水泥炉窑余热发电汽轮机设计技术
南京汽轮电机（集团）有限责任公司 寇磊
南京汽轮电机（集团）有限责任公司建厂50年来，一直致力于电站汽轮机的设计制造。企业不断紧跟经济的发展，市场的需求。开发不同类型的产品，迄今为止，已设计制造各类汽轮机100多个品种，派生产品400多种。进入二十一世纪，集团公司领导更是着眼于发展，着眼于未来，非常正确的选择与北京全四维动力科技有限公司合作，共同研制开发具有世界先进水平的各类型电站汽轮机。在研制开发过程中，吸取总结了我国在叶轮机械气动热力学取得的科研成果，在已成功应用于我国汽轮机行业老产品改造、新产品开发的全三维技术基础上，努力开拓进取，不断技术创新，开发出更为先进具有当代国际水平的准四维/全四维技术，并把这一顶尖技术进一步应用于汽轮机老产品改造和新产品的开发。集团公司落实科学发展观，本着建设资源节约型社会宗旨，组织开发了多种余热利用发电设备，其中水泥生产线余热发电用汽轮机是近几年重点开发的，具有国内先进水平的产品。
目前国内先进的水泥生产线，仍然有大量350℃以下的低温余热不能完全利用，回收水泥生产过程中的低温余热，用来发电，可有效减少水泥生产过程中的能源消耗，同时降低了废气排放的温度，有效的减轻水泥生产对环境的热污染，具有显著的节能和环保意义，符合循环经济和可持续发展的战略方针，有很大的推广价值和应用前景，南汽轮集团研制开发的这种技术先进的汽轮机，已和各水泥企业签定了30多台套合同，其中海螺集团占了绝大多数。引起水泥行业和汽轮机行业的普遍关注。
1．水泥窑低温余热汽轮机主要设计技术特点
南汽轮集团与北京全四维动力科技有限公司共同研制开发的用于水泥生产线低温余热利用汽轮机，皆为双压（带一级补汽）、单缸、冲动凝汽式汽轮机。
1.1汽轮机主要技术规范
7MW系列 9MW系列 18MW系列 30MW系列
额定功率MW 7.5 9 18 30
功率等级范围MW 6～12 8～12 17～24 25～32
额定主蒸汽压力MPa.a 1.05 0.689 0.689 0.689
主蒸汽温度℃ 320 317 315～330 312～330
主汽压力范围MPa.a 0.981～1.27
补汽压力 0.12～0.25 0.12～0.137 0.11～0.14 0.12～0.14
补汽流量t/h 1～5 1～6 1～6 3～11
给水温度℃ 35～45 35～45 35～45 35～45
汽耗kg/kW.h 5.68 5.61 5.6 5.58
热耗kJ/kW.h 16285 16845 16075 16458
汽轮机级数 11 9 9 10
末级叶片叶片长度mm 300 330 485 665
汽轮机本体重量t ～46.5 ～45 ～61 92
配汽方式 节流调节 节流调节 节流调节 节流调节
回热系统 无 无 无 无
1.2通流部分设计技术特点
水泥窑低温余热汽轮机通流部分的设计，在技术方面最突出的特点是采用当代更为先进的、在成熟的全三维技术基础上开发的、具有当代国际水平的准四维/全四维技术，对通流部分及主汽阀、调节阀、汽缸等各部分主蒸汽流经的部位进行全面系统设计，达到节约能源、降低消耗、提高经济性和增加出力（在同等主蒸汽流量下）的目的。
（1） 采用先进的非数值优化方法（遗传算法）与常规的数值优化方法相结合，针对不同工作条件下的叶片型线进行优化设计。使得叶片型线损失很小；叶片前缘设计使得叶片对来流攻角变化不敏感；较薄的叶片尾缘减小了叶片的尾迹损失；较大的叶片最大厚度增强了叶片的刚性。
