大補氣式低溫余熱氣輪機的設(shè)計、運行及對余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展的影響
2009-07-17 00:00
一、公司簡介
青島捷能汽輪機集團股份有限公司是由原青島汽輪機廠改制而成，始建于1950年，1958年開始生產(chǎn)汽輪機，以生產(chǎn)“捷能牌”汽輪機為主導(dǎo)產(chǎn)品，具有現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模，享有自營進出口權(quán)?，F(xiàn)有凈資產(chǎn)6.5億元，員工2300余人，其中工程技術(shù)人員300余人。擁有關(guān)鍵設(shè)備1500余臺，其中數(shù)控、加工中心等精密大型設(shè)備500多臺，基本實現(xiàn)數(shù)顯數(shù)控加工，具有很強的綜合加工能力。
公司目前主要生產(chǎn)150MW以下各類型號汽輪機，現(xiàn)有十大系列600余個品種，能夠滿足發(fā)電、石油、化工、印染、紡織、水泥、造紙、制糖、鋼鐵、煤炭、垃圾處理、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)、城市集中供熱等行業(yè)，產(chǎn)品遍布31個省、市、自治區(qū)，并遠銷印度、印尼、巴基斯坦、孟加拉等國家。
公司現(xiàn)具有年生產(chǎn)汽輪機500萬千瓦/400臺的能力，是目前國內(nèi)中小型汽輪機系列最全、品種最多、能力最強的設(shè)計制造供應(yīng)商?，F(xiàn)在已生產(chǎn)的各類汽輪機達4000多臺，在3MW～60MW中小型汽輪機的市場占有率達52%。
公司自70年代末即研制低品位余熱利用汽輪機，目前已為國內(nèi)外水泥公司提供了200多臺余熱利用汽輪機，在設(shè)計、制造、運行經(jīng)驗等方面均處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。
公司大力實施名牌戰(zhàn)略，堅持實施自主開發(fā)與引進技術(shù)相結(jié)合的高起點發(fā)展戰(zhàn)略，大力推進主導(dǎo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級換代，曾獲得全國汽輪機行業(yè)質(zhì)量標兵稱號和全國五一勞動獎?wù)隆?980年獲得中國汽輪機發(fā)展史上第一塊國家質(zhì)量獎牌，多個產(chǎn)品被評為國家級新產(chǎn)品，所生產(chǎn)的“捷能牌”汽輪機2006年獲得“中國名牌產(chǎn)品”稱號。
二、純低溫余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展回顧
水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)就是水泥窯工藝流程排出的大量廢氣余熱進行熱交換回收，產(chǎn)生蒸汽通過汽輪機實現(xiàn)由熱能向機械能轉(zhuǎn)換最終拖動發(fā)電機發(fā)電的技術(shù)。
1.純低溫余熱汽輪機的技術(shù)來源
我公司是國內(nèi)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)---純低溫余熱汽輪機設(shè)計、制造、運行的開拓者和領(lǐng)路人。在上世紀70年代末至90年代初，我公司為西藏羊八井地?zé)犭姀S共制造了7臺3MW補汽式地?zé)釞C組（進汽為0.17Mpa飽和蒸汽、補汽為0.05Mpa飽和蒸汽，并獲得國家科技進步三等獎）。二十多年來西藏羊八井地?zé)釞C組的成功運行為我國純低溫余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展，特別是為上世紀90年代末水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展起到非常關(guān)鍵作用。
2.純低溫余熱汽輪機開始進入水泥行業(yè)
