾余热锅炉给水。
窑尾余热锅炉生产的压力1.1MPa,温度310℃过热蒸汽13.2t/h与窑头余热锅炉产生的过热燕汽并入汽轮机房的主蒸汽母管，除去室外管线的压力、温度损失混合为压力1.OMPa,温度310℃過热蒸汽(其烩值为3073.SkJ/kg)作为主蒸汽进人汽机做功，做功后的乏汽(压力盛0.0070MPa,熔约为2406.2kJ/kg)通过冷凝器冷凝成水，凝结水经凝结水泵送人锅炉给水泵，为窑头余热锅炉II段提供给水，从而形成完整的热力循环系统。
3、电气系统
余热电站采用l0kV单母线分段接线方式。1号、2号发电机组分别由电站10kV 1,11段母线经单回电缆线路与公司总降变电站10kV母线连接，从而实现余热电站与系统井网运行，同期并网操作设在电站侧，并且在发电机出口断路器、电站侧发电机联络断路器及电站侧10kV I,II段母线联络断路器处设置同期并网点。电站与电力系统并网运行，在不改变总降原有供电及运行方式的前提下，发电机发出的电量全部用于全厂负荷。
根据余热电站的运行特点，采用机、炉、电系统集中的控制方式。
四、结束语
本文分析了低温余热资源动力利用的理论限度，低温余热所能提供电力的理论最大值，等于余热介质的量，也就是低温余热发电装置的理论最大发电量，并导出了低温余热发电装置所能获得的最大净发电量Wt公式。笔者认为，在确定低温余热发电的装机容量与经济性时，应以净发电量的理论值为主要依据进行评估。
参考文献：
[1]王统彬 纯低温余热发电方案设计及系统优化华北电力大学（河北）2008-04-25硕士
[2]徐建 中低温余热发电有机朗肯循环系统性能分析及优化研究上海交通大学2012-02-01硕士
[3]王建财 低温余热发电模型的研究哈尔滨理工大学2003-03-01硕士
【关键词】低温；余热；发电
中途分类号：TM61 文献标识码：A文章编号：
一、引言
低温余热的利用大致有两种方式，一为热利用，二为动力利用。究竟以哪种利用方式为宜，一方面要看实际需要，另一方面要看低温余热资源的条件。温度过低的余热只适用于作一般的显热利用。如果余热的温度较高，量也足够大，那么利用低温余热发电产生动力，就会显示出其经济上的可行性。
二、低温余热发电的热力分析
（一）低温余热发电的热力循环
低温余热发电的动力利用装置，多采用朗肯循环。余热的载热介质（简称余热介质）通过预热器和蒸发器（或余热锅炉）来加热某种低沸点的中间工质（通常为水）。液态的中间工质在吸收了余热以后，在蒸发器中汽化为某一压力的蒸汽，然后推动汽轮机发电。进入汽轮机的蒸汽可以是饱和蒸汽，也可以是过热蒸汽。
在汽轮机中作过功的蒸汽排入凝汽器中冷凝为液态工质，用工质泵打回预热器，完成一个热力循环。
如果余热的温度较高，量也很大，那么可考虑采用更复杂一些的循环装置，称作余热发电装置的多级蒸发。在这一方案中，余热介质相继通过高压、低压等多个蒸发器来加热中间工质，使之产生压力不等的多股蒸汽，各股蒸汽根据其压力的高低，从适当的部位通入汽轮机发电作功。
如果余热介质是热水或是水蒸汽，那么只要条件符合要求，也可以使余热介质兼作作功的工质。以热水兼作作功工质时，需要使用扩容器。
纯低温余热发电系统的余热参数。预分解窑系统较为稳定，参数具有代表性和可靠性的前提下，进行现场热工标定。标定熟料产量5 260 t/d，测得窑尾预热器出口废气量29.3万 Nm3/h，废气温度318 ℃；由于入生料磨物料的综合水分较高，因此生料磨烘干物料所需废气温度较高，达220 ℃；另外，AQC锅炉从冷却机中部抽出的烟气量为25.5万Nm3/h、温度为360 ℃。
（二）低温余热发电的容量估算
在分析低温余热资源的动力利用时，除了用热力学第一定律分析其所含的资源量以外，还必须用热力学第二定律（分析法）对低温余热资源的作功能力及其动力利用的理论限度进行分析。根据余热资源的总量以及载热介质的比，可以科学地判断低温余热的作功能力及其动力利用的理论限度。温度过低的余热只适宜于做一般的显热利用。如果余热的温度较高，量也足够大，那么利用低温余热发电产生动力，就会显示出其经济上的可行性。
热平衡计算过程
需要补充的原始条件：
热量收入
（1）碳素氧化热
由C氧化成1m³ 的CO2放热 =17898.43 KJ/m³，由C氧化成1m³的CO放热 =5248.45 KJ/m³。碳素氧化热=302.18×19878.43+(426.86-2.22)×5250.50=7638119.90 KJ
（2）热风带入热
