摘要：余熱發電技術對我國實現節能減排、環保發展戰略具有重要的現實意義。文章介紹了低溫余熱發電的技術原理和特點，重點討論了低溫余熱發電系統的組成、布置，分析了余熱發電主要設備（余熱鍋爐、汽輪機、除氧器）設計要點和現狀，以及低溫余熱發電的發展趨勢。
一、低溫余熱發電技術特點
余熱是燃料燃燒過程中所發出的熱量在完成某一工藝過程后所剩下的熱量。余熱發電就是利用生產過程中多余的熱能轉換為電能的技術。余熱發電不僅節能，還有利于環境保護。在鋼鐵、石油化工、建材、水泥、制糖等行業中，具有大量低品位余熱（一般低于500℃），包括低品位煙氣、蒸汽和熱水等。目前，已經投入運營或立項研究的余熱發電技術主要包括如下行業：水泥行業窯爐余熱發電技術、焦化行業焦爐尾氣余熱回收發電技術、鋼鐵行業燒結余熱發電技術及干熄焦余熱發電技術、建材行業浮法玻璃線余熱發電技術、石化行業余熱發電技術等。
由于余熱發電只是整個工業生產系統的一個小環節，從而有別于常規的火力發電廠，它必須滿足整個生產工藝、生產設備的需要，從而具備如下特點：
1、以熱定電。由于整個系統熱負荷是不穩定的，例如：有的生產是周期性的，有的高溫產品和爐渣的排放是間斷性，有的工藝生產雖然連續穩定，但熱源提供的熱量也會隨著生產的波動而波動，因此余熱發電需根據生產用熱的余壓量或生產過程中產生的余熱量來決定發電量。
2、熱源含塵量大。含塵數量大超過一般的鍋爐，容易粘結、積灰，從而對余熱鍋爐產生嚴重磨損和堵塞。余熱鍋爐入口前需進行除塵處理。
3、熱源有腐蝕性。余熱煙氣中常常含有SO2等腐蝕性氣體，在煙塵或爐渣中含有各種金屬和非金屬元素，這些物質都有可能對余熱鍋爐的爐膛及受熱面產生高溫腐蝕或低溫腐蝕。
4、安裝場地受限。由于受整個工廠系統等的限制，在設計安裝余熱發電系統時需統籌規劃。
二、余熱發電系統
常規發電系統常采用抽汽回熱系統。在余熱發電系統中，汽輪機抽汽回熱雖然提高給水溫度、汽輪機效率，但會提高余熱鍋爐排煙溫度，降低余熱鍋爐效率，相互作用的結果將降低發電系統的熱效率，因此余熱發電系統一般不設置回熱系統。目前低溫余熱發電系統如下：單壓系統、雙壓系統、閃蒸補汽系統以及帶補燃系統。
1、單壓系統
單壓系統是采用單壓余熱鍋爐和單級進汽汽輪機的發電系統(見圖1)。該系統組成簡單，除氧水經給水泵依次進入余熱鍋爐內的省煤器、蒸發器、過熱器最后進入汽輪機做功發電。一般單壓系統余熱鍋爐排煙溫度在170℃。
2、雙壓系統
雙壓系統是采用雙壓余熱鍋爐和單級補汽的汽輪機發電系統(見圖2)。該系統按照能量梯級利用的原理，余熱鍋爐設置兩個汽包，在受熱面布置上順著煙氣流動同方向依次布置了高壓過熱段、高壓蒸發段、高壓省煤器、低壓過熱器、低壓蒸發段、高壓省煤器、低壓省煤器，給水泵將除氧水分別升壓到高、低壓省煤器，進入兩個壓力不同的汽水循環在余熱鍋爐中生產兩種不同壓力的蒸汽：主蒸汽和低壓蒸汽。低壓蒸汽作為補汽進入汽輪機中部與主蒸汽一起推動汽輪機做功發電。由于采用這種雙壓結構，鍋爐排煙溫度能降到110℃左右。
3、閃蒸補汽系統
閃蒸補汽系統是采用閃蒸補汽式汽輪機的發電系統（見圖3）。閃蒸原理是將較高壓力及溫度的熱水等熱源，經減壓擴容，釋放出所需的較低壓力飽和蒸汽[2]。給水經給水泵進入余熱鍋爐后，一部分熱水經廢氣換熱后生成過熱蒸汽，接入汽輪機的主進汽口；另一部分高溫高壓欠飽和熱水進入閃蒸器，生產出一定量的低壓飽和蒸汽，進入汽輪機的低壓補汽口，主蒸汽與低壓蒸汽在汽輪機內做功發電。閃蒸器分離產生的大量飽和水進入除氧器，與汽輪機排出的冷凝水一起經除氧后由給水泵供給鍋爐，形成一個完整的熱力循環。圖1單壓余熱發電系統圖鍋爐排煙溫度可降低到90℃以下[3]。
