垃圾發(fā)電汽輪機(jī)設(shè)計特點及發(fā)展方向研究

尹華劼尹剛龔露

（1.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安，710049）

隨著人民生活水平的不斷提高，城市生活垃圾泛濫的問題日益加劇。為解決垃圾圍城的問題，越來越多的城市選擇建設(shè)垃圾焚燒發(fā)電廠。垃圾焚燒發(fā)電廠通過焚燒垃圾產(chǎn)生煙氣，煙氣在鍋爐里與蒸汽換熱，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。汽輪機(jī)是垃圾發(fā)電廠的主要設(shè)備，垃圾發(fā)電汽輪機(jī)也是最近幾年各大汽輪機(jī)廠商重點關(guān)注的領(lǐng)域。從原理上來講，垃圾發(fā)電汽輪機(jī)屬于凝汽式汽輪機(jī)，其設(shè)計思路與一般凝汽式汽輪機(jī)大致相同。但由于其特殊的應(yīng)用場合，垃圾發(fā)電汽輪機(jī)在設(shè)計參數(shù)、熱力系統(tǒng)等方面有著自身獨有的一些設(shè)計特點。本文將分析垃圾發(fā)電汽輪機(jī)的設(shè)計特點，并就其發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 垃圾發(fā)電汽輪機(jī)參數(shù)特點

1.1 進(jìn)汽參數(shù)

不同于燃煤發(fā)電，垃圾發(fā)電由于采用垃圾作為燃料，其蒸汽參數(shù)受到多重限制。在蒸汽溫度方面，由于垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的煙氣含有大量的氯化氫等腐蝕性氣體和灰分，會對余熱鍋爐系統(tǒng)中的各換熱部件產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕[1]，溫度過高腐蝕會更加嚴(yán)重，因此目前國內(nèi)垃圾發(fā)電項目鍋爐出口蒸汽溫度最高為485℃。蒸汽壓力方面，由于溫度受到限制，單方面提高蒸汽壓力會造成蒸汽過熱度低，造成汽輪機(jī)低壓末幾級濕度大的問題，因此壓力通常也限制在中壓或次高壓參數(shù)。所以垃圾發(fā)電汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)通常為中溫中壓或中溫次高壓。一些典型垃圾發(fā)電項目的汽輪機(jī)參數(shù)見表1。

表1 典型垃圾發(fā)電項目參數(shù)

1.2 功率等級

在垃圾發(fā)電項目中，汽輪機(jī)的輸出功率可以通過式（1）計算：

式中：Qs為垃圾低位熱值，kJ/kg；Gr為日處理垃圾量，t/d；μ為而全廠發(fā)電效率，=μ1×μ2×μ3×μ4，μ1，μ2，μ3，μ4分別為發(fā)電機(jī)效率、鍋爐熱效率、管道熱效率和汽輪機(jī)熱效率[2]。

根據(jù)式（1），汽輪機(jī)功率和垃圾低位熱值及日處理垃圾量密切相關(guān)，而該兩項參數(shù)又取決于項目所處地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r。根據(jù)目前項目分布來看，30 MW及以上機(jī)組多分布在直轄市、省會城市和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地級市。而一般縣一級城市，多配置10 MW左右的機(jī)組。在一些項目中，也有鍋爐和汽輪機(jī)容量錯配的情形，即汽輪機(jī)容量大于鍋爐容量。這種配置可以兼顧后續(xù)垃圾處理量增多，新建焚燒爐和余熱鍋爐，但是汽輪機(jī)可以保持不變。

