螺杆膨胀机在低温余热发电中的应用_魏文荣

1、Cement No. 9.1995.生产设备螺杆膨胀机在低温余热发电中的应用魏文荣杨明友中国建筑材料科学研究院水泥所（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，东北、华北等地就有了带余 热发电的水泥窑。发展到目前，全国共有四十多 台，装机容量超过十二万千瓦。这类水泥窑属常 规余热发电，在国内应用已较为成熟。随着水泥生产工艺技术及装备技术的发 展，我国新建了四十多条（700t/d）大、中型 SP/NSP窑水泥生产线。尽管NSP技术的岀现 使得水泥生产的单机产量成倍提髙，单位热耗 大幅度下降，但其烧成系统的排烟热损失仍占 其热耗的40%左右，又均无废气余热发电系 统。而这类窑在日本、美国一般均带有低温余热 发电装置，并出口到东幸亚地区。其发电指标一 般为30kWh/td,约占水泥生产电耗的25%, 因其节能效果非常显著，引起世界各国

3、的普遍 重视。1热力系统分析国内外的常规余热发电及SP/NSP窑低 温余热发电系统,一般均采用水一水蒸汽为工 质的。汽轮发电机组一般以冷凝式为多，也有混 压式、再热循环式及冷凝式等。国外常规的SP/ NSP窑低温余热发电系统其蒸汽动力装置如 图1所示。设定烟气帯入锅炉的热供91为100%；排 烟热损失为92,由于排烟温度高达180 200C,其约占45%；冷凝器冷却水带走的热损 15%的条件下，弥补了玄武岩单掺28d强度明 显下降的不足，使水泥3d、7d和28d强度能相 互协调，强度正常增长。4结论（l）SEM的显微分析表明，玄武岩中的玻 璃相易于被碱溶液激发7d即明显观察到生成 的水化硅酸钙

4、相。12S 1蒸汽动力装置简图A.汽包仏.过热器,C.汽轮机冷凝器池.水泵 失（冷源损失）为山，约占35%；系统管道等损 失为g约占10%15%；发电机发电对外做 功为仅占7%9%.由于机组工质参数较 高,排烟温度难以下降。对于降低排烟温度,提高低品位热能的回 收利用程度，70年代，美国加利福尼亚大学的 劳伦斯一利弗尔实验室（LLL）提出了双流发电 系统这一新的能量转换槪念。将饱和水（或汽水 两相）不经闪蒸分离，直接以两相流的形式引入 双流螺杆膨胀机作功。并设计了 3台1 OOOkW 的螺杆膨胀机试验机组,分别安装于美国犹他 州的罗斯福地热区地热发电站，墨西哥的塞罗 普里托（ERROPR1EF

5、 0）地热发电站及新西兰（2）玄武岩的火山灰性实验合格，可直接用 作水泥混合材。在掺量不超过10%fl寸,对水泥 3d、7d和28d强度影响不大。（3）玄武岩矿渣夏合水泥，在总掺議不趙过 30%,玄武岩不超过15%时，水泥各龄期的强 度能相互协调，正常增长。（编辑胡如进） 的怀拉开地热发电站并进行了试验，其内效率 达60%。英国的伦敦大学、日本的神户制钢所 等也进行了该项研究工作，国内天津大学针对 地热发电站也进行了这方面的小型模拟试验。 据此,“八五”期间我们乜将双流发电系统这一 新概念引入到SP/NSP窑低温发电课题Z中, 形成了我国水泥厂低温余热发电系统，如图2 所示。图2低溫余热双流发

6、电系统简图A.汽包;B.螺杆机分离器Q讯轮机IE.冷疑器：F.水泵在该系统中，汽包.4产生的汽水两相饱和 混合工质,进入双流嫖杆膨胀机3中膨胀做 功。然后经分离器c分离出汽水两相工质，将 蒸汽引入低参数汽轮机D中继续膨胀做功，而 热水则由水泵送回锅炉。在讨论该系统循环效率时,我们仍设定锅 炉中烟气带入的热罐°为100%,系统对外做 功为螺杆机发电功率炉1及汽轮机发电功率 卬2,冷源损失心，系统管道损失等损失乞及排 烟热损失乞。低温余热双流发电系统工质循环过程中, 进入冷凝器冷却成凝结水而造成的冷源损失, 随着工质的初始干度4的变化而变化。全蒸汽 状态时，冷源损失最小，约为37%；全水

