低温发电技术简介

低温发电技术简介山西易通环能科技集团有限公司2014.2.28一、山西易通环能科技集团有限公司情况简介山西易通环能科技集团有限公司系从事工业余热及地源热综合利用节能环保技术领域的产品研发、生产制造、工程承建、技术服务于一体的科技型企业；长期为高耗能企业提供相应的节能减排方案并提供相应的节能设备的生产和节能工程项目施工管理的企业。该公司主要生产的产品有：低温发电机组、双螺杆膨胀机、双螺杆空压机、矿山污水净化设备、地源热利用成套设备、高效磁力选矿系列产品等。2012年与天津大学通过科技成果转让与研发战略合作，成为国家“973”课题成果受让和延续研发示范单位；2013年10月16日，我国首台双循环全流发电机组在山西易通集团的生产车间成功下线。该机组采用国内领先、世界先进的低温发电技术，为低温余热回收利用领域开辟了新的天地，它的应用标志着我国低温热源利用率的提高，有望实现低温区余热梯级利用。低温余热发电技术是国家科技部多年立项连续支持并取得了科研成果的“973”科技项目，天津大学与易通集团合作开发出具有完全自主知识产权的天易系列化低温双循环全流发电机组。二、低温发电技术应用背景我国八大能耗企业使用的能源占工业能源使用量的70%以上，由于热能使用方式必定会带来废热的排放，因此工业余热的排放量是十分惊人的。这些废热的排放造成能源利用的极大浪费，也是造成温室效应的主要因素。目前温度低于150℃的热能无法实现发电利用，在无直接热利用的条件下，基本排放到大气中，造成极大的能源浪费和环境污染，这种工业余热的总量是非常巨大的。如钢铁冶金行业、热电行业、煤炭行业、石油炼化行业、化工行业、建材加工行业、食品加工行业等（图1）都有工艺循环冷却水、烟气、乏蒸汽等低品味能源排放。我国单位产值能耗比世界平均水平高2.4倍，能源利用效率比国际先进水平低10个百分点，回收工业余热可减少工业能源消耗和温室气体的排放，具有巨大的节能潜力。钢铁行业冶金行业煤炭行业石化行业建材行业干燥行业油田行业化工行业图1各工业余热排放图为充分利用大规模工业过程中的余热，将其转化为高品质的机械能、电能等，本项研究设计开发出了低温有机工质朗肯循环发电系统，用于回收和转化工业过程中的大量余热资源，并转化为高品位的电能，供运行设备再利用，同时将原余热进一步降低能级后再排出系统，使过程能量的优化利用达到新的水平。三、低温余热发电技术原理有机朗肯循环发电是利用液态有机工质低沸点蒸发的热物理性质，经蒸发器与低温热源换热，蒸发为饱和或者过热蒸汽，推动膨胀机做功，将携带的低品位热能转化为机械能，由发电机进一步转化为电能。膨胀后的乏汽进入冷凝器冷凝为饱和液体，经工质循环泵加压进入蒸发器，完成循环，流程如图2所示，除有机工质循环之外，还有低温热源载体的循环和冷却系统的循环。图3的T-S以及P-V图中eccba为理想的循环过程，可以理想化为两个等压过程（定压蒸发过程aedc和定压冷凝过程cb）和两个等熵过程（等熵膨胀过程ba和等熵压缩过程cc）。图中，aedccba的面积代表了发电量；而aedc表示蒸发器中有机工质的吸热量；cc是工质循环泵对工质液体的等熵压缩过程。热水供水热水回水蒸发器工质循环泵冷凝器膨胀机冷却水供水冷却水回水abcde发电机图2低温有机工质双循环发电流程图图3朗肯循环图（a:P-V图；b:T-S图）低温有机工质双循环发电系统与单循环系统相比具有两方面优越性：第一，作为换热介质的有机工质在一个封闭的回路里循环工作，只要设备的密封性良好，有机工质的质量不会发生变化；第二，有机工质的种类很多，不同工质都有其最适宜发电的工况，因此双循环系统可以根据不同的工况采用最适合的工质发电，灵活性比较强。四、低温余热发电机组主要设备简介1)换热器低温余热发电机组的换热器包括三个部分：预热器、蒸发器、冷凝器。预热器与蒸发器是机组的取热设备，负责将能量从余热流体中吸收出来。取热技术是余热利用发电的第一步，只有确定出理想的取热方式和相应的换热器形式，才可以完成后续的发电过程。