大補氣式低溫余熱氣輪機的設計、運行及對余熱發(fā)電技術發(fā)展的影響

　　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年開始生產汽輪機，以生產“捷能牌”汽輪機為主導產品，具有現(xiàn)代化生產規(guī)模，享有自營進出口權。現(xiàn)有凈資產6.5億元，員工2300余人，其中工程技術人員300余人。擁有關鍵設備1500余臺，其中數(shù)控、加工中心等精密大型設備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)具有年生產汽輪機500萬千瓦/400臺的能力，是目前國內中小型汽輪機系列最全、品種最多、能力最強的設計制造供應商?，F(xiàn)在已生產的各類汽輪機達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，目前已為國內外水泥公司提供了200多臺余熱利用汽輪機，在設計、制造、運行經(jīng)驗等方面均處于國內領先水平。

 

　　公司大力實施名牌戰(zhàn)略，堅持實施自主開發(fā)與引進技術相結合的高起點發(fā)展戰(zhàn)略，大力推進主導產品結構調整和升級換代，曾獲得全國汽輪機行業(yè)質量標兵稱號和全國五一勞動獎章。1980年獲得中國汽輪機發(fā)展史上第一塊國家質量獎牌，多個產品被評為國家級新產品，所生產的“捷能牌”汽輪機2006年獲得“中國名牌產品”稱號。

 

　　水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術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，產生蒸汽通過汽輪機實現(xiàn)由熱能向機械能轉換最終拖動發(fā)電機發(fā)電的技術。

 

　　1.純低溫余熱汽輪機的技術來源

　　我公司是國內純低溫余熱發(fā)電技術---純低溫余熱汽輪機設計、制造、運行的開拓者和領路人。在上世紀70年代末至90年代初，我公司為西藏羊八井地熱電廠共制造了7臺3MW補汽式地熱機組（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熱機組的成功運行為我國純低溫余熱發(fā)電技術發(fā)展，特別是為上世紀90年代末水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術發(fā)展起到非常關鍵作用。

 

　　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)電技術導入期。這期間，水泥窯余熱利用主要采用補燃技術、無補汽純低溫發(fā)電技術以及小補汽技術（10%補汽量）。由于對水泥窯生產的波動性，所產生各能級的余熱（壓力、溫度、流量）變化范圍大這一特點沒有充分認識，結果造成水泥行業(yè)應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備問題，而是余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)及余熱鍋爐配置不當所至。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，更由于余熱鍋爐、熱力系統(tǒng)的配置又不具備調整蒸汽壓力及穩(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)電技術的發(fā)展及進步。

這一時期水泥窯余熱利用發(fā)電技術暫定義為第一代水泥窯余熱發(fā)電技術（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)電技術發(fā)展離不開汽輪機技術發(fā)展；三是汽輪機供應商應投入更多的技術力量開發(fā)出適合水泥窯余熱利用的汽輪機。

 

　?、?004年～2007年（第二代水泥窯余熱發(fā)電技術的應用期），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)了處于國內領先水平、與第二代水泥窯余熱發(fā)電技術（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最大限度地轉換為電能，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%。該系列產品可以有效利用水泥窯廢氣余熱生產的不同能級的蒸汽、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，對水泥窯生產的波動性有很強的適應能力。

 

　　根據(jù)已投產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（當設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)電技術的汽輪機主蒸汽壓力和溫度允許變化范圍則要小得多（當設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)電技術大得多，汽輪機運行的可靠性、對水泥窯生產波動的適應性也將比第一代技術好的多，更為重要的是延長了汽輪機設備的使用壽命。

 

　　③汽輪機新技術應用及創(chuàng)新點

　　隨著水泥窯純低溫余熱發(fā)電技術不斷發(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)的構成及水泥生產線生產特點的基礎上，在水泥窯余熱發(fā)電用汽輪機的設計參數(shù)選擇上充分考慮了水泥窯生產的大范圍波動性，積極研發(fā)與第二代水泥窯發(fā)電技術配套的補汽式汽輪機。

 

　　在該類型補汽式汽輪機的設計制造過程中，我公司積極采用CAD/CAM/CAPP、PDM等先進的設計、制造、管理手段。主要技術創(chuàng)新點，有以下幾方面：

 

　　a、采用國際上先進的模塊化設計理念---產品零部件均采用模塊化、標準化、系列化設計；

 

　　b、應用全三維技術設計機組的通流部分（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、本體結構設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℃，以適應水泥窯生產的波動性。

　　d、控制系統(tǒng)采用數(shù)字電液調節(jié)系統(tǒng)（DEH）（采用美國WOODWARD公司505+德國VIOTH電液轉換器）?？蓪崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動記錄、自動控制，其技術水平國內領先，具有國際同類產品水平；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、高效的補汽結構設計

　　●補汽混合室的設計：根據(jù)主汽、補汽混合后的流動特性按蝸殼理論進行結構設計，使流動效率達到最佳值。整機效率比補汽量10%的結構提高了1.5%。