1.3 轉(zhuǎn)速選擇

在汽輪機(jī)的氣動設(shè)計中，通常要求U/C0為0.5附近，其中U為圓周速度，U=∏dmn/60，C0為靜葉出口等熵焓降對應(yīng)的滯止速度。對于多級汽輪機(jī)來講，在進(jìn)排汽、級數(shù)一定的情況下，各級焓降一定，因此可以認(rèn)為各級的C0為一個定值。從上述公式可以看出，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速n與單級節(jié)徑dm呈相反關(guān)系，n越小，則dm越大。而汽輪機(jī)通流面積A取決于機(jī)組的容積流量，容積流量越小，A值相應(yīng)越小。而A值又取決于節(jié)徑dm與葉高h(yuǎn)，A值一定的前提下，dm越大，則h越小。h越小帶來較大的葉高損失，同時通常認(rèn)為h值不能低于15 mm，在一些情況下，為避免h值過小，可采用部分進(jìn)汽的做法。而提高轉(zhuǎn)速n，可以降低節(jié)徑dm，一方面縮小了機(jī)組體積，另一方面可以增加葉高h(yuǎn)，減小葉高損失。

在小容積流量的機(jī)組中，采用高轉(zhuǎn)速設(shè)計，對于提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、縮小機(jī)組體積有非常積極的意義，這也是各大汽輪機(jī)廠商的通行做法。

2 垃圾發(fā)電汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)特點

2.1 母管制

垃圾發(fā)電站不僅承擔(dān)發(fā)電任務(wù)，還要承擔(dān)區(qū)域垃圾處理任務(wù)。因此，垃圾發(fā)電廠不允許完全停用所有的焚燒爐和鍋爐。為保證任意一臺或多臺鍋爐運行時都有汽輪機(jī)組可以與之對應(yīng)發(fā)電，采用母管制成為最好的選擇。對于汽輪機(jī)組來說，采用母管制意味著機(jī)組的啟動通常為額定參數(shù)啟動，而機(jī)組的運行為定壓運行。在汽輪機(jī)通流間隙設(shè)計以及啟動熱應(yīng)力計算中，必須充分考慮這一特點。

2.2 抽汽

為了解決余熱鍋爐尾部受熱面空氣預(yù)熱器的低溫腐蝕和積灰問題，大型垃圾焚燒發(fā)電廠開始采用蒸汽空氣預(yù)熱器代替常規(guī)煙氣空氣預(yù)熱器[3～4]。蒸汽空氣預(yù)熱器的采用，就要求汽輪機(jī)提供一路參數(shù)較高的抽汽。而普通的凝汽式汽輪機(jī)，沒有到空氣預(yù)熱器的抽口。根據(jù)所處地域，垃圾發(fā)電汽輪機(jī)還可以設(shè)置采暖抽汽，采暖抽汽可以是非調(diào)整抽汽，也可以是采用旋轉(zhuǎn)隔板控制的調(diào)整抽汽。除此之外，垃圾發(fā)電汽輪機(jī)還設(shè)置了必要的回?zé)岢槠?，例如到除氧器?號低壓加熱器和2號低壓加熱器。例如，沈陽大辛垃圾焚燒發(fā)電項目，熱力系統(tǒng)如圖1所示，該項目設(shè)置了1除氧2低加的回?zé)嵯到y(tǒng)，并設(shè)置了去空氣預(yù)熱器抽汽和非調(diào)整采暖抽汽。

圖1 沈陽大辛垃圾發(fā)電項目回?zé)嵯到y(tǒng)

2.3 旁路系統(tǒng)

為保證城市生活垃圾的連續(xù)處理，垃圾發(fā)電廠的垃圾焚燒爐和余熱鍋爐年運行不小于8 000 h，其存在著“停機(jī)不停爐”的現(xiàn)實需求。因此，在熱力系統(tǒng)的設(shè)計上，必須考慮設(shè)置旁路系統(tǒng)，從而保證在汽輪機(jī)停機(jī)時，焚燒爐仍能滿足垃圾處理的需求。

當(dāng)前垃圾焚燒發(fā)電廠采用的蒸汽旁路系統(tǒng)形式有：設(shè)置獨立的旁路高壓凝汽器，簡稱為大旁路形式；汽輪機(jī)帶旁路減溫減壓器，簡稱為小旁路形式，當(dāng)前國內(nèi)正在建設(shè)或已建成的焚燒廠的熱力系統(tǒng)都設(shè)置大旁路或小旁路[5]。典型的大旁路系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 典型的大旁路系統(tǒng)