4、補燃系統
在副產煤氣富余的企業如鋼廠，副產煤氣資源豐富，出現了帶補燃的余熱利用系統。在常規單壓、雙壓或復合閃蒸系統的基礎上，通過在余熱鍋爐高溫過熱段補充燃燒部分富余煤氣，將鍋爐入口煙氣溫度（300~q400℃）提高到中高溫熱風500～600℃，使余熱利用的熱力系統蒸汽參數達到中溫中壓參數，進一步提高熱力系統的余熱利用效率和熱電轉換效率，同時對煙氣、廢氣溫度的波動起到一定的平衡調節作用，對整個廠網而言還能避免浪費，減少管網蒸汽、煤氣放散量，獲得很好的經濟效益和環境效益。但該系統復雜，利用范圍存在局限性。
目前的幾種系統中，單壓系統由于廢氣余熱得不到充分利用，影響了發電能力，在這幾種系統中單壓系統發電能力最低。雙壓系統的發電能力最大，比單壓系統多發電10%左右。但同時鍋爐金屬耗量也最大，設備的初投資最大。復合閃蒸單級補汽系統發電能力較單壓系統得到提高。但由于閃蒸器的出水未能轉換為電能，與雙壓系統相比，系統的發電能力又有所降低。復合閃蒸補汽式發電系統發電能力介于單壓和雙壓系統之間。而鍋爐金屬耗量與雙壓系統相比有所減少，設備的初投資較省。但閃蒸器產生的是飽和蒸汽，在進入汽輪機做功后，易使汽輪機排汽干度不能滿足汽輪機的要求。雙壓系統和復合閃蒸補汽系統必要時能夠解列，維持單壓系統正常運行。因此在余熱發電系統設計時，應根據不同用戶的具體情況，在現場調研的基礎上，做出最經濟性的選擇。
三、余熱發電設備
1、余熱鍋爐
余熱鍋爐是余熱發電系統的關鍵設備和核心，如何將富含能量的熱介質回收匯集以及引出進而通過余熱鍋爐進行能量轉換是一個技術難點，余熱鍋爐本身的設計一定程度上決定了余熱回收利用的比例和徹底性。
余熱鍋爐取的排煙溫度越低，鍋爐的受熱面布置越多，回收的煙氣余熱量越大。但鍋爐等系統的投資會隨受熱面積增加而增加。同時余熱源中含有SO2等酸性氣體和水蒸汽，從而存在酸露點溫度，當溫度低于酸露點溫度時將嚴重腐蝕尾部煙道的受熱面[4]。同時余熱鍋爐進氣溫度也比較低，因此余熱鍋爐的傳熱溫差比較小，其最小傳熱溫差的選取不僅決定余熱鍋爐的成本，而且決定了主蒸汽的參數[5]。
鍋爐布置可分為立式、臥式兩種。目前的國外余熱鍋爐多采用臥式布置，國內則存在兩種布置。立式布置具有占地面積小、灰塵收集方便、煙氣流動均勻、傳熱系數高的優點，但積灰以及積灰清除差于臥式，管束間易出現搭橋現象，耗鋼量相對較大。因此鍋爐布置需在綜合考慮安裝條件的基礎后選擇。由于熱源含塵濃度大，為防止磨損的發生，采用合理的流速設計，合理組織煙氣動力場，使煙氣流動均勻，避免局部過速磨損。同時粉塵粒度小，極易在鍋爐受熱面上積灰，導致傳熱系數下降，因此在鍋爐設計時需考慮除灰。爐前需設置高效旋風除塵器或電除塵器，除去大部分的粉塵。爐內受熱面最好使用模式壁和光管結構，減少積灰的可能，并適當的增加受熱面積，防止鍋爐出力不足。在設計鍋爐時還需設計清灰系統，目前多采用超聲波吹灰、壓縮氣體吹灰和振打清灰。由于余熱利用產生的蒸汽壓力和流量不大的原因，蒸汽吹灰在余熱發電中基本不使用。
由于余熱鍋爐煙氣的流動由爐尾的引風機維持，因此在余熱鍋爐尾部形成很大的負壓區，一般多在5~7kPa左右。漏風將嚴重影響蒸發量及主蒸汽溫度，增加引風機等后續設備電耗。鍋爐需整體采用鋼板全焊接密封，并對管子穿墻處及爐門采用適當的密封。
2、飽和蒸汽補汽汽輪機
余熱蒸汽進汽參數不穩定、比容大、濕度大等特點，要求在汽輪機設計中考慮。
進汽參數不穩定要求汽輪機的進汽調節系統必須能適應進汽參數的波動，保證汽輪機穩定、安全運行。在主蒸汽前需設置壓力調節器控制調節閥，當新蒸汽壓力降低時，關小調節閥，防止由于余熱鍋爐的蒸發量不足，促使壓力進一步降低，汽輪機通流末級產生鼓風。反之開大調節閥。
