國(guó)內(nèi)首臺(tái)25 MW中溫次高壓再熱垃圾發(fā)電汽輪機(jī)設(shè)計(jì)

摘" 要：為適應(yīng)垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性提升需求，設(shè)計(jì)25 MW中溫次高壓再熱汽輪機(jī)。該機(jī)組為國(guó)內(nèi)第一臺(tái)垃圾發(fā)電再熱機(jī)組，采用母管制單缸再熱、高轉(zhuǎn)速、沖反結(jié)合設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行靈活、經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)，該機(jī)組的成功投運(yùn)對(duì)小型再熱汽輪機(jī)技術(shù)及垃圾發(fā)電行業(yè)均有較高的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：垃圾發(fā)電；中溫次高壓；母管再熱；單缸；沖反結(jié)合；高轉(zhuǎn)速

中圖分類號(hào)：TM619" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）16-0019-04

Abstract： In order to meet the demand of improving the technical and economic efficiency of waste incineration power generation， a 25 MW medium-temperature sub-high pressure reheat steam turbine is designed. This unit is the first domestic waste power generation reheat unit， which adopts the combination design of header single-cylinder reheat， high speed， and impulse and reverse， and has the characteristics of compact structure， flexible operation， and high economic efficiency. The successful operation of this unit has a high guiding significance for the small reheat steam turbine technology and waste power generation industry.

Keywords： garbage power generation; medium temperature and sub-high pressure; main pipe reheat; single cylinder; reverse combination; high speed

垃圾焚燒發(fā)電是焚燒垃圾時(shí)，利用煙氣熱量將產(chǎn)生的蒸汽送入蒸汽輪機(jī)中發(fā)電的過程。近年來，隨著國(guó)家出臺(tái)的財(cái)政金融扶持、電價(jià)補(bǔ)貼、優(yōu)先上網(wǎng)、稅收優(yōu)惠和垃圾處理費(fèi)補(bǔ)貼等一系列政策，在政府的大力支持下，垃圾發(fā)電行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展期。

由于垃圾發(fā)電上網(wǎng)有補(bǔ)貼，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性提升帶來的售電收益非常大，在現(xiàn)有的部分垃圾發(fā)電尤其是示范項(xiàng)目工程中，為了提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，相關(guān)發(fā)電主機(jī)設(shè)備選擇從國(guó)外引進(jìn)，導(dǎo)致項(xiàng)目單位投資較采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備投資高出近一倍[1]，因此，開發(fā)出高經(jīng)濟(jì)性的國(guó)產(chǎn)垃圾發(fā)電設(shè)備就顯得非常重要，這樣既可以減小國(guó)內(nèi)垃圾發(fā)電項(xiàng)目投資，同時(shí)又打破技術(shù)壁壘，提高我國(guó)在垃圾發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)水平。

受垃圾總量及熱值限制，目前在建、預(yù)研的垃圾發(fā)電項(xiàng)目中汽輪機(jī)單機(jī)功率大多在10～40 MW，同時(shí)由于垃圾燃料具有水分高、熱值低、國(guó)內(nèi)垃圾種類復(fù)雜等特點(diǎn)，以及為了控制垃圾焚燒過程中污染物排放限制尤其是二噁英類[2]、垃圾量和單臺(tái)焚燒爐規(guī)模限制、減少高溫腐蝕等因素，決定了垃圾焚燒爐一般配置中溫中壓、中溫次高壓鍋爐，因此單機(jī)功率小、進(jìn)汽參數(shù)低等因素制約了垃圾發(fā)電汽輪機(jī)提高效率。

在此背景下，東方電氣集團(tuán)（以下簡(jiǎn)稱“東氣”）東方汽輪機(jī)有限公司積極探索研發(fā)，在提高機(jī)組可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面不斷取得突破性，并于2016年9月18日正式中標(biāo)國(guó)內(nèi)首臺(tái)垃圾發(fā)電項(xiàng)目25 MW再熱汽輪機(jī)。雖然再熱技術(shù)已經(jīng)在東汽的中小型余熱發(fā)電汽輪機(jī)中廣泛應(yīng)用，但是在垃圾發(fā)電領(lǐng)域尚屬國(guó)內(nèi)首次，該機(jī)組將會(huì)大大提升垃圾發(fā)電行業(yè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平，市場(chǎng)前景廣闊，同時(shí)該機(jī)組也是公司目前功率等級(jí)最小的再熱機(jī)組。