3 再熱技術(shù)在垃圾發(fā)電汽輪機(jī)中的應(yīng)用及展望

再熱技術(shù)廣泛應(yīng)用于大型燃煤電站，其原理是將在汽輪機(jī)高壓缸內(nèi)做功后的乏汽再次通入鍋爐再熱器進(jìn)行換熱，提高其溫度，再進(jìn)入中低壓缸內(nèi)做功，從而提高整個蒸汽循環(huán)的效率。目前，對于100 MW以下汽輪機(jī)組，再熱技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在鋼廠煤氣回收發(fā)電領(lǐng)域有大量投運業(yè)績。對于垃圾焚燒發(fā)電，國內(nèi)第1批采用再熱技術(shù)僅有光大江陰三期項目和光大蘇州四期項目，分別是中溫次高壓再熱垃圾發(fā)電汽輪機(jī)和中溫超高壓再熱垃圾發(fā)電汽輪機(jī)。

3.1 中溫次高壓再熱垃圾發(fā)電汽輪機(jī)

中溫次高壓再熱垃圾發(fā)電汽輪機(jī)參數(shù)見表2，采用了高轉(zhuǎn)速的設(shè)計理念，通過齒輪箱帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。機(jī)組采用高中壓合缸，高壓通流和中低壓通流反向布置。高壓通流采用高效反動式葉型，中低壓通流采用高效沖動式葉型。機(jī)組采用提板式調(diào)節(jié)閥，布置緊湊。

表2 中溫次高壓再熱垃圾發(fā)電汽輪機(jī)參數(shù)

3.2 中溫超高壓再熱垃圾發(fā)電汽輪機(jī)

中溫超高壓再熱垃圾發(fā)電汽輪機(jī)參數(shù)見表3，其同樣采用了高轉(zhuǎn)速的設(shè)計理念，通過齒輪箱帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。機(jī)組整體設(shè)計理念來自于小型高溫超高壓再熱發(fā)電汽輪機(jī)。該機(jī)組為雙缸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即高壓通流與低壓通流分缸反向布置。采用雙缸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可以增加通流級數(shù)，將各級焓降分配在最合理的水平，同樣通過雙轉(zhuǎn)子三支點設(shè)計，可以降低汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子撓度，從而控制汽封間隙在比較小的水平。

表3 中溫超高壓再熱垃圾發(fā)電汽輪機(jī)參數(shù)

3.3 再熱技術(shù)應(yīng)用展望

采用再熱技術(shù)可以提高蒸汽循環(huán)效率，提升噸垃圾發(fā)電量。以中溫次高壓機(jī)組為例，在相同功率等級（25 MW）下，與采用中溫中壓常規(guī)技術(shù)的機(jī)組熱耗對比如圖3所示。由此可知，采用中溫、次高壓再熱技術(shù)后，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯優(yōu)于采用中溫中壓常規(guī)技術(shù)的同規(guī)模機(jī)組。其中，汽輪機(jī)汽耗下降0.97 kg/kWh，汽輪機(jī)熱耗下降2 693.9 kJ/kWh，全廠熱效率提高5.98%，噸垃圾發(fā)電量提高136.61 kWh/t。按照1 000 t/d垃圾處理能力，年運行8 000 h計算，增加發(fā)電量5 737萬kWh。增加收益2 869萬元。目前，隨著首個垃圾發(fā)電再熱項目江陰三期的成功投運，越來越多的業(yè)主和總包方開始關(guān)注再熱技術(shù)，也提出了更多切實可行的再熱系統(tǒng)配置。隨著垃圾焚燒電廠建設(shè)高潮的到來，垃圾發(fā)電的成本壓力與日俱增，提升發(fā)電效率成為降低發(fā)電成本的具體技術(shù)路線，基于此，再熱技術(shù)極有可能成為下一階段垃圾發(fā)電汽輪機(jī)的熱點。

圖3 再熱技術(shù)采用前后熱耗對比

4 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)在垃圾發(fā)電汽輪機(jī)中的應(yīng)用展望

