利用火电厂汽机排汽余热发电的可行性研究
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利用火电厂汽机排汽余热发电的可行性研究1、排汽余热利用的理论可行性火力发电厂发电效率之所以低的根本原因是被循环水带走的热损失高达50．5％～61．5％，且这部分损失的过冷蒸汽释放的汽化热，其温度已远低于水的沸点，水已失去了作为换热介质的意义。
因此，要利用这部分余热发电，就必须选择一种新的换热介质，即在常温下是液体，稍高于常温时就能汽化的新介质，则利用汽机排汽余热发电的理论问题就解决了。
1.1、介质的选择能满足上述条件的介质是氨气。
氨的物化特性如下：（1）在常温下极易溶解于水。
一体积的水可溶解700体积的氨。
生成一水合氨：NH3·H2O。
其化学键为氢键，很不稳定，加热又会分解成氨和水。
即NH3·H2O(2)在常压下氨的液化温度为－35．35℃；加压至0．7～0．8MPa时，在常温下也会液化。
（3）氨气化要带走大量热量，但氨与水分解时，吸收的热量却不多，在41．86kJ·mol－1以下。
（4）氨溶入水后，形成液体，其汽化热以化学能的形式释放，因此不需要低于氨沸点的介质作为低温热源来带走汽化热。
（5）氨气对金属基本无腐蚀，故常用作制冷剂。
但若有水存在时，对铜的腐蚀性很大。
因此换热管不宜用铜及其合金制造。
（6）从氨的i－s图中反映出，当压力为1．6MPa绝对大气压，温度为90℃时，氨的热焓为1406．5kJ／kg，压力降至0．5MPa绝对大气压，温度降至－5℃以下时，氨的热焓变为负值，这对提高汽轮机功率有利。
由于氨具有这些物化特性，氨的水溶液（氨水）就成了“利用汽机排汽余热发电”的理想介质。
1.2、发电原理利用浓氨水代替循环水经压力泵打入凝汽器，吸收排汽余热使氨与水分解气化。
由于氨气化要带走热量，只要气化不停止，氨水的温度就不会升高。
在凝汽器内冷却循环的氨水上部装有气化罐，以保证有足够的气化空间（气化罐上部还可加装加热器，利用汽机抽气对氨气进一步加热），并利用氨气推动氨气轮机（属氨气单独发电系统，称为“氨气轮机”以便与蒸汽轮机相区别），带动发电机发电。
氨气做功后，进入氨气轮机排汽扩散管，并与扩散管内成喷射状的稀氨水混合而溶解于稀氨水中，体积也成千上万倍地缩小，使扩散管内形成“真空”。
且因氨气不断溶入氨水中，使稀氨水变成浓氨水，比重也相应下降（约0．9），而处于氨水池的上部，被给水泵打入凝汽器，将气化罐下部的稀氨水置换出来，经冷却器冷却降温后送到氨气轮机扩散管底部喷射出来，又与做功后进入氨气轮机扩散管的氨气接触而使氨气溶入稀氨水中。
如此周而复始地形成密闭循环，并保证进入凝汽器中氨水的浓度在宏观上保持不变。
原来汽轮机的循环水不再冷却汽机排汽，而通过冷却器冷却从凝汽器中置换出来的氨水和扩散管内氨气的溶解热。
氨气轮机发电系统流程如图1所示。
2.1、换热器换热器的主要技术问题中：一是体积；二是腐蚀问题。
现以2．5万kW汽轮机排汽余热利用为例，计算换热器的面积换热面积式中：Aco—换热器换热面积（也即凝汽器的面积），m2；Dco—进入换热器（凝汽器）的蒸汽量，kg／h；ico—排汽焓，kJ／kg；K—蒸汽向冷却水（这里是氨水）传热的总平均传热系数，kJ／m2·h·℃；（2）Δtm—蒸汽和冷却水（氨水）之间的平均传热温差，℃。
按循环供水取值，Φ＝0．75；若取冷却水流速Cw＝2．2M／S；换热管子内径d1＝16mm；冷却水进水温度tw1＝20℃；冷却水流程数Z＝2，经对公式（2）中各因素计算得：式中：Δt—冷却水温升，取10℃；δt—汽机排汽温度与冷却水出口温差。
