低溫余熱發電控制系統

國核柏斯頓新能源科技（北京）有限公司 羅凱

低溫余熱發電控制系統

國核柏斯頓新能源科技（北京）有限公司 羅凱

1 低溫余熱發電技術簡介

近些年，我國經濟的高速發展是以巨大的能源消耗為代價的，據統計我國能源消費增長量占全球增長量的52%，能源消費總量達到了26.5億tce，超過世界能源消費總量的20%，是世界第二大能源消費國。

我國工業能耗占能源消耗總量的70%左右，而工業能耗的60%～65%都轉化成為載體不同、溫度不同的余熱。據保守估計，每年我國國內的低溫余熱發電設備市場需求量至少在5×106kWe左右，意味著低溫余熱發電技術有數千億元的市場。

（1）低溫余熱的定義

在工業領域，可利用的低溫余熱分為汽（煙氣、蒸汽）、水兩大部分。在眾多工業生產過程中有多種形式的余熱，在一般應用場合下，可將余熱按三個溫度范圍進行劃分：

· 低溫余熱——溫度從常溫到90℃的熱水；

· 中溫余熱——溫度在90～150℃的熱水；

· 高溫余熱——溫度在150℃以上的熱水。

（2）低溫余熱發電技術簡介

目前我國的工業生產企業，對150℃以上的中、高溫余熱利用技術已非常成熟，可用于發電或直接再利用。而對150℃以下的中溫余熱/廢熱（水、氣、汽）以及90℃以下的低溫余熱/廢熱，基本采用冷卻后直接排放到大氣中的方法。溫度在90℃以下的低溫余熱普遍存在于建材、冶金、化工和輕工等工業過程中以及人們的普遍生活中，對其實現高效回收利用具有重要意義。

把低溫余熱所具有的熱能轉換為電能，是提高能源利用效率和降低環境污染的有效途徑。其轉換方式之一，即為近年被大家所逐漸認識的采用特殊工質的有機朗肯循環（ORC）技術。通過雙螺桿膨脹機有機工質雙循環發電機組實現將低溫余熱轉化為電能的過程。

（3）低溫余熱發電系統技術原理（如圖1所示）

圖1 低溫余熱發電系統技術原理

（4）工作原理及其優勢

低溫余熱小型發電系統采用有機朗肯循環（ORC），以雙螺桿膨脹機（如圖2所示）作為動力機驅動發電機發電。雙螺桿膨脹機通過陰陽螺桿槽道中熱流體的體積膨脹，推動陰陽螺桿向相反方向旋轉，實現將熱能轉換為機械能的做功過程。

圖2 雙螺桿膨脹機

汽輪機技術（通常）與雙螺桿膨脹機技術性能比較如表1所示。

表1 汽輪機技術（通常）與雙螺桿膨脹機技術性能比較

（5） BESTON ORC低溫余熱發電機組

BESTON ORC系列低溫余熱發電機組是國核柏斯頓新能源科技（北京）有限公司與國內著名科研單位長期合作，經多年研究和實驗推出的新型節能設備，機組采用雙螺桿雙循環低溫發電技術，將工業生產環節產生的大量60℃～200℃低品位熱能 ( 水 、蒸汽、煙氣 ) 轉化為高級能源——電能，為企業余熱回收利用、節能降耗找到了一條行之有效的途徑和方法。

低溫余熱發電機組單臺發電功率5～500kW，高2000kW，噸水發電0.8～2kW·h （70℃～90℃），適用于鋼廠、油田、火電站、化工、冶金、社區供熱等不同行業的各類型生產企業，安裝簡便、投資成本較低、經濟效益較好并具有顯著的節能減排的社會效益。

2 低溫余熱發電技術的應用

（1）低溫余熱發電技術在鋼鐵行業的應用

鋼鐵廠在高爐煉鐵工藝中，產生的爐渣在沖渣箱內由沖渣泵提供的高速水流急冷沖成水渣并?；?，以供生產水泥之用。這一過程中能夠產生大量溫度在80～90℃的低溫熱水及80～100℃的沖渣蒸汽，如圖3所示。

圖3 鋼鐵廠高爐煉鐵工藝中沖渣過程產生的低溫余熱

（2）低溫余熱發電技術在石油行業的應用

對于我國大部分內陸地區的石油采油廠，除自噴采油方式外，大多數都是通過打深井到達石油開采面后，通過深井泵、螺桿泵、電潛泵、氣舉、水力活塞泵、射流泵等方式將油井的井液舉升到地面。在這個過程中水或井液被注入深井，在深井中水或井液溫度被地熱加熱提升至80℃或100℃以上，最高達到120℃左右，通過冷卻塔或自然冷卻降溫后再輸入井下循環利用。如圖4所示。