部分地區(qū)的垃圾焚燒發(fā)電廠，除了承擔(dān)垃圾處理任務(wù)外，還可以承擔(dān)區(qū)域供熱供暖任務(wù)。目前，一些垃圾發(fā)電項目已經(jīng)將熱電聯(lián)產(chǎn)與垃圾焚燒結(jié)合起來，配置了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。例如上?？岛悱h(huán)境西安高陵垃圾焚燒發(fā)電項目，就配置了抽汽凝汽式汽輪機(jī)，可以實現(xiàn)0.9 MPa（a），70 t/h的可調(diào)整抽汽。除了傳統(tǒng)意義上的抽汽式機(jī)組，近年來還出現(xiàn)了一些新的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，也可以應(yīng)用到垃圾發(fā)電汽輪機(jī)中。

4.1 可調(diào)抽汽供熱

可調(diào)抽汽供熱通過抽汽調(diào)節(jié)閥或者旋轉(zhuǎn)隔板來實現(xiàn)，該供熱技術(shù)是目前最為成熟，應(yīng)用情形最廣的技術(shù)，可以實現(xiàn)各個壓力等級的抽汽供熱。

4.2 高背壓供熱

高背壓供熱主要應(yīng)用于區(qū)域供暖的情形。在供暖季節(jié)，提升汽輪機(jī)的排汽背壓到35 kPa左右，直接排入熱網(wǎng)加熱器，汽輪機(jī)排汽與熱網(wǎng)循環(huán)水換熱，實現(xiàn)供暖目的。而在非供暖季節(jié)，汽輪機(jī)恢復(fù)常規(guī)背壓（低于10 kPa）運行，排汽排入凝汽器。采用高背壓供熱的汽輪機(jī)，對末級葉片的設(shè)計提出了新的要求，即末級葉片既要能夠適合供暖季的高背壓運行，也要適合非供暖季的低背壓運行。要實現(xiàn)高背壓供熱的汽輪機(jī)，在設(shè)計時必須對末級葉片的安全性作專門的校核。

4.3 背壓式純凝式在線切換

對于季節(jié)性供熱的用戶，可以采用汽輪機(jī)背壓式純凝式在線切換技術(shù)實現(xiàn)季節(jié)性供熱。一種單軸單電機(jī)的切換機(jī)組系統(tǒng)配置如圖4所示，即汽輪機(jī)分為高壓缸部分和低壓缸部分，高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子為獨立的2根轉(zhuǎn)子，2根轉(zhuǎn)子之間通過SSS離合器連接。機(jī)組需要純凝運行時，SSS離合器合上，高壓轉(zhuǎn)子低壓轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動，帶動前端的發(fā)電機(jī)發(fā)電，排汽進(jìn)入凝汽器。機(jī)組需要背壓運行時，SSS離合器脫開，低壓進(jìn)汽部分閥門關(guān)閉，低壓轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動，低壓缸停止運行。而繼續(xù)轉(zhuǎn)動的高壓轉(zhuǎn)子帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，高壓缸的排汽進(jìn)入熱網(wǎng)。

圖4 一種單軸單電機(jī)的純凝背壓切換機(jī)組

5 結(jié)論

垃圾發(fā)電汽輪機(jī)與常規(guī)凝汽式汽輪機(jī)有著密切關(guān)聯(lián)，其通流設(shè)計、強度設(shè)計、可靠性設(shè)計等均采用相同的技術(shù)方法。但是在具體參數(shù)、熱力系統(tǒng)配置等方面，兩者存在著明顯差別。在垃圾發(fā)電汽輪機(jī)設(shè)計中，必須高度關(guān)注其獨特的特點，并且在機(jī)組設(shè)計中加以考慮，才能保證機(jī)組在垃圾焚燒發(fā)電廠中發(fā)揮應(yīng)有的作用。隨著垃圾發(fā)電汽輪機(jī)市場的發(fā)展，下一階段的市場關(guān)注點，將著眼于機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的提升和更多用途的集成，具體代表就是再熱技術(shù)和熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用。