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【摘 要】现如今，我国的科技发展十分迅速，通过建立锅炉烟气余热发电制冷供热耦合系统，可全年利用工质R410a与烟气换热驱动汽轮机发电，将部分烟气余热作为溴化锂吸收式制冷机组中发生器的热源，推动制冷循环，让锅炉余热回收利用到多系统领域，达到降低烟气温度、助力烟气脱硫、节能减排等目的。
【关键词】锅炉烟气余热；发电；优化
引言
我国的工业能耗约占能源消耗总量的70%，而工业能耗的60%～65%都转化为载体不同、温度不同的余热。在钢铁、水泥、石油化工、玻璃、有色冶金及陶瓷等行业生产过程中产生的大量低温余热，如热水、蒸汽和低品位烟气等，余热数量大、品位低。针对钢铁行业烧结烟气余热发电系统，建立模型优化分析受热面布置方案及蒸汽参数对余热利用率和系统发电功率的影响。研究了主汽压力和余热锅炉入口烟温对1200t/d玻璃窑余热发电发电功率的影响。现有研究基本上都是针对蒸汽参数优化，针对中低参数余热发电系统的取热优化研究较少。针对基于朗肯循环的低温烟气余热发电系统，本文试图从系统净输出功率最大的角度研究系统最佳余热回收量，指导低温烟气余热发电系统设计。
1系统的建立
锅炉烟气余热发电制冷供热耦合系统（见图1），包括烟气换热器、加压泵、冷凝器、汽轮机、单效溴化锂吸收式制冷循环机组与相应的阀门组成，制冷工质选择R410a，锅炉烟气出口与烟气换热器连接，烟气换热器中的制冷工质R410a吸热，由液态变为气态进入汽轮机中，推动汽轮机转动发电。从汽轮机出来的乏气进入冷凝器放热，又由气态变成液态，经过加压泵，制冷工质R410a又回到烟气换热器中循环利用。而从烟气换热器中换热出来的烟气，分成两个部分，一部分直接进入脱硫设备，脱硫直接排放到大气中，另一部分进入单效溴化锂吸收式制冷循环机组中的发生器，而这两部分烟气的量由调节阀控制。烟气进入单效溴化锂吸收式制冷循环机组中的发生器放热，溴化锂溶液中的水吸热生成高压水蒸气进入冷凝器放热，高压水蒸气放热变成冷剂水经过膨胀阀节流减压，变成湿蒸汽进入蒸发器中，制冷剂湿蒸汽在蒸发器中吸热汽化（蒸发）变成低压水蒸气进入吸收器中放热，其中蒸发器中的冷剂水经过循环泵洒在蒸发器换热表面，溴化锂浓溶液在溶液热交交换器中预冷，再经过减压阀节流变成闪蒸溶液（浓溶液+水蒸气）进入吸收器，浓溶液与从蒸发器中来的低压水蒸气一起换热混合成稀溶液，稀溶液经过发生器泵在溶液热交换器时预热回到发生器中，溴化锂溶液以此循环利用。
2热力模型
2.1物理模型
高耗能工业固体产品冷却工序中，工业产品沿着冷却线逐渐降温，伴随余热烟气排放。从热量平衡的角度，冷却工序排放余热总量为工业产品输入到输出过程中释放的固体显热及结晶热。余热烟气取热范围越大，虽然总热量增加，但由于混合后的烟气温度下降，系统效率反而降低。因此，回收所有烟气用于余热发电不是最高效的，也不是最经济的。图2是成品烧结矿冷却过程示意图，在烧结矿冷却过程中排放余热烟气，是一种典型的低温烟气余热。500～700℃的烧结矿从烧结机落料到冷却机上并形成一定厚度的填充层。一般冷却机前段上方设置烟罩用于收集冷风与炽热烧结矿石进行热交换后的中低温烟气，经烟罩收集后的余热烟气引入余热锅炉产生蒸汽发电。
2.2数学模型
