水泥爐窯余熱發電汽輪機設計技術
南京汽輪電機（集團）有限責任公司 寇磊
南京汽輪電機（集團）有限責任公司建廠50年來，一直致力于電站汽輪機的設計制造。企業不斷緊跟經濟的發展，市場的需求。開發不同類型的產品，迄今為止，已設計制造各類汽輪機100多個品種，派生產品400多種。進入二十一世紀，集團公司領導更是著眼于發展，著眼于未來，非常正確的選擇與北京全四維動力科技有限公司合作，共同研制開發具有世界先進水平的各類型電站汽輪機。在研制開發過程中，吸取總結了我國在葉輪機械氣動熱力學取得的科研成果，在已成功應用于我國汽輪機行業老產品改造、新產品開發的全三維技術基礎上，努力開拓進取，不斷技術創新，開發出更為先進具有當代國際水平的準四維/全四維技術，并把這一頂尖技術進一步應用于汽輪機老產品改造和新產品的開發。集團公司落實科學發展觀，本著建設資源節約型社會宗旨，組織開發了多種余熱利用發電設備，其中水泥生產線余熱發電用汽輪機是近幾年重點開發的，具有國內先進水平的產品。
目前國內先進的水泥生產線，仍然有大量350℃以下的低溫余熱不能完全利用，回收水泥生產過程中的低溫余熱，用來發電，可有效減少水泥生產過程中的能源消耗，同時降低了廢氣排放的溫度，有效的減輕水泥生產對環境的熱污染，具有顯著的節能和環保意義，符合循環經濟和可持續發展的戰略方針，有很大的推廣價值和應用前景，南汽輪集團研制開發的這種技術先進的汽輪機，已和各水泥企業簽定了30多臺套合同，其中海螺集團占了絕大多數。引起水泥行業和汽輪機行業的普遍關注。
1．水泥窯低溫余熱汽輪機主要設計技術特點
南汽輪集團與北京全四維動力科技有限公司共同研制開發的用于水泥生產線低溫余熱利用汽輪機，皆為雙壓（帶一級補汽）、單缸、沖動凝汽式汽輪機。
1.1汽輪機主要技術規范
7MW系列 9MW系列 18MW系列 30MW系列
額定功率MW 7.5 9 18 30
功率等級范圍MW 6～12 8～12 17～24 25～32
額定主蒸汽壓力MPa.a 1.05 0.689 0.689 0.689
主蒸汽溫度℃ 320 317 315～330 312～330
主汽壓力范圍MPa.a 0.981～1.27
補汽壓力 0.12～0.25 0.12～0.137 0.11～0.14 0.12～0.14
補汽流量t/h 1～5 1～6 1～6 3～11
給水溫度℃ 35～45 35～45 35～45 35～45
汽耗kg/kW.h 5.68 5.61 5.6 5.58
熱耗kJ/kW.h 16285 16845 16075 16458
汽輪機級數 11 9 9 10
末級葉片葉片長度mm 300 330 485 665
汽輪機本體重量t ～46.5 ～45 ～61 92
配汽方式 節流調節 節流調節 節流調節 節流調節
回熱系統 無 無 無 無
1.2通流部分設計技術特點
水泥窯低溫余熱汽輪機通流部分的設計，在技術方面最突出的特點是采用當代更為先進的、在成熟的全三維技術基礎上開發的、具有當代國際水平的準四維/全四維技術，對通流部分及主汽閥、調節閥、汽缸等各部分主蒸汽流經的部位進行全面系統設計，達到節約能源、降低消耗、提高經濟性和增加出力（在同等主蒸汽流量下）的目的。
（1） 采用先進的非數值優化方法（遺傳算法）與常規的數值優化方法相結合，針對不同工作條件下的葉片型線進行優化設計。使得葉片型線損失很小；葉片前緣設計使得葉片對來流攻角變化不敏感；較薄的葉片尾緣減小了葉片的尾跡損失；較大的葉片最大厚度增強了葉片的剛性。
