水泥窑余热发电技术的新突破

水泥青岛捷能汽轮机集团股份有限公司 2007-04-30

一、公司简介

青岛捷能汽轮机股份有限公司坐落在美丽的海滨城市青岛，位于青岛市四方区，毗邻海陆空港，交通四通八达，极为便利。

公司始建于1950年，1958年开始生产汽轮机，以生产“捷能牌”汽轮机为主导产品，具有现代化生产规模，享有自营进出口权，是国内中小型汽轮机最强最大的设计制造供应商。现有净资产4.5亿元，员工2300余人，其中工程技术人员300余人。拥有关键设备1200余台，其中数控、加工中心等精密大型设备300多台，基本实现数显数控加工，具有很强的综合加工能力。

公司目前主要生产150MW以下各类型号汽轮机，现有十大系列400余个品种，能够满足发电、石油、化工、印染、纺织、水泥、造纸、制糖、钢铁、煤炭、垃圾处理、燃气-蒸汽联合循环、城市集中供热等行业，产品遍布31个省、市、自治区，并远销印度、印尼、巴基斯坦、孟加拉等国家。

公司大力实施名牌战略，坚持实施自主开发与引进技术相结合的高起点发展战略，大力推进主导产品结构调整和升级换代，曾获得全国汽轮机行业质量标兵称号和全国五一劳动奖章。1980年获得中国汽轮机发展史上第一块国家质量奖牌，多个产品被评为国家级新产品，所生产的“捷能牌”汽轮机2006年获得“中国名牌产品”称号。

二、低品位余热汽轮机介绍

低品位余热利用汽轮机是我公司的强项产品，是国家重点推荐的工业余热利用汽轮机。

闻名世界的我国西藏羊八井地热电厂，其装配的7台3MW二级扩容循环和混压式（补汽式）地热汽轮机（这一项目曾获得国家科技进步三等奖），均为我公司70年代末至90年代初产品，二十年多来一直是羊八井地热电厂的主力机组。羊八井地热电站的出力稳定，其发电量已占到拉萨电网的40％。西藏羊八井地热机组的设计、制造、运行成功，充分证明我公司已具备设计制造低参数多级混压式汽轮机的能力，而近年印尼地热机组的研发成功更足以证明我公司在低参数汽轮机的设计、制造、运行经验等方面已具备了各项技术条件。

迄今为止，我公司已自主研发了处于国内领先水平、与第二代水泥窑余热发电技术配套的包括纯凝汽、补汽凝汽等不同方式的汽轮机。这种汽轮机的基本系列为4.5MW、6MW、7.5MW、9MW、12MW、15MW、18MW、20MW等多个规格，主蒸汽进汽额定参数为：压力1.0～2.45Mpa、温度300～385℃，补汽进汽额定参数为：压力0.1～0.2Mpa、温度饱和～150℃，允许的运行变化范围为压力0.05～0.25MPa、温度饱和～170℃。该系列产品可以有效利用水泥窑废气余热生产的不同等级的蒸汽、热水等低品位热能并能在保证汽轮机使用寿命和热效率的前提下，对水泥窑生产的波动性有很强的适应能力，节能效果明显、经济效益显著。

至目前，我公司已为全国近二十个省份、七十余家水泥生产厂的高温余热电站、补燃余热电站、第一代水泥窑纯低温余热电站、第二代水泥窑纯低温余热电站设计制造了88台不同型号的汽轮发电机组，其中包括:第一代水泥窑纯低温余热发电机组18台，第二代水泥窑纯低温余热发电机组13台。

三、第一代及第二代水泥窑余热发电汽轮机组及发电能力的差异

为了配合第一代水泥窑纯低温余热发电技术，我公司从90年代初以来自主开发了低参数补汽或不补汽式汽轮机系列(主蒸汽参数为：压力0.69～1.57Mpa、温度280～340℃，补汽进汽额定参数为：压力0.1～0.2Mpa、温度饱和～150℃)。由于水泥窑生产的波动性，造成进汽、补汽参数的不稳定，直接影响了汽轮机的使用寿命。

