國(guó)核柏斯頓新能源科技（北京）有限公司 羅凱

低溫余熱發(fā)電控制系統(tǒng)

國(guó)核柏斯頓新能源科技（北京）有限公司 羅凱

1 低溫余熱發(fā)電技術(shù)簡(jiǎn)介

近些年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展是以巨大的能源消耗為代價(jià)的，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)能源消費(fèi)增長(zhǎng)量占全球增長(zhǎng)量的52%，能源消費(fèi)總量達(dá)到了26.5億tce，超過(guò)世界能源消費(fèi)總量的20%，是世界第二大能源消費(fèi)國(guó)。

我國(guó)工業(yè)能耗占能源消耗總量的70%左右，而工業(yè)能耗的60%～65%都轉(zhuǎn)化成為載體不同、溫度不同的余熱。據(jù)保守估計(jì)，每年我國(guó)國(guó)內(nèi)的低溫余熱發(fā)電設(shè)備市場(chǎng)需求量至少在5×106kWe左右，意味著低溫余熱發(fā)電技術(shù)有數(shù)千億元的市場(chǎng)。

（1）低溫余熱的定義

在工業(yè)領(lǐng)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(yè)生產(chǎn)過(guò)程中有多種形式的余熱，在一般應(yīng)用場(chǎng)合下，可將余熱按三個(gè)溫度范圍進(jìn)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(fā)電技術(shù)簡(jiǎn)介

目前我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，對(duì)150℃以上的中、高溫余熱利用技術(shù)已非常成熟，可用于發(fā)電或直接再利用。而對(duì)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(yè)過(guò)程中以及人們的普遍生活中，對(duì)其實(shí)現(xiàn)高效回收利用具有重要意義。

把低溫余熱所具有的熱能轉(zhuǎn)換為電能，是提高能源利用效率和降低環(huán)境污染的有效途徑。其轉(zhuǎn)換方式之一，即為近年被大家所逐漸認(rèn)識(shí)的采用特殊工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）技術(shù)。通過(guò)雙螺桿膨脹機(jī)有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)將低溫余熱轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。

（3）低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)原理（如圖1所示）

圖1 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)原理

（4）工作原理及其優(yōu)勢(shì)

低溫余熱小型發(fā)電系統(tǒng)采用有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC），以雙螺桿膨脹機(jī)（如圖2所示）作為動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。雙螺桿膨脹機(jī)通過(guò)陰陽(yáng)螺桿槽道中熱流體的體積膨脹，推動(dòng)陰陽(yáng)螺桿向相反方向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的做功過(guò)程。

圖2 雙螺桿膨脹機(jī)

汽輪機(jī)技術(shù)（通常）與雙螺桿膨脹機(jī)技術(shù)性能比較如表1所示。

表1 汽輪機(jī)技術(shù)（通常）與雙螺桿膨脹機(jī)技術(shù)性能比較

（5） BESTON ORC低溫余熱發(fā)電機(jī)組

BESTON ORC系列低溫余熱發(fā)電機(jī)組是國(guó)核柏斯頓新能源科技（北京）有限公司與國(guó)內(nèi)著名科研單位長(zhǎng)期合作，經(jīng)多年研究和實(shí)驗(yàn)推出的新型節(jié)能設(shè)備，機(jī)組采用雙螺桿雙循環(huán)低溫發(fā)電技術(shù)，將工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的大量60℃～200℃低品位熱能 ( 水 、蒸汽、煙氣 ) 轉(zhuǎn)化為高級(jí)能源——電能，為企業(yè)余熱回收利用、節(jié)能降耗找到了一條行之有效的途徑和方法。

低溫余熱發(fā)電機(jī)組單臺(tái)發(fā)電功率5～500kW，高2000kW，噸水發(fā)電0.8～2kW·h （70℃～90℃），適用于鋼廠、油田、火電站、化工、冶金、社區(qū)供熱等不同行業(yè)的各類(lèi)型生產(chǎn)企業(yè)，安裝簡(jiǎn)便、投資成本較低、經(jīng)濟(jì)效益較好并具有顯著的節(jié)能減排的社會(huì)效益。

2 低溫余熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

（1）低溫余熱發(fā)電技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

鋼鐵廠在高爐煉鐵工藝中，產(chǎn)生的爐渣在沖渣箱內(nèi)由沖渣泵提供的高速水流急冷沖成水渣并?；怨┥a(chǎn)水泥之用。這一過(guò)程中能夠產(chǎn)生大量溫度在80～90℃的低溫?zé)崴?0～100℃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(guò)程產(chǎn)生的低溫余熱