圖4 石油采油廠產生低溫余熱的過程

（3）低溫余熱發電技術在水泥行業的應用

煙氣廢熱普遍存在于目前的工業生產企業的各個環節，以水泥行業為例，如果將這部分350～400℃的高溫煙氣廢熱進行回收，將產生可觀的經濟效益。干法水泥窯爐低溫煙氣余熱回收發電系統可利用熱管技術回收水泥窯爐排放廢煙氣余熱發電，如圖5所示。

圖5 水泥行業產生低溫余熱的過程

（4）低溫余熱發電技術在小型核堆的應用

核能技術發展到第四代，出現了一種小型化、更為安全的低溫供熱堆技術。采用廢燃料棒，可產生120℃熱水或200℃的蒸汽，為整個城市供熱。但大的缺陷是，其熱能只能在冬季供暖，其它三個季節無法得到有效利用。如采用低溫余熱發電技術，這些熱能則可得到非常好的利用。其應用前景已被業主重點關注，如圖6所示。

圖6 小型核堆產生的低溫余熱

（5）太陽能低溫熱水發電技術的應用

對于10MW以內的太陽能熱力發電系統，可采用槽式太陽能有機朗肯循環發電方式，在歐美等國家，小型的社區發電非常普遍，給業主用電提供了更多的選擇。根據中國國情特別是在中國北方地區，可建立起太陽能（熱水）+儲熱系統+鍋爐（冬季采暖供熱熱水）聯動的小型發電系統。單臺設備發電功率可在5~500kW之間。如圖7所示。

圖7 太陽能低溫熱水發電技術

（6）低溫余熱發電技術在其他行業的應用

在化工廠化學反映生產過程中，其反應釜會產生大量的沸騰熱水，大量的水蒸汽被蒸發造成水資源浪費，可將低溫水、中溫水先行發電，將發電后降至60℃的熱水再行降溫。

在很多金屬冶煉過程中，其降溫工序也會產生大量的沸騰熱水，同樣是通過冷卻塔對熱水進行降溫后循環使用，通過本發電機組，可將其低溫水、中溫水先行發電，將發電后降至60℃的熱水再行降溫后循環使用，不但為企業帶來經濟效益，且有極好的社會效益。

另外，在熱電廠有大量的低溫低壓余熱蒸汽，利用這些低品位的蒸汽來發電，可大大降低用電消耗，經濟效益十分明顯。

在電力行業熱力系統中需要許多減溫減壓裝置，蒸汽從較高壓力溫度減至較低壓力溫度水平必然產生節流損失，如果利用螺桿膨脹機替代減溫減壓裝置，既能夠起到減溫減壓作用，又能夠回收這部分熱能并轉化為高品質的電能，滿足壓力溫度要求的排汽繼續回送到熱力系統中，保證系統連續運行。

（7）低溫余熱發電與其他發電方式的比較，如表2所示。

表2 低溫余熱發電與其他發電方式比較

3 上莊低溫余熱發電示范基地介紹

針對公司安裝在上莊生產基地的一套太陽能低溫余熱發電系統示范項目，我們進行了自動化控制系統的重新設計。

系統共分為：

（1）熱源：由于企業廠房內沒有現成熱源，我們首先設計了太陽能集熱器（光熱）熱源系統。受財力限制，我們無法安裝足夠的太陽能集熱器實現將常溫水直接升至90℃的目標，只實現了部分安裝，將約20噸水升至60℃，作為預升溫系統。

（2）儲熱系統：通過一個20噸的儲熱罐，將升溫后的熱水儲存起來。第一是備用，第二運行時可較好地保證熱水溫度、流量均衡。

（3）鍋爐補熱系統：通過鍋爐加熱，將60℃的水補熱升至90℃。

該控制系統的設計思想是把所有能檢測的地方全裝上傳感器，把所有能調節的地方如熱水流量、冷卻水流量、工質壓力流量全安裝上調節閥，變頻器，將設備的一舉一動全部收入眼底。

上莊太陽能熱發電系統流程圖，如圖8所示。

本次低溫余熱發電控制系統采用兩層網絡架構設計。整個系統測控點數53個，其中DI 18個，DO 12個，AI 20個，AO 3個。因控制點數較少，選用了西門子S7-200系列PLC實現本地自控需求，傳感器、執行機構均選用工業級產品?，F場控制柜配置人機操作觸摸屏，實現方便的就地控制，中控主機選用工控機，上位機軟件使用我司自主知識產權的IBS-5000F系列工業集中控制管理軟件。要求整個系統能達到無人值守、遠程監控要求。