经查有关资料，δt＝3。
代入式（3）：计算结果证实，换热面积与2.5万kW汽轮发电机凝汽器换热面积相近（为2000m2），所以换热器的体积基本与凝汽器相同。
换热管与氨水直接接触，因为氨水对铜的腐蚀性很大，故不宜用铜管做换热器。
据有关资料介绍，钛管具有较强的耐腐蚀性，抗氨及沙粒的溃蚀能力也较强。
不锈钢管也有良好的抗腐蚀性能，非凡是超高压锅炉对给水质量要求很高，给水中金属离子的数量控制很严，采用不锈钢作为换热管比铜管更具优越性。
虽然不锈钢传热没有铜管好，但其管壁热阻仅占总热阻碍的2左右，再考虑铜管结垢及腐蚀等影响，运行一段时间后，不锈钢的总热阻有可能和铜管差不多，甚至低于铜管。
所以用钛管或不锈钢管作换热管是有根据的。
2.2、氨气轮机氨气轮机实际是低压式汽轮机，只是改用氨气作工质推动而已。
它只与氨气接触，基本无水进入，腐蚀问题不是主要的技术问题。
氨气轮机工作压力在1．6MPa绝对大气压以下，进气温度在90℃以下。
为了对氨气轮机的功率和体积等有个定性的了解，应用下列公式分别进行计算。
2.2.1、理想功率因汽轮机各种内损耗计算很繁琐，为了计算方便，且只作比较用，只计算两种不同工质汽轮机的理想功率。
汽轮机的理想功率（kW）：式中：G—蒸汽流量，kg／s；Ht—理想焓降，kJ／kg。
以2．5万kW中温中压机组为例。
设蒸汽流量G＝30kg／s；进汽压力PO＝4MPa绝对大气压；排汽压力PK＝0．005MPa绝对大气压。
从i－S图中查得进汽焓io＝3303kJ／kg；排汽焓ik＝2118kJ／kg，理想焓降io－ik＝3303－2118＝1185kJ／kg。
代入式（4）：N（汽）＝30×1185＝35550kW。
从氨的i－S图中查得，初温为90℃，进汽压力PO＝1．6MPa绝对大气压，排汽压力Pk ＝0．05MPa绝对大气压（低于此压力时，图中已不再标注）时，进汽焓iO＝1406kJ／kg；排汽焓ik＝－209．3kJ／kg；理想焓降io－ik＝1406－（－209．3）＝1615．3kJ／kg。
又因氨气的排汽余热不是靠低温热源带走，而是以化学能的形式自动释放。
氨气从水中逸出也不是靠吸收汽化热，而是吸收化学能来破坏化学键而逸出。
氨与水的结合是氢键结合，其键能小于41．86kJ·mol－1。
氨的分子量为17．0304，且一吨浓氨水中只能逸出0．5吨氨气。
若以进口氨水水温20℃，出口稀氨水水温40℃计算，每逸出0．5吨氨气，必有41860kJ热被剩余的0．5吨稀氨水通过冷却器传导给循环水带走。
把这部分的损失也考虑进去，逸出每千克氨水所需热量为汽轮机每千克排汽焓在i－S图上只有2118kJ（实际在2177～2302kJ／kg），只有每千克氨气逸出所需化学能的83％，所以氨气轮机的理想功率N（氨）＝30×0．83×1615．3＝40221kW，理想功率略大于汽轮机。
2.2.2、氨气轮机的体积从理想功率的计算中已证实，氨的理想焓降大于蒸汽，而氨气的流量小于蒸汽的流量。
而流量又决定于流速和喷嘴出口截面积（喷嘴截面积的大小又决定动叶通流截面的大小，也即决定了汽轮机直径的大小），其关系式为式中：An—喷嘴截面积，m2；G—通过该截面的流体流量，kg／s；Vt—通过该截面时流体的比容，m3／kg；C1—喷嘴出口处流体的理想速度，m／s。
喷嘴出口处流体的理想速度可用下式计算：式中：P0、P1—喷嘴进口和出口处流体的压力，MPa／m2；Vt—喷嘴进口处流体的比容，m3／kg；C0—喷嘴前流体的流速，m／s。