（2） 末幾級采用彎扭聯合成型靜葉柵。改變靜葉柵內部的流場，減小葉片損失，從而大幅度提高汽輪機的級效率。
（3） 通流部分子午面光顧。光滑順暢的子午面型線可以減小因子午面形狀突變而帶來的額外損失。
（4） 動葉自帶圍帶整圈聯接。通過預扭裝配使動葉片形成整圈聯接，可以使動葉片振動應力減小，不存在鉚接造成的應力集中，運行安全可靠。
（5） 采用新一代梳齒式汽封。經過多年實驗研究，及國內外機組實際運行經驗表明，梳齒式汽封是密封效果最好的結構形式。梳齒式汽封以其特有的擾流作用，最大限度的減小漏汽，尤其是在沖動式汽輪機。
（6） 全部采用焊接隔板。焊接隔板剛性好，強度大，能夠保證靜葉內汽道形狀準確，光潔度高。
1.3汽輪機結構設計技術特點
南汽輪集團設計制造的水泥爐窯低溫余熱利用系列汽輪機，為低壓、單缸、沖動、帶一級補汽（雙壓）凝汽式汽輪機。其基本結構如上圖所示。
汽輪機采用節流調節，無調節級。汽輪機轉子根據進汽參數和功率的不同分別由9、10、11個壓力級組成。采用組合套裝結構。
汽缸前端借助于“貓爪”與前軸承座相連，在垂直方向設有定位左右膨脹的垂直鍵，以保證軸承座在膨脹時中心不致變動。前軸承座坐于前座架上，前座架上裝有熱膨脹傳感器，以反映汽輪機靜子部分的熱膨脹。后汽缸則支承在左右兩側的后座架上，在左右后座架與后缸連接面上設有橫銷，與汽輪機軸中心線的交點構成汽缸熱膨脹的死點。
前軸承座內裝有測速機構，主油泵，危急遮斷裝置，軸向位移傳感器，徑向及推力聯合軸承。后軸承座與后汽缸一體，裝有汽輪機后軸承和發電機前軸承。30MW系列僅裝有汽輪機后軸承。后軸承蓋上裝有汽輪機盤車裝置。盤車裝置由電動機驅動，通過蝸輪蝸桿副及齒輪減速達到所需要的盤車速度。當轉子的轉速高于盤車速度時，盤車裝置能自動退出工作位置。在無電源的情況下，在盤車電動機的后軸伸裝有手輪，可以進行手動盤車。
水泥爐窯余熱鍋爐產生的低壓蒸汽經電動隔離閥進入位于汽輪機前部的一個或者兩個主汽調節聯合汽閥，通過主蒸汽管路，由前汽缸下部進入前汽缸蒸汽室，經若干級作功后，與補汽混合，再經后幾級壓力級作功后排入凝汽器凝結成水，借助于凝結水泵打出，經汽封加熱器及除氧器后，再重新進入余熱鍋爐。
1.3.1汽缸的設計
該系列汽輪機的汽缸，根據功率的不同，分為兩種組合形式：汽缸前部（前汽缸）和排汽缸（后汽缸）兩段組成；汽缸前部（前汽缸）、汽缸中部（中汽缸）和排汽缸（后汽缸）三段組成。各部分之間采用垂直中分面和螺栓聯接。汽缸分為上下兩半，前后分別裝有汽封，以保證蒸汽不外泄漏。前汽缸在下半前端有支承貓爪與前軸承座聯接，前汽缸前貓爪采用下貓爪中分面支承方式，消除了機組運行中汽缸中心抬高問題。
前缸內鑄有蒸汽室，蒸汽室為全周進汽，下部有兩個進汽口與主蒸汽管道焊接聯接到主汽調節聯合汽閥。由于采用節流調節，改變了常規電站中、小機組群閥控制或凸輪配汽的方式；沒有回熱抽汽，減少了下半抽汽口，前汽缸的結構十分簡單，接近薄壁圓筒型，使得在啟動和運行過程中，受熱均勻，膨脹穩定。
該系列汽輪機為雙壓汽輪機，中間有一部分更低壓力的飽和蒸汽，進入汽輪機，與主流蒸汽混合后，繼續做功。為了保證低壓飽和蒸汽能與主流蒸汽很好的混合，不影響機組的正常運行。也就是說為使補汽順利進入汽輪機，真正實現雙壓運行。在汽缸的設計中，除設有補汽進汽口外，在缸體上適當增加汽室空間，使補汽進入汽缸后，可迅速擴散，減少對主流蒸汽的擾動沖擊，穩定的流向后幾級，完成作功使命。
