低温余热发电控制系统

国核柏斯顿新能源科技（北京）有限公司 罗凯

低温余热发电控制系统

国核柏斯顿新能源科技（北京）有限公司 罗凯

1 低温余热发电技术简介

近些年，我国经济的高速发展是以巨大的能源消耗为代价的，据统计我国能源消费增长量占全球增长量的52%，能源消费总量达到了26.5亿tce，超过世界能源消费总量的20%，是世界第二大能源消费国。

我国工业能耗占能源消耗总量的70%左右，而工业能耗的60%～65%都转化成为载体不同、温度不同的余热。据保守估计，每年我国国内的低温余热发电设备市场需求量至少在5×106kWe左右，意味着低温余热发电技术有数千亿元的市场。

（1）低温余热的定义

在工业领域，可利用的低温余热分为汽（烟气、蒸汽）、水两大部分。在众多工业生产过程中有多种形式的余热，在一般应用场合下，可将余热按三个温度范围进行划分：

· 低温余热——温度从常温到90℃的热水；

· 中温余热——温度在90～150℃的热水；

· 高温余热——温度在150℃以上的热水。

（2）低温余热发电技术简介

目前我国的工业生产企业，对150℃以上的中、高温余热利用技术已非常成熟，可用于发电或直接再利用。而对150℃以下的中温余热/废热（水、气、汽）以及90℃以下的低温余热/废热，基本采用冷却后直接排放到大气中的方法。温度在90℃以下的低温余热普遍存在于建材、冶金、化工和轻工等工业过程中以及人们的普遍生活中，对其实现高效回收利用具有重要意义。

把低温余热所具有的热能转换为电能，是提高能源利用效率和降低环境污染的有效途径。其转换方式之一，即为近年被大家所逐渐认识的采用特殊工质的有机朗肯循环（ORC）技术。通过双螺杆膨胀机有机工质双循环发电机组实现将低温余热转化为电能的过程。

（3）低温余热发电系统技术原理（如图1所示）

图1 低温余热发电系统技术原理

（4）工作原理及其优势

低温余热小型发电系统采用有机朗肯循环（ORC），以双螺杆膨胀机（如图2所示）作为动力机驱动发电机发电。双螺杆膨胀机通过阴阳螺杆槽道中热流体的体积膨胀，推动阴阳螺杆向相反方向旋转，实现将热能转换为机械能的做功过程。

图2 双螺杆膨胀机

汽轮机技术（通常）与双螺杆膨胀机技术性能比较如表1所示。

表1 汽轮机技术（通常）与双螺杆膨胀机技术性能比较

（5） BESTON ORC低温余热发电机组

BESTON ORC系列低温余热发电机组是国核柏斯顿新能源科技（北京）有限公司与国内著名科研单位长期合作，经多年研究和实验推出的新型节能设备，机组采用双螺杆双循环低温发电技术，将工业生产环节产生的大量60℃～200℃低品位热能 ( 水 、蒸汽、烟气 ) 转化为高级能源——电能，为企业余热回收利用、节能降耗找到了一条行之有效的途径和方法。

低温余热发电机组单台发电功率5～500kW，高2000kW，吨水发电0.8～2kW·h （70℃～90℃），适用于钢厂、油田、火电站、化工、冶金、社区供热等不同行业的各类型生产企业，安装简便、投资成本较低、经济效益较好并具有显著的节能减排的社会效益。

2 低温余热发电技术的应用

（1）低温余热发电技术在钢铁行业的应用

钢铁厂在高炉炼铁工艺中，产生的炉渣在冲渣箱内由冲渣泵提供的高速水流急冷冲成水渣并粒化，以供生产水泥之用。这一过程中能够产生大量温度在80～90℃的低温热水及80～100℃的冲渣蒸汽，如图3所示。

图3 钢铁厂高炉炼铁工艺中冲渣过程产生的低温余热

（2）低温余热发电技术在石油行业的应用

对于我国大部分内陆地区的石油采油厂，除自喷采油方式外，大多数都是通过打深井到达石油开采面后，通过深井泵、螺杆泵、电潜泵、气举、水力活塞泵、射流泵等方式将油井的井液举升到地面。在这个过程中水或井液被注入深井，在深井中水或井液温度被地热加热提升至80℃或100℃以上，最高达到120℃左右，通过冷却塔或自然冷却降温后再输入井下循环利用。如图4所示。