系统净输出功率函数：Pe=Qrηbηpηtηriηmηg-Wp，（1）式（1）中，Pe为系统净输出功率，kW；Qr为余热回收量，kW；ηb为余热锅炉效率，%；ηp为管道效率，%；ηt为朗肯循环效率，%；ηri为汽轮机相对内效率，%；ηm为发电机械效率，%；ηg为发电效率，%；Wp为发电系统自耗电功率，kW。余热发电系统一般不设回热系统，也没有再热过程，ηt仅考虑主蒸汽参数和排汽温度的影响；ηb主要与烟气温度T0及余热锅炉排烟温度Tpy有关；ηri与汽轮机结构、主蒸汽参数有关，而主蒸汽参数主要受余热锅炉入口烟气温度T0的影响。余热发电系统自耗电主要来自锅炉引风机、给水泵及循环水泵耗功。给水泵耗功占比比较小，在此忽略不计。在排汽压力、汽机内效率一定且不外供蒸汽的情况下，循环水泵耗功就与汽机入口输入热量是同步变化的，即汽机入口输入热量越大，循环水泵耗功越大。从以上分析可以看出，模型目标函数Pe可视为仅与余热锅炉入口烟气温度、流量、余热锅炉排烟温度及汽机排汽温度等几个变量有关系。
2.3低温烟气余热发电系统边界条件
针对物理模型中提到的烧结-环冷工艺，正常生产时烧结机和环冷机的运行速度基本不变。烧结矿随着台车水平移动，空气从下往上垂直流动、穿透烧结矿，可以认为烧结矿被冷却的过程是一个连续的一维传热过程。烧结矿在环冷机圆周方向上逐渐冷却，每块烧结矿的冷却是一个非稳态传热过程，但是从整个环冷机看，排放的余热烟气总热量基本不随时间变化，烧结冷却过程可以看做一个稳态过程。
3经济性分析
3.1经济性指标
（1）费用年值工程的总费用通常包括初投资和年运行费用两部分，由于二者性质不同，所以采用费用年值——利用资金回收系数折算比率，将初投资费用进行折算再与运行费用相加，得出费用年值。其计算公式 式中：Z为费用年值，元/年；Ct为初投资，元；Cr为年运行费用，元/年；j为年利率，10%；n为设备使用寿命，年。（2）净现值净现值（NPV）指标是通过计算方案寿命期内每年发生的现金流量，并按一定折现率将各年的净现金流量折算到投资期初，将各年现值进行叠加就得到净现值，可由式 式中：CI为流入净现金；CO为流出净现金；（CI-CO）t为第t年的净现金流量；i为基准收益率；t为计算年分数。NPV>0表示方案不仅回收了投资，而且还有盈余，净现值越大，方案收益方案越好；NPV=0表示方案回收了投资，达到预定目标，方案也可行；NPV<0表示方案不但不能回收投资，而且还有亏损，方案不可行。（3）动态投资回收期回收期反映了方案投资回收的速度。動态投资回收期是指方案净现金流量现值累计为零时的时间。回收期越短，说明方案越早开始盈利，设备寿命期内收益越多，因此必须把动态回收期至少控制在设备寿命期内，否则方案不可行，动态投资回收期可由式 式中：m为累计净现金流量首次为正值或零的年数；Ft为第t年的净现金流量。
结语
通过建立低温烟气余热发电系统净输出功率目标函数，研究系统余热取热范围、锅炉排烟温度及汽机排汽温度与系统净输出功率之间的关系，指导低温烟气余热发电系统设计。算例计算结果验证了模型的适用性。
参考文献：
[1]张文芳.烟气余热利用过程的建模与控制[D].北京：华北电力大学，2012.
[2]赵斌，徐鸿，路晓雯，等.烧结余热发电系统的热力学分析和系统优化[J].华北电力大学学报，2010，37（3）：43-48.
[3]张邓杰，王江峰，王家全，等.水泥窑余热发电技术的分析及优化[J].动力工程，2009，29（9）：885-890.
[4]李志伟，张波，何红舟，等.1200t/d玻璃窑余热发电系统运行参数选型[J].电站系统工程，2013，29（3）：79-81.