1" 汽輪機(jī)選型思路

垃圾發(fā)電汽輪機(jī)技術(shù)特點(diǎn)：初參數(shù)低、單機(jī)功率小、停機(jī)不停爐和經(jīng)濟(jì)性要求高等。

垃圾發(fā)電汽輪機(jī)選型要求：優(yōu)良的熱經(jīng)濟(jì)性、高可靠性、變工況性能好、運(yùn)行方式靈活，以及保證性能的情況下降低成本。

根據(jù)本機(jī)組初參數(shù)低的特點(diǎn)，以及垃圾電站經(jīng)濟(jì)性高、運(yùn)行靈活的要求，最終決定采用單缸再熱結(jié)構(gòu)，即高、低壓合缸，一次再熱，反流布置。

在轉(zhuǎn)速選擇上，對(duì)于進(jìn)汽容積流量較小的機(jī)組，提高轉(zhuǎn)速能有效提高相對(duì)葉高，使機(jī)組效率上升，同時(shí)也有利于控制機(jī)組跨距。另外，東汽已擁有30～50 MW高轉(zhuǎn)速一次再熱機(jī)組的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)積累豐富。因此，本機(jī)組決定采用高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)。

在通流設(shè)計(jì)上，有沖動(dòng)式和反動(dòng)式2種。對(duì)本機(jī)組而言，若采用傳統(tǒng)的沖動(dòng)式設(shè)計(jì)，由于單缸結(jié)構(gòu)跨距較長(zhǎng)，而高壓進(jìn)汽容積流量偏小，通流根徑較小，在考慮隔板汽封徑向尺寸后，會(huì)造成高壓段轉(zhuǎn)子軸頸相對(duì)較小，影響轉(zhuǎn)子剛度設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于隔板、葉輪都比動(dòng)葉需要更大的軸向尺寸，這樣會(huì)減少通流級(jí)數(shù)，機(jī)組通流效率不高。如采用傳統(tǒng)的反動(dòng)式設(shè)計(jì)，若要實(shí)現(xiàn)推力自平衡，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，平衡活塞的直徑要與動(dòng)葉平均中徑的大小相當(dāng)[3]，則使前汽封直徑過大，增加漏汽量，對(duì)軸系振動(dòng)也產(chǎn)生不利影響。另外，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量相比沖動(dòng)式也將大大增加，既增加了成本，也給軸承的設(shè)計(jì)帶來難度。

考慮到以上問題，本機(jī)組采用了高壓缸反動(dòng)式、低壓缸沖動(dòng)式的沖反結(jié)合設(shè)計(jì)。這樣帶來的優(yōu)勢(shì)有：高壓反動(dòng)式效率提升，低壓沖動(dòng)式有成熟模塊，并且高低壓轉(zhuǎn)子軸頸相近，減小了階躍，質(zhì)量分布均勻，提高了機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

2" 熱力系統(tǒng)

該項(xiàng)目配置2臺(tái)日處理垃圾量為500 t/d的余熱鍋爐和1臺(tái)汽輪機(jī)，即“兩爐一機(jī)”運(yùn)行，當(dāng)其中1臺(tái)鍋爐停運(yùn)時(shí)采用單臺(tái)爐運(yùn)行。

機(jī)組主要參數(shù)如下。

機(jī)組型式：N25-6.3/445/425型，中溫次高壓、一次中間再熱、高轉(zhuǎn)速、帶非調(diào)整抽汽、沖反結(jié)合、單缸、單軸、凝汽式汽輪機(jī)。

蒸汽參數(shù)如下。

主蒸汽參數(shù)：6.3 MPa（a）/445 ℃/96.8 t/h。

再熱蒸汽參數(shù)：1.435 MPa（a）/425 ℃/78.6 t/h。

非調(diào)整抽汽參數(shù)：1.631 MPa（a）/283 ℃/16.0 t/h。

額定背壓：7 kPa（a）。

額定轉(zhuǎn)速：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速5 000 r/min，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min，中間用減速箱連接。

回?zé)嵯到y(tǒng)：1除氧器+2低壓加熱器，除氧器壓力0.27 MPa（a）。

配汽方式：噴嘴配汽。

機(jī)組熱力系統(tǒng)及熱循環(huán)示意圖如圖1、圖2所示。

3" 汽輪機(jī)總體設(shè)計(jì)

3.1" 通流設(shè)計(jì)

通流設(shè)計(jì)采用高效的通流級(jí)和優(yōu)良的汽封結(jié)構(gòu)。

通流部分：高壓級(jí)為反向流布置設(shè)計(jì)，中低壓級(jí)為正向流布置設(shè)計(jì)。調(diào)節(jié)級(jí)采用噴嘴配汽，高壓壓力級(jí)采用反動(dòng)式、等根徑設(shè)計(jì)，均為全周進(jìn)汽。中低壓通流采用逐級(jí)增高根徑的沖動(dòng)式設(shè)計(jì)[4]。