1997年～2004年是水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)導(dǎo)入期。這期間，水泥窯余熱利用主要采用補燃技術(shù)、無補汽純低溫發(fā)電技術(shù)以及小補汽技術(shù)（10%補汽量）。由于對水泥窯生產(chǎn)的波動性，所產(chǎn)生各能級的余熱（壓力、溫度、流量）變化范圍大這一特點沒有充分認識，結(jié)果造成水泥行業(yè)應(yīng)用的所有補汽式汽輪機組其補汽均不能投入正常運行。其根本原因并非是汽輪機設(shè)備問題，而是余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)及余熱鍋爐配置不當(dāng)所至。如：汽輪機補汽要求補汽壓力及溫度相對穩(wěn)定并要求高于汽輪機本體補汽點的蒸汽壓力，由于工程設(shè)計單位未能透徹地研究水泥窯廢氣余熱特性，其低壓補汽均是由水泥窯大幅度波動的廢氣直接生產(chǎn)，更由于余熱鍋爐、熱力系統(tǒng)的配置又不具備調(diào)整蒸汽壓力及穩(wěn)定蒸汽溫度的能力，造成補汽蒸汽壓力及溫度的大幅度波動，使得補汽系統(tǒng)不能正常投入運行。補汽系統(tǒng)不能正常投入運行，不但不能進一步回收180℃以下廢氣余熱，使余熱發(fā)電系統(tǒng)達不到應(yīng)該達到的發(fā)電功率，也同時嚴重影響了大家對補汽式汽輪機優(yōu)越性的認識，阻礙了水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及進步。
這一時期水泥窯余熱利用發(fā)電技術(shù)暫定義為第一代水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)（主蒸汽參數(shù)壓力0.69～1.27Mpa，溫度280～340℃，無補汽）。盡管這一時期在水泥窯余熱利用改造上沒有達到預(yù)期的效果（水泥窯余熱沒有得到充分利用），但是我們卻獲取了很多經(jīng)驗：一是余熱汽輪機開始被水泥行業(yè)所認知；二是水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展離不開汽輪機技術(shù)發(fā)展；三是汽輪機供應(yīng)商應(yīng)投入更多的技術(shù)力量開發(fā)出適合水泥窯余熱利用的汽輪機。
3、純低溫余熱汽輪機在水泥窯上的廣泛應(yīng)用
?、?004年～2007年（第二代水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用期），在與大連易世達能源工程有限公司的緊密合作下，我公司已自主研發(fā)了處于國內(nèi)領(lǐng)先水平、與第二代水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)（水泥窯余熱按廢氣余熱溫度可實現(xiàn)梯級利用，使水泥窯廢氣余熱按其熱能品質(zhì)最大限度地轉(zhuǎn)換為電能，采用相對高壓高溫的主蒸汽(1.57～2.45MPa-340～385℃)及低壓低溫補汽（0.1～0.3 MPa-飽和至170℃），使余熱發(fā)電能力比采用相對低壓低溫主蒸汽(0.69～1.27MPa-280～340℃)參數(shù)的第一代水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)大幅提高）配套的新一代補汽式汽輪機。這種汽輪機的基本系列為4.5MW、6MW、7.5MW、9MW、12MW、15MW、18MW、20MW等多個規(guī)格，主蒸汽進汽額定參數(shù)為1.57～2.45MPa-340～385℃，允許的運行變化范圍為1.27～2.47MPa-280～390℃，補汽進汽額定參數(shù)為0.2MPa-150℃，允許的運行變化范圍為0.1～0.3MPa-飽和至170℃,最大補汽量為主汽流量的20%。該系列產(chǎn)品可以有效利用水泥窯廢氣余熱生產(chǎn)的不同能級的蒸汽、熱水等低品位熱能并能在保證汽輪機使用壽命和熱效率的前提下，對水泥窯生產(chǎn)的波動性有很強的適應(yīng)能力。
根據(jù)已投產(chǎn)的第二代水泥窯余熱電站運行情況（用戶：山水集團濰坊2500t水泥窯，2007年1月正式投運），汽輪機組補汽式比不補汽式時其發(fā)電功率提高8%以上，相應(yīng)余熱鍋爐出口廢氣溫度可得以大幅降低。