（2） 末几级采用弯扭联合成型静叶栅。改变静叶栅内部的流场，减小叶片损失，从而大幅度提高汽轮机的级效率。
（3） 通流部分子午面光顾。光滑顺畅的子午面型线可以减小因子午面形状突变而带来的额外损失。
（4） 动叶自带围带整圈联接。通过预扭装配使动叶片形成整圈联接，可以使动叶片振动应力减小，不存在铆接造成的应力集中，运行安全可靠。
（5） 采用新一代梳齿式汽封。经过多年实验研究，及国内外机组实际运行经验表明，梳齿式汽封是密封效果最好的结构形式。梳齿式汽封以其特有的扰流作用，最大限度的减小漏汽，尤其是在冲动式汽轮机。
（6） 全部采用焊接隔板。焊接隔板刚性好，强度大，能够保证静叶内汽道形状准确，光洁度高。
1.3汽轮机结构设计技术特点
南汽轮集团设计制造的水泥炉窑低温余热利用系列汽轮机，为低压、单缸、冲动、带一级补汽（双压）凝汽式汽轮机。其基本结构如上图所示。
汽轮机采用节流调节，无调节级。汽轮机转子根据进汽参数和功率的不同分别由9、10、11个压力级组成。采用组合套装结构。
汽缸前端借助于“猫爪”与前轴承座相连，在垂直方向设有定位左右膨胀的垂直键，以保证轴承座在膨胀时中心不致变动。前轴承座坐于前座架上，前座架上装有热膨胀传感器，以反映汽轮机静子部分的热膨胀。后汽缸则支承在左右两侧的后座架上，在左右后座架与后缸连接面上设有横销，与汽轮机轴中心线的交点构成汽缸热膨胀的死点。
前轴承座内装有测速机构，主油泵，危急遮断装置，轴向位移传感器，径向及推力联合轴承。后轴承座与后汽缸一体，装有汽轮机后轴承和发电机前轴承。30MW系列仅装有汽轮机后轴承。后轴承盖上装有汽轮机盘车装置。盘车装置由电动机驱动，通过蜗轮蜗杆副及齿轮减速达到所需要的盘车速度。当转子的转速高于盘车速度时，盘车装置能自动退出工作位置。在无电源的情况下，在盘车电动机的后轴伸装有手轮，可以进行手动盘车。
水泥炉窑余热锅炉产生的低压蒸汽经电动隔离阀进入位于汽轮机前部的一个或者两个主汽调节联合汽阀，通过主蒸汽管路，由前汽缸下部进入前汽缸蒸汽室，经若干级作功后，与补汽混合，再经后几级压力级作功后排入凝汽器凝结成水，借助于凝结水泵打出，经汽封加热器及除氧器后，再重新进入余热锅炉。
1.3.1汽缸的设计
该系列汽轮机的汽缸，根据功率的不同，分为两种组合形式：汽缸前部（前汽缸）和排汽缸（后汽缸）两段组成；汽缸前部（前汽缸）、汽缸中部（中汽缸）和排汽缸（后汽缸）三段组成。各部分之间采用垂直中分面和螺栓联接。汽缸分为上下两半，前后分别装有汽封，以保证蒸汽不外泄漏。前汽缸在下半前端有支承猫爪与前轴承座联接，前汽缸前猫爪采用下猫爪中分面支承方式，消除了机组运行中汽缸中心抬高问题。
前缸内铸有蒸汽室，蒸汽室为全周进汽，下部有两个进汽口与主蒸汽管道焊接联接到主汽调节联合汽阀。由于采用节流调节，改变了常规电站中、小机组群阀控制或凸轮配汽的方式；没有回热抽汽，减少了下半抽汽口，前汽缸的结构十分简单，接近薄壁圆筒型，使得在启动和运行过程中，受热均匀，膨胀稳定。
该系列汽轮机为双压汽轮机，中间有一部分更低压力的饱和蒸汽，进入汽轮机，与主流蒸汽混合后，继续做功。为了保证低压饱和蒸汽能与主流蒸汽很好的混合，不影响机组的正常运行。也就是说为使补汽顺利进入汽轮机，真正实现双压运行。在汽缸的设计中，除设有补汽进汽口外，在缸体上适当增加汽室空间，使补汽进入汽缸后，可迅速扩散，减少对主流蒸汽的扰动冲击，稳定的流向后几级，完成作功使命。