低壓缸基本借用常規電站汽輪機高一功率等級汽輪機的低壓缸。如7MW系列、9MW系列的汽輪機，用常規電站15MW等級汽輪機的后汽缸；18MW系列的汽輪機用常規電波30MW等級汽輪機的后汽缸；30MW系列的汽輪機用常規電站50MW等級汽輪機的后汽缸。
1.3.2汽輪機配汽的設計
水泥爐窯余熱發電用汽輪機為了快速啟動，而且能夠在滑壓方式下運行，要求汽輪機的配汽能夠滿足這樣的要求。常規中小汽輪機采用噴嘴配汽，這種配汽方式在空載和低負荷時只有部分進汽度，這種情況對汽機暖機不利，特別在快速啟動時尤為明顯，為此在設計配汽時，進汽部分的控制不再采用普通的噴嘴調節方式，而是采用全部噴嘴同時進汽的節流調節控制方式，汽機啟動時靠調節閥控制轉速，使發電機并網；正常運行時，調節閥全開，汽輪機處于滑壓運行狀態。此種進汽方式使汽輪機進汽部分始終處于均勻受熱狀態，這樣就能滿足在整個啟動過程，及低負荷時能夠保證汽機進汽均勻，以利于汽機快速啟動，特別在汽機利用調節汽閥自動升速啟動時。同時這也為汽機自動啟動奠定了基礎。
1.3.3主汽調節聯合汽閥的設計
主汽調節聯合汽閥布置在汽輪機頭部運轉層上。分為單主汽調節聯合汽閥和雙主汽調節聯合汽閥。單主汽調節聯合汽閥，位于汽輪機軸中心線上，雙主汽調節聯合汽閥，布置于軸中心線的兩側。汽閥用剛性座架安裝在基礎上。主汽閥分為立式與臥式兩種，調節汽閥為立式布置。兩閥閥殼鑄為一體，使結構緊湊。聯合汽閥在水平方向鑄有四個支腳，整個汽閥靠此支撐在構架上，受熱膨脹時，汽閥在構架中以其中一個腳為死點，其余三個腳可以在平面內滑動。汽閥構架是用鋼板焊接而成的，座落在汽輪機運行平臺的基礎上，用螺栓加以固定。
主汽閥為單座球形閥，閥碟的端部為半球形。啟動時，先打開預啟閥，減小閥碟前后的壓差，從而減小了閥門的提升力。閥座與閥殼采用熱壓裝配保證過盈，閥座帶有一段擴散段減少蒸汽流動損失。預啟閥開足后閥桿繼續移動帶動閥碟開啟。閥碟上方由定位塊固定，主汽閥開到位后定位塊與閥蓋配合緊密完全吻合，達到了密封的效果。閥蓋向下延伸一部分作為閥碟套筒，在閥碟開啟過程中能起到導向作用。在套筒與閥碟間又裝有平鍵以防止閥碟在汽流沖擊下旋轉。閥桿外裝有閥桿套筒和隔離套，兩個隔離套形成兩個抽汽腔室，第一段隔離套形成的抽汽腔室引出的也就是閥桿的一次漏汽，與補汽管道相連。第二段隔離套形成的抽汽腔室引出的也就是閥桿的二次漏汽，與汽封抽汽器相連。因而不會使漏汽漏入汽機房，同時又充分利用了漏汽的熱量。閥桿和閥桿套筒的表面均經過氮化以提高耐磨性。在閥碟外裝有一個蒸汽濾網，網板是用不銹鋼板卷成的圓筒，上邊鉆有若干個小孔，能防止汽流中的機械雜質進入汽輪機的通流部分。
調節汽閥有閥碟、閥座、閥桿汽封、閥套等零件。閥蓋用雙頭螺栓、罩螺母堅固在閥殼上，其閥蓋與閥殼的密封面上不放墊片，而以表面加工精度和研磨的方法來保證汽密性。閥碟與閥座的配合部分為球形截面。閥座上的配合部分為的錐體，下面帶有一個擴散段，減少了流動損失。在閥蓋上用銷子固定有一個閥套，套在閥碟外面，閥碟外圓有汽封槽。閥碟內一個預啟閥。閥碟上部空間為卸載室，設計中選用卸載直徑與閥碟配合直徑相同的結構，達到了100%卸載，減小了閥門提升力。閥座與閥殼采用熱壓裝配保證過盈。閥座與閥殼另被兩個徑向對置的圓柱銷固定，保證在運行中閥座不松動。閥桿汽封和隔離套抽汽形式及去向與主汽閥相同。
