大補(bǔ)氣式低溫余熱氣輪機(jī)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及對(duì)余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展的影響
2009-07-17 00:00
一、公司簡(jiǎn)介
青島捷能汽輪機(jī)集團(tuán)股份有限公司是由原青島汽輪機(jī)廠改制而成，始建于1950年，1958年開始生產(chǎn)汽輪機(jī)，以生產(chǎn)“捷能牌”汽輪機(jī)為主導(dǎo)產(chǎn)品，具有現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模，享有自營(yíng)進(jìn)出口權(quán)。現(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(tái)，其中數(shù)控、加工中心等精密大型設(shè)備500多臺(tái)，基本實(shí)現(xiàn)數(shù)顯數(shù)控加工，具有很強(qiáng)的綜合加工能力。
公司目前主要生產(chǎn)150MW以下各類型號(hào)汽輪機(jī)，現(xiàn)有十大系列600余個(gè)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?xì)?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(gè)省、市、自治區(qū)，并遠(yuǎn)銷印度、印尼、巴基斯坦、孟加拉等國(guó)家。
公司現(xiàn)具有年生產(chǎn)汽輪機(jī)500萬千瓦/400臺(tái)的能力，是目前國(guó)內(nèi)中小型汽輪機(jī)系列最全、品種最多、能力最強(qiáng)的設(shè)計(jì)制造供應(yīng)商?，F(xiàn)在已生產(chǎn)的各類汽輪機(jī)達(dá)4000多臺(tái)，在3MW～60MW中小型汽輪機(jī)的市場(chǎng)占有率達(dá)52%。
公司自70年代末即研制低品位余熱利用汽輪機(jī)，目前已為國(guó)內(nèi)外水泥公司提供了200多臺(tái)余熱利用汽輪機(jī)，在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等方面均處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。
公司大力實(shí)施名牌戰(zhàn)略，堅(jiān)持實(shí)施自主開發(fā)與引進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的高起點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略，大力推進(jìn)主導(dǎo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級(jí)換代，曾獲得全國(guó)汽輪機(jī)行業(yè)質(zhì)量標(biāo)兵稱號(hào)和全國(guó)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)隆?980年獲得中國(guó)汽輪機(jī)發(fā)展史上第一塊國(guó)家質(zhì)量獎(jiǎng)牌，多個(gè)產(chǎn)品被評(píng)為國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品，所生產(chǎn)的“捷能牌”汽輪機(jī)2006年獲得“中國(guó)名牌產(chǎn)品”稱號(hào)。
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(jìn)行熱交換回收，產(chǎn)生蒸汽通過汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)由熱能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換最終拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的技術(shù)。
1.純低溫余熱汽輪機(jī)的技術(shù)來源
我公司是國(guó)內(nèi)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)---純低溫余熱汽輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行的開拓者和領(lǐng)路人。在上世紀(jì)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(tái)3MW補(bǔ)汽式地?zé)釞C(jī)組（進(jìn)汽為0.17Mpa飽和蒸汽、補(bǔ)汽為0.05Mpa飽和蒸汽，并獲得國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)）。二十多年來西藏羊八井地?zé)釞C(jī)組的成功運(yùn)行為我國(guó)純低溫余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展，特別是為上世紀(jì)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(jī)開始進(jìn)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(bǔ)燃技術(shù)、無補(bǔ)汽純低溫發(fā)電技術(shù)以及小補(bǔ)汽技術(shù)（10%補(bǔ)汽量）。由于對(duì)水泥窯生產(chǎn)的波動(dòng)性，所產(chǎn)生各能級(jí)的余熱（壓力、溫度、流量）變化范圍大這一特點(diǎn)沒有充分認(rèn)識(shí)，結(jié)果造成水泥行業(yè)應(yīng)用的所有補(bǔ)汽式汽輪機(jī)組其補(bǔ)汽均不能投入正常運(yùn)行。其根本原因并非是汽輪機(jī)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(jī)補(bǔ)汽要求補(bǔ)汽壓力及溫度相對(duì)穩(wěn)定并要求高于汽輪機(jī)本體補(bǔ)汽點(diǎn)的蒸汽壓力，由于工程設(shè)計(jì)單位未能透徹地研究水泥窯廢氣余熱特性，其低壓補(bǔ)汽均是由水泥窯大幅度波動(dòng)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(bǔ)汽蒸汽壓力及溫度的大幅度波動(dòng)，使得補(bǔ)汽系統(tǒng)不能正常投入運(yùn)行。補(bǔ)汽系統(tǒng)不能正常投入運(yùn)行，不但不能進(jìn)一步回收180℃以下廢氣余熱，使余熱發(fā)電系統(tǒng)達(dá)不到應(yīng)該達(dá)到的發(fā)電功率，也同時(shí)嚴(yán)重影響了大家對(duì)補(bǔ)汽式汽輪機(jī)優(yōu)越性的認(rèn)識(shí)，阻礙了水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及進(jìn)步。
