[基于卡琳娜循环的电站模拟机]可行性报告

附件1-2

2008年度上海市重大技术装备研制专项

（电厂余热发电电站仿真系统研制）

项 目 计 划 书

（上海工业自动化仪表研究院）

二〇一一年五月九日

目 录

一、项目的基本情况

1、项目背景与必要性

2、国内外市场分析

3、国内外相关技术现状与发展趋势

二、项目主要开发内容

1、总体目标和主要内容

2、项目依托工程情况

3、主要技术性能指标

4、关键核心技术

5、技术水平和自主知识产权情况

三、项目实施的现有基础

1、项目承担单位及合作单位概况

2、已有技术开发力量与条件

3、已有技术成果

4、项目组织机构和人员安排

四、项目实施的进度计划

五、项目资金需求及来源

六、项目经济和社会效益分析

七、其它需要说明的事项

八、附件（有关证明材料等）

一、项目的基本情况

1、项目背景与必要性

目前，在全球地热发电量已达2000多万千瓦，其中美国的地热发电后来居上，已位居世界第一，菲律宾、意大利位居第二、第三。我国很多地区也拥有极为丰富的地热资源，并且我们也建立了许多自己的地热发电站，目前我国最大的地热电站是西藏羊八井地热电站，装机容量为1.3万千瓦。但是，无论是国内还是国际上，虽然都在利用地热资源进行发电，但是对于地热资源的利用率都不是很高，有的甚至是直接利用地热井喷出的过热蒸汽送入汽轮机驱动发电机发电，大大降低了对地热资源的使用，此次我方参与的基于卡琳娜循环的地热发电项目，引入了“实现200℃以下热电转换最有效的途径——卡琳娜循环技术”，该项技术经美国能源部长达15年的开发，已实现了产业化。

我国是一个发展中国家，地域广阔，人口众多，处在高速发展时期，如何节约能源，优化能源结构，保障能源安全，开发利用新能源和可再生能源，是当前我国的战略性任务，对经济的可持续性发展关系重大。

火力发电在我国电力装机容量中占据着绝对优势。火力发电厂发电效率之所以低的根本原因是被循环水带走的热损失高达50．5％～61．5％，且这部分损失的过冷蒸汽释放的汽化热，其温度已远低于水的沸点，水已失去了作为换热介质的意义，因此，要利用，就必须选择一种新的换热介质，即在常温下是液体，稍高于常温时就能汽化的新介质，则利用汽机排汽余热发电的理论问题就解决了。基于Kallina 循环余热发电站既满足这种新介质的要求。在新的发展阶段，国家主张大力发展能耗低、效率高、污染少、甚至是无污染的新能源项目。因此把Kallina 循环技术应用于火力发电站的余热发电，利用火电厂的这部分余热进行发电，那么会大大提高燃煤电厂的发电效率，具有环保，节能减排的重大意义，发展潜力巨大。

工业过程仿真指利用模型复现工业生产实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称工业过程模拟。广泛应用于工业生产的设计、实验、研究、培训、优化等各个领域。

电厂的可靠性可以由改善设计和加强维护来改善, 但它只占提高可靠性的20%～30%, 另外70%～80%依靠于运行人员。因此建立模拟机是对运行人员进行培训，防止误操作的重要途径。

电厂余热发电电站仿真系统，是基于Kallina 循环技术的卡琳娜动力循环的模拟仿真系统，为培训电厂运行人员提供工具和手段，当操作流程更改时，可进行模拟实验并且容易变更展示系统的原型，可先行模拟运行操作和实验。因此模拟机的研制具有重要意义。

2、国内外市场分析

此项技术的引进在余热发电采用的技术方面是一个质的飞跃，对于中国的新能源领域是一次很好的尝试，我部门进行电厂余热发电电站仿真系统的研制，对部门的经济效益的增长必然带来积极地影响，同时也可以提高我所在新能源领域的知名度，找到新的增长点。

卡琳娜循环这一技术，由作为卡琳娜循环技术的拥有者，全球地热有限公司（Global Geothermal Ltd.下称GGL ）及其子公司可再生能源工程有限责任公司