图4 石油采油厂产生低温余热的过程

（3）低温余热发电技术在水泥行业的应用

烟气废热普遍存在于目前的工业生产企业的各个环节，以水泥行业为例，如果将这部分350～400℃的高温烟气废热进行回收，将产生可观的经济效益。干法水泥窑炉低温烟气余热回收发电系统可利用热管技术回收水泥窑炉排放废烟气余热发电，如图5所示。

图5 水泥行业产生低温余热的过程

（4）低温余热发电技术在小型核堆的应用

核能技术发展到第四代，出现了一种小型化、更为安全的低温供热堆技术。采用废燃料棒，可产生120℃热水或200℃的蒸汽，为整个城市供热。但大的缺陷是，其热能只能在冬季供暖，其它三个季节无法得到有效利用。如采用低温余热发电技术，这些热能则可得到非常好的利用。其应用前景已被业主重点关注，如图6所示。

图6 小型核堆产生的低温余热

（5）太阳能低温热水发电技术的应用

对于10MW以内的太阳能热力发电系统，可采用槽式太阳能有机朗肯循环发电方式，在欧美等国家，小型的社区发电非常普遍，给业主用电提供了更多的选择。根据中国国情特别是在中国北方地区，可建立起太阳能（热水）+储热系统+锅炉（冬季采暖供热热水）联动的小型发电系统。单台设备发电功率可在5~500kW之间。如图7所示。

图7 太阳能低温热水发电技术

（6）低温余热发电技术在其他行业的应用

在化工厂化学反映生产过程中，其反应釜会产生大量的沸腾热水，大量的水蒸汽被蒸发造成水资源浪费，可将低温水、中温水先行发电，将发电后降至60℃的热水再行降温。

在很多金属冶炼过程中，其降温工序也会产生大量的沸腾热水，同样是通过冷却塔对热水进行降温后循环使用，通过本发电机组，可将其低温水、中温水先行发电，将发电后降至60℃的热水再行降温后循环使用，不但为企业带来经济效益，且有极好的社会效益。

另外，在热电厂有大量的低温低压余热蒸汽，利用这些低品位的蒸汽来发电，可大大降低用电消耗，经济效益十分明显。

在电力行业热力系统中需要许多减温减压装置，蒸汽从较高压力温度减至较低压力温度水平必然产生节流损失，如果利用螺杆膨胀机替代减温减压装置，既能够起到减温减压作用，又能够回收这部分热能并转化为高品质的电能，满足压力温度要求的排汽继续回送到热力系统中，保证系统连续运行。

（7）低温余热发电与其他发电方式的比较，如表2所示。

表2 低温余热发电与其他发电方式比较

3 上庄低温余热发电示范基地介绍

针对公司安装在上庄生产基地的一套太阳能低温余热发电系统示范项目，我们进行了自动化控制系统的重新设计。

系统共分为：

（1）热源：由于企业厂房内没有现成热源，我们首先设计了太阳能集热器（光热）热源系统。受财力限制，我们无法安装足够的太阳能集热器实现将常温水直接升至90℃的目标，只实现了部分安装，将约20吨水升至60℃，作为预升温系统。

（2）储热系统：通过一个20吨的储热罐，将升温后的热水储存起来。第一是备用，第二运行时可较好地保证热水温度、流量均衡。

（3）锅炉补热系统：通过锅炉加热，将60℃的水补热升至90℃。

该控制系统的设计思想是把所有能检测的地方全装上传感器，把所有能调节的地方如热水流量、冷却水流量、工质压力流量全安装上调节阀，变频器，将设备的一举一动全部收入眼底。

上庄太阳能热发电系统流程图，如图8所示。

本次低温余热发电控制系统采用两层网络架构设计。整个系统测控点数53个，其中DI 18个，DO 12个，AI 20个，AO 3个。因控制点数较少，选用了西门子S7-200系列PLC实现本地自控需求，传感器、执行机构均选用工业级产品。现场控制柜配置人机操作触摸屏，实现方便的就地控制，中控主机选用工控机，上位机软件使用我司自主知识产权的IBS-5000F系列工业集中控制管理软件。要求整个系统能达到无人值守、远程监控要求。