同時，因采用較高的主蒸汽壓力和溫度，為汽機滑參數(shù)運行創(chuàng)造了條件（當(dāng)設(shè)計采用主蒸汽壓力和溫度為2.29MPa-370℃時，實際運行變化范圍可以達到1.27～2.47Mpa、325℃～400℃）；而第一代純余熱發(fā)電技術(shù)的汽輪機主蒸汽壓力和溫度允許變化范圍則要小得多（當(dāng)設(shè)計采用主蒸汽壓力和溫度為0.98MPa-310℃時，實際運行變化范圍只能達到0.69～1.27Mpa、290℃～330℃）。因此，第二代純余熱發(fā)電技術(shù)在提高余熱發(fā)電能力的同時，由于主蒸汽參數(shù)允許運行變化范圍比第一代純余熱發(fā)電技術(shù)大得多，汽輪機運行的可靠性、對水泥窯生產(chǎn)波動的適應(yīng)性也將比第一代技術(shù)好的多，更為重要的是延長了汽輪機設(shè)備的使用壽命。
?、燮啓C新技術(shù)應(yīng)用及創(chuàng)新點
隨著水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展，我們與大連易世達深度合作，在深刻了解余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)的構(gòu)成及水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)特點的基礎(chǔ)上，在水泥窯余熱發(fā)電用汽輪機的設(shè)計參數(shù)選擇上充分考慮了水泥窯生產(chǎn)的大范圍波動性，積極研發(fā)與第二代水泥窯發(fā)電技術(shù)配套的補汽式汽輪機。
在該類型補汽式汽輪機的設(shè)計制造過程中，我公司積極采用CAD/CAM/CAPP、PDM等先進的設(shè)計、制造、管理手段。主要技術(shù)創(chuàng)新點，有以下幾方面：
a、采用國際上先進的模塊化設(shè)計理念---產(chǎn)品零部件均采用模塊化、標準化、系列化設(shè)計；
b、應(yīng)用全三維技術(shù)設(shè)計機組的通流部分（采用高效率后加載葉型、全三維彎扭葉片），大大提高汽輪機的效率，整機效率提高8%以上。
c、本體結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足主蒸汽進汽參數(shù)變化范圍：壓力1.27～2.45MPa、溫度280～390℃，以適應(yīng)水泥窯生產(chǎn)的波動性。
d、控制系統(tǒng)采用數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）（采用美國WOODWARD公司505+德國VIOTH電液轉(zhuǎn)換器）。可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動記錄、自動控制，其技術(shù)水平國內(nèi)領(lǐng)先，具有國際同類產(chǎn)品水平；配置先進的汽輪機安全監(jiān)測保護系統(tǒng)（TSI），監(jiān)視項目齊全、性能可靠，操作調(diào)整方便，自動化程度高，可隨時監(jiān)測機組的各種運行參數(shù)，便于故障分析和判斷，限制事故范圍，提高機組運行安全性。
e、高效的補汽結(jié)構(gòu)設(shè)計
●補汽混合室的設(shè)計：根據(jù)主汽、補汽混合后的流動特性按蝸殼理論進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使流動效率達到最佳值。整機效率比補汽量10%的結(jié)構(gòu)提高了1.5%。
●補汽強關(guān)閥的設(shè)計：一是要具有在任何緊急情況下，能夠自動快速（＜1S）切斷補汽，杜絕了汽輪機因補汽造成的飛車事故的發(fā)生；二是要具有在汽輪機正常運行時，可隨時強行切斷補汽。
f、為減少電站投資及工程建設(shè)周期，我公司已為2500t水泥窯純低溫余熱汽輪機采用新布置理念---快裝式（單層布置）、配集中油站，汽、水、油管路全部廠內(nèi)組裝，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便（如下圖）。
正在研發(fā)用于5000t水泥窯純低溫余熱汽輪機的快裝結(jié)構(gòu)（如下圖）。