（2）低溫余熱發(fā)電技術(shù)在石油行業(yè)的應(yīng)用

對(duì)于我國(guó)大部分內(nèi)陸地區(qū)的石油采油廠，除自噴采油方式外，大多數(shù)都是通過(guò)打深井到達(dá)石油開(kāi)采面后，通過(guò)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(gè)過(guò)程中水或井液被注入深井，在深井中水或井液溫度被地?zé)峒訜崽嵘?0℃或100℃以上，最高達(dá)到120℃左右，通過(guò)冷卻塔或自然冷卻降溫后再輸入井下循環(huán)利用。如圖4所示。

圖4 石油采油廠產(chǎn)生低溫余熱的過(guò)程

（3）低溫余熱發(fā)電技術(shù)在水泥行業(yè)的應(yīng)用

煙氣廢熱普遍存在于目前的工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以水泥行業(yè)為例，如果將這部分350～400℃的高溫?zé)煔鈴U熱進(jìn)行回收，將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。干法水泥窯爐低溫?zé)煔庥酂峄厥瞻l(fā)電系統(tǒng)可利用熱管技術(shù)回收水泥窯爐排放廢煙氣余熱發(fā)電，如圖5所示。

圖5 水泥行業(yè)產(chǎn)生低溫余熱的過(guò)程

（4）低溫余熱發(fā)電技術(shù)在小型核堆的應(yīng)用

核能技術(shù)發(fā)展到第四代，出現(xiàn)了一種小型化、更為安全的低溫供熱堆技術(shù)。采用廢燃料棒，可產(chǎn)生120℃熱水或200℃的蒸汽，為整個(gè)城市供熱。但大的缺陷是，其熱能只能在冬季供暖，其它三個(gè)季節(jié)無(wú)法得到有效利用。如采用低溫余熱發(fā)電技術(shù)，這些熱能則可得到非常好的利用。其應(yīng)用前景已被業(yè)主重點(diǎn)關(guān)注，如圖6所示。

圖6 小型核堆產(chǎn)生的低溫余熱

（5）太陽(yáng)能低溫?zé)崴l(fā)電技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)于10MW以內(nèi)的太陽(yáng)能熱力發(fā)電系統(tǒng)，可采用槽式太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電方式，在歐美等國(guó)家，小型的社區(qū)發(fā)電非常普遍，給業(yè)主用電提供了更多的選擇。根據(jù)中國(guó)國(guó)情特別是在中國(guó)北方地區(qū)，可建立起太陽(yáng)能（熱水）+儲(chǔ)熱系統(tǒng)+鍋爐（冬季采暖供熱熱水）聯(lián)動(dòng)的小型發(fā)電系統(tǒng)。單臺(tái)設(shè)備發(fā)電功率可在5~500kW之間。如圖7所示。

圖7 太陽(yáng)能低溫?zé)崴l(fā)電技術(shù)

（6）低溫余熱發(fā)電技術(shù)在其他行業(yè)的應(yīng)用

在化工廠化學(xué)反映生產(chǎn)過(guò)程中，其反應(yīng)釜會(huì)產(chǎn)生大量的沸騰熱水，大量的水蒸汽被蒸發(fā)造成水資源浪費(fèi)，可將低溫水、中溫水先行發(fā)電，將發(fā)電后降至60℃的熱水再行降溫。

在很多金屬冶煉過(guò)程中，其降溫工序也會(huì)產(chǎn)生大量的沸騰熱水，同樣是通過(guò)冷卻塔對(duì)熱水進(jìn)行降溫后循環(huán)使用，通過(guò)本發(fā)電機(jī)組，可將其低溫水、中溫水先行發(fā)電，將發(fā)電后降至60℃的熱水再行降溫后循環(huán)使用，不但為企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，且有極好的社會(huì)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(lái)發(fā)電，可大大降低用電消耗，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

在電力行業(yè)熱力系統(tǒng)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(chǎn)生節(jié)流損失，如果利用螺桿膨脹機(jī)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(zhuǎn)化為高品質(zhì)的電能，滿足壓力溫度要求的排汽繼續(xù)回送到熱力系統(tǒng)中，保證系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。

（7）低溫余熱發(fā)電與其他發(fā)電方式的比較，如表2所示。

表2 低溫余熱發(fā)電與其他發(fā)電方式比較

3 上莊低溫余熱發(fā)電示范基地介紹

針對(duì)公司安裝在上莊生產(chǎn)基地的一套太陽(yáng)能低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)示范項(xiàng)目，我們進(jìn)行了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)共分為：