（Recurrent Engineering LLC下称RE ）已将该项技术以排它性技术许可证方式，转让给上海盛合新能源科技有限公司，盛合公司对于这一技术进行了买断，这样大大有利于产业化的形成，同时也利于国际市场和国内市场的拓展，所以我部门开发的电

厂余热发电电站仿真系统，正是为卡琳娜循环技术在火电厂余热发电上的应用做更深入的探讨，也有利于我们业务和市场的拓展，将使我部门在该领域的技术水平和市场方面具有一定的领先地位。

3、国内外相关技术现状与发展趋势

Kalina Cycle 发电技术是由上海盛合新能源科技有限公司从美国Recurrent Engnineering (简称R E )公司引进的，R E 公司设计的Kalina Cycle 试验发电机组早在10多年前已在国外投入运行，国外的几个先例证明是可行的，但在国内尚无试验成功的先例。

此次基于卡琳娜循环技术的火电厂余热发电模拟机的研制势必对能源的再利用起到重要推动作用，发展潜力巨大。

二、项目主要开发内容

1、总体目标和主要内容

根据盛合新能源科技有限公司《卡琳娜模拟机的功能及要求》，以KCS34g 系统为原型展示系统运行和培训运行人员，并规范KCS34g 电站运行操作盘。以下为模拟机的总体目标和主要内容。

模拟机研制的主要目标，成为培训电厂运行人员提供工具和手段，使运行人员了解、熟悉并规范操作流程。模拟并熟悉机组运行状态和过程。模拟运行过程中的故障，掌握分析、排除故障的方法。可以实现对实验室实体系统的的实时监控，并留有采集实验室数据至模拟机的接口，实现数据分析提炼更精确地数学模型。对余热的利用效率进行考核。

当操作流程更改时，可在模拟机上进行模拟实验，并当展示系统的原型变更时，可先行模拟运行操作和实验。

模拟机的主要内容是，工艺过程、工艺设备通过软件模拟/仿真实现。控制系统的操作（组态、修改、操作）等与实际工况操作相似。设备的操作通过模拟操作屏（实物模拟）+显示屏的模拟操作完成。仪表信号通过信号模拟屏（实物模拟）+显示屏的模拟实现。

2、项目依托工程情况

根据盛合新能源科技有限公司《卡琳娜模拟机的功能及要求》，以KCS34g 系统为原型，在盛合试验基地研制卡琳娜动力循环发电模拟机，项目正在前期方案制作中。

3、主要技术性能指标

1) 培训运行人员熟悉系统，熟悉操作界面，熟悉正确的操作流程，及熟悉系统运行工况。

2) 建立完善的系统数学模型，完善系统参数(液位、温度、流量、密度等) 与系统运行的变化关系，更真实的反映现场运行工况，可以达到培训运行人员通过调节可变量，使系统处于最佳的平稳状态。

3) 自动演示系统运行，模拟机可以实现系统的一键启动，只需一键式操作即可自动启动系统受控设备，稳定系统热平衡，自动调节系统参数，以达到最大发电量。模拟机可以实现系统的一键停机，只需一键式操作即可自动停止系统受控设备，使系统安全停止发电。并可以自动演示启动流程及手动分步启动流程，使运行人员得到各方面的培训。

4) 初始状态点的选择，操作员可方便地通过计算机操作设置初始工况，或选择所需的初始状态，并能使仿真机的运行状态处于已选择好的状态点。

5) 设置系统紧急故障，并可以通过操作员的正常干预，达到稳定运行，以培训运行人员分析和解决系统正常运行过程中系统设备出错的能力。

6) 画面选择，操作员能通过键盘操作选择各个工况画面，画面可以通过菜单方式索引选择，对于多页画面，应具有向前向后翻页功能，并以窗口方式完成。

7) 软件修改，软件工程师可以通过工程师站实现软件修改。

8) 实时/历史报警，对模拟时产生的异常状况进行报警，操作员可通过监控画面进行报警查询。

9) 实时/历史趋势，可将实时的模拟数据和曲线记录下来，日后可由操作员调出。

10) 外部参数的修改，由信号模拟屏的操作，改变某些过程变量和状态。如改变液位、温度、流量、密度等，系统可以自动调节，稳定热平衡。

11) 远程监控，可以在互联网络上，通过IE 浏览器远程监控模拟机操作画面。

12) 回退功能：允许教练员停止培训练习并及时返回，这样能使操作员重复同样的练习很多遍，返回的时间范围最小60秒，最大24小时。在此范围之内应允许教练员根据过程的时间特性随意选择返回时间。

