垃圾焚燒發(fā)電廠汽輪機(jī)選型及通流改造經(jīng)濟(jì)性分析

光大環(huán)保（中國(guó)）有限公司 于曉東 梁永財(cái) 熊志剛 王大任 中國(guó)光大綠色環(huán)保有限公司 嚴(yán)建華

引言

目前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源消耗量越來越大，也產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境問題，不僅制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還對(duì)人民生活質(zhì)量造成嚴(yán)重威脅。因此，節(jié)能環(huán)保形勢(shì)已經(jīng)越來越嚴(yán)重。為了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，各行各業(yè)都在進(jìn)行節(jié)能降耗工作，作為垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)，同樣也要倡導(dǎo)節(jié)能降耗，提高資源的利用率，促進(jìn)垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

在我國(guó)對(duì)垃圾進(jìn)行處理的諸多方式中，利用垃圾進(jìn)行焚燒發(fā)電成為主流。很多城市對(duì)生活垃圾都采用集中焚燒的方式處理，以實(shí)現(xiàn)垃圾的資源化、無害化和減量化，而且在焚燒垃圾的同時(shí)將其產(chǎn)生的熱能通過鍋爐吸收，變?yōu)檎羝M(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電、變廢為寶，實(shí)現(xiàn)垃圾的資源化利用?？梢哉f在各大城市中垃圾焚燒發(fā)電之所以能夠運(yùn)用，不僅因?yàn)槠鋵?duì)于垃圾進(jìn)行了無害化、資源化和減量化處理，充分利用垃圾等廢棄物的熱量，更是因?yàn)槠淇沙掷m(xù)發(fā)展和資源再利用的環(huán)保理念得到了社會(huì)各界的廣泛認(rèn)同。

大多垃圾焚燒電廠存在投產(chǎn)規(guī)模大于實(shí)際接收垃圾量的問題，隨著垃圾分類的日益普及，可入爐垃圾量越來越少，因此要充分利用垃圾資源，提高能源的利用率。對(duì)于垃圾焚燒發(fā)電使用的汽輪機(jī)來說，汽輪機(jī)的通流部分是蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)流動(dòng)做功的通道，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)嚴(yán)重影響汽輪機(jī)效率，對(duì)于通流部分的改造可提高機(jī)組效率。

本文介紹了垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)汽輪機(jī)選型的重要性，對(duì)垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)汽輪機(jī)如何選型，以及機(jī)組運(yùn)行后對(duì)通流部分進(jìn)行改造的方案，提高機(jī)組運(yùn)行效率、提升經(jīng)濟(jì)性、增強(qiáng)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，達(dá)到節(jié)能降耗目的進(jìn)行了簡(jiǎn)單的論述。

1 新建汽輪發(fā)電機(jī)組選型建議及經(jīng)濟(jì)性分析

在國(guó)家環(huán)保監(jiān)管和多項(xiàng)政策的推動(dòng)下，目前我國(guó)垃圾焚燒行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入高質(zhì)量成長(zhǎng)期，垃圾焚燒發(fā)電廠越來越多，市場(chǎng)逐漸向小型城市分布，但是我國(guó)小型城市的人口卻越來越少，垃圾接收量也越來越低，并且隨著垃圾分類的日益普及，垃圾量及總熱值均無法滿足設(shè)計(jì)要求，更加延長(zhǎng)了垃圾電廠的投資回收期，因此節(jié)能降耗工作也是需要積極探索的[1]。

垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)多采用機(jī)械爐排爐，配套SNCR+旋轉(zhuǎn)噴霧半干法+干法脫酸+活性炭噴射吸附+布袋除塵器的傳統(tǒng)工藝，垃圾焚燒后產(chǎn)生的熱量經(jīng)鍋爐換熱后變成蒸汽進(jìn)入高速汽輪機(jī)做功，由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。隨著對(duì)垃圾焚燒電廠的深入了解，發(fā)現(xiàn)垃圾焚燒發(fā)電廠大部分設(shè)計(jì)會(huì)較為保守，且從安全方面考慮，鍋爐及汽輪機(jī)組富余量較大，因此系統(tǒng)存在以下問題：

部分公司考慮啟停的方便以及穩(wěn)定性，選用兩爐一機(jī)的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是垃圾量卻只夠一條垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行，因此鍋爐系統(tǒng)無法在額定流量下運(yùn)轉(zhuǎn)。為了保證鍋爐側(cè)正常的汽水循環(huán)過程，需通過汽輪機(jī)側(cè)調(diào)門調(diào)整主蒸汽壓力，此時(shí)節(jié)流損失較設(shè)計(jì)值加大，蒸汽流量降低，汽輪機(jī)通流截面積不變，噴嘴出口流速降低，此時(shí)汽輪機(jī)各級(jí)速比增大、偏離最佳速比，汽輪機(jī)效率降低，造成了能源浪費(fèi)。