（1）熱源：由于企業(yè)廠房?jī)?nèi)沒(méi)有現(xiàn)成熱源，我們首先設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能集熱器（光熱）熱源系統(tǒng)。受財(cái)力限制，我們無(wú)法安裝足夠的太陽(yáng)能集熱器實(shí)現(xiàn)將常溫水直接升至90℃的目標(biāo)，只實(shí)現(xiàn)了部分安裝，將約20噸水升至60℃，作為預(yù)升溫系統(tǒng)。

（2）儲(chǔ)熱系統(tǒng)：通過(guò)一個(gè)20噸的儲(chǔ)熱罐，將升溫后的熱水儲(chǔ)存起來(lái)。第一是備用，第二運(yùn)行時(shí)可較好地保證熱水溫度、流量均衡。

（3）鍋爐補(bǔ)熱系統(tǒng)：通過(guò)鍋爐加熱，將60℃的水補(bǔ)熱升至90℃。

該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是把所有能檢測(cè)的地方全裝上傳感器，把所有能調(diào)節(jié)的地方如熱水流量、冷卻水流量、工質(zhì)壓力流量全安裝上調(diào)節(jié)閥，變頻器，將設(shè)備的一舉一動(dòng)全部收入眼底。

上莊太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)流程圖，如圖8所示。

本次低溫余熱發(fā)電控制系統(tǒng)采用兩層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)測(cè)控點(diǎn)數(shù)53個(gè)，其中DI 18個(gè)，DO 12個(gè)，AI 20個(gè)，AO 3個(gè)。因控制點(diǎn)數(shù)較少，選用了西門(mén)子S7-200系列PLC實(shí)現(xiàn)本地自控需求，傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)均選用工業(yè)級(jí)產(chǎn)品?，F(xiàn)場(chǎng)控制柜配置人機(jī)操作觸摸屏，實(shí)現(xiàn)方便的就地控制，中控主機(jī)選用工控機(jī)，上位機(jī)軟件使用我司自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IBS-5000F系列工業(yè)集中控制管理軟件。要求整個(gè)系統(tǒng)能達(dá)到無(wú)人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控要求。

圖8 上莊太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)流程圖

低溫余熱發(fā)電控制系統(tǒng)控制原理如圖9所示。

圖9 低溫余熱發(fā)電控制系統(tǒng)控制原理圖

低溫余熱發(fā)電控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖10所示。

圖10 低溫余熱發(fā)電控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

4 自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中的體會(huì)

太陽(yáng)能集熱器預(yù)熱、鍋爐補(bǔ)熱、儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)熱維溫，其自控都是常規(guī)技術(shù)，就不在這里介紹了。主要針對(duì)低溫水閥電機(jī)組自控調(diào)試中我們的體會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

低溫余熱發(fā)電控制系統(tǒng)中控主機(jī)軟件界面如圖11所示。

圖11 低溫余熱發(fā)電控制系統(tǒng)中控主機(jī)軟件界面

（1）通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，自控系統(tǒng)生成各類(lèi)參數(shù)曲線，為深入分析提供了可靠數(shù)據(jù)保障。

（2）通過(guò)對(duì)機(jī)組預(yù)熱器、蒸發(fā)器進(jìn)出口熱水溫度、流量的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)預(yù)熱器設(shè)計(jì)溫度過(guò)高，工質(zhì)在預(yù)熱器先行蒸發(fā)，極大地影響了機(jī)組發(fā)電效率。

（3）通過(guò)對(duì)工質(zhì)泵的變頻控制，工質(zhì)液位跟蹤，保證了機(jī)組運(yùn)行過(guò)程始終處于最佳工況狀態(tài)。

（4）發(fā)現(xiàn)原系統(tǒng)操作的一些人為不可控因素，通過(guò)自控基本實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)化運(yùn)行。

調(diào)試過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一系列問(wèn)題仍待解決：

（1）原使用的逆變器并網(wǎng)柜經(jīng)常出現(xiàn)并網(wǎng)后發(fā)電功率波動(dòng)跳變的問(wèn)題。

（2）后期更換為同期并網(wǎng)柜，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)斷電下網(wǎng)或故障下網(wǎng)后二次并網(wǎng)自動(dòng)運(yùn)行，必須人為操作重新啟動(dòng)。

（3）冷卻水流量測(cè)量值始終達(dá)不到水泵額定流量。水泵設(shè)計(jì)流量100噸/h，流量計(jì)監(jiān)測(cè)流量只有80噸/h，更換了一個(gè)進(jìn)口品牌后測(cè)出流量值只有40噸/h了（安裝位置、方法嚴(yán)格按照廠家要求），老革命遇到了新問(wèn)題。