13) 重演功能：允许教练员在仿真盘台上以正常、快速、慢速为学员重演过去24小时以内的操作过程。

14) 再现与追忆：将运行人员在操作过程中所有有关参数按时间顺序保存起来，当教练员需要时，可发出命令进入再现状态，按时间顺序将所保存的前一段时间的所有输出参数再次显示在相应的屏幕上；也可进入追忆状态，将所保存的输入参数按时间顺序重新参与模型运算，结果显示在相应屏幕上。再现或追忆的时间不少于30分钟。

4、关键核心技术

关键技术是卡琳娜循环技术，其中系统热平衡的计算，系统参数之间的工艺关系并与发电效率之间的数学模型是模拟机研制的关键技术。

节能减排已成为我国保持国民经济可持续发展的国策。余热利用率又是评判节能技术优劣的重要指标。在余热利用领域中，把热能转换成电能是实现能级提升的通用途径和有效手段。 在实现把热能转换成电能的过程中，传统的朗肯循环几乎是当今唯一的、使用最普遍和典型的循环方式。在正规火力发电中，其循环效率随机组的参数和容量大致在25~43%范围之中。对大容量超超临界机组，该效率通常可达41~43%；对大容量超临界机组，该效率约为40%左右；对大容量亚临界机组，该效率可达38~40%，对小容量低参数机组，其效率仅为20~30%。而对余热发电系统来说，因为热力参数低，其热力循环效率更低，通常只达8-12%。换言之，对这类小容量低参数机组，在发电过程中超过80~90%的热能被废弃。可见在余热利用领域中，因为余热发电机组的参数低，容量小，在实现热电转换过程中热能的利用率是很低的。

卡琳娜循环是在朗肯循环基础上的一种“改进”，它将“纯”的循环介质（通常为水）变成了氨和水的“混合物”。由于氨-水混合物的物理特性既不同于纯水，又不同于纯氨。该混合物的物理特性就像是一种全新的物质。它具有四个基本特点：

1、 氨-水混合物的沸点和凝结点温度不固定，而纯水是固定的；

2、 氨-水混合物的热物理特性随氨浓度的改变而改变，而纯水和纯氨的物理特性是固定不变的；

3、 氨-水混合物的热容量不随混合物温度的变化而变化，倘若没有能量的变化，纯水和纯氨的温度是不会改变的；

4、 纯水的冰点温度为0℃，而纯氨却为-78℃。氨-水混合物溶液的冰点温度随氨浓度而变，比水要低许多。

工质的这种改变，同历时一个世纪之久常规的朗肯循环相比，卡琳娜循环机组可以向诸如温度为149~450℃的低能级热源提供比前者效率高出50%的循环效率；对诸如直燃式锅炉和燃气-蒸汽联合循环电厂中的燃气轮机废气等高温热源，循环效率约可提高20%；使得余热利用效率大幅提高。