三、大補汽式低溫余熱汽輪機的設(shè)計、運行及對余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展的影響
2008年～2009年，隨著大連易世達對水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)不斷探索研究，成功將補汽量由20%提高到40%。
●2500t水泥窯: 補汽量由4t/h提高到8t/h，裝機容量由4.5MW提高到5MW，發(fā)電量增加了9%，汽輪機本體結(jié)構(gòu)采用快裝式+集中油站，機組已投運（用戶：江蘇東湖等）；
●5000t水泥窯: 補汽量由8t/h提高到16t/h，裝機容量由9MW提高到11.5MW，發(fā)電量增加了9%，機組已投運（用戶：華新集團的金貓水泥、陽新水泥等，平均發(fā)電量10 MW以上）；
●2×5000t水泥窯: 補汽量由18t/h提高到36t/h，裝機容量由20MW提高到23MW，發(fā)電量增加了9%，機組已投運（用戶：峨嵋山水泥，平均發(fā)電量預(yù)計21 MW以上）。
最近，大連易世達公司在水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)又有新的突破——第三代水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)即補汽量由現(xiàn)在的40%提高到額定補汽量80%，最大補汽量100%。為此，我公司正在研發(fā)與第三代水泥窯余熱發(fā)電技術(shù)配套的大補汽式低溫余熱汽輪機，并將在如下技術(shù)上有新突破。
1、補汽室結(jié)構(gòu)的新突破
按全三維的技術(shù)設(shè)計補汽混合室，使混合室的流動損失達到最小，補汽順利進入汽輪機，使汽輪機整機效率提高1%。
2、補汽控制的新突破
在原來補汽強關(guān)閥的基礎(chǔ)上必須增加補汽調(diào)節(jié)閥。當(dāng)補汽量達到主汽流量80%～100%時，補汽對汽輪機補汽口處的壓力、發(fā)電功率影響較大。在補汽不是很穩(wěn)定情況下，目前的WOODWARD 505系統(tǒng)很難控制汽輪機平穩(wěn)、安全運行。故必須增加補汽調(diào)節(jié)閥并采用WOODWARD 505E，最終實現(xiàn)對電功率和補汽壓力進行關(guān)連調(diào)節(jié)，確保汽輪機安全、可靠運行；同時也起到協(xié)助鍋爐穩(wěn)定出口壓力的作用。
3、通流結(jié)構(gòu)的新突破
當(dāng)補汽量減少一半時，排汽流量將減少1/4，末級葉片的動應(yīng)力將成倍增加，給汽輪機的安全運行帶來嚴重隱患。故必須重新開發(fā)末級葉片，以滿足大補汽式低溫余熱汽輪機的運行要求。
結(jié)論：隨著上述技術(shù)的突破，大補汽式汽輪機不久將問世，水泥窯余熱利用率將大幅度提高，其效果如下（典型窯型）：
●2500t水泥窯：補汽量將由8t/h提高到18t/h，裝機容量將由5MW提高到6MW，發(fā)電量增加17%～25%
●5000t水泥窯：補汽量將由18t/h提高到38t/h，裝機容量將由11.5MW提高到13.5MW，發(fā)電量增加17%～25%
●2×5000t水泥窯：補汽量將由36t/h提高到70t/h，裝機容量將由23MW提高到26.5MW，發(fā)電量增加17%～25%。
四、結(jié)束語
我公司將攜手設(shè)計院及各水泥制造廠家，進一步就水泥窯余熱回收發(fā)電領(lǐng)域進行積極的探索、研究，繼續(xù)研發(fā)與純低溫余熱發(fā)電技術(shù)相配套的汽輪機，在水泥窯余熱汽輪機的設(shè)計中應(yīng)用更多的國內(nèi)、外新技術(shù)，全力打造全新產(chǎn)品，設(shè)計更便于安裝、自動化程度更高、安全性更好、效率最高的產(chǎn)品。
面對新的機遇，新的挑戰(zhàn)，青島捷能汽輪機集團股份有限公司始終奉行“開拓創(chuàng)新，追求卓越”的企業(yè)精神，牢固堅持“精良產(chǎn)品、精誠服務(wù)、精打細算、精兵強將、精益求精”的“五精”理念要求，努力為每一個用戶提供滿意的精品。
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