1150 ℃时干空气的比热容为1.429kJ/ m3•℃ ，水蒸气的比热为1.753 kJ/ m3•℃,热风带入热=[(1252.24-18.74)×1.429+18.74×1.753]×1150=2064848.00 KJ
（3）成渣热
炉料中以碳酸盐形式存在的CaO和MgO，在高炉内生成钙铝酸盐时，1kg放出热量1130.49 kJ
混合矿的CaO=1670.86×0.0154× =32.75 KJ。成渣热=32.75×1130.49=307023.55 kJ
热量支出
（1） 氧化物分解与脱硫耗热
铁氧化物分解热：设焦炭和煤粉中FeO以硅酸铁形态存在，烧结矿中FeO有20%以硅酸铁形态存在其余以Fe3O4，铁氧化物分解热由FeO、Fe3O4和Fe2O3三部分组成。
m（FeO）硅酸铁=1670.86×0.79×0.0818×0.2+360×0.0067+160×0.0045=24.72 kg。去除进入渣中的FeO，它也以硅酸铁形式存在，计3.69 kg，余下的m(FeO)硅酸铁=24.72-3.69=21.03 kg
（2）碳酸盐分解热
由CaCO3分解出1 Kg的CO2需热4044.64 KJ，由M gCO3分解出1 Kg CO2需热2487.08 KJ，混合矿石CO2量=1670.86×0.0154=25.73 Kg。假定CaCO3和M gCO3是按比例分配的。
三、低温余热发电的方案
（一）方案的选择
余热动力装置最常用的方案有中间工质方案与扩容方案两大类，每一类又有单级蒸发与多级蒸发之分。
在中间工质方案中，余热介质把热量通过面式换热器传给作为工质的中间介质，而余热介质本身并不作功。中间工质可以是非水工质也可以是水。如果余热介质本身是非水的或者是不洁净的，则中间工质方案是优先考虑的方案，在目前它是惟一可行的方案。
中间工质方案的主要优点是适应性比较强，通过工质种类的选择有可能减小汽轮机的尺寸，提高装置的循环效率，并有效地利用冬季的低温增加发电量。中间工质方案，特别是非水工质方案的最大缺点，就是不论在蒸发端还是凝结端，都需要相对来说比较庞大的换热器。品位低的余热装置，传热的端温差选得不能太大，非水中间工质的传热性能又差，这两个因素是导致换热面积大的主要原因。
（二）可利用余热条件
1、汽机系统
汽轮机为国产低压凝汽式汽轮机，额定功率为4.SMW。主汽参数:压力1.OMPa,温度310`，排汽压力0.007MPa,汽轮机转速为3000r/min,调速系统为电液控制。
2、锅炉系统
在窑头冷却机中部废气出口设置窑头余热锅炉:分两段设置(其中r段为蒸汽段，II段为热水段);在窑尾预热器废气出口设置窑尾余热锅炉(只设置I段一蒸汽段)。
窑头余热锅炉I段生产压力1.1MPa,温度340℃过热蒸汽7.3t/h。窑头余热锅炉II段生产的180℃左右的热水21.3t/h，其中7.6t/h的热水提供给窑头余热锅炉I段，另外13.7t/h的热水作为窑尾余热锅炉给水。
窑尾余热锅炉生产的压力1.1MPa,温度310℃过热蒸汽13.2t/h与窑头余热锅炉产生的过热燕汽并入汽轮机房的主蒸汽母管，除去室外管线的压力、温度损失混合为压力1.OMPa,温度310℃過热蒸汽(其烩值为3073.SkJ/kg)作为主蒸汽进人汽机做功，做功后的乏汽(压力盛0.0070MPa,熔约为2406.2kJ/kg)通过冷凝器冷凝成水，凝结水经凝结水泵送人锅炉给水泵，为窑头余热锅炉II段提供给水，从而形成完整的热力循环系统。
3、电气系统
余热电站采用l0kV单母线分段接线方式。1号、2号发电机组分别由电站10kV 1,11段母线经单回电缆线路与公司总降变电站10kV母线连接，从而实现余热电站与系统井网运行，同期并网操作设在电站侧，并且在发电机出口断路器、电站侧发电机联络断路器及电站侧10kV I,II段母线联络断路器处设置同期并网点。电站与电力系统并网运行，在不改变总降原有供电及运行方式的前提下，发电机发出的电量全部用于全厂负荷。
根据余热电站的运行特点，采用机、炉、电系统集中的控制方式。
四、结束语
本文分析了低温余热资源动力利用的理论限度，低温余热所能提供电力的理论最大值，等于余热介质的量，也就是低温余热发电装置的理论最大发电量，并导出了低温余热发电装置所能获得的最大净发电量Wt公式。笔者认为，在确定低温余热发电的装机容量与经济性时，应以净发电量的理论值为主要依据进行评估。
参考文献：
[1]王统彬 纯低温余热发电方案设计及系统优化华北电力大学（河北）2008-04-25硕士
[2]徐建 中低温余热发电有机朗肯循环系统性能分析及优化研究上海交通大学2012-02-01硕士
[3]王建财 低温余热发电模型的研究哈尔滨理工大学2003-03-01硕士