5、技术水平和自主知识产权情况

余热发电项目，在国内属于创新技术，首次研制火电厂余热发电电站模拟机，在国内属首创，处于领先地位。

总体水平：行业首创，国内领先水平。

三、项目实施的现有基础

1、项目承担单位及合作单位概况

余热发电模拟机由上海工业自动化仪表研究院工程总部电站部承担，(概况略) 合作单位上海盛合新能源科技有限公司是由上海国盛（集团）有限公司和上海盛太投资管理有限公司共同投资组建，注册资本人民币一亿元，公司被上海市科学技术委员会批准为高新科技企业。公司从事的节能领域除针对常规火力发电行业外，还致力于各种新能源项目的节能服务：它们包括对垃圾发电、风能、生物质能、太阳能、海洋能、地热能、潮汐能、小水电及再生能源等项目的工程总包、工程项目投资、工程咨询、技术和产品开发、节能市场咨询、能源与环保领域的实业投资、节能和环保技术及产品的开发和技术服务、与节能环保有关的高新技术设备的研发、技术引进和制造、资本运作和资产经营等。公司引进的卡琳娜(Kalina)动力循环技术有望能使目前在常规火力发电和余热发电系统中使用的朗肯循环的循环效率大幅提高。该技术正在太阳能光热发电、地热发电、水泥余热发电、浮法玻璃、钢铁行业、火电厂提高循环效率、焦炭行业和铁合金炉的余热发电及余热利用领域全面应用。 卡琳娜循环这一技术，由作为卡琳娜循环技术的拥有者，全球地热有限公司（Global Geothermal Ltd. 下称GGL ）及其子公司可再生能源工程有限责任公司（Recurrent Engineering LLC下称RE ）已将该项技术以排它性技术许可证方式，转让给上海盛合新能源科技有限公司，

2、已有技术开发力量与条件

项目依托上海盛合新能源科技有限公司的卡琳娜循环电站模拟机，设在凌光试验基地2楼，现建立前提要求已建成。项目专家小组中硕士研究生以上学历有2人以上，高级工程师职称有2人以上。

3、已有技术成果

我方针对上海盛合新能源科技有限公司的Kallina 动力循环技术发电站设计的仪控岛DCS 控制系统，由现场监测热控仪表和控制系统组成，我方仪控岛控制系统监控方便，能准确地显示现场实时数据，并具有大量的管理功能，实时/历史报警，实时/历史曲线，及报表功能，便于数据查询，为系统的进一步优化提供依据。

2010年3月7日上午，卡琳娜循环电站发电机组在中国第一次成功运转，发电机并网成功，并网运行24小时，系统能够稳定连续运行。

2010年5月~9月，在2010年世博会的浦西D 片区上海企业联合馆成功展出。 2010年9月拆往台湾，实施“清水地热发电运转测试评估”专案，已于2010年12月成功投运。

以上三个技术成果的仪控岛控制系统，均是上海工业自动化仪表研究院系统总部电站部为上海盛合新能源科技有限公司配套完成，并参与了项目调试投运工作。对模拟机的研制提供重要的数据和经验积累。