低压缸基本借用常规电站汽轮机高一功率等级汽轮机的低压缸。如7MW系列、9MW系列的汽轮机，用常规电站15MW等级汽轮机的后汽缸；18MW系列的汽轮机用常规电波30MW等级汽轮机的后汽缸；30MW系列的汽轮机用常规电站50MW等级汽轮机的后汽缸。
1.3.2汽轮机配汽的设计
水泥炉窑余热发电用汽轮机为了快速启动，而且能够在滑压方式下运行，要求汽轮机的配汽能够满足这样的要求。常规中小汽轮机采用喷嘴配汽，这种配汽方式在空载和低负荷时只有部分进汽度，这种情况对汽机暖机不利，特别在快速启动时尤为明显，为此在设计配汽时，进汽部分的控制不再采用普通的喷嘴调节方式，而是采用全部喷嘴同时进汽的节流调节控制方式，汽机启动时靠调节阀控制转速，使发电机并网；正常运行时，调节阀全开，汽轮机处于滑压运行状态。此种进汽方式使汽轮机进汽部分始终处于均匀受热状态，这样就能满足在整个启动过程，及低负荷时能够保证汽机进汽均匀，以利于汽机快速启动，特别在汽机利用调节汽阀自动升速启动时。同时这也为汽机自动启动奠定了基础。
1.3.3主汽调节联合汽阀的设计
主汽调节联合汽阀布置在汽轮机头部运转层上。分为单主汽调节联合汽阀和双主汽调节联合汽阀。单主汽调节联合汽阀，位于汽轮机轴中心线上，双主汽调节联合汽阀，布置于轴中心线的两侧。汽阀用刚性座架安装在基础上。主汽阀分为立式与卧式两种，调节汽阀为立式布置。两阀阀壳铸为一体，使结构紧凑。联合汽阀在水平方向铸有四个支脚，整个汽阀靠此支撑在构架上，受热膨胀时，汽阀在构架中以其中一个脚为死点，其余三个脚可以在平面内滑动。汽阀构架是用钢板焊接而成的，座落在汽轮机运行平台的基础上，用螺栓加以固定。
主汽阀为单座球形阀，阀碟的端部为半球形。启动时，先打开预启阀，减小阀碟前后的压差，从而减小了阀门的提升力。阀座与阀壳采用热压装配保证过盈，阀座带有一段扩散段减少蒸汽流动损失。预启阀开足后阀杆继续移动带动阀碟开启。阀碟上方由定位块固定，主汽阀开到位后定位块与阀盖配合紧密完全吻合，达到了密封的效果。阀盖向下延伸一部分作为阀碟套筒，在阀碟开启过程中能起到导向作用。在套筒与阀碟间又装有平键以防止阀碟在汽流冲击下旋转。阀杆外装有阀杆套筒和隔离套，两个隔离套形成两个抽汽腔室，第一段隔离套形成的抽汽腔室引出的也就是阀杆的一次漏汽，与补汽管道相连。第二段隔离套形成的抽汽腔室引出的也就是阀杆的二次漏汽，与汽封抽汽器相连。因而不会使漏汽漏入汽机房，同时又充分利用了漏汽的热量。阀杆和阀杆套筒的表面均经过氮化以提高耐磨性。在阀碟外装有一个蒸汽滤网，网板是用不锈钢板卷成的圆筒，上边钻有若干个小孔，能防止汽流中的机械杂质进入汽轮机的通流部分。
调节汽阀有阀碟、阀座、阀杆汽封、阀套等零件。阀盖用双头螺栓、罩螺母坚固在阀壳上，其阀盖与阀壳的密封面上不放垫片，而以表面加工精度和研磨的方法来保证汽密性。阀碟与阀座的配合部分为球形截面。阀座上的配合部分为的锥体，下面带有一个扩散段，减少了流动损失。在阀盖上用销子固定有一个阀套，套在阀碟外面，阀碟外圆有汽封槽。阀碟内一个预启阀。阀碟上部空间为卸载室，设计中选用卸载直径与阀碟配合直径相同的结构，达到了100%卸载，减小了阀门提升力。阀座与阀壳采用热压装配保证过盈。阀座与阀壳另被两个径向对置的圆柱销固定，保证在运行中阀座不松动。阀杆汽封和隔离套抽汽形式及去向与主汽阀相同。
