再熱技術(shù)在垃圾發(fā)電汽輪機(jī)中的應(yīng)用

熊 春，尹華劼，吳凱豪

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng) 618000）

1 小型再熱發(fā)電汽輪機(jī)技術(shù)

再熱是指將在汽輪機(jī)高壓級(jí)次中做功過(guò)后的乏汽，引入鍋爐再熱器進(jìn)行再次吸熱，提升蒸汽溫度，將高溫蒸汽通入汽輪機(jī)低壓級(jí)次中繼續(xù)做功。采用再熱技術(shù)是提高蒸汽循環(huán)效率的有效手段，大型火力發(fā)電站均采用了再熱技術(shù)，部分火力發(fā)電站甚至采用了二次再熱技術(shù)。隨著汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及各方對(duì)汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)效率的不斷追求，近年來(lái)，越來(lái)越多的100 MW 以下機(jī)組也開(kāi)始采用再熱技術(shù)。2013 年，國(guó)內(nèi)首臺(tái)65 MW 高溫超高壓再熱機(jī)組在唐山建龍鋼鐵成功投運(yùn)；2017 年，國(guó)內(nèi)首臺(tái)50 MW 超高溫超高壓機(jī)組在津西鋼鐵成功投運(yùn)。目前，小型再熱汽輪機(jī)已廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)煤氣回收發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、太陽(yáng)能光熱發(fā)電等領(lǐng)域，見(jiàn)表1。

表1 部分采用小型再熱發(fā)電汽輪機(jī)工程示例

小型再熱發(fā)電汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)布置緊湊，多采用單缸單軸設(shè)計(jì)或者雙缸雙軸設(shè)計(jì)。50 MW 以下高溫超高壓參數(shù)等級(jí)機(jī)組通常采用高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)；50 MW 以上高溫超高壓參數(shù)等級(jí)機(jī)組通常采用常規(guī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)。

2 垃圾發(fā)電再熱技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

垃圾焚燒發(fā)電是垃圾處理的主要方式，垃圾發(fā)電汽輪機(jī)是垃圾焚燒發(fā)電廠的主要設(shè)備。對(duì)于汽輪機(jī)，提升主蒸汽參數(shù)可以明顯提升汽輪機(jī)效率。但是針對(duì)垃圾發(fā)電汽輪機(jī)，其主蒸汽溫度受制于鍋爐，由于垃圾焚燒煙氣對(duì)于鍋爐管道有腐蝕作用，通常認(rèn)為鍋爐蒸汽出口溫度不能超過(guò)485。在溫度受限的前提下，若單純提升主蒸汽壓力，將降低蒸汽過(guò)熱度，對(duì)汽輪機(jī)末幾級(jí)葉片產(chǎn)生不利影響。因此，國(guó)內(nèi)垃圾發(fā)電汽輪機(jī)參數(shù)主要為中溫中壓（例如，3.8 MPa/390）或者中溫次高壓（例如，6.2 MPa/445）參數(shù)。同時(shí)，增加回?zé)嵯到y(tǒng)、降低汽輪機(jī)背壓等提升汽輪機(jī)效率的途徑，由于各種限制和具體條件，幾乎無(wú)法優(yōu)化。

基于此，采用再熱技術(shù)成為提升垃圾發(fā)電汽輪機(jī)效率的一個(gè)重要、可行的途徑。以25 MW 等級(jí)垃圾發(fā)電機(jī)組為例，采用6.2 MPa/445的主汽參數(shù)，采用再熱與不采用再熱技術(shù)的汽輪機(jī)相關(guān)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 25 MW 等級(jí)垃圾發(fā)電汽輪機(jī)再熱與非再熱參數(shù)對(duì)比

采用再熱技術(shù)后，汽輪機(jī)熱耗下降900 kJ/kW·h，噸垃圾發(fā)電量提高45 kW·h/t。按照1000 t/日垃圾處理能力，年運(yùn)行8000 h 計(jì)算，增加發(fā)電量1500 萬(wàn)度，增加收益750 萬(wàn)元。汽輪機(jī)投資增加的成本，2 年內(nèi)即可收回，再熱技術(shù)優(yōu)勢(shì)十分明顯。

3 再熱技術(shù)應(yīng)用國(guó)內(nèi)外案例

3.1 江陰三期垃圾發(fā)電

江陰三期垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)總規(guī)模為日處理生活垃圾1000 t，配置2 臺(tái)500 t/日焚燒爐和一臺(tái)25 MW 汽輪機(jī)組。該項(xiàng)目汽輪機(jī)組采用東方汽輪機(jī)有限公司設(shè)計(jì)制造的N25-6.3/445/425 型垃圾發(fā)電汽輪機(jī)，機(jī)組采用單缸單軸、沖反結(jié)合、高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 江陰三期汽輪機(jī)參數(shù)

