國(guó)內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電汽輪機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

蔡小燕，李胤祺，楊紅霞

(上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240)

垃圾焚燒發(fā)電廠主要由垃圾焚燒爐、余熱鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等主要設(shè)備組成。垃圾在焚燒爐內(nèi)燃燒，產(chǎn)生850～1 100 ℃的高溫?zé)煔?，煙氣進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)入汽輪機(jī)做功，水蒸氣的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

在垃圾焚燒發(fā)電領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)大多數(shù)文獻(xiàn)的研究方向集中在鍋爐及整個(gè)電廠熱力循環(huán)方面，汽輪機(jī)的研究成果相對(duì)較少。相關(guān)文獻(xiàn)很難查找，偶有文獻(xiàn)[1]分析了汽輪機(jī)主蒸汽壓力、配置汽水分離器(Moisture Separator,MS)或汽水分離再熱器(Moisture Separator Reheater,MSR)對(duì)機(jī)組性能及末葉片水蝕的影響，但未涉及主蒸汽溫度、回?zé)嵯到y(tǒng)配置、功率等影響因素。本文從汽輪機(jī)的主蒸汽參數(shù)、功率等級(jí)、熱力循環(huán)系統(tǒng)3方面介紹垃圾焚燒發(fā)電汽輪機(jī)的最新技術(shù)發(fā)展方向，并介紹了上海汽輪機(jī)廠(上汽廠)的3款典型的非再熱垃圾發(fā)電汽輪機(jī)產(chǎn)品，旨在為國(guó)內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的研究提供參考。

1 垃圾焚燒發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀

垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展得比較早，20世紀(jì)80年代才開(kāi)始在我國(guó)發(fā)展。通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的焚燒設(shè)備和技術(shù)，消化吸收以及自主優(yōu)化創(chuàng)新，我國(guó)的垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)步入了較為成熟的發(fā)展階段[2]。

隨著國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十三五”全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾無(wú)害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，垃圾焚燒發(fā)電進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。近幾年，光大集團(tuán)、深能環(huán)保公司、康恒環(huán)境等企業(yè)均有很多垃圾發(fā)電項(xiàng)目。隨著項(xiàng)目遍地開(kāi)花，垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)也得到了很大的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。為追求更好的經(jīng)濟(jì)效益，各企業(yè)開(kāi)始積極探尋通過(guò)提高垃圾發(fā)電機(jī)組循環(huán)熱效率來(lái)增加收益的方法，如汽輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)的提高、機(jī)組容量的增大及熱力循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化。國(guó)家發(fā)改委在2012年發(fā)布了垃圾焚燒發(fā)電價(jià)格政策的通知，每噸垃圾折算的上網(wǎng)電量為280 kW·h，垃圾發(fā)電的標(biāo)桿電價(jià)為0.65元/(kW·h)，超過(guò)上網(wǎng)電量的部分執(zhí)行當(dāng)?shù)赝惾济喊l(fā)電機(jī)組的上網(wǎng)電價(jià)[3]。而相同垃圾數(shù)量下提升發(fā)電上網(wǎng)收入的最佳方法是提高發(fā)電效率，常用措施為提高主蒸汽參數(shù)、機(jī)組功率等級(jí)以及優(yōu)化熱力循環(huán)系統(tǒng)。

2 發(fā)電效率的影響因素

2.1 主蒸汽參數(shù)

提升主蒸汽參數(shù)可以提高熱力循環(huán)系統(tǒng)的平均吸熱溫度，從而提高循環(huán)效率。但主蒸汽參數(shù)的提高需要綜合考慮電廠運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定性和安全性。

2.1.1 主蒸汽溫度

根據(jù)熱力學(xué)原理，主蒸汽溫度的提高不僅可以提高循環(huán)效率，同時(shí)因過(guò)熱度增大，蒸汽比容增大，還可以提高汽輪機(jī)的通流效率[4]。

垃圾焚燒發(fā)電廠以垃圾為主要燃料，垃圾的成分比較復(fù)雜，其中含橡膠、塑料等成分。這些成分焚燒后產(chǎn)生的煙氣含有大量的氯化氫和氯氣等氣體，會(huì)腐蝕余熱鍋爐中的換熱部件[5]。當(dāng)管壁溫度超過(guò)400 ℃，腐蝕速度加快，所以垃圾發(fā)電汽輪機(jī)主蒸汽溫度一直處于中溫的水平，大多數(shù)在400～450 ℃，低于常規(guī)燃煤火電機(jī)組。