针对低温发电换热特点，设计了“壳管式预热器+满液式蒸发器”的组合式蒸发器，利用壳管式换热器为过冷液体提供较大换热流程，以满足较大温升；利用满液式蒸发器高效的沸腾换热和储液量大，稳定的提供有机工质的饱和蒸汽。在组合式蒸发器中，预热器将过冷液体加热到接近饱和，而蒸发器出口的工质气体过热度在1℃左右。而冷凝器是发电机组的散热设备，在有机朗肯循环的实现过程中，冷凝器至关重要，良好的散热效果，可以降低冷凝温度，提高发电效率。可以根据不同的实际情况选用不同的冷凝器：蒸发式冷凝器。管壳式冷凝器、风冷式冷凝器。换热技术的主要技术特点是：加大低温余热的取热温差，以便能够更大量地利用低温余热，目前的单级换热取热温差可达到20℃以上，如管壳式换热器。降低流体间的换热温差，以使发电温度尽可能提高，并以提高换热设备的热效率。目前的换热技术可使流体间的换热温差最小可达到1℃，如板式换热器和热管式换热器。管壳式换热器板式换热器热管式换热器图4各种换热器目前的换热器（各种换热器图如图4所示）很难兼顾上述两种优良的品质，同时工业余热的形态复杂，余热流体中的成分复杂，内含酸性物质和颗粒物质是常见的。因此取热用换热器需要你根据实际情况采用不同的材质和形式以解决换热设备的防酸问题和防堵问题。2)螺杆膨胀机余热发电机组采用汽液全流双螺杆膨胀机作为系统的机械动力输出设备，螺杆膨胀机是一种依据容积变化原理工作的双轴回转式螺杆机械。它的结构与螺杆压缩机基本相同，主要由一对螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件以及联轴节等零件组成，结构简单，其气缸呈两圆相交的“∞”字形，两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋形阴、阳转子平行地置于气缸中。其工作过程如下图：图5螺杆膨胀机的工作过程它具有结构简单运行平稳、易维护、经久耐用等特点，是目前唯一能适应汽、水两相介质的动力机。与汽轮机相比，他不需要对工质的过热度进行严格控制，拓宽了发电机组的适用领域。目前天津大学与易通集团正全力开发更加高效的螺杆膨胀机，从其机体的形式和螺杆的线型入手，新一代的螺杆膨胀机必将会对整个发电机组性能的提升和发电效率的提高产生巨大的提升。3)上网控制系统控制系统：含机组控制设备和发电上网电气两部分组成。机组控制可实现无人值守，并实时采集和记录发电机组的运行数据；并网方式采用国内先进的自动准同期并网技术，实现自动并网和下网，可实现变负荷状态的并网和挂网技术，达到高效、节能、稳定生产、优化控制的目的，并最大程度地减少操作岗位定员，以降低成本。并网送电后，电能直接输入企业的电网，驱动各种用电器，并网不会对电网的供电品质带来任何影响。机组的自动保护控制系统，会在机组遇到突发情况下，迅速切断发电机与电网的连接，并且降低螺杆机和发电机的转速，确保电网和发电机的安全。五、低温余热发电技术研究进展1992天津大学承担国家“八五”攻关计划完成单循环全流发电机组（见图6），已经投入使用，主要用于150℃以上的余热发电，最大机组已经达到500kW左右；目前国内企业的低温发电机组的最低发电温度一般在120℃以上。如江西华电、开山集团等。美国UTC联合技术公司最早开发实现工业级机组技术，最低发电温度为80℃，使用涡旋式动力膨胀机，发电功率260kW（如图7所示）；法国目前尚在实验室研发过程中，最低发电温度为80℃，使用双螺杆式动力膨胀机，发电功率50kW（如图8所示）。图6项目试验机组图7美国发电机组图8法国发电机组2009年天津大学承担国家“九七三”计划研究的双循环全流发电技术，主要用于60~90℃的自然能、工业余热能实施发电。适用于工业冷却水、工业排放蒸汽等余热资源。图9为本项目10千瓦低温热水发电机组检测运行照片。图910千瓦低温热水发电机组检测运行图本技术及产品主要的技术特点为：实现60℃以上的低温余热发电，这是目前环境温度下，国内外最低的发电温度；较好实现能源的梯级利用，提高一次能源利用率，具有明显的节能效果。