螺桿膨脹機(jī)在低溫余熱發(fā)電中的應(yīng)用_魏文榮

1、Cement No. 9.1995.生產(chǎn)設(shè)備螺桿膨脹機(jī)在低溫余熱發(fā)電中的應(yīng)用魏文榮楊明友中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院水泥所（100024）?1994-2015 China Academic Journal lUectronic Publishing House. All rights reserved http:F?wvvwcnkinetCement No. 9.1995.?1994-2015 China Academic Journal lUectronic Publishing House. All rights reserved http:F?wvvwcnkinetCement No. 9.1

2、995.自30年代起，東北、華北等地就有了帶余 熱發(fā)電的水泥窯。發(fā)展到目前，全國(guó)共有四十多 臺(tái)，裝機(jī)容量超過(guò)十二萬(wàn)千瓦。這類水泥窯屬常 規(guī)余熱發(fā)電，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用已較為成熟。隨著水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)及裝備技術(shù)的發(fā) 展，我國(guó)新建了四十多條（700t/d）大、中型 SP/NSP窯水泥生產(chǎn)線。盡管NSP技術(shù)的岀現(xiàn) 使得水泥生產(chǎn)的單機(jī)產(chǎn)量成倍提髙，單位熱耗 大幅度下降，但其燒成系統(tǒng)的排煙熱損失仍占 其熱耗的40%左右，又均無(wú)廢氣余熱發(fā)電系 統(tǒng)。而這類窯在日本、美國(guó)一般均帶有低溫余熱 發(fā)電裝置，并出口到東幸亞地區(qū)。其發(fā)電指標(biāo)一 般為30kWh/td,約占水泥生產(chǎn)電耗的25%, 因其節(jié)能效果非常顯著，引起世界各國(guó)

3、的普遍 重視。1熱力系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)外的常規(guī)余熱發(fā)電及SP/NSP窯低 溫余熱發(fā)電系統(tǒng),一般均采用水一水蒸汽為工 質(zhì)的。汽輪發(fā)電機(jī)組一般以冷凝式為多，也有混 壓式、再熱循環(huán)式及冷凝式等。國(guó)外常規(guī)的SP/ NSP窯低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)其蒸汽動(dòng)力裝置如 圖1所示。設(shè)定煙氣帯入鍋爐的熱供91為100%；排 煙熱損失為92,由于排煙溫度高達(dá)180 200C,其約占45%；冷凝器冷卻水帶走的熱損 15%的條件下，彌補(bǔ)了玄武巖單摻28d強(qiáng)度明 顯下降的不足，使水泥3d、7d和28d強(qiáng)度能相 互協(xié)調(diào)，強(qiáng)度正常增長(zhǎng)。4結(jié)論（l）SEM的顯微分析表明，玄武巖中的玻 璃相易于被堿溶液激發(fā)7d即明顯觀察到生成 的水化硅酸鈣

4、相。12S 1蒸汽動(dòng)力裝置簡(jiǎn)圖A.汽包仏.過(guò)熱器,C.汽輪機(jī)冷凝器池.水泵 失（冷源損失）為山，約占35%；系統(tǒng)管道等損 失為g約占10%15%；發(fā)電機(jī)發(fā)電對(duì)外做 功為僅占7%9%.由于機(jī)組工質(zhì)參數(shù)較 高,排煙溫度難以下降。對(duì)于降低排煙溫度,提高低品位熱能的回 收利用程度，70年代，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的 勞倫斯一利弗爾實(shí)驗(yàn)室（LLL）提出了雙流發(fā)電 系統(tǒng)這一新的能量轉(zhuǎn)換槪念。將飽和水（或汽水 兩相）不經(jīng)閃蒸分離，直接以兩相流的形式引入 雙流螺桿膨脹機(jī)作功。并設(shè)計(jì)了 3臺(tái)1 OOOkW 的螺桿膨脹機(jī)試驗(yàn)機(jī)組,分別安裝于美國(guó)猶他 州的羅斯福地?zé)釁^(qū)地?zé)岚l(fā)電站，墨西哥的塞羅 普里托（ERROPR1EF