1.3.4补汽结构的设计
双压式汽轮机，补汽能否真正投入，是汽轮机能否实现双压运行的关键所在。在我们所设计的用于水泥炉窑低温余发电汽轮机投运之前，国内也有过水泥窑低温余热发电双压（带补汽）汽轮机投入运行，但补汽不能真正投入，实际都是单压运行，没有达到最初的设计要求，影响整个电站的出力，降低了经济效益。
我公司在设计该类汽轮机之前，已经设计制造了用于燃气-蒸汽联合循环装置的双压（带补汽）汽轮机，并且运行情况良好，真正实现了双压运行。我们在设计制造水泥断窑低温余热发电汽轮机的过程中，充分利用我们已有的成功经验，结合该类汽轮机补汽压力更低、饱和蒸汽及补汽量小的特殊要求，设计出了名符其实的双压汽轮机。
首先，我们在设计汽缸时（如前所述）加大了补汽进入的汽室空间，以使补汽进入汽缸后能够迅速扩散，减少对主流蒸汽的冲击，使汽流尽量均匀流动。其二，补汽为饱和蒸汽，相对湿度较大。为了防止过多的水滴进入汽机，影响主流蒸汽。在补汽进入口增加了防水滴滤网，减少了进入汽缸内的水滴。其三，由于运行的的状况千变万化，补汽投入时，补汽温度与补汽口的主流蒸汽温度，尤其是与补汽口汽缸壁温度有较大的温度差别。因此，补汽通过补汽口进入汽缸，将使汽缸壁温度降低，造成上下缸温差增加，膨胀不均匀，甚至使机组振动增大，影响机组安全、稳定运行。为避免补汽通过汽缸进汽口进入汽轮机时，使汽缸壁温降低，设计时在补汽进汽口增加导汽管，使补汽通过导汽管直接进入汽缸，补汽不直接与进汽口汽缸壁接触，从而保证汽缸壁温不因补汽进入而发生较大的变化。保证补汽能顺利的投入，实现双压运行。
1.4凝汽器的设计
水泥炉窑余热发电用汽轮发电机组，其运行方式与常规电站汽轮发电机组相似，带基本负荷长期运行。不需要象调峰机组频繁启停。但由于是用水泥炉窑窑头窑尾余热所产生的废汽作工质，且废汽的产生是连续的。但汽轮机并不能立即启动，当锅炉压力、温度达到一定值时汽轮机才能投入启动，由于汽机结构、强度等原因汽机启动比较慢，在冷态时更如此，由于汽机启动时耗汽量较小，余热锅炉产生的蒸汽，除少部分进入汽轮机冲转外，其余部分若不回收，将对空排放，是必造成能源浪费，同时产生很大的噪声，不符合环保要求。因此，系统通常均设有旁路系统，回收多余蒸汽。在电站汽机热力系统设计时一般采用在汽机主汽门前加装一套旁路系统，通过一级减温减压阀，然后再通入冷凝器，由于一级减温减压之后蒸汽参数仍然较高，为此在设计冷凝器时在其喉部设计一个二级减温减压装置，将一级减温减压后的蒸汽再次减温减压后排入冷凝器。由于有了旁路系统，汽轮机滑参数启动更加方便可行，并使得整个电站启动时间大大缩短。
同时考虑水泥炉窑余热发电站运行时，汽机故障停机，而这时水泥生产线、余热锅炉仍然在运行，一般仍要求凝汽器能接受这部分蒸汽。从热力角度，常规冷凝器将不满足要求，设计的冷凝器体积较常规的要大。本机组凝汽器带有主蒸汽第二级减温减压器，补汽由于压力较低，通过管路直接拉入凝汽器。
1.5控制系统的设计
该类型汽轮机采用数字电液调节系统。DEH-NTK数字电液调节系统是我公司自主开发的一种经过实践运行考核的成熟的电调系统，其性能指标和功能充分满足用户需求。其数字电子部分由一个电子控制柜及操作员站等组成，该系统设备将DEH、ETS一体化设计供货，运转层上汽机信号的监测控制和保护全部进入DEH系统从而实现控制、监测和保护一体化，同时控制系统参数在线可调，极大方便了运行人员。