1.3.4補汽結構的設計
雙壓式汽輪機，補汽能否真正投入，是汽輪機能否實現雙壓運行的關鍵所在。在我們所設計的用于水泥爐窯低溫余發電汽輪機投運之前，國內也有過水泥窯低溫余熱發電雙壓（帶補汽）汽輪機投入運行，但補汽不能真正投入，實際都是單壓運行，沒有達到最初的設計要求，影響整個電站的出力，降低了經濟效益。
我公司在設計該類汽輪機之前，已經設計制造了用于燃氣-蒸汽聯合循環裝置的雙壓（帶補汽）汽輪機，并且運行情況良好，真正實現了雙壓運行。我們在設計制造水泥斷窯低溫余熱發電汽輪機的過程中，充分利用我們已有的成功經驗，結合該類汽輪機補汽壓力更低、飽和蒸汽及補汽量小的特殊要求，設計出了名符其實的雙壓汽輪機。
首先，我們在設計汽缸時（如前所述）加大了補汽進入的汽室空間，以使補汽進入汽缸后能夠迅速擴散，減少對主流蒸汽的沖擊，使汽流盡量均勻流動。其二，補汽為飽和蒸汽，相對濕度較大。為了防止過多的水滴進入汽機，影響主流蒸汽。在補汽進入口增加了防水滴濾網，減少了進入汽缸內的水滴。其三，由于運行的的狀況千變萬化，補汽投入時，補汽溫度與補汽口的主流蒸汽溫度，尤其是與補汽口汽缸壁溫度有較大的溫度差別。因此，補汽通過補汽口進入汽缸，將使汽缸壁溫度降低，造成上下缸溫差增加，膨脹不均勻，甚至使機組振動增大，影響機組安全、穩定運行。為避免補汽通過汽缸進汽口進入汽輪機時，使汽缸壁溫降低，設計時在補汽進汽口增加導汽管，使補汽通過導汽管直接進入汽缸，補汽不直接與進汽口汽缸壁接觸，從而保證汽缸壁溫不因補汽進入而發生較大的變化。保證補汽能順利的投入，實現雙壓運行。
1.4凝汽器的設計
水泥爐窯余熱發電用汽輪發電機組，其運行方式與常規電站汽輪發電機組相似，帶基本負荷長期運行。不需要象調峰機組頻繁啟停。但由于是用水泥爐窯窯頭窯尾余熱所產生的廢汽作工質，且廢汽的產生是連續的。但汽輪機并不能立即啟動，當鍋爐壓力、溫度達到一定值時汽輪機才能投入啟動，由于汽機結構、強度等原因汽機啟動比較慢，在冷態時更如此，由于汽機啟動時耗汽量較小，余熱鍋爐產生的蒸汽，除少部分進入汽輪機沖轉外，其余部分若不回收，將對空排放，是必造成能源浪費，同時產生很大的噪聲，不符合環保要求。因此，系統通常均設有旁路系統，回收多余蒸汽。在電站汽機熱力系統設計時一般采用在汽機主汽門前加裝一套旁路系統，通過一級減溫減壓閥，然后再通入冷凝器，由于一級減溫減壓之后蒸汽參數仍然較高，為此在設計冷凝器時在其喉部設計一個二級減溫減壓裝置，將一級減溫減壓后的蒸汽再次減溫減壓后排入冷凝器。由于有了旁路系統，汽輪機滑參數啟動更加方便可行，并使得整個電站啟動時間大大縮短。
同時考慮水泥爐窯余熱發電站運行時，汽機故障停機，而這時水泥生產線、余熱鍋爐仍然在運行，一般仍要求凝汽器能接受這部分蒸汽。從熱力角度，常規冷凝器將不滿足要求，設計的冷凝器體積較常規的要大。本機組凝汽器帶有主蒸汽第二級減溫減壓器，補汽由于壓力較低，通過管路直接拉入凝汽器。
1.5控制系統的設計
該類型汽輪機采用數字電液調節系統。DEH-NTK數字電液調節系統是我公司自主開發的一種經過實踐運行考核的成熟的電調系統，其性能指標和功能充分滿足用戶需求。其數字電子部分由一個電子控制柜及操作員站等組成，該系統設備將DEH、ETS一體化設計供貨，運轉層上汽機信號的監測控制和保護全部進入DEH系統從而實現控制、監測和保護一體化，同時控制系統參數在線可調，極大方便了運行人員。