国内水泥行业自1998～2004年共应用了6台补汽式汽轮机，至目前，这6台补汽式汽轮机补汽均不能投入正常运行，其根本原因并非是汽轮机设备问题，而是余热发电热力系统及余热锅炉配置不当所至。如：汽轮机补汽要求补汽压力及温度相对稳定并要求高于汽轮机本体补汽点的蒸汽压力，由于未能透彻地研究水泥窑废气余热特性，其低压补汽均是由水泥窑大幅度波动的废气直接生产，更由于余热锅炉、热力系统的配置又不具备调整蒸汽压力及稳定蒸汽温度的能力，造成补汽蒸汽压力及温度的大幅度波动，使得补汽系统不能正常投入运行。补汽系统不能正常投入运行，不但不能进一步回收180℃以下废气余热，使余热发电系统达不到应该达到的发电功率，也同时严重影响了大家对补汽式汽轮机优越性的认识，阻碍了水泥窑纯低温余热发电技术的发展及进步。

2004年之后，随着第二代水泥窑纯低温余热发电技术的广泛应用，水泥窑余热按废气余热温度可实现梯级利用，使水泥窑废气余热按其热能品质最大限度地转换为电能，采用相对高压高温的主蒸汽(1.57～2.45MPa-340～385℃)及低压低温补汽，不但提高了汽轮机效率，也使余热发电能力比采用相对低压低温主蒸汽(0.69～1.27MPa-280～340℃)参数的第一代水泥窑纯低温余热发电技术大幅提高。其中根据已投产的采用补汽式汽轮机的燃气——蒸汽联合循环电站、第二代水泥窑余热电站运行情况，汽轮机组补汽式比不补汽式时其发电功率提高8%以上，相应余热锅炉出口废气温度可得以大幅降低。

同时，因采用较高的主蒸汽压力和温度，为汽机滑参数运行创造了条件（当设计采用主蒸汽压力和温度为2.29MPa-370℃时，实际运行变化范围可以达到1.27～2.47Mpa、325℃～400℃）；而第一代纯余热发电技术的汽轮机主蒸汽压力和温度允许变化范围则要小得多（当设计采用主蒸汽压力和温度为0.98MPa-310℃时，实际运行变化范围只能达到0.69～1.27Mpa、290℃～330℃）。因此，第二代纯余热发电技术在提高余热发电能力的同时，由于主蒸汽参数允许运行变化范围比第一代纯余热发电技术大得多，汽轮机运行的可靠性、对水泥窑生产波动的适应性也将比第一代技术好的多，更为重要的是延长了汽轮机设备的使用寿命。

四、技术优势及创新点

随着水泥窑纯低温余热发电技术日臻完善，我们与设计院、水泥生产厂家深度结合，在深刻了解余热发电热力系统的构成及水泥生产线生产特点的基础上，在水泥窑余热发电用汽轮机的设计参数选择上充分考虑了水泥窑生产的大范围波动性，积极研发与第二代水泥窑发电技术配套的补汽式汽轮机。

该类型补汽式汽轮机我公司已设计生产13台。其中为山水集团潍坊水泥公司生产的BN4.5-2.29/0.15(4.5MW)型补汽凝汽式机组已投入正常生产运行，BN9-2.29/0.15(9MW)、BN18-2.29/0.15(18MW) 型补汽凝汽式机组也即将投运。其主蒸汽进汽额定参数规定为压力2.29MPa、温度370℃，允许的运行变化范围为压力1.27～2.45MPa、温度280～390℃；补汽进汽的额定参数为压力0.15 MPa、温度150℃，允许的压力变化范围为0.05～0.25MPa、允许的温度变化范围是饱和温度至170℃。经实际运行证明，该机组进汽参数适应范围广，完全满足水泥生产波动的需要，余热生产的蒸汽按其不同的能级全部通过汽轮机转换为电能，发电能力大大提高，使其发电量比采用第一代水泥窑纯低温余热发电技术的同规模水泥窑余热电站提高25%以上。