同時余熱發電用汽輪機為了快速啟動，而且能夠在滑壓方式下運行，噴嘴配汽在空載和低負荷時只有部分進汽度，這種情況對汽機暖機不利，特別在快速啟動時尤為明顯，因此余熱發電汽輪機采用節流配汽，不設調節級。汽機啟動時靠調節閥控制轉速，使發電機并網；正常運行時，調節閥全開，汽輪機處于滑壓運行狀態。此種進汽方式使汽輪機進汽部分始終處于均勻受熱狀態，這樣就能滿足在整個啟動過程，及低負荷時能夠保證汽機進汽均勻，以利于汽機快速啟動，提高通流效率[6]。
主蒸汽參數低，蒸汽比容增大，要求汽輪機的進汽能力比常規機組大，因此要加大主汽閥口徑或增加主汽閥數量。
為增加余熱發電單位利用率而采用的雙壓系統及閃蒸系統，汽輪機必須具有補汽能力。首先設計汽缸時需加大補汽進入的汽缸空間，補汽口采用蝸殼結構，并使補汽的流動方向與汽輪機旋轉方向一致，從而使補汽進入汽缸后能夠迅速擴散，減少對主流蒸汽的沖擊。其次合理設計補汽口的位置，防止由于補汽與主汽之間的溫度差使汽缸壁溫度發生變化，造成上下缸溫差增加，膨脹不均勻，甚至使機組振動增大，影響機組安全、穩定運行。
余熱發電的補汽多為飽和蒸汽，導致汽輪機末幾級相對濕度較大。這不僅增加了機組甩負荷時由于汽機負荷變化導致部件表面水膜閃蒸而引起的超速危險，而且造成汽輪機通流部件的嚴重侵蝕，汽輪機的安全將受到嚴重威脅，大大縮短機組使用壽命，而且降低汽輪機的熱效率。因此必須采取有效的去濕措施減小蒸汽濕度，并對汽輪機零部件采取防侵蝕的措施來抵抗濕蒸汽的侵蝕，從而減少濕度大給機組帶來的各種危害。在補汽進口前增加了防水滴濾網或汽水分離器，減少了進入汽缸內的水滴。通流設計時過加大靜葉和動葉的軸間間隙使水滴能充分的霧化，可以減少動葉的腐蝕。汽缸下半設置疏水口，盡可能保證汽缸內壁形狀平滑，確保通過重力作用使積水連續流動，通過底部疏水口或排汽管排出。末幾級動葉片后設置去濕槽和捕水腔室，收集由于離心力和科氏力而向外飛出的沉積在動葉表面上的水分。在靜止部套的中分面、連接突肩處鍍不銹鋼保護層防止濕蒸汽的縫隙侵蝕，末幾級動葉片背弧頂部焊接整條的司太立合金片，動葉采用電火花強化處理以加強強度，達到防水蝕的目的。
余熱發電系統是整個工廠系統中的一個環節。余熱鍋爐排氣將整個系統中循環利用，在汽輪機的啟動和故障停機時，工業系統和余熱鍋爐還將繼續運行。因此在系統中必須設有旁路系統，回收多余蒸汽。在汽機主汽閥前設置旁路系統，主蒸汽通過減溫減壓閥，流入凝汽器。補汽由于壓力低可直接排入凝汽器。從而減少由于汽輪機原因導致的整個工業系統的停機。
此外在汽輪機的排汽方式上，單壓汽輪機采用上排汽的方式，整個汽輪發電機組單層平臺布置，使整個系統的布置簡單，能有效的減少占地空間，減少設備投資。
3、除氧器
余熱發電系統中，為了保證余熱鍋爐的給水水質要求，防止熱力設備及其管道的腐蝕，必須除去在鍋爐給水中的溶解氧和其他氣體。目前除氧方法主要有化學除氧、熱力除氧。
化學除氧法只能除去水中的氧，但不能除去其他氣體，且藥品價格昂貴，后期運行費用上升，因此不為首選。
熱力除氧按工作壓力分為真空除氧、大氣式除氧以及高壓除氧。從除氧要求的條件來看，除氧的效果與工作壓力的關系并不大[7]。在工程上對除氧壓力的選擇主要決定于技術經濟比較。目前在余熱發電中用的比較多的是真空除氧和大氣式除氧。
大氣式除氧器對進口水溫要求較高，一般104℃，在余熱發電系統中不設低壓加熱器，因此凝結泵出口水溫度難以滿足其工作要求，造成除氧效果不佳。如果在爐膛尾部再加設一級前置加熱器來保證給水除氧效果，這便使鍋爐受熱面布置變得更加復雜化，且該加熱器受到的低溫腐蝕也會比較嚴重，造成設備檢修更換周期短。但在雙壓系統中，用低壓蒸汽給水除氧有利于汽輪機低壓補汽參數的穩定而將因余熱參數波動引起的低壓蒸汽參數波動緩解于除氧過程，為解列熱力系統創造了條件。