液壓部分由伺服執行機構、保安系統、及供油系統組成。電液調節系統各執行機構均由電液轉換器及油動機組成，完成控制器的指令控制相應閥門開度；保安系統完成手動停機、機械超速及接受ETS保護電磁閥停機；供油系統包括低壓主油泵供油系統及伺服閥專用供油系統：低壓供油系統提供潤滑、保安部套及油動機動作的供油；伺服閥專用供油系統向伺服閥供油。
DEH控制系統的主要功能：自動掛閘；伺服系統表態試驗；啟動前的控制；轉速控制；負荷控制；并網帶初負荷；負荷反饋控制；一次調頻；CCS控制；負荷限制；快速減負荷；閥位控制；主汽壓控制；主汽壓力低保護；補汽控制；在線試驗；可以在工程師站進行參數修改、組態；具有完整的數據記錄、顯示及打印功能。
2．機組運行狀況
在為海螺水泥集團提供水泥爐窯低溫余熱汽輪發電機組之前，我公司已為冀東水泥廠提供了兩套用于AQC爐余熱利用的雙壓（帶補汽）凝汽式汽輪發電機組。功率為別為12MW和15MW，目前機組運行情況良好。
2005年6月我公司與海螺水泥集團簽訂了11套水泥爐窯低溫余熱發電汽輪發電機組，功率等級分別為9MW、18MW和30MW。分別用于8家水泥廠的11條生產線。2006年7月首臺海螺寧國水泥廠9MW汽輪電機組投產發電，機組出力達到并超過設計功率。至今機組運行狀況良好，發電成本顯著降低。2006年10月，海螺建德水泥廠9MW汽輪發電機組投產發電；同年11月海螺池州水泥廠首臺18MW汽輪發電機組并網發電，最高功率達19MW。今年1月底，海螺銅陵水泥廠18MW汽輪發電機組投產發電。2月底，海螺樅陽水泥廠一號機18MW汽輪發電機組又正式并網發電。后續機組正在安裝調試或在加工生產裝配中。已投運的5臺機組振動均達到優秀。機組的經濟性達到設計保證值，最大連續出力達到或超過設計值，具有良好的鸞負荷性能。經濟效益和社會效益相當可觀。
3．結束語
充分利用水泥生產過程中的廢氣余熱建設純低溫的余熱發電裝置，既可大量回收和充分利用低品質的余熱用以發電或熱電聯供，以降低水泥生產的電耗，節約能源，又可有效的減少水泥生產對環境的污染，等同于火力發電廠，還具有減少二氧化硫排放的功效，已經成為目前國內水泥工業節能降耗、改善環境狀況的有效途徑。
相對于補燃型的資源綜合利用電站而言，利用水泥窯純低溫廢氣余熱所建設的電站不配置任何燃燒設備，所以也不增加任何的煙氣、粉塵和廢渣的排放點，因此，具有更好的節能和環保效果。
由于窯頭和窯尾的廢氣溫度較低，采用純低溫余熱進行發電，對裝備和系統技術的要求較高。受水泥生產工藝流程、原料特性、主機設備選型、氣候條件等諸多因素的制約，相同規模的水泥生產線，其余熱品質和余熱量不盡相同。因此，盡管針對純低溫余熱進行回收并進行發電的理論技術基本一致，但純低溫余熱發電系統的規模和配置、系統參數、設備性能和特性則不完全相同。
我們將充分利用與海螺水泥集團合作所取得的成功經驗，在不斷總結完善現有機型的基礎上。繼續開發更多適應國內外不同水泥生產工藝流程、原料特性的多種參數、多種功率的汽輪發電機組。為水泥行業提供更多技術上具有自主知識產權的，經濟性、可靠性處于國內外水平的新設備。
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