图8 上庄太阳能热发电系统流程图

低温余热发电控制系统控制原理如图9所示。

图9 低温余热发电控制系统控制原理图

低温余热发电控制系统网络架构如图10所示。

图10 低温余热发电控制系统网络架构图

4 自动控制系统调试过程中的体会

太阳能集热器预热、锅炉补热、储热罐储热维温，其自控都是常规技术，就不在这里介绍了。主要针对低温水阀电机组自控调试中我们的体会进行简要的介绍。

低温余热发电控制系统中控主机软件界面如图11所示。

图11 低温余热发电控制系统中控主机软件界面

（1）通过实时监测机组运行的各项数据，自控系统生成各类参数曲线，为深入分析提供了可靠数据保障。

（2）通过对机组预热器、蒸发器进出口热水温度、流量的监测，发现预热器设计温度过高，工质在预热器先行蒸发，极大地影响了机组发电效率。

（3）通过对工质泵的变频控制，工质液位跟踪，保证了机组运行过程始终处于最佳工况状态。

（4）发现原系统操作的一些人为不可控因素，通过自控基本实现机组的自动化运行。

调试过程中也发现了一系列问题仍待解决：

（1）原使用的逆变器并网柜经常出现并网后发电功率波动跳变的问题。

（2）后期更换为同期并网柜，但无法实现断电下网或故障下网后二次并网自动运行，必须人为操作重新启动。

（3）冷却水流量测量值始终达不到水泵额定流量。水泵设计流量100吨/h，流量计监测流量只有80吨/h，更换了一个进口品牌后测出流量值只有40吨/h了（安装位置、方法严格按照厂家要求），老革命遇到了新问题。

我们目前遇到的困难是缺少电力专业厂家和电力行业专家的支持，如如何实现自动并网、自动下网等。

（文章整理自罗凯在“2014工业控制系统信息安全年大型主题活动（第二站á北京）”上的大会报告）

罗凯，男，副总工程师，现就职于国核柏斯顿新能源科技（北京）有限公司。曾担任北京军区某弹药库、重庆涪陵中心医院、北京恒基中心、甘肃妇幼保健院、厦门杏林湾营运中心、深圳T3航站楼等弱电智能化项目、楼宇自控项目的技术负责人、技术顾问等职务。目前从事新能源利用、余热回收节能改造项目的自动化控制技术的开发、实施。包括首钢京唐公司高炉冲渣水余热利用项目、华北油田地热发电项目的自动化控制系统的规划、设计、实施等。

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2015年风电规模将提高能源局发文促风电并网消纳

2015年4月7日，国家能源局对外发布《关于做好2015年度风电并网消纳有关工作的通知》，要求各省级能源主管部门和电网企业高度重视风电有效利用，优化本地电网调度运行，挖掘系统调峰潜力，确保风电等清洁能源优先上网和全额收购。

2014年，全国风电平均弃风率8%，同比下降4个百分点，全国除新疆地区外弃风率均有不同程度的下降。但是，弃风限电问题仍是影响我国风电健康发展的主要矛盾。2015年，“三北”地区投产的风电规模会有较大幅度的提高，风电消纳的形势将非常严峻。

通知要求，各地要加强风电项目并网的衔接，明确风电项目接入电网的条件和要求，督促电网企业积极开展已列入年度核准计划或国家重点规划的跨省跨区风电基地项目的接入系统设计和建设工作，确保配套电网设施与风电项目同步建成投产，避免因电力配套设施建设滞后导致的弃风限电。

“三北”地区风能资源丰富，有效利用该地区风能资源是重要环节。通知提出，加快风能资源的就地利用，同时要注重风电基地建设，利用跨省或跨区输电通道扩大风能资源的配置范围。要统筹考虑风电开发规模和电网消纳能力，新建风电基地项目需落实电力消纳市场。与煤电基地同步规划建设的风电基地，要最大限度利用火电机组的调峰能力，在保证电网运行安全的前提下，确保清洁能源电量在外送电量中达到较高比例。

通知还提出，目前中东部和南方地区风电并网装机容量已接近风电总装机容量的20%，但这些地区风电建设仍然滞后。要督促开发企业更加重视前期工作，做好风能资源评价和土地利用的协调工作；积极完善风电开发建设的技术标准，更加重视水土保持、植被恢复和环境保护等工作，避免风电开发对当地环境造成不利影响。