[5]刘三军，苏震，张卫亮，等.安钢烧结环冷机余热发电技术[J].冶金能源，2009，28（6）：40-43.
（作者单位：大连派思透平动力科技有限公司）
【关键词】锅炉烟气余热；发电；优化
引言
我国的工业能耗约占能源消耗总量的70%，而工业能耗的60%～65%都转化为载体不同、温度不同的余热。在钢铁、水泥、石油化工、玻璃、有色冶金及陶瓷等行业生产过程中产生的大量低温余热，如热水、蒸汽和低品位烟气等，余热数量大、品位低。针对钢铁行业烧结烟气余热发电系统，建立模型优化分析受热面布置方案及蒸汽参数对余热利用率和系统发电功率的影响。研究了主汽压力和余热锅炉入口烟温对1200t/d玻璃窑余热发电发电功率的影响。现有研究基本上都是针对蒸汽参数优化，针对中低参数余热发电系统的取热优化研究较少。针对基于朗肯循环的低温烟气余热发电系统，本文试图从系统净输出功率最大的角度研究系统最佳余热回收量，指导低温烟气余热发电系统设计。
1系统的建立
锅炉烟气余热发电制冷供热耦合系统（见图1），包括烟气换热器、加压泵、冷凝器、汽轮机、单效溴化锂吸收式制冷循环机组与相应的阀门组成，制冷工质选择R410a，锅炉烟气出口与烟气换热器连接，烟气换热器中的制冷工质R410a吸热，由液态变为气态进入汽轮机中，推动汽轮机转动发电。从汽轮机出来的乏气进入冷凝器放热，又由气态变成液态，经过加压泵，制冷工质R410a又回到烟气换热器中循环利用。而从烟气换热器中换热出来的烟气，分成两个部分，一部分直接进入脱硫设备，脱硫直接排放到大气中，另一部分进入单效溴化锂吸收式制冷循环机组中的发生器，而这两部分烟气的量由调节阀控制。烟气进入单效溴化锂吸收式制冷循环机组中的发生器放热，溴化锂溶液中的水吸热生成高压水蒸气进入冷凝器放热，高压水蒸气放热变成冷剂水经过膨胀阀节流减压，变成湿蒸汽进入蒸发器中，制冷剂湿蒸汽在蒸发器中吸热汽化（蒸发）变成低压水蒸气进入吸收器中放热，其中蒸发器中的冷剂水经过循环泵洒在蒸发器换热表面，溴化锂浓溶液在溶液热交交换器中预冷，再经过减压阀节流变成闪蒸溶液（浓溶液+水蒸气）进入吸收器，浓溶液与从蒸发器中来的低压水蒸气一起换热混合成稀溶液，稀溶液经过发生器泵在溶液热交换器时预热回到发生器中，溴化锂溶液以此循环利用。
2热力模型
2.1物理模型
高耗能工业固体产品冷却工序中，工业产品沿着冷却线逐渐降温，伴随余热烟气排放。从热量平衡的角度，冷却工序排放余热总量为工业产品输入到输出过程中释放的固体显热及结晶热。余热烟气取热范围越大，虽然总热量增加，但由于混合后的烟气温度下降，系统效率反而降低。因此，回收所有烟气用于余热发电不是最高效的，也不是最经济的。图2是成品烧结矿冷却过程示意图，在烧结矿冷却过程中排放余热烟气，是一种典型的低温烟气余热。500～700℃的烧结矿从烧结机落料到冷却机上并形成一定厚度的填充层。一般冷却机前段上方设置烟罩用于收集冷风与炽热烧结矿石进行热交换后的中低温烟气，经烟罩收集后的余热烟气引入余热锅炉产生蒸汽发电。
2.2数学模型