這一時(shí)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(bǔ)汽）。盡管這一時(shí)期在水泥窯余熱利用改造上沒有達(dá)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(yàn)：一是余熱汽輪機(jī)開始被水泥行業(yè)所認(rèn)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(jī)技術(shù)發(fā)展；三是汽輪機(jī)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(jī)。
3、純低溫余熱汽輪機(jī)在水泥窯上的廣泛應(yīng)用
①2004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(dá)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(guó)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(shí)現(xiàn)梯級(jí)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(duì)高壓高溫的主蒸汽(1.57～2.45MPa-340～385℃)及低壓低溫補(bǔ)汽（0.1～0.3 MPa-飽和至170℃），使余熱發(fā)電能力比采用相對(duì)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(bǔ)汽式汽輪機(jī)。這種汽輪機(jī)的基本系列為4.5MW、6MW、7.5MW、9MW、12MW、15MW、18MW、20MW等多個(gè)規(guī)格，主蒸汽進(jìn)汽額定參數(shù)為1.57～2.45MPa-340～385℃，允許的運(yùn)行變化范圍為1.27～2.47MPa-280～390℃，補(bǔ)汽進(jìn)汽額定參數(shù)為0.2MPa-150℃，允許的運(yùn)行變化范圍為0.1～0.3MPa-飽和至170℃,最大補(bǔ)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(jí)的蒸汽、熱水等低品位熱能并能在保證汽輪機(jī)使用壽命和熱效率的前提下，對(duì)水泥窯生產(chǎn)的波動(dòng)性有很強(qiáng)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(yùn)行情況（用戶：山水集團(tuán)濰坊2500t水泥窯，2007年1月正式投運(yùn)），汽輪機(jī)組補(bǔ)汽式比不補(bǔ)汽式時(shí)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(shí)，因采用較高的主蒸汽壓力和溫度，為汽機(jī)滑參數(shù)運(yùn)行創(chuàng)造了條件（當(dāng)設(shè)計(jì)采用主蒸汽壓力和溫度為2.29MPa-370℃時(shí)，實(shí)際運(yùn)行變化范圍可以達(dá)到1.27～2.47Mpa、325℃～400℃）；而第一代純余熱發(fā)電技術(shù)的汽輪機(jī)主蒸汽壓力和溫度允許變化范圍則要小得多（當(dāng)設(shè)計(jì)采用主蒸汽壓力和溫度為0.98MPa-310℃時(shí)，實(shí)際運(yùn)行變化范圍只能達(dá)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(shí)，由于主蒸汽參數(shù)允許運(yùn)行變化范圍比第一代純余熱發(fā)電技術(shù)大得多，汽輪機(jī)運(yùn)行的可靠性、對(duì)水泥窯生產(chǎn)波動(dòng)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(zhǎng)了汽輪機(jī)設(shè)備的使用壽命。
③汽輪機(jī)新技術(shù)應(yīng)用及創(chuàng)新點(diǎn)
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(dá)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(diǎn)的基礎(chǔ)上，在水泥窯余熱發(fā)電用汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇上充分考慮了水泥窯生產(chǎn)的大范圍波動(dòng)性，積極研發(fā)與第二代水泥窯發(fā)電技術(shù)配套的補(bǔ)汽式汽輪機(jī)。
在該類型補(bǔ)汽式汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造過程中，我公司積極采用CAD/CAM/CAPP、PDM等先進(jìn)的設(shè)計(jì)、制造、管理手段。主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，有以下幾方面：
a、采用國(guó)際上先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)理念---產(chǎn)品零部件均采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)；
b、應(yīng)用全三維技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)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(jī)的效率，整機(jī)效率提高8%以上。
c、本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足主蒸汽進(jìn)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(dòng)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(guó)WOODWARD公司505+德國(guó)VIOTH電液轉(zhuǎn)換器）。可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、自動(dòng)控制，其技術(shù)水平國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，具有國(guó)際同類產(chǎn)品水平；配置先進(jìn)的汽輪機(jī)安全監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)（TSI），監(jiān)視項(xiàng)目齊全、性能可靠，操作調(diào)整方便，自動(dòng)化程度高，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組的各種運(yùn)行參數(shù)，便于故障分析和判斷，限制事故范圍，提高機(jī)組運(yùn)行安全性。