我們目前遇到的困難是缺少電力專(zhuān)業(yè)廠家和電力行業(yè)專(zhuān)家的支持，如如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并網(wǎng)、自動(dòng)下網(wǎng)等。

（文章整理自羅凱在“2014工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全年大型主題活動(dòng)（第二站á北京）”上的大會(huì)報(bào)告）

羅凱，男，副總工程師，現(xiàn)就職于國(guó)核柏斯頓新能源科技（北京）有限公司。曾擔(dān)任北京軍區(qū)某彈藥庫(kù)、重慶涪陵中心醫(yī)院、北京恒基中心、甘肅婦幼保健院、廈門(mén)杏林灣營(yíng)運(yùn)中心、深圳T3航站樓等弱電智能化項(xiàng)目、樓宇自控項(xiàng)目的技術(shù)負(fù)責(zé)人、技術(shù)顧問(wèn)等職務(wù)。目前從事新能源利用、余熱回收節(jié)能改造項(xiàng)目的自動(dòng)化控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)、實(shí)施。包括首鋼京唐公司高爐沖渣水余熱利用項(xiàng)目、華北油田地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施等。

News [ 新聞 ]

2015年風(fēng)電規(guī)模將提高能源局發(fā)文促風(fēng)電并網(wǎng)消納

2015年4月7日，國(guó)家能源局對(duì)外發(fā)布《關(guān)于做好2015年度風(fēng)電并網(wǎng)消納有關(guān)工作的通知》，要求各省級(jí)能源主管部門(mén)和電網(wǎng)企業(yè)高度重視風(fēng)電有效利用，優(yōu)化本地電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行，挖掘系統(tǒng)調(diào)峰潛力，確保風(fēng)電等清潔能源優(yōu)先上網(wǎng)和全額收購(gòu)。

2014年，全國(guó)風(fēng)電平均棄風(fēng)率8%，同比下降4個(gè)百分點(diǎn)，全國(guó)除新疆地區(qū)外棄風(fēng)率均有不同程度的下降。但是，棄風(fēng)限電問(wèn)題仍是影響我國(guó)風(fēng)電健康發(fā)展的主要矛盾。2015年，“三北”地區(qū)投產(chǎn)的風(fēng)電規(guī)模會(huì)有較大幅度的提高，風(fēng)電消納的形勢(shì)將非常嚴(yán)峻。

通知要求，各地要加強(qiáng)風(fēng)電項(xiàng)目并網(wǎng)的銜接，明確風(fēng)電項(xiàng)目接入電網(wǎng)的條件和要求，督促電網(wǎng)企業(yè)積極開(kāi)展已列入年度核準(zhǔn)計(jì)劃或國(guó)家重點(diǎn)規(guī)劃的跨省跨區(qū)風(fēng)電基地項(xiàng)目的接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)工作，確保配套電網(wǎng)設(shè)施與風(fēng)電項(xiàng)目同步建成投產(chǎn)，避免因電力配套設(shè)施建設(shè)滯后導(dǎo)致的棄風(fēng)限電。

“三北”地區(qū)風(fēng)能資源豐富，有效利用該地區(qū)風(fēng)能資源是重要環(huán)節(jié)。通知提出，加快風(fēng)能資源的就地利用，同時(shí)要注重風(fēng)電基地建設(shè)，利用跨省或跨區(qū)輸電通道擴(kuò)大風(fēng)能資源的配置范圍。要統(tǒng)籌考慮風(fēng)電開(kāi)發(fā)規(guī)模和電網(wǎng)消納能力，新建風(fēng)電基地項(xiàng)目需落實(shí)電力消納市場(chǎng)。與煤電基地同步規(guī)劃建設(shè)的風(fēng)電基地，要最大限度利用火電機(jī)組的調(diào)峰能力，在保證電網(wǎng)運(yùn)行安全的前提下，確保清潔能源電量在外送電量中達(dá)到較高比例。

通知還提出，目前中東部和南方地區(qū)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量已接近風(fēng)電總裝機(jī)容量的20%，但這些地區(qū)風(fēng)電建設(shè)仍然滯后。要督促開(kāi)發(fā)企業(yè)更加重視前期工作，做好風(fēng)能資源評(píng)價(jià)和土地利用的協(xié)調(diào)工作；積極完善風(fēng)電開(kāi)發(fā)建設(shè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，更加重視水土保持、植被恢復(fù)和環(huán)境保護(hù)等工作，避免風(fēng)電開(kāi)發(fā)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成不利影響。