圖8 上莊太陽能熱發電系統流程圖

低溫余熱發電控制系統控制原理如圖9所示。

圖9 低溫余熱發電控制系統控制原理圖

低溫余熱發電控制系統網絡架構如圖10所示。

圖10 低溫余熱發電控制系統網絡架構圖

4 自動控制系統調試過程中的體會

太陽能集熱器預熱、鍋爐補熱、儲熱罐儲熱維溫，其自控都是常規技術，就不在這里介紹了。主要針對低溫水閥電機組自控調試中我們的體會進行簡要的介紹。

低溫余熱發電控制系統中控主機軟件界面如圖11所示。

圖11 低溫余熱發電控制系統中控主機軟件界面

（1）通過實時監測機組運行的各項數據，自控系統生成各類參數曲線，為深入分析提供了可靠數據保障。

（2）通過對機組預熱器、蒸發器進出口熱水溫度、流量的監測，發現預熱器設計溫度過高，工質在預熱器先行蒸發，極大地影響了機組發電效率。

（3）通過對工質泵的變頻控制，工質液位跟蹤，保證了機組運行過程始終處于最佳工況狀態。

（4）發現原系統操作的一些人為不可控因素，通過自控基本實現機組的自動化運行。

調試過程中也發現了一系列問題仍待解決：

（1）原使用的逆變器并網柜經常出現并網后發電功率波動跳變的問題。

（2）后期更換為同期并網柜，但無法實現斷電下網或故障下網后二次并網自動運行，必須人為操作重新啟動。

（3）冷卻水流量測量值始終達不到水泵額定流量。水泵設計流量100噸/h，流量計監測流量只有80噸/h，更換了一個進口品牌后測出流量值只有40噸/h了（安裝位置、方法嚴格按照廠家要求），老革命遇到了新問題。

我們目前遇到的困難是缺少電力專業廠家和電力行業專家的支持，如如何實現自動并網、自動下網等。

（文章整理自羅凱在“2014工業控制系統信息安全年大型主題活動（第二站á北京）”上的大會報告）

羅凱，男，副總工程師，現就職于國核柏斯頓新能源科技（北京）有限公司。曾擔任北京軍區某彈藥庫、重慶涪陵中心醫院、北京恒基中心、甘肅婦幼保健院、廈門杏林灣營運中心、深圳T3航站樓等弱電智能化項目、樓宇自控項目的技術負責人、技術顧問等職務。目前從事新能源利用、余熱回收節能改造項目的自動化控制技術的開發、實施。包括首鋼京唐公司高爐沖渣水余熱利用項目、華北油田地熱發電項目的自動化控制系統的規劃、設計、實施等。

News [ 新聞 ]

2015年風電規模將提高能源局發文促風電并網消納

2015年4月7日，國家能源局對外發布《關于做好2015年度風電并網消納有關工作的通知》，要求各省級能源主管部門和電網企業高度重視風電有效利用，優化本地電網調度運行，挖掘系統調峰潛力，確保風電等清潔能源優先上網和全額收購。

2014年，全國風電平均棄風率8%，同比下降4個百分點，全國除新疆地區外棄風率均有不同程度的下降。但是，棄風限電問題仍是影響我國風電健康發展的主要矛盾。2015年，“三北”地區投產的風電規模會有較大幅度的提高，風電消納的形勢將非常嚴峻。

通知要求，各地要加強風電項目并網的銜接，明確風電項目接入電網的條件和要求，督促電網企業積極開展已列入年度核準計劃或國家重點規劃的跨省跨區風電基地項目的接入系統設計和建設工作，確保配套電網設施與風電項目同步建成投產，避免因電力配套設施建設滯后導致的棄風限電。

“三北”地區風能資源豐富，有效利用該地區風能資源是重要環節。通知提出，加快風能資源的就地利用，同時要注重風電基地建設，利用跨省或跨區輸電通道擴大風能資源的配置范圍。要統籌考慮風電開發規模和電網消納能力，新建風電基地項目需落實電力消納市場。與煤電基地同步規劃建設的風電基地，要最大限度利用火電機組的調峰能力，在保證電網運行安全的前提下，確保清潔能源電量在外送電量中達到較高比例。

通知還提出，目前中東部和南方地區風電并網裝機容量已接近風電總裝機容量的20%，但這些地區風電建設仍然滯后。要督促開發企業更加重視前期工作，做好風能資源評價和土地利用的協調工作；積極完善風電開發建設的技術標準，更加重視水土保持、植被恢復和環境保護等工作，避免風電開發對當地環境造成不利影響。