圖1為同等參數(shù)條件下，主蒸汽溫度提高對(duì)汽輪機(jī)側(cè)熱耗的影響關(guān)系曲線，從上述曲線看出，主蒸汽溫度的提高可以明顯降低汽輪機(jī)側(cè)的熱耗，主蒸汽溫度從400 ℃提高到480 ℃后，汽輪機(jī)側(cè)熱耗降低約4%。

圖1 汽輪機(jī)側(cè)熱耗隨主蒸汽溫度變化關(guān)系曲線

近兩年隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)民生產(chǎn)水平的提高，以及垃圾分類政策逐步落實(shí)，垃圾成分呈簡(jiǎn)單化態(tài)勢(shì)，所以垃圾焚燒電廠開(kāi)始將主蒸汽溫度提高至480 ℃。不同垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的進(jìn)汽參數(shù)及項(xiàng)目配置如表1所示。

表1 不同垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的進(jìn)汽參數(shù)及項(xiàng)目配置

2.1.2 主蒸汽壓力

當(dāng)主蒸汽溫度、排汽壓力一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)提高主蒸汽壓力可提高機(jī)組循環(huán)熱效率[4]。由于主蒸汽溫度提高的幅度有限，因此垃圾焚燒電廠的汽輪機(jī)主蒸汽壓力一直處于中壓或次高壓的水平，大多數(shù)在4～6.5 MPa，如表1所示。汽輪機(jī)側(cè)熱耗隨主蒸汽壓力變化關(guān)系曲線如圖2所示。主蒸汽溫度不變的情況下，如果提高主蒸汽壓力，汽輪機(jī)側(cè)熱耗會(huì)明顯降低。從圖2可以看出，主蒸汽壓力提高1 MPa，汽輪機(jī)側(cè)熱耗降低約1%。但主蒸汽壓力提高會(huì)降低蒸汽過(guò)熱度，導(dǎo)致汽輪機(jī)排汽濕度增加，增加末級(jí)葉片水蝕的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，當(dāng)主蒸汽壓力提高至8 MPa時(shí)，排汽干度將低于85%，此時(shí)末級(jí)葉片面臨著嚴(yán)重的水蝕風(fēng)險(xiǎn)，若要進(jìn)一步提高壓力，則需要采用MS或采用再熱循環(huán)來(lái)降低末葉片的濕度。

圖2 汽輪機(jī)側(cè)熱耗隨主蒸汽壓力變化關(guān)系曲線

主蒸汽壓力的提高需要增加鍋爐受壓面管道的壁厚，導(dǎo)致鍋爐的投資增加。文獻(xiàn)[6]顯示，中溫中壓(壓力4 MPa，溫度400 ℃)和中溫次高壓(壓力6.4 MPa，溫度450 ℃)的鍋爐相比，鍋爐側(cè)的總投資少3 350萬(wàn)元(2010年的數(shù)據(jù))。

2.2 功率等級(jí)

提高單臺(tái)機(jī)組的功率等級(jí)，有利于提高汽輪機(jī)通流效率和發(fā)電機(jī)效率，進(jìn)而提高整個(gè)熱力循環(huán)系統(tǒng)的效率。

垃圾焚燒電廠汽輪機(jī)的功率等級(jí)與城市的發(fā)展規(guī)模有關(guān)，也與垃圾的熱值有關(guān)。一般縣級(jí)市的垃圾焚燒電廠規(guī)模比較小，汽輪機(jī)的功率在10～15 MW；中型城市汽輪機(jī)的功率在25～35 MW；大型城市比如上海、深圳等一線城市，汽輪機(jī)的功率最高達(dá)到75 MW。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、垃圾分類的推行，垃圾的數(shù)量和熱值也在提高，新建垃圾焚燒電廠也在往更大功率等級(jí)方向發(fā)展。不同垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的功率等級(jí)及項(xiàng)目配置如表2所示。