例如某項(xiàng)目垃圾實(shí)際入倉量為850t/d，垃圾處理量設(shè)計(jì)為2×500t/d，汽輪機(jī)型號(hào)為N25-6.2型，型式為中溫次高壓非調(diào)整抽汽凝汽式高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)，額定功率25MW、蒸汽溫度445℃、蒸汽壓力（高壓主汽閥前）6.2MPa（a）、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速5500r/min。按照汽輪機(jī)廠家提供的《汽輪發(fā)電機(jī)組熱力特性曲線》，兩爐一機(jī)THA 工況汽耗為4.491kg/kWh,鍋爐額定蒸發(fā)量工況汽耗為4.581kg/kWh，兩種工況時(shí)汽輪機(jī)負(fù)荷相差2%。對(duì)于2×500t/d 的垃圾焚燒線來說，如鍋爐能達(dá)到額定負(fù)荷運(yùn)行，汽輪機(jī)無法達(dá)到滿負(fù)荷，損失約為415kW/h，按照全年運(yùn)行8400h、0.65元/kWh 計(jì)算,年損失達(dá)226.59萬。

按兩爐一機(jī)設(shè)計(jì)，如因垃圾量嚴(yán)重不足、長(zhǎng)期一條垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行，按照汽輪機(jī)特性表進(jìn)行估算，單爐額定蒸發(fā)量時(shí)的汽耗為4.753kg/kWh，與汽機(jī)額定工況時(shí)汽耗相差5.83%。此時(shí)估算發(fā)電損失約為604.45kW/h，按照全年運(yùn)行8400h、0.65元/kWh 計(jì)算,年損失達(dá)330.03萬。如長(zhǎng)期無法達(dá)到鍋爐額定負(fù)荷，汽輪機(jī)效率更低，損失更為巨大。

針對(duì)小型縣城，垃圾處理量可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重偏差時(shí)可以考慮按照兩爐兩機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，兩爐兩機(jī)與兩爐一機(jī)對(duì)比，土建方面需增加汽機(jī)島，汽輪發(fā)電機(jī)廠房需要適當(dāng)擴(kuò)大。對(duì)于設(shè)備方面可以考慮給水泵、除氧器等共用一套設(shè)備，增加一臺(tái)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組、兩臺(tái)凝泵，一臺(tái)軸封加熱器、一臺(tái)低加、管道、閥門等設(shè)備。此時(shí)如垃圾量?jī)H夠滿足一臺(tái)焚燒爐運(yùn)行時(shí)，配置兩爐一機(jī)與一爐一機(jī)按照汽輪機(jī)的效率偏差大約在5.83%，按其經(jīng)濟(jì)效益估算3.64年可回收此部分增加的投資[2]。

汽輪機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行將使末級(jí)葉片水蝕加劇，縮短設(shè)備壽命，嚴(yán)重時(shí)危害設(shè)備安全運(yùn)行。因此，垃圾焚燒發(fā)電廠對(duì)于選用兩爐一機(jī)或者兩爐兩機(jī)方式，需根據(jù)城市發(fā)展情況慎重考慮。

2 已投運(yùn)汽輪發(fā)電機(jī)組改造思路

隨著垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組投運(yùn)一年左右，城市人口的增長(zhǎng)基本可以預(yù)見、垃圾收集量及熱值也基本穩(wěn)定，并通過長(zhǎng)時(shí)間鍋爐側(cè)的調(diào)整，各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)也趨于穩(wěn)定，機(jī)組是否可以達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)有了初步的了解。

對(duì)于無法達(dá)到滿負(fù)荷的已運(yùn)行項(xiàng)目一般會(huì)存在兩種操作思路：一種是通過垃圾倉的存儲(chǔ)能力，在垃圾倉滿料時(shí)同時(shí)運(yùn)行兩臺(tái)鍋爐且均達(dá)到設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，此時(shí)汽輪機(jī)可接近設(shè)計(jì)負(fù)荷，整體運(yùn)行效率較高，但在垃圾量不足時(shí)需停運(yùn)一臺(tái)鍋爐或兩臺(tái)鍋爐同時(shí)停運(yùn)，待垃圾倉容量足夠時(shí)再次啟動(dòng)。此種方式會(huì)因設(shè)備的啟?？s短筑爐材料的使用壽命、而且增加電耗、浪費(fèi)柴油、除鹽水、增加操作人員的負(fù)擔(dān)。同時(shí)單爐運(yùn)行時(shí)機(jī)組效率更低，對(duì)于全年效率來說經(jīng)濟(jì)性較差。