5、 0）地?zé)岚l(fā)電站及新西蘭（2）玄武巖的火山灰性實(shí)驗(yàn)合格，可直接用 作水泥混合材。在摻量不超過(guò)10%fl寸,對(duì)水泥 3d、7d和28d強(qiáng)度影響不大。（3）玄武巖礦渣夏合水泥，在總摻議不趙過(guò) 30%,玄武巖不超過(guò)15%時(shí)，水泥各齡期的強(qiáng) 度能相互協(xié)調(diào)，正常增長(zhǎng)。（編輯胡如進(jìn)） 的懷拉開地?zé)岚l(fā)電站并進(jìn)行了試驗(yàn)，其內(nèi)效率 達(dá)60%。英國(guó)的倫敦大學(xué)、日本的神戶制鋼所 等也進(jìn)行了該項(xiàng)研究工作，國(guó)內(nèi)天津大學(xué)針對(duì) 地?zé)岚l(fā)電站也進(jìn)行了這方面的小型模擬試驗(yàn)。 據(jù)此,“八五”期間我們乜將雙流發(fā)電系統(tǒng)這一 新概念引入到SP/NSP窯低溫發(fā)電課題Z中, 形成了我國(guó)水泥廠低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，如圖2 所示。圖2低溫余熱雙流發(fā)

6、電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖A.汽包;B.螺桿機(jī)分離器Q訊輪機(jī)IE.冷疑器：F.水泵在該系統(tǒng)中，汽包.4產(chǎn)生的汽水兩相飽和 混合工質(zhì),進(jìn)入雙流嫖桿膨脹機(jī)3中膨脹做 功。然后經(jīng)分離器c分離出汽水兩相工質(zhì)，將 蒸汽引入低參數(shù)汽輪機(jī)D中繼續(xù)膨脹做功，而 熱水則由水泵送回鍋爐。在討論該系統(tǒng)循環(huán)效率時(shí),我們?nèi)栽O(shè)定鍋 爐中煙氣帶入的熱罐°為100%,系統(tǒng)對(duì)外做 功為螺桿機(jī)發(fā)電功率爐1及汽輪機(jī)發(fā)電功率 卬2,冷源損失心，系統(tǒng)管道損失等損失乞及排 煙熱損失乞。低溫余熱雙流發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)過(guò)程中, 進(jìn)入冷凝器冷卻成凝結(jié)水而造成的冷源損失, 隨著工質(zhì)的初始干度4的變化而變化。全蒸汽 狀態(tài)時(shí)，冷源損失最小，約為37%；全水

7、狀態(tài) 時(shí),冷源損失最大（約40%）,對(duì)于SP/NSP窯 低溫余熱發(fā)電干度4以15%25%為宜。此 時(shí),排煙溫度降為130140C,排煙熱損失從 45%降到40%左右，系統(tǒng)循環(huán)熱效率可達(dá) 13%,扣除水泵功耗增加，實(shí)際循環(huán)效率可達(dá) 11%左右。比常規(guī)余熱發(fā)電郎肯循環(huán)熱效率 8%提高了約25%,系統(tǒng)發(fā)電能力也相應(yīng)增加 T 25%左右。2螺桿膨脹機(jī)發(fā)電試驗(yàn)流程在本熱模試驗(yàn)工藝流程中,燃油熱風(fēng)爐產(chǎn) 生350-500C的熱煙氣,引入熱管鍋爐產(chǎn)生干 度1）可調(diào)的汽水兩相工質(zhì)。出鍋爐煙 氣（140'C以下），經(jīng)收塵后排入人氣。鍋爐產(chǎn)生 的汽水兩相工質(zhì)，計(jì)量后進(jìn)入功率為5kW的螺 桿膨脹機(jī)中。發(fā)電機(jī)帶

8、動(dòng)一個(gè)5kW的負(fù)載（燈 炮箱）。岀螺桿機(jī)的兩相工質(zhì)經(jīng)汽水分離器分離 后，熱水返回水箱循環(huán)使用，蒸汽進(jìn)入汽一水螺 旋板式換熱器冷凝。水箱中的水經(jīng)鍋爐給水泵 又送回鍋爐。板式換熱器的冷卻水循環(huán)使用。雙流螺桿機(jī)與常規(guī)的工業(yè)汽輪機(jī)相比有如 下特點(diǎn)：（1）可以直接利用飽和蒸汽、濕蒸汽甚至熱 水，不要求鍋爐增加過(guò)熱器；（2）機(jī)器本身有除垢自潔能力，因而對(duì)水 質(zhì)、水處理設(shè)備要求不高（3）可使出鍋爐煙氣溫度降至140°C以下, 而普通汽輪機(jī)配套的鍋爐其排煙溫度要在 200C左右。系統(tǒng)中加入媒桿機(jī)后，可多利用約 100'C的余熱熱能，效率提高了 20%25%。以 南昌水泥廠低溫發(fā)電系統(tǒng)為例，如