7、状态 时,冷源损失最大（约40%）,对于SP/NSP窑 低温余热发电干度4以15%25%为宜。此 时,排烟温度降为130140C,排烟热损失从 45%降到40%左右，系统循环热效率可达 13%,扣除水泵功耗增加，实际循环效率可达 11%左右。比常规余热发电郎肯循环热效率 8%提高了约25%,系统发电能力也相应增加 T 25%左右。2螺杆膨胀机发电试验流程在本热模试验工艺流程中,燃油热风炉产 生350-500C的热烟气,引入热管锅炉产生干 度1）可调的汽水两相工质。出锅炉烟 气（140'C以下），经收尘后排入人气。锅炉产生 的汽水两相工质，计量后进入功率为5kW的螺 杆膨胀机中。发电机带

8、动一个5kW的负载（灯 炮箱）。岀螺杆机的两相工质经汽水分离器分离 后，热水返回水箱循环使用，蒸汽进入汽一水螺 旋板式换热器冷凝。水箱中的水经锅炉给水泵 又送回锅炉。板式换热器的冷却水循环使用。双流螺杆机与常规的工业汽轮机相比有如 下特点：（1）可以直接利用饱和蒸汽、湿蒸汽甚至热 水，不要求锅炉增加过热器；（2）机器本身有除垢自洁能力，因而对水 质、水处理设备要求不高（3）可使出锅炉烟气温度降至140°C以下, 而普通汽轮机配套的锅炉其排烟温度要在 200C左右。系统中加入媒杆机后，可多利用约 100'C的余热热能，效率提高了 20%25%。以 南昌水泥厂低温发电系统为例，如

9、仅采用常规 的0. 127MPa汽轮机组，发电功率为1000kW, 废气温度由400C可降至230240 Co采用双 流螺杆膨胀机及低参数汽轮机组并行发电，功 率可达1350kW,其中汽轮机为1000kW,缥杆 机为350kWe排烟温度降至130140*Co3试验结果经过实验室试验，螺町机发电功率、进口压 力及干度见附表。发电功率与进口压力关系如图3所示。螺 杆发电机组的空载特性曲线如图4所示。发电 机额定转速1500r/m,螺杆机为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媒杆膨胀机发电功率、进口压力及干度55678 _ X!0$0进口压力/PaS3进口压力与发电功率的关系5007009301100 1300 1500发电机转連/r/min7 6 5 4 3 2 I MWWS&!壬图4缥杆机空载特性曲线】装机容ft 5kW机组空载待性曲线（建材研究院试验台）$2.装机容«3kW机组空朝待性曲线（天津大学试验台）从图4中可以看出，该机组在额定转速下, 其空载功率达6.5kW而发电功率为35kW, 理论功率为10kW。发电功率与进口干度关系如图5所

11、示。00.2 0.4 0.6 0.8 .0逬口干度图S发电功率与进口干度的关系N.为发电功率曲线N。为轴功率曲线8 6 4 2 M<*泾4试验结果分析（1）从前面图4中可以看出，本试验无论是 全部用蒸汽还是全部用热水，装机容量5kW机 组其达到额定转速时须消耗6. 5kW的空载动 力，平均每升高1转需消耗1.44W,而装机容最 为3RW（天津大学试验台）则为.36W/r0空载 功率随看装机容量的增大而增大。（2）从图3中还可以看出，发电功率N.随 进口压力升高而近似直线上升。在低干度下运 行时，发电功率随压力增加达到某一定值时，增 长极为缓慢。其原因为螺杆机是容积式动力机, 其容积流量随压力升高而增大，并达到最大值。 若继续增大流量则机内产生欠膨胀现象，导致 排出口压力升高，结果单位工质熔降减少，作功 能力下降,表现为流量增大校大而功率增加较 小,并趋于稳定。（3）当总流量一定时,发电功率随进口干度 增加而增加,其原因为焙降随干度提高而增大, 做功能力也相应提高。通过低温余热双流发电热模试验，为我国 开发SP/NSP窑低温余热发电摸索出一些经 验。天津大学的螺杆膨胀机扩大试验（150kW） 也已完成。目前正着手逬行200kW及300kW 的中问工业应用研究。可以预见,这一新技术的 工业化应已为期不远。