3.2" 軸系設(shè)計(jì)

軸系由汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、減速器齒輪軸、發(fā)電機(jī)主軸組成，軸承跨距約4 m，2點(diǎn)支撐。由于采用了高壓反動(dòng)、低壓沖動(dòng)的單杠反流結(jié)構(gòu)，使高低壓轉(zhuǎn)子軸頸尺寸相近，質(zhì)量分布均勻，減小了階躍，也有利于轉(zhuǎn)子推力的平衡，轉(zhuǎn)子凸肩示意圖如圖3所示。

3.3" 軸封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本機(jī)組采用自密封系統(tǒng)，在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，新蒸汽通過減壓站后，進(jìn)入均壓箱，再分別供給機(jī)組前后軸封；正常運(yùn)行中由前汽封漏汽至均壓箱，再供給后軸封。軸封示意圖如圖4所示。

3.4" 旁路系統(tǒng)

機(jī)組的旁路系統(tǒng)主要功能在于解決機(jī)爐參數(shù)匹配、提高啟停靈活性、減少啟動(dòng)時(shí)間、回收凝結(jié)水及保護(hù)鍋爐再熱器等。另外一個(gè)比較特殊的情況是，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有再熱機(jī)組均采用一爐一機(jī)配置，該項(xiàng)目采用兩爐一機(jī)，給機(jī)組啟動(dòng)時(shí)參數(shù)調(diào)整、運(yùn)行時(shí)參數(shù)調(diào)整、一爐和兩爐切換等都帶來了很大的難度，需要旁路配合調(diào)整。除此之外，由于垃圾的處理是不間斷的，所以當(dāng)汽輪機(jī)降負(fù)荷或者停機(jī)時(shí)，鍋爐有可能仍然保持滿負(fù)荷運(yùn)行，因此必須設(shè)置100%旁路。

該機(jī)組共設(shè)2級(jí)旁路：高壓旁路（主蒸汽旁路）和低壓旁路（再熱蒸汽旁路），如圖5所示。

4" 經(jīng)濟(jì)性分析

在本機(jī)組投運(yùn)之前，國(guó)內(nèi)垃圾焚燒電站均采用非再熱型式。采用再熱可以提高機(jī)組平均吸熱溫度，使循環(huán)效率得到提升。通過計(jì)算25 MW非再熱機(jī)組與再熱機(jī)組進(jìn)行對(duì)比：非再熱方案總的焓降1 035.9 kJ，再熱方案總的焓降1 192.4 kJ，再熱方案總焓降增加15%，平均吸熱溫度增加顯著。非再熱機(jī)組與再熱機(jī)組的膨脹過程線如圖6所示。

與同等級(jí)同參數(shù)的非再熱方案作對(duì)比，由于平均吸熱溫度的提升，再熱機(jī)組的循環(huán)效率得到了明顯提升，二者的詳細(xì)數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

在主汽壓力、溫度、背壓、轉(zhuǎn)速和功率等重要邊界條件相同的條件下，再熱方案與非再熱方案相比，各項(xiàng)指標(biāo)均有較大程度提升：熱耗降低4.38%；汽耗降低12.1%；循環(huán)效率提高1.6個(gè)百分點(diǎn)；主汽量，降低12.1%。

以非再熱機(jī)組的吸熱量為基準(zhǔn)來計(jì)算二者的發(fā)電量。非再熱機(jī)組吸收260.65 MJ/h的熱量，每小時(shí)可以發(fā)出25 MW的電量；如果再熱機(jī)組吸收260.65 MJ/h的熱量，每小時(shí)則可以發(fā)出26.146 MW的電量，每小時(shí)發(fā)電量增加1 146 kW，年發(fā)電量增9.168 GW。

5" 結(jié)束語(yǔ)

較常規(guī)垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組而言，本機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行靈活，經(jīng)濟(jì)性也得到了顯著提升，對(duì)日益增長(zhǎng)的垃圾發(fā)電行業(yè)是一個(gè)極大的技術(shù)突破。

該機(jī)組已于2018年6月17日順利通過72+24 h試運(yùn)行，試運(yùn)行期間，機(jī)組主輔機(jī)設(shè)備、軸系、控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良，尤其是經(jīng)濟(jì)性好于設(shè)計(jì)值，得到了業(yè)主的認(rèn)可。2019年2月，經(jīng)西安熱工院性能測(cè)試，試驗(yàn)熱耗優(yōu)于設(shè)計(jì)熱耗4.2%，取得了非常好的應(yīng)用示范效果。

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