大補氣式低溫余熱氣輪機的設計、運行及對余熱發電技術發展的影響
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年開始生產汽輪機，以生產“捷能牌”汽輪機為主導產品，具有現代化生產規模，享有自營進出口權。現有凈資產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，其中數控、加工中心等精密大型設備500多臺，基本實現數顯數控加工，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，現有十大系列600余個品種，能夠滿足發電、石油、化工、印染、紡織、水泥、造紙、制糖、鋼鐵、煤炭、垃圾處理、燃氣-蒸汽聯合循環、城市集中供熱等行業，產品遍布31個省、市、自治區，并遠銷印度、印尼、巴基斯坦、孟加拉等國家。
公司現具有年生產汽輪機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。現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、運行經驗等方面均處于國內領先水平。
公司大力實施名牌戰略，堅持實施自主開發與引進技術相結合的高起點發展戰略，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。
二、純低溫余熱發電技術發展回顧
水泥窯純低溫余熱發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由熱能向機械能轉換最終拖動發電機發電的技術。
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電技術發展，特別是為上世紀90年代末水泥窯純低溫余熱發電技術發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
1997年～2004年是水泥窯純低溫余熱發電技術導入期。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，而是余熱發電熱力系統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、熱力系統的配置又不具備調整蒸汽壓力及穩定蒸汽溫度的能力，造成補汽蒸汽壓力及溫度的大幅度波動，使得補汽系統不能正常投入運行。補汽系統不能正常投入運行，不但不能進一步回收180℃以下廢氣余熱，使余熱發電系統達不到應該達到的發電功率，也同時嚴重影響了大家對補汽式汽輪機優越性的認識，阻礙了水泥窯純低溫余熱發電技術的發展及進步。
這一時期水泥窯余熱利用發電技術暫定義為第一代水泥窯余熱發電技術（主蒸汽參數壓力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驗：一是余熱汽輪機開始被水泥行業所認知；二是水泥窯純低溫余熱發電技術發展離不開汽輪機技術發展；三是汽輪機供應商應投入更多的技術力量開發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用
①2004年～2007年（第二代水泥窯余熱發電技術的應用期），在與大連易世達能源工程有限公司的緊密合作下，我公司已自主研發了處于國內領先水平、與第二代水泥窯余熱發電技術（水泥窯余熱按廢氣余熱溫度可實現梯級利用，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℃），使余熱發電能力比采用相對低壓低溫主蒸汽(0.69～1.27MPa-280～340℃)參數的第一代水泥窯純低溫余熱發電技術大幅提高）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等多個規格，主蒸汽進汽額定參數為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，為汽機滑參數運行創造了條件（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，第二代純余熱發電技術在提高余熱發電能力的同時，由于主蒸汽參數允許運行變化范圍比第一代純余熱發電技術大得多，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新點
隨著水泥窯純低溫余熱發電技術不斷發展，我們與大連易世達深度合作，在深刻了解余熱發電熱力系統的構成及水泥生產線生產特點的基礎上，在水泥窯余熱發電用汽輪機的設計參數選擇上充分考慮了水泥窯生產的大范圍波動性，積極研發與第二代水泥窯發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、控制系統采用數字電液調節系統（DEH）（采用美國WOODWARD公司505+德國VIOTH電液轉換器）。可實現數據自動記錄、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測保護系統（TSI），監視項目齊全、性能可靠，操作調整方便，自動化程度高，可隨時監測機組的各種運行參數，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%。
●補汽強關閥的設計：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、油管路全部廠內組裝，結構緊湊，安裝方便（如下圖）。
正在研發用于5000t水泥窯純低溫余熱汽輪機的快裝結構（如下圖）。
三、大補汽式低溫余熱汽輪機的設計、運行及對余熱發電技術發展的影響
2008年～2009年，隨著大連易世達對水泥窯純低溫余熱發電技術不斷探索研究，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，發電量增加了9%，汽輪機本體結構采用快裝式+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，發電量增加了9%，機組已投運（用戶：峨嵋山水泥，平均發電量預計21 MW以上）。
最近，大連易世達公司在水泥窯純低溫余熱發電技術又有新的突破——第三代水泥窯余熱發電技術即補汽量由現在的40%提高到額定補汽量80%，最大補汽量100%。為此，我公司正在研發與第三代水泥窯余熱發電技術配套的大補汽式低溫余熱汽輪機，并將在如下技術上有新突破。
1、補汽室結構的新突破
按全三維的技術設計補汽混合室，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
在原來補汽強關閥的基礎上必須增加補汽調節閥。當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、發電功率影響較大。在補汽不是很穩定情況下，目前的WOODWARD 505系統很難控制汽輪機平穩、安全運行。故必須增加補汽調節閥并采用WOODWARD 505E，最終實現對電功率和補汽壓力進行關連調節，確保汽輪機安全、可靠運行；同時也起到協助鍋爐穩定出口壓力的作用。
3、通流結構的新突破
當補汽量減少一半時，排汽流量將減少1/4，末級葉片的動應力將成倍增加，給汽輪機的安全運行帶來嚴重隱患。故必須重新開發末級葉片，以滿足大補汽式低溫余熱汽輪機的運行要求。
結論：隨著上述技術的突破，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，發電量增加17%～25%。
四、結束語
我公司將攜手設計院及各水泥制造廠家，進一步就水泥窯余熱回收發電領域進行積極的探索、研究，繼續研發與純低溫余熱發電技術相配套的汽輪機，在水泥窯余熱汽輪機的設計中應用更多的國內、外新技術，全力打造全新產品，設計更便于安裝、自動化程度更高、安全性更好、效率最高的產品。
面對新的機遇，新的挑戰，青島捷能汽輪機集團股份有限公司始終奉行“開拓創新，追求卓越”的企業精神，牢固堅持“精良產品、精誠服務、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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