系统净输出功率函数：Pe=Qrηbηpηtηriηmηg-Wp，（1）式（1）中，Pe为系统净输出功率，kW；Qr为余热回收量，kW；ηb为余热锅炉效率，%；ηp为管道效率，%；ηt为朗肯循环效率，%；ηri为汽轮机相对内效率，%；ηm为发电机械效率，%；ηg为发电效率，%；Wp为发电系统自耗电功率，kW。余热发电系统一般不设回热系统，也没有再热过程，ηt仅考虑主蒸汽参数和排汽温度的影响；ηb主要与烟气温度T0及余热锅炉排烟温度Tpy有关；ηri与汽轮机结构、主蒸汽参数有关，而主蒸汽参数主要受余热锅炉入口烟气温度T0的影响。余热发电系统自耗电主要来自锅炉引风机、给水泵及循环水泵耗功。给水泵耗功占比比较小，在此忽略不计。在排汽压力、汽机内效率一定且不外供蒸汽的情况下，循环水泵耗功就与汽机入口输入热量是同步变化的，即汽机入口输入热量越大，循环水泵耗功越大。从以上分析可以看出，模型目标函数Pe可视为仅与余热锅炉入口烟气温度、流量、余热锅炉排烟温度及汽机排汽温度等几个变量有关系。
2.3低温烟气余热发电系统边界条件
针对物理模型中提到的烧结-环冷工艺，正常生产时烧结机和环冷机的运行速度基本不变。烧结矿随着台车水平移动，空气从下往上垂直流动、穿透烧结矿，可以认为烧结矿被冷却的过程是一个连续的一维传热过程。烧结矿在环冷机圆周方向上逐渐冷却，每块烧结矿的冷却是一个非稳态传热过程，但是从整个环冷机看，排放的余热烟气总热量基本不随时间变化，烧结冷却过程可以看做一个稳态过程。
3经济性分析
3.1经济性指标
（1）费用年值工程的总费用通常包括初投资和年运行费用两部分，由于二者性质不同，所以采用费用年值——利用资金回收系数折算比率，将初投资费用进行折算再与运行费用相加，得出费用年值。其计算公式 式中：Z为费用年值，元/年；Ct为初投资，元；Cr为年运行费用，元/年；j为年利率，10%；n为设备使用寿命，年。（2）净现值净现值（NPV）指标是通过计算方案寿命期内每年发生的现金流量，并按一定折现率将各年的净现金流量折算到投资期初，将各年现值进行叠加就得到净现值，可由式 式中：CI为流入净现金；CO为流出净现金；（CI-CO）t为第t年的净现金流量；i为基准收益率；t为计算年分数。NPV>0表示方案不仅回收了投资，而且还有盈余，净现值越大，方案收益方案越好；NPV=0表示方案回收了投资，达到预定目标，方案也可行；NPV<0表示方案不但不能回收投资，而且还有亏损，方案不可行。（3）动态投资回收期回收期反映了方案投资回收的速度。動态投资回收期是指方案净现金流量现值累计为零时的时间。回收期越短，说明方案越早开始盈利，设备寿命期内收益越多，因此必须把动态回收期至少控制在设备寿命期内，否则方案不可行，动态投资回收期可由式 式中：m为累计净现金流量首次为正值或零的年数；Ft为第t年的净现金流量。
结语
通过建立低温烟气余热发电系统净输出功率目标函数，研究系统余热取热范围、锅炉排烟温度及汽机排汽温度与系统净输出功率之间的关系，指导低温烟气余热发电系统设计。算例计算结果验证了模型的适用性。
参考文献：
[1]张文芳.烟气余热利用过程的建模与控制[D].北京：华北电力大学，2012.
[2]赵斌，徐鸿，路晓雯，等.烧结余热发电系统的热力学分析和系统优化[J].华北电力大学学报，2010，37（3）：43-48.
[3]张邓杰，王江峰，王家全，等.水泥窑余热发电技术的分析及优化[J].动力工程，2009，29（9）：885-890.
[4]李志伟，张波，何红舟，等.1200t/d玻璃窑余热发电系统运行参数选型[J].电站系统工程，2013，29（3）：79-81.
[5]刘三军，苏震，张卫亮，等.安钢烧结环冷机余热发电技术[J].冶金能源，2009，28（6）：40-43.
（作者单位：大连派思透平动力科技有限公司）