表2 不同垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的功率等級(jí)及項(xiàng)目配置

2.3 熱力循環(huán)系統(tǒng)

除了提高主蒸汽參數(shù)以提高蒸汽的平均吸熱溫度以外，改進(jìn)吸熱過(guò)程也是一個(gè)提高熱力循環(huán)效率的有效的方法。目前常采用多級(jí)回?zé)嵫h(huán)和再熱循環(huán)來(lái)提高循環(huán)熱效率。

2.3.1 給水回?zé)嵫h(huán)

垃圾焚燒電廠中，凝汽器的凝結(jié)水經(jīng)過(guò)凝結(jié)水泵、軸封加熱器、低壓加熱器、除氧器、給水泵后，在鍋爐省煤器與煙氣換熱。多數(shù)項(xiàng)目配置1級(jí)除氧器和1級(jí)低壓加熱器，也有項(xiàng)目配置2級(jí)低壓加熱器。

垃圾焚燒發(fā)電汽輪機(jī)一般會(huì)配置2段非調(diào)整抽汽，用于垃圾滲濾液處理、化學(xué)水處理以及空預(yù)器中的空氣預(yù)熱。一段蒸汽直接從除氧器抽汽口抽出，另一段蒸汽從除氧器抽汽口前面的抽汽口抽出。

排煙熱損失是垃圾焚燒鍋爐的主要熱損失。降低排煙溫度，可以降低排煙熱損失，但由于低溫腐蝕和煙氣凈化工藝需要，目前垃圾焚燒鍋爐的排煙溫度一般控制在190～200 ℃[7]。由于設(shè)備存在換熱端差，給水溫度一般為130 ℃左右。但目前已經(jīng)有項(xiàng)目通過(guò)增大省煤器將給水溫度提高到了150 ℃。

在鍋爐放熱量相同的情況下，不同回?zé)崤渲煤徒o水溫度下汽輪機(jī)側(cè)熱耗的對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示。方案1為1除氧1低加，方案2為1除氧2低加，方案3為給水溫度提高后的1除氧1低加。從表3中可知，增加1級(jí)低加，汽輪機(jī)側(cè)熱耗降低約0.5%；給水溫度從130 ℃提高至150 ℃，汽輪機(jī)側(cè)熱耗降低約1%。

表3 不同回?zé)崤渲煤徒o水溫度下汽輪機(jī)側(cè)熱耗的對(duì)比

2.3.2 再熱循環(huán)

根據(jù)國(guó)家節(jié)能減排的要求，垃圾焚燒發(fā)電廠也在尋求更高的能源轉(zhuǎn)換效率。在主蒸汽參數(shù)提高能力受限的情況下，國(guó)內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠開(kāi)始采用再熱循環(huán)方式。常規(guī)非再熱循環(huán)的電廠發(fā)電效率僅有20%左右[5]，采用再熱循環(huán)可以明顯提高吸熱過(guò)程的平均溫度，從而提高全廠熱效率，并能夠降低排汽濕度。

目前再熱方式有爐外再熱和爐內(nèi)再熱2種。爐外再熱由于加熱汽源的不同，因此再熱溫度有所不同，具體如表4所示。在國(guó)外，再熱循環(huán)早有應(yīng)用，比如2007年荷蘭阿姆斯特丹AEB電廠通過(guò)提高主蒸汽參數(shù)并采用再熱循環(huán)系統(tǒng)(爐外再熱)，將全廠焚燒發(fā)電效率提高到30%[5]。

表4 不同項(xiàng)目的再熱循環(huán)方式

采用再熱循環(huán)，不論是爐內(nèi)再熱還是爐外再熱方式，在鍋爐吸熱量一致的情況下，都能明顯降低汽輪機(jī)側(cè)熱耗，提高出力，但鍋爐側(cè)的投資會(huì)有一定幅度上升。

3 典型產(chǎn)品介紹

上汽廠一直重點(diǎn)關(guān)注垃圾焚燒發(fā)電市場(chǎng)，經(jīng)過(guò)幾年的積累，開(kāi)發(fā)了3款非再熱垃圾發(fā)電汽輪機(jī)產(chǎn)品，近3年獲得了近50臺(tái)的訂單業(yè)績(jī)。這3款汽輪機(jī)產(chǎn)品均基于反動(dòng)式、小直徑、多級(jí)數(shù)的通流設(shè)計(jì)理念，采用先進(jìn)的變反動(dòng)度彎扭葉片，機(jī)組的通流效率得到了大幅提高。下文3款汽輪機(jī)系列編號(hào)均為工廠編號(hào)。