江陰三期項(xiàng)目原則性熱力系統(tǒng)圖如圖1 所示，該項(xiàng)目采用爐內(nèi)再熱方式，將汽輪機(jī)高壓缸排汽引入鍋爐，在鍋爐中完成煙氣再熱。為防止再熱器高溫腐蝕，再熱器設(shè)置噴涂層。采用再熱級(jí)數(shù)后，該項(xiàng)目全廠發(fā)電效率能提升至27%，同時(shí)爐內(nèi)再熱技術(shù)原理上與其他小型再熱機(jī)組類(lèi)似，廠房布置、汽輪機(jī)設(shè)計(jì)等難度較低。

圖1 江陰三期項(xiàng)目原則性熱力系統(tǒng)

3.2 蘇州市垃圾焚燒發(fā)電廠提標(biāo)改造項(xiàng)目

蘇州市垃圾焚燒發(fā)電廠提標(biāo)改造項(xiàng)目一期裝設(shè)3 臺(tái)中溫超高壓再熱蒸汽鍋爐和2 臺(tái)40 MW 汽輪機(jī)組。該項(xiàng)目汽輪機(jī)組采用東方汽輪機(jī)有限公司設(shè)計(jì)制造的N40-12.6/425/405 型垃圾發(fā)電汽輪機(jī)，機(jī)組采用雙缸雙軸、沖反結(jié)合、高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，主要參數(shù)見(jiàn)表4。

蘇州項(xiàng)目原則性熱力系統(tǒng)圖如圖2 所示。由于采用了再熱技術(shù)，主蒸汽參數(shù)可以在溫度保持425前提下，提升壓力至超高壓等級(jí)，從而提高汽輪機(jī)效率但不會(huì)引起末幾級(jí)濕度大的問(wèn)題。同時(shí)，該系統(tǒng)采用更多的回?zé)峒?jí)數(shù)，相比于垃圾發(fā)電常用的1 除氧+2 低加的回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用2 高加+1 除氧+3 低加的回?zé)嵯到y(tǒng)，進(jìn)一步提升了蒸汽循環(huán)效率。相比于江陰三期項(xiàng)目，蘇州項(xiàng)目汽輪機(jī)熱耗下降10%。蘇州項(xiàng)目再熱系統(tǒng)原理上仍屬于爐內(nèi)再熱，需要對(duì)再熱器設(shè)置噴涂層或者采用特殊材料制造。

表4 蘇州項(xiàng)目汽輪機(jī)參數(shù)

4 再熱技術(shù)應(yīng)用發(fā)展展望

在垃圾焚燒發(fā)電領(lǐng)域，再熱技術(shù)的使用極大提升了垃圾焚燒發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益，因而越來(lái)越受到業(yè)主方的關(guān)注。但是爐內(nèi)再熱煙氣腐蝕問(wèn)題始終是制約再熱技術(shù)推廣發(fā)展的一大障礙，解決該問(wèn)題的有效途徑是避免煙氣與再熱器直接接觸，采用其他熱源對(duì)乏汽進(jìn)行再熱。采用汽包再熱和外置再熱的方式，可以有效避免這些問(wèn)題。

圖2 蘇州項(xiàng)目原則性熱力系統(tǒng)

5 結(jié)論

隨著垃圾焚燒發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)質(zhì)量將成為下一階段工程建設(shè)的主題，采用再熱技術(shù)是提升經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。爐內(nèi)再熱技術(shù)路線成熟，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，管道布置簡(jiǎn)潔，若通過(guò)特殊涂層或特殊材料解決煙氣腐蝕問(wèn)題，爐內(nèi)再熱或?qū)⒊蔀橹髁骷夹g(shù)，相比于采用中溫次高壓設(shè)計(jì)參數(shù)，采用中溫超高壓設(shè)計(jì)參數(shù)更能提高汽輪機(jī)效率。汽包再熱與外置再熱完全避開(kāi)了煙氣腐蝕問(wèn)題，但是系統(tǒng)比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行尚未積累足夠的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，工程實(shí)施存在一定技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。在不同的系統(tǒng)中，汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體的邊界條件，合理選擇汽輪機(jī)總體方案（單缸單軸、雙缸雙軸、雙缸雙轉(zhuǎn)速等），提升全廠經(jīng)濟(jì)效率。