液压部分由伺服执行机构、保安系统、及供油系统组成。电液调节系统各执行机构均由电液转换器及油动机组成，完成控制器的指令控制相应阀门开度；保安系统完成手动停机、机械超速及接受ETS保护电磁阀停机；供油系统包括低压主油泵供油系统及伺服阀专用供油系统：低压供油系统提供润滑、保安部套及油动机动作的供油；伺服阀专用供油系统向伺服阀供油。
DEH控制系统的主要功能：自动挂闸；伺服系统表态试验；启动前的控制；转速控制；负荷控制；并网带初负荷；负荷反馈控制；一次调频；CCS控制；负荷限制；快速减负荷；阀位控制；主汽压控制；主汽压力低保护；补汽控制；在线试验；可以在工程师站进行参数修改、组态；具有完整的数据记录、显示及打印功能。
2．机组运行状况
在为海螺水泥集团提供水泥炉窑低温余热汽轮发电机组之前，我公司已为冀东水泥厂提供了两套用于AQC炉余热利用的双压（带补汽）凝汽式汽轮发电机组。功率为别为12MW和15MW，目前机组运行情况良好。
2005年6月我公司与海螺水泥集团签订了11套水泥炉窑低温余热发电汽轮发电机组，功率等级分别为9MW、18MW和30MW。分别用于8家水泥厂的11条生产线。2006年7月首台海螺宁国水泥厂9MW汽轮电机组投产发电，机组出力达到并超过设计功率。至今机组运行状况良好，发电成本显著降低。2006年10月，海螺建德水泥厂9MW汽轮发电机组投产发电；同年11月海螺池州水泥厂首台18MW汽轮发电机组并网发电，最高功率达19MW。今年1月底，海螺铜陵水泥厂18MW汽轮发电机组投产发电。2月底，海螺枞阳水泥厂一号机18MW汽轮发电机组又正式并网发电。后续机组正在安装调试或在加工生产装配中。已投运的5台机组振动均达到优秀。机组的经济性达到设计保证值，最大连续出力达到或超过设计值，具有良好的鸾负荷性能。经济效益和社会效益相当可观。
3．结束语
充分利用水泥生产过程中的废气余热建设纯低温的余热发电装置，既可大量回收和充分利用低品质的余热用以发电或热电联供，以降低水泥生产的电耗，节约能源，又可有效的减少水泥生产对环境的污染，等同于火力发电厂，还具有减少二氧化硫排放的功效，已经成为目前国内水泥工业节能降耗、改善环境状况的有效途径。
相对于补燃型的资源综合利用电站而言，利用水泥窑纯低温废气余热所建设的电站不配置任何燃烧设备，所以也不增加任何的烟气、粉尘和废渣的排放点，因此，具有更好的节能和环保效果。
由于窑头和窑尾的废气温度较低，采用纯低温余热进行发电，对装备和系统技术的要求较高。受水泥生产工艺流程、原料特性、主机设备选型、气候条件等诸多因素的制约，相同规模的水泥生产线，其余热品质和余热量不尽相同。因此，尽管针对纯低温余热进行回收并进行发电的理论技术基本一致，但纯低温余热发电系统的规模和配置、系统参数、设备性能和特性则不完全相同。
我们将充分利用与海螺水泥集团合作所取得的成功经验，在不断总结完善现有机型的基础上。继续开发更多适应国内外不同水泥生产工艺流程、原料特性的多种参数、多种功率的汽轮发电机组。为水泥行业提供更多技术上具有自主知识产权的，经济性、可靠性处于国内外水平的新设备。
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