另一種也是大部分公司的操作方法，即兩臺(tái)鍋爐長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行。為保證鍋爐側(cè)正常的汽水循環(huán)過程，需通過汽輪機(jī)側(cè)調(diào)門調(diào)整主蒸汽壓力，此時(shí)節(jié)流損失較設(shè)計(jì)值增大、蒸汽流量降低，汽輪機(jī)通流截面積不變、噴嘴出口流速降低，此時(shí)汽輪機(jī)各級(jí)速比增大，偏離最佳速比，汽輪機(jī)效率降低，造成了能源的浪費(fèi)。

汽輪發(fā)電機(jī)組在投運(yùn)一年左右一般會(huì)進(jìn)行一次A 級(jí)檢修，對(duì)于達(dá)不到設(shè)計(jì)負(fù)荷的汽輪機(jī)，通流改造工作可以隨著此次大修同步進(jìn)行。針對(duì)運(yùn)行的機(jī)組通流部分改造可以分為以下三種方案：第一種是嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，例如原設(shè)計(jì)為兩爐一機(jī)，但實(shí)際垃圾量?jī)H夠一臺(tái)鍋爐焚燒量的機(jī)組，最優(yōu)方案是將轉(zhuǎn)子、噴嘴均按照新運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行更換，外缸不變，此時(shí)效率可提高約3～5%；第二種是根據(jù)已運(yùn)行工況重新設(shè)計(jì)高壓區(qū)域的噴嘴，僅更換高壓區(qū)域的噴嘴，即更換前幾級(jí)隔板或持環(huán)，轉(zhuǎn)子不變動(dòng)；第三種是將原高壓區(qū)域隔板或持環(huán)的進(jìn)汽端或出汽端進(jìn)行封堵，即封堵部分蒸汽通道。

第二種跟第三種方案的思路是通過調(diào)整流通面積改變蒸汽流速，接近各級(jí)的最佳速比，因汽輪機(jī)通流面積變小，可降低調(diào)節(jié)汽門的節(jié)流損失、提升機(jī)組效率，但同時(shí)會(huì)增加部分進(jìn)汽損失，改造效果較第一種方案稍差。如機(jī)組無法達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷，為減少投資成本，可以按照第二種或第三種方案在大修過程中進(jìn)行通流改造，轉(zhuǎn)子不變動(dòng)、改變進(jìn)入噴嘴的蒸汽流速，提高機(jī)組運(yùn)行效率。

因改造后會(huì)造成機(jī)組調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)前壓力升高，軸系軸向負(fù)推力增加，需核算整機(jī)的軸向推力是否在合適范圍內(nèi)，如負(fù)向推力無法滿足運(yùn)行需要，可對(duì)轉(zhuǎn)子前汽封環(huán)進(jìn)行切削，同時(shí)更換汽封體[3]。

如因垃圾收運(yùn)量或熱值的變更造成機(jī)組出力變大，可以考慮對(duì)機(jī)組進(jìn)行一次大修，同時(shí)更換為原隔板或切除新增加的堵板并將流道打磨圓滑；如切削轉(zhuǎn)子汽封環(huán)可以增加一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，并使用原汽封體，使機(jī)組可恢復(fù)至原設(shè)計(jì)出力。其封堵方法詳見圖1。

圖1 封堵方法

3 工程改造方法及經(jīng)濟(jì)性分析

按照某機(jī)組的運(yùn)行狀況，2條500t/d 垃圾焚燒線配套一臺(tái)25MW 汽輪發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)通流級(jí)數(shù)為21級(jí)，調(diào)節(jié)級(jí)一級(jí)，壓力級(jí)前七級(jí)為1#持環(huán)，壓力級(jí)9至14級(jí)為2#持環(huán)，壓力級(jí)15至17級(jí)為3#持環(huán)，后四級(jí)為單獨(dú)隔板。機(jī)組運(yùn)行一年后，經(jīng)過各方努力垃圾收運(yùn)量依然未能達(dá)到設(shè)計(jì)量，摻入陳腐垃圾后實(shí)際垃圾入爐量約為850t/d。該項(xiàng)目按照第二種方式運(yùn)行，蒸汽流量在85～90t/h 之間，平均負(fù)荷維持在19MW 左右。按照汽輪機(jī)特性曲線查出機(jī)組在此負(fù)荷工況下汽耗為4.623kg/kWh，利用機(jī)組大修時(shí)間針對(duì)通流部分進(jìn)行改造，保留汽缸、閥門、轉(zhuǎn)子、軸承和軸承箱、等主要部套不變，對(duì)機(jī)組2～8級(jí)動(dòng)靜葉進(jìn)行改造，縮小機(jī)組通流面積，更換1#持環(huán)[4]。