e、高效的補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
●補(bǔ)汽混合室的設(shè)計(jì)：根據(jù)主汽、補(bǔ)汽混合后的流動(dòng)特性按蝸殼理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使流動(dòng)效率達(dá)到最佳值。整機(jī)效率比補(bǔ)汽量10%的結(jié)構(gòu)提高了1.5%。
●補(bǔ)汽強(qiáng)關(guān)閥的設(shè)計(jì)：一是要具有在任何緊急情況下，能夠自動(dòng)快速（＜1S）切斷補(bǔ)汽，杜絕了汽輪機(jī)因補(bǔ)汽造成的飛車事故的發(fā)生；二是要具有在汽輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，可隨時(shí)強(qiáng)行切斷補(bǔ)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(jī)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(jī)的快裝結(jié)構(gòu)（如下圖）。
三、大補(bǔ)汽式低溫余熱汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及對(duì)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(dá)對(duì)水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術(shù)不斷探索研究，成功將補(bǔ)汽量由20%提高到40%。
●2500t水泥窯: 補(bǔ)汽量由4t/h提高到8t/h，裝機(jī)容量由4.5MW提高到5MW，發(fā)電量增加了9%，汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)采用快裝式+集中油站，機(jī)組已投運(yùn)（用戶：江蘇東湖等）；
●5000t水泥窯: 補(bǔ)汽量由8t/h提高到16t/h，裝機(jī)容量由9MW提高到11.5MW，發(fā)電量增加了9%，機(jī)組已投運(yùn)（用戶：華新集團(tuán)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(bǔ)汽量由18t/h提高到36t/h，裝機(jī)容量由20MW提高到23MW，發(fā)電量增加了9%，機(jī)組已投運(yùn)（用戶：峨嵋山水泥，平均發(fā)電量預(yù)計(jì)21 MW以上）。
最近，大連易世達(dá)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(bǔ)汽量由現(xiàn)在的40%提高到額定補(bǔ)汽量80%，最大補(bǔ)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(bǔ)汽式低溫余熱汽輪機(jī)，并將在如下技術(shù)上有新突破。
1、補(bǔ)汽室結(jié)構(gòu)的新突破
按全三維的技術(shù)設(shè)計(jì)補(bǔ)汽混合室，使混合室的流動(dòng)損失達(dá)到最小，補(bǔ)汽順利進(jìn)入汽輪機(jī)，使汽輪機(jī)整機(jī)效率提高1%。
2、補(bǔ)汽控制的新突破
在原來補(bǔ)汽強(qiáng)關(guān)閥的基礎(chǔ)上必須增加補(bǔ)汽調(diào)節(jié)閥。當(dāng)補(bǔ)汽量達(dá)到主汽流量80%～100%時(shí)，補(bǔ)汽對(duì)汽輪機(jī)補(bǔ)汽口處的壓力、發(fā)電功率影響較大。在補(bǔ)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(jī)平穩(wěn)、安全運(yùn)行。故必須增加補(bǔ)汽調(diào)節(jié)閥并采用WOODWARD 505E，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電功率和補(bǔ)汽壓力進(jìn)行關(guān)連調(diào)節(jié)，確保汽輪機(jī)安全、可靠運(yùn)行；同時(shí)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(bǔ)汽量減少一半時(shí)，排汽流量將減少1/4，末級(jí)葉片的動(dòng)應(yīng)力將成倍增加，給汽輪機(jī)的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重隱患。故必須重新開發(fā)末級(jí)葉片，以滿足大補(bǔ)汽式低溫余熱汽輪機(jī)的運(yùn)行要求。
結(jié)論：隨著上述技術(shù)的突破，大補(bǔ)汽式汽輪機(jī)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(bǔ)汽量將由8t/h提高到18t/h，裝機(jī)容量將由5MW提高到6MW，發(fā)電量增加17%～25%
●5000t水泥窯：補(bǔ)汽量將由18t/h提高到38t/h，裝機(jī)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(bǔ)汽量將由36t/h提高到70t/h，裝機(jī)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(jì)院及各水泥制造廠家，進(jìn)一步就水泥窯余熱回收發(fā)電領(lǐng)域進(jìn)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(jī)，在水泥窯余熱汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用更多的國(guó)內(nèi)、外新技術(shù)，全力打造全新產(chǎn)品，設(shè)計(jì)更便于安裝、自動(dòng)化程度更高、安全性更好、效率最高的產(chǎn)品。
面對(duì)新的機(jī)遇，新的挑戰(zhàn)，青島捷能汽輪機(jī)集團(tuán)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(jiān)持“精良產(chǎn)品、精誠(chéng)服務(wù)、精打細(xì)算、精兵強(qiáng)將、精益求精”的“五精”理念要求，努力為每一個(gè)用戶提供滿意的精品。
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