可回收各种形态的工业余热，使排放温度极大地降低；回收余热发电后可降低环境排放废热量和温度，环境效益明显。利用余热生产工业电力，节省等量的生产用电；系统构造简单、可实现自动并网及下网，适合热量和温度波动的发电生产过程；建设及运行方便、运行费用较低。余热产生发电效益，变废热为资源，是可持续发展的生产模式，发展前景广阔。本系统与国内外同类系统相比，有以下优势：采用有机工质饱和蒸汽膨胀：采用双螺杆膨胀机代替传统的汽轮机，膨胀效率高，适用于各种相态的流体；新型的发电工质TD-2#:完成了55-65℃低温热源发电运行测试，能更有效的利用工业余热；新型发电机组的设计:利用天津大学所设计的组合式蒸发器，可稳定的产生有机工质饱和蒸汽，使系统运行更加稳定、可靠。简易的机组结构设计：机组采用了内润滑技术，是设备的自耗电量减少，结构形式简单，运行管理简单，维修方便。对比以上技术特征可见，本项目的技术水平在国际上是先进的，不低于国际现有的发展水平。在国内是领先的，产品的优秀性能将填补国内的空白。2012八月份天津大学与山西易通环能科技集团有限公司合作至今，不断优化低温余热发电机组，使其更加适应工业应用，目前低温发电装备的单机容量已经达到300kWh。六、低温余热发电技术的应用领域能源领域中的生产工艺一般都伴随着工业余热的产生，而我国八大能源行业的能源消耗量占我国工业能耗的70%以上。本项技术将为工业余热提供相应的发电装备。目前低温发电装备的单机容量已经达到300kWh。图10300kWh低温发电机组以下的案例可以显示出余热问题的严重性及本项技术的适用性。高炉工艺余热所属行业领域：冶金行业主要余热形式：高炉冲渣水及其冲渣水蒸发出的乏蒸汽余热的温度及流量：冲渣水70-90℃，流量1000-1500t/h；乏蒸汽90℃以上，流量50-80t/h余热的去处：排放大气产生的效应与后果：热能损失、水量损失、热岛效应、温室效应、资源浪费、环境污染高炉数量：约计1000座以上低温发电量及效果：产生2-3MWh工业电力回用，投资回收期2-4年；节能减排湿析焦工艺余热所属行业领域：焦炭行业主要余热形式：冲焦水及其冲焦水蒸发出的乏蒸汽余热的温度及流量：冲焦水70-80℃，流量700-1000t/h；乏蒸汽90℃以上，流量40-50t/d余热的去处：排放大气产生的效应与后果：热能损失、水量损失、热岛效应、温室效应、资源浪费、环境污染炼焦炉数量：不详低温发电量及效果：产生0.5-1.0MWh工业电力回用，投资回收期2-4年；节能减排干洗焦工艺余热所属行业领域：焦炭行业主要余热形式：余热锅炉排放烟气余热的温度及流量：150℃，流量1-10万立方/时余热的去处：排放大气产生的效应与后果：热能损失、热岛效应、温室效应、资源浪费、环境污染炼焦炉数量：不详低温发电量及效果：产生0.3-0.5MWh工业电力回用，投资回收期2-4年；节能减排工业窑炉工艺余热所属行业领域：建材行业主要余热形式：窑炉排放烟气余热的温度及流量：650-150℃，流量2-10万立方/时余热的去处：排放大气产生的效应与后果：热能损失、热岛效应、温室效应、资源浪费、环境污染工业窑炉数量：10000个低温发电量及效果：产生0.1-1.0MWh工业电力回用，投资回收期2-4年；节能减排冶炼炉工艺余热所属行业领域：冶金行业主要余热形式：排放烟气余热的温度及流量：150-80℃，流量15-20万立方/时余热的去处：排放大气产生的效应与后果：热能损失、热岛效应、温室效应、资源浪费、环境污染冶炼炉数量：5000个低温发电量及效果：产生0.5-1.0MWh工业电力回用，投资回收期2-4年；节能减排燃煤发电工艺余热所属行业领域：电力行业主要余热形式：锅炉排污蒸汽、排放烟气余热的温度及流量：排污蒸汽温度135℃，约计流量2t/h（100吨锅炉）；烟气温度150-100℃，流量6-8万立方/时余热的去处：排放大气产生的效应与后果：热能损失、水量损失、热岛效应