取喷嘴前蒸汽的流速C0＝50m／s，按进汽参数在i－S图中查得比容Vt＝0．08m3／kg；喷嘴出口处蒸汽压力P1＝3．51MPa绝对大气压。
过热蒸汽取系数K＝1．3。
代入式（6）求得从氨的i-S图中查得，在进汽温度90℃，进汽压力1.6MPa绝对大气压时的比容正好也是0.08m2/kg。
若喷嘴出口处氨气的压力P1与进口压力P0之差按上面计算中3．51：4等比例取值，则P1＝1．4MPa绝对大气压，代入式（6）中得若喷嘴出口处压力按汽轮机相同幅度下降，则P1＝1．11MPa绝对大气压。
代入式（6）中得分别代入式（5）得计算结果证实，若氨气在喷嘴进出口处的压差按蒸汽喷嘴进出口处的压差等比例下降，则喷嘴出口截面积稍大于蒸汽喷嘴截面积（约为1．274倍）；若喷嘴进出口压差按蒸汽喷嘴进出口压差等幅度下降，则喷嘴截面积小于相同容量汽轮机喷嘴截面积，且级数减少，氨气轮机体积小于汽轮机。
此外，随着压力和温度的降低，蒸汽的比容增加很快。
例如初参数为9MPa绝对大气压，初温度为535℃的蒸汽膨胀到0．004MPa绝对大气压时，比容增大约850倍。
而氨气从初温90℃，1．6MPa绝对大气压膨胀到0．05MPa绝对大气压（此时气温已降到－50℃，焓早已是负值。
i－S图中只标注到此处为止），比容只增大22倍。
由于两者容积流量增加幅度相差较大，汽轮机每级喷嘴出口截面及动叶通流截面增加的幅度大于氨气轮机，所以氨气轮机的总体尺寸小于汽轮机。
其原因是氨气作功的焓降大于蒸汽，在功率相同时，工质流量就可减少，自然也就减少氨气轮机的体积。
应当强调指出的是，推动汽轮机作功的能力，除流量和焓降外，对于不同的工质，还决定于它们的动能。
在流速相同时也就决定于工质的质量。
即W＝1／2mv2。
在等温等压下，氨气与蒸汽的质量是不同的。
但氨气初参数为90℃，1．6MPa绝对大气压与蒸汽初参数为435℃，4MPa绝对大气压时，其比容正好都是0．08m3／kg。
通过各级不断做功膨胀，蒸汽的比容逐渐超过氨气，质量（单位体积的质量）也低于氨气。
因此，氨气不断膨胀作功后，动能将逐渐超过蒸汽。
氨气轮机的另一个技术问题是后面几级在低温下运行，要求制造氨气轮机的材料低温韧性要好。
我国生产的09Mn2V钢在－70℃时的冲击功≥35ft－Ib（4．9kgfM－1）；9Ni钢在－196℃时的冲击功≥25ft－Ib（3．5kgfM－1），用作氨气轮机的动叶或叶轮是能胜任的，且价格也不高，目前大量用作液化气体工程结构和容器。
此外，钛合金也可制作氨气轮机的动叶材料，防腐蚀性能好，比重轻，强度与钢铁同，况且我国钛资源非常丰富。
2.2.3、环境保护与占地面积用氨水作介质，利用汽机排汽余热发电，没有锅炉，无排渣和烟气污染。
氨在密闭的系统中循环，除氨气轮机汽封处会有泄漏外，基本无泄漏。
处理汽封泄漏的办法是在汽封外围加装吸管，将泄漏的氨气导入氨水池中并溶于水继续参加循环。
氨汽轮机发电系统的占地面积与相同容量的汽机房占地面积同。
氨汽轮机增加氨水池，以2．5万千瓦机组计算，氨水池占地面积为80m2，布置在氨气轮机排汽管下部。
且没有高低压加热器。
输送汽、水的管道架空布置和敷设在地表或浅层地下，对地理条件与地质条件的要求与火电机组同，且节约大量循环水，对北方干旱地区尤其意义重大。
2.2.4、氨溶于水中的浓度控制这是用氨水作介质，利用汽机排汽余热发电的要害性技术。
因为氨溶解于水中或从水中分解出来的速度和浓度受温度和压力影响。
压力高温度低利于氨向水中溶解，且溶解度增高；反之，则利于氨从水中分解出来，且分解速度提高。