因本臺(tái)機(jī)組前期的設(shè)計(jì)問題，在進(jìn)行本次改造時(shí)會(huì)引起調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)前壓力增加，造成軸系負(fù)向推力過大，故本次方案需同時(shí)對(duì)汽封體及轉(zhuǎn)子汽封圈進(jìn)行調(diào)整。改造后機(jī)組汽耗約為4.575kg/kWh，兩種工況時(shí)汽輪機(jī)負(fù)荷相差1.05%。對(duì)于2×500t/d 的垃圾焚燒線來說損失約為200kW/h，按照全年運(yùn)行8400h、電價(jià)0.65元/kWh 計(jì)算,年提高發(fā)電效益達(dá)109.2萬。

某3條750t/d 垃圾焚燒線預(yù)留1條750t/d 垃圾焚燒線的項(xiàng)目，配套兩臺(tái)35MW 汽輪發(fā)電機(jī)組，因?yàn)榭紤]到二期預(yù)留一條生產(chǎn)線，35MW 汽輪發(fā)電機(jī)組配置較大，需要對(duì)一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行改造。汽輪機(jī)通流級(jí)數(shù)為14級(jí)，調(diào)節(jié)級(jí)一級(jí)，壓力級(jí)前四級(jí)為1#持環(huán)，壓力級(jí)6至8級(jí)為2#持環(huán)，壓力級(jí)9至11級(jí)為3#持環(huán)，后三級(jí)為單獨(dú)隔板。因?yàn)樵O(shè)備生產(chǎn)較早，已按照4條750t/d 配套簽訂合同，后期變更為預(yù)留一條生產(chǎn)線。

按照汽輪機(jī)特性曲線查出機(jī)組在額定負(fù)荷工況下汽耗為4.28kg/kWh，單爐運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)汽耗為4.68kg/kWh。利用機(jī)組大修時(shí)間針對(duì)通流部分進(jìn)行改造，保留汽缸、閥門、轉(zhuǎn)子、軸承和軸承箱等主要部套不變，重新設(shè)計(jì)并更換1#持環(huán)、2#持環(huán)，縮小通流面積，改造后機(jī)組汽耗約為4.59kg/kWh，單爐運(yùn)行兩種工況時(shí)汽輪機(jī)負(fù)荷相差1.96%。對(duì)于單臺(tái)35MW 的汽輪發(fā)電機(jī)組來說損失約為343kW/h，按照全年運(yùn)行8400h、電價(jià)0.65元/kWh 計(jì)算，年提高發(fā)電效益達(dá)187.28萬。

對(duì)于部分預(yù)留鍋爐二期未建，但汽輪機(jī)容量已經(jīng)考慮二期預(yù)留的機(jī)組更應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行改造，以提高機(jī)組運(yùn)行效率。

4 結(jié)語

總而言之，隨著我國(guó)垃圾焚燒發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，實(shí)際垃圾接收量與預(yù)計(jì)存在較大偏差，垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組不能滿負(fù)荷運(yùn)行、效率也隨之降低。因此建議處于基建期的機(jī)組選型時(shí)需充分考慮城市人口、垃圾收集量以及垃圾熱值，合理選擇汽輪機(jī)的容量。中小型城市選用優(yōu)先考慮采用一爐一機(jī)形式進(jìn)行布置，大型城市可以根據(jù)人口增長(zhǎng)情況考慮多爐一機(jī)的形式進(jìn)行布置。

對(duì)于長(zhǎng)期無法達(dá)到額定負(fù)荷的機(jī)組，可以在大修期間對(duì)通流部分進(jìn)行改造，提升機(jī)組效率，保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，以更好地履行社會(huì)責(zé)任。

參考文件

[1]劉曉宏,裴東升,等.汽輪機(jī)通流改造效果分析、存在問題研究及對(duì)策[J].中國(guó)電力,2016,4.

[2]程源.300MW 汽輪機(jī)通流改造及性能試驗(yàn)研究[D].蘇州大學(xué),2014.

[3]李秀平,苗承剛,等.調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴面積對(duì)機(jī)組性能的影響與改造[J].中國(guó)電力,2013,11.

[4]于曉東.水泥窯余熱發(fā)電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)改變調(diào)整方式對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2019,1.