无论提供给山东的山水水泥集团补汽凝汽式汽轮机还是提供给广西华润水泥集团低品位纯凝汽式汽轮机（S8.8-1.0*310℃（8.8MW）、S16-1.25*305℃（16MW）等）均采用如下先进技术和创新点。

在汽轮机组的设计制造过程中，我公司积极采用CAD/CAM/CAPP、PDM等先进的设计、制造、管理手段，产品零部件三化（模块化、标准化、系列化）水平高，生产制造周期短，为水泥窑余热发电技术提供了主要装备。主要技术创新点，有以下几方面：

1. 采用国际上先进的模块化设计，全面应用全三维技术设计机组的通流部分（采用高效率后加载叶型、全三维弯扭叶片），大大提高汽轮机的效率，整机效率提高8%以上。

2. 在设计汽轮机调节保安系统时，我们考虑了各种工况下的安全的运行方式，调节系统摒弃早先的全液压调节方式，而改用数字电液调节系统（DEH）。可实现数据自动记录、自动控制，其技术水平国内领先，具有国际同类产品水平；汽轮机安全监测保护系统（TSI），监视项目齐全、性能可靠，操作调整方便，自动化程度高，可随时监测机组的各种运行参数，分散了危险性，便于故障分析和判断，限制事故范围；增加汽轮机紧急跳闸系统（ETS），提高机组运行安全性。

3.在主机本体结构设计时，充分考虑了主蒸汽参数（压力、温度）大范围变化，如： 2.45Mpa 390℃变化至1.27Mpa 280℃。以适应水泥窑变化的需要。

4.热力系统的设计可根据用户提供汽源及要求，考虑余热蒸汽的特点设置汽水分离器。该汽水分离器采用我公司获得国家专利的高效的带钩波形板结构，分离效率高达99.9%以上，可有效地降低蒸汽湿度，在保证机组安全运行、延长机组使用寿命的条件下，使机组适应蒸汽参数的大范围变化。

5.关于补汽。

我公司生产的补汽式汽轮机有两种补汽控制方式。

一种是无控制的简单补汽方式：当补汽条件满足后，手动打开补汽门，补汽调门按设定的开度打开到设定值；

另一种是有控制补汽方式：由数字式电调节器根据机组负荷变化自动调节补汽门开度，在可调范围内保证补汽压力。

这两种补汽控制方式，我公司都已有设计，用户可根据自己公司的实际，选择适合自己的补汽控制方式。

6. 为减少电站投资和方便用户安装，我公司正在研发专为水泥窑纯低温余热发电用的全新布置理念汽轮机---单层布置、公共底盘、配集中油站，汽、水、油管路全部厂内组装完毕，只留有部分接口。

7. 我公司也可以设计制造水泥窑纯低温余热发电用空冷汽轮机及与焚烧垃圾配套的汽轮机。

总之，我们可以根据用户提供的不同进汽参数和补汽参数，开发设计和制造各种方式低品位余热汽轮机，按中国或国际标准组织生产，最大限度地满足客户需求。

五、结束语

作为发电设备生产厂家，我公司将携手设计院及各水泥制造厂家，进一步就水泥窑余热回收发电领域进行积极的探索、研究，继续研发与纯低温余热发电技术相配套的汽轮机，在水泥窑余热发电机组的设计中应用更多国外国内新技术，从用户角度考虑，全力打造全新产品，设计更便于安装、自动化程度更高、安全性更好、效率最高的产品。

面对新的机遇，新的挑战，捷能公司始终奉行“开拓创新，追求卓越”的企业精神，牢固坚持“精良产品、精诚服务、精打细算、精兵强将、精益求精”的“五精”理念要求，努力为每一个用户提供满意的精品。
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