3.1 TN(E)1系列

該系列汽輪機(jī)適用于小型電站，功率為10～25 MW，最高進(jìn)汽參數(shù)為壓力6.5 MPa、溫度480 ℃，為反動(dòng)式、非再熱、單缸、單流、凝汽式汽輪機(jī)，可根據(jù)用戶需求配置1檔調(diào)整抽汽，滿足軸向排汽或向下排汽的需求。汽輪機(jī)為高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，整個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)組由汽輪機(jī)、減速箱、發(fā)電機(jī)組成。該系列機(jī)型配置326 mm和375 mm兩款長(zhǎng)葉片供不同項(xiàng)目選擇。汽輪機(jī)采用噴嘴配汽方式，配置1個(gè)主汽閥和3個(gè)調(diào)節(jié)閥。機(jī)組可實(shí)現(xiàn)整裝發(fā)運(yùn)，減少現(xiàn)場(chǎng)的安裝工作量，提高安裝精度。該系列汽輪機(jī)已經(jīng)有10多臺(tái)的應(yīng)用業(yè)績(jī)。向下排汽的汽輪機(jī)效果圖如圖3所示。

圖3 TN(E)1系列的汽輪機(jī)效果圖

3.2 TN(E)3系列

該系列汽輪機(jī)適用于中型電站，功率為25～50 MW，最高進(jìn)汽參數(shù)為壓力6.5 MPa、溫度480 ℃，為反動(dòng)式、非再熱、單缸、單流、凝汽式汽輪機(jī)，可根據(jù)用戶需求配置1檔調(diào)整抽汽，滿足軸向排汽或向下排汽的需求。汽輪機(jī)為高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，整個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)組由汽輪機(jī)、減速箱、發(fā)電機(jī)組成。該系列機(jī)型配置500 mm和577 mm兩款長(zhǎng)葉片供不同項(xiàng)目選擇。汽輪機(jī)效果圖同TN(E)1，僅尺寸增加。機(jī)組可實(shí)現(xiàn)整裝發(fā)運(yùn)。該系列汽輪機(jī)已經(jīng)有約20臺(tái)的應(yīng)用業(yè)績(jī)。

3.3 HN(E)6系列

該系列汽輪機(jī)適用于大型電站，功率為50～100 MW，最高進(jìn)汽參數(shù)為壓力6.5 MPa、溫度480 ℃，為反動(dòng)式、非再熱、單缸、單流、凝汽式汽輪機(jī)，可根據(jù)用戶需求配置1檔調(diào)整抽汽，滿足軸向排汽或向下排汽的需求。汽輪機(jī)為常規(guī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，汽輪機(jī)直連發(fā)電機(jī)。該系列機(jī)型配置690 mm和665 mm兩款長(zhǎng)葉片供不同項(xiàng)目選擇。汽輪機(jī)采用噴嘴配汽方式，配置2個(gè)主汽閥和4個(gè)調(diào)節(jié)閥。該系列汽輪機(jī)已經(jīng)有約10臺(tái)的應(yīng)用業(yè)績(jī)。軸向排汽的汽輪機(jī)效果圖如圖4所示。

圖4 HN(E)6系列的汽輪機(jī)效果圖

4 結(jié) 論

本文介紹了最近幾年垃圾焚燒發(fā)電汽輪機(jī)的技術(shù)發(fā)展方向，分別從提高主蒸汽參數(shù)、增大機(jī)組容量、優(yōu)化熱力循環(huán)系統(tǒng)幾方面入手，介紹了提高機(jī)組能源轉(zhuǎn)換效率，從而獲得更好的經(jīng)濟(jì)性的途徑。同時(shí)介紹了上汽廠的3款非再熱垃圾發(fā)電汽輪機(jī)產(chǎn)品，旨在為用戶提供優(yōu)質(zhì)的汽輪機(jī)產(chǎn)品，為垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的研究提供參考。