4、项目组织机构和人员安排

项目负责人：谭志明，高级工程师，上海工业自动化仪表研究院副总工，上海工业自动化仪表研究院系统总部部长。在此项目中主要负责项目的整体规划设计，和人员管理。

项目成员：刘华炜，高级工程师，在项目中负责软件总体的设计，数学模型的建立，软件开发与实现，现场调试投运工作。

项目成员：陆锋，高级工程师，在项目中负责硬件总体的设计，模拟机的搭建，信号的采集，现场调试投运工作。

项目成员：宁伟伟，硕士研究生学位，毕业于上海海事大学检测技术与自动化专业，在项目中负责上位机监控软件的设计，实现模拟机的管理功能，现场调试投运工作。

项目成员：毕晓娟，硕士研究生学位，毕业于东华大学控制理论与控制工程专业，在项目中负责系统数据的记录、分析，建立数学模型，现场调试投运工作。

四、项目实施的进度计划

第一阶段，通过各方面调研，完成模拟机方案的制作。

第二阶段，实现训练模拟机的要求。

第三阶段，实现技术开发辅助模拟机的要求。

第一阶段：完成模拟机方案的制作

实施时间：2011.3～2011.7

工作内容：整理之前项目资料和调试经验，并进行各方面的调研，广泛收集查找资料。

验收标准：方案充实，完整，考虑周全，可实施性强。

第二阶段：实现训练模拟机的要求

实施时间：2011.9～2012.2

工作内容：完成模拟机的硬件搭建，建立系统参数之间的数学模型，完成软件的初步编制

验收标准：

(1)（训练）模拟机的作用

※为培训电厂运行人员提供手段和工具

了解、熟悉操作流程；

模拟并熟悉机组运行状态和过程；

模拟运行过程中的故障，掌握分析、排除故障的方法。

※当操作流程更改时，可进行模拟试验

(2)（训练）模拟机的特点

※工艺过程、工艺设备通过模拟/仿真软件实现；

※控制系统的操作（组态、修改、操作）等与原操作相似；

※设备的操作通过模拟操作屏（实物）/显示屏模拟操作完成；

※仪表信号通过信号模拟屏（实物）实现。

(3)（训练）模拟机的设备组成

※培训师操作站计算机；

※受训人员操作站计算机；

※大屏幕液晶显示器；

※PLC 控制系统（或基于PC 的IO 扩展箱）；

※信号模拟屏/信号发生器/调节手操器/开关等；

※设备模拟操作屏/模拟操作器等；

(4)（训练）模拟机的软件构成：

※系统平台软件；

※组态软件；

※控制软件；

※模拟/仿真软件。

(5)（训练）模拟机运行说明

※通过模拟/仿真软件的编程，生成工艺系统的结构模块；

※通过组态软件，生成系统运行图；

※大屏幕显示器显示系统运行图；

※通过计算机操作设置初始工况；

※通过设备模拟操作屏和操作站计算机的操作开始过程运行；

※由信号模拟屏的操作，改变某些过程变量和状态；

※模拟机在运行情况下，由系统运行图模拟显示整个工艺设备和流程的运行状况。

第三阶段实现技术开发辅助模拟机

实施时间：2012.3～2012.12

工作内容：完善模拟机系统参数之间的数学模型，实现模拟机高级功能，可以优化火电厂余热发电系统技术参数，提高发电效率。

验收标准：

※建立完善的系统数学模型，完善系统参数(液位、温度、流量、密度等) 与系统运行的变化关系，更真实的反映现场运行工况，可以达到培训运行人员通过调节可变量，使系统处于最佳的平稳状态。

※自动演示系统运行，模拟机可以实现系统的一键启动，只需一键式操作即可自动启动系统受控设备，稳定系统热平衡，自动调节系统参数，以达到最大发电量。模拟机可以实现系统的一键停机，只需一键式操作即可自动停止系统受控设备，使系统安全停止发电。并可以自动演示启动流程及手动分步启动流程，使运行人员得到全方面的培训。

※模拟火电厂余热发电控制，优化系统设计参数，提高发电效率。

五、项目资金需求及来源

经费支出主要包括人员费，调研费，方案制定及数学模型建立研究费，模拟机软件平台添置费，模拟机硬件装置添置费、试验费及技术交流培训费。其中， 人员费：40万；

调研差旅费用：10万。；

方案制定及数学模型建立研究费：150万，包括卡琳娜循环系统试验数据的收集、整理、分析，系统参数之间的关系的研究试验，氨物性的调用等试验。

模拟机软件平台添置费：160万

模拟机硬件装置添置费：230万

试验费及技术交流培训费：10万

资金来源：

自筹资金：500万

申请本项目资金：100万

六、项目经济和社会效益分析

节能和新能源的利用已成为我国保持国民经济可持续发展的国策，国家正在大力扶持新能源产业的发展和产业化。火电厂余热发电是余热利用的重要方式之一，模拟机的研制可以最大提高余热利用率，本项目引入了具有世界领先水平的卡琳娜循环，将大大提高余热的利用率，并取得了巨大的经济效益。卡琳娜循环技术应用于火电厂余热发电，在国内还是首次，所以模拟机的研制成功，必将使这一项目达到国内甚至是国际先进水平。也将是电力行业一次全新的尝试，如果可以成功投运，必将使我们在余热发电行业具有一定的领先地位，同时，由于这一技术为国内公司买断，模拟机研制成功，为火电厂余热发电成功投运打下基础，很有可能拓展国际市场，也将为我们找到新的增长点，为我们带来巨大的经济效益。

七、其它需要说明的事项

八、附件（有关证明材料等）