9、僅采用常規(guī) 的0. 127MPa汽輪機(jī)組，發(fā)電功率為1000kW, 廢氣溫度由400C可降至230240 Co采用雙 流螺桿膨脹機(jī)及低參數(shù)汽輪機(jī)組并行發(fā)電，功 率可達(dá)1350kW,其中汽輪機(jī)為1000kW,縹桿 機(jī)為350kWe排煙溫度降至130140*Co3試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，螺町機(jī)發(fā)電功率、進(jìn)口壓 力及干度見附表。發(fā)電功率與進(jìn)口壓力關(guān)系如圖3所示。螺 桿發(fā)電機(jī)組的空載特性曲線如圖4所示。發(fā)電 機(jī)額定轉(zhuǎn)速1500r/m,螺桿機(jī)為4500r/mc13M(kW)50. 3.032f3(MPa)0. 220. 380.40.450.50.

10、30.20. 220. 250. 350. 50.6X1.01.01.01.01.01.0000000媒桿膨脹機(jī)發(fā)電功率、進(jìn)口壓力及干度55678 _ X!0$0進(jìn)口壓力/PaS3進(jìn)口壓力與發(fā)電功率的關(guān)系5007009301100 1300 1500發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)連/r/min7 6 5 4 3 2 I MWWS&!壬圖4縹桿機(jī)空載特性曲線】裝機(jī)容ft 5kW機(jī)組空載待性曲線（建材研究院試驗(yàn)臺(tái)）$2.裝機(jī)容«3kW機(jī)組空朝待性曲線（天津大學(xué)試驗(yàn)臺(tái)）從圖4中可以看出，該機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下, 其空載功率達(dá)6.5kW而發(fā)電功率為35kW, 理論功率為10kW。發(fā)電功率與進(jìn)口干度關(guān)系如圖5所

11、示。00.2 0.4 0.6 0.8 .0逬口干度圖S發(fā)電功率與進(jìn)口干度的關(guān)系N.為發(fā)電功率曲線N。為軸功率曲線8 6 4 2 M<*涇4試驗(yàn)結(jié)果分析（1）從前面圖4中可以看出，本試驗(yàn)無(wú)論是 全部用蒸汽還是全部用熱水，裝機(jī)容量5kW機(jī) 組其達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)須消耗6. 5kW的空載動(dòng) 力，平均每升高1轉(zhuǎn)需消耗1.44W,而裝機(jī)容最 為3RW（天津大學(xué)試驗(yàn)臺(tái)）則為.36W/r0空載 功率隨看裝機(jī)容量的增大而增大。（2）從圖3中還可以看出，發(fā)電功率N.隨 進(jìn)口壓力升高而近似直線上升。在低干度下運(yùn) 行時(shí)，發(fā)電功率隨壓力增加達(dá)到某一定值時(shí)，增 長(zhǎng)極為緩慢。其原因?yàn)槁輻U機(jī)是容積式動(dòng)力機(jī), 其容積流量隨壓力升高而增大，并達(dá)到最大值。 若繼續(xù)增大流量則機(jī)內(nèi)產(chǎn)生欠膨脹現(xiàn)象，導(dǎo)致 排出口壓力升高，結(jié)果單位工質(zhì)熔降減少，作功 能力下降,表現(xiàn)為流量增大校大而功率增加較 小,并趨于穩(wěn)定。（3）當(dāng)總流量一定時(shí),發(fā)電功率隨進(jìn)口干度 增加而增加,其原因?yàn)楸航惦S干度提高而增大, 做功能力也相應(yīng)提高。通過(guò)低溫余熱雙流發(fā)電熱模試驗(yàn)，為我國(guó) 開發(fā)SP/NSP窯低溫余熱發(fā)電摸索出一些經(jīng) 驗(yàn)。天津大學(xué)的螺桿膨脹機(jī)擴(kuò)大試驗(yàn)（150kW） 也已完成。目前正著手逬行200kW及300kW 的中問(wèn)工業(yè)應(yīng)用研究?？梢灶A(yù)見,這一新技術(shù)的 工業(yè)化應(yīng)已為期不遠(yuǎn)。