真空除氧器就是通過降低除氧器內壓力，使氣體在水中的溶解度降低，使水中的氧和其他氣體析出。這種除氧方式可以使水在低溫沸騰，在除氧的同時不提高給水溫度。因而對進口水溫適應范圍較廣，凝結泵出口水完全可以滿足其工作需求，不需要加熱抽汽。除氧器出水溫度的高低，直接影響著鍋爐的給水溫度，從而影響鍋爐的排氣溫度，因此真空除氧器的選擇既利用了低溫段煙氣，又避免了大氣式熱力除氧造成的系統復雜，較低的工作溫度更有利于鍋爐給水泵的正常運行。但用來建立真空的射水抽氣器需要消耗動力源。
四、余熱發電的新趨勢
目前的余熱發電系統還存在不少不足：
（1）余熱鍋爐由于積灰原因，導致鍋爐出力不足，同時需定期停爐除灰；
（2）由于爐內粉塵量大，導致爐內受熱面磨損嚴重，導致鍋爐存在爆管停爐的風險；
（3）鍋爐尾部煙道漏風，降低鍋爐熱效率；
（4）低于200℃以下的余熱很難利用；
（5）汽輪機適應負荷變化能力有待提高，汽輪機補汽口調節配汽不適應補汽參數及補汽量的波動，不能滿足補汽的要求。
針對目前出現的問題，余熱發電的趨勢主要存在以下兩個方向：進一步優化目前系統和發展新工質熱力系統。
1、余熱發電系統優化
針對目前余熱利用不足，現在余熱發電系統主要需要從以下幾個方面進行改進優化：
（1）研究余熱系統熱工參數對系統影響，特別是進口煙氣溫度、蒸汽壓力和節點溫差的影響，使系統達到最優化；
（2）發展高效除塵技術，采用數值模擬和實驗方法優化旋風分離器等除塵技術，減少入爐的粉塵量；
（3）優化余熱鍋爐結構，合理布置受熱面，采用試驗等方法研究受熱面傳熱特性和阻力特性，強化傳熱，以及采用抗酸露點腐蝕鋼以便降低排煙溫度；
（4）研究粉塵顆粒特性，粉塵沉積、污染特性，近一步減少爐內粉塵的堆積和磨損；
（5）研究新式密封機構，降低鍋爐由于漏氣產生熱的損失；
（6）進一步優化汽輪機變工況適應能力，優化控制系統，調節發電與工業生產的關系；
（7）進行流場分析，優化補汽結構，發展汽輪機除濕技術；
（8）研究新型防侵蝕材料，在保證汽輪機安全運行的前提下，降低其成本。
2、新工質循環余熱發電
由于余熱發電均為中低溫參數，若以傳統的方式，即以水為工質的朗肯循環，用低品位熱能汽輪機發電機組回收利用余熱，因循環效率低，系統復雜，其經濟效益非常有限。利用有機工質朗肯循環（ORC）和氨水混合物為工質的Kalina循環系統來利用低溫余熱發電，能更加高效的利用余熱資源。
ORC循環主要利用了有機工質沸點低，冷凝壓力接近或稍大于大氣壓，耐低溫，轉速低、工作壓力低的特點來最大化利用余熱資源。Kalina循環系統利用氨工質變溫蒸發，減少工質吸熱過程的不可逆性，冷凝溫度變化較小，減少了混合工質在冷凝過程中的不可逆性，抑制了混合工質在動力循環冷端部分的不利因素，同時實現了在較低壓力下工質完全冷凝，從而提高熱能利用率。
五、展望
本文在介紹低溫余熱發電的技術原理和特點基礎上，分析了余熱發電系統的組成、布置、設備現狀和存在問題，探討了余熱發電的發展趨勢。余熱發電是工礦企業開展節能減排、降耗增效的有效措施，也是實現循環經濟的必由之路。相信在我國的科研單位、高校、設計院、制造廠家、企業的共同努力下，余熱發電事業的前景是光明的，它的發展將進一步實現我國低碳經濟的目標。
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作者簡介：尹剛(1982-)，男，畢業于重慶大學熱能工程，碩士，主要從事汽輪機本體設計及余熱發電技術的研究。東方汽輪機有限公司。 
