蔡小燕，李胤祺，楊紅霞

(上海汽輪機廠有限公司，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、發(fā)電機等主要設備組成。垃圾在焚燒爐內(nèi)燃燒，產(chǎn)生850～1 100 ℃的高溫煙氣，煙氣進入余熱鍋爐進行熱交換，產(chǎn)生的水蒸氣進入汽輪機做功，水蒸氣的熱能轉(zhuǎn)換成機械能，從而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。

在垃圾焚燒發(fā)電領域，國內(nèi)大多數(shù)文獻的研究方向集中在鍋爐及整個電廠熱力循環(huán)方面，汽輪機的研究成果相對較少。相關文獻很難查找，偶有文獻[1]分析了汽輪機主蒸汽壓力、配置汽水分離器(Moisture Separator,MS)或汽水分離再熱器(Moisture Separator Reheater,MSR)對機組性能及末葉片水蝕的影響，但未涉及主蒸汽溫度、回熱系統(tǒng)配置、功率等影響因素。本文從汽輪機的主蒸汽參數(shù)、功率等級、熱力循環(huán)系統(tǒng)3方面介紹垃圾焚燒發(fā)電汽輪機的最新技術發(fā)展方向，并介紹了上海汽輪機廠(上汽廠)的3款典型的非再熱垃圾發(fā)電汽輪機產(chǎn)品，旨在為國內(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)電技術在歐美、日本等發(fā)達國家發(fā)展得比較早，20世紀80年代才開始在我國發(fā)展。通過引進國外先進的焚燒設備和技術，消化吸收以及自主優(yōu)化創(chuàng)新，我國的垃圾焚燒發(fā)電技術步入了較為成熟的發(fā)展階段[2]。

隨著國務院印發(fā)《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設施建設規(guī)劃》，垃圾焚燒發(fā)電進入了一個快速發(fā)展的時期。近幾年，光大集團、深能環(huán)保公司、康恒環(huán)境等企業(yè)均有很多垃圾發(fā)電項目。隨著項目遍地開花，垃圾焚燒發(fā)電技術也得到了很大的發(fā)展。

國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的競爭越來越激烈。為追求更好的經(jīng)濟效益，各企業(yè)開始積極探尋通過提高垃圾發(fā)電機組循環(huán)熱效率來增加收益的方法，如汽輪機運行參數(shù)的提高、機組容量的增大及熱力循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化。國家發(fā)改委在2012年發(fā)布了垃圾焚燒發(fā)電價格政策的通知，每噸垃圾折算的上網(wǎng)電量為280 kW·h，垃圾發(fā)電的標桿電價為0.65元/(kW·h)，超過上網(wǎng)電量的部分執(zhí)行當?shù)赝惾济喊l(fā)電機組的上網(wǎng)電價[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)、機組功率等級以及優(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營的穩(wěn)定性和安全性。

2.1.1 主蒸汽溫度

根據(jù)熱力學原理，主蒸汽溫度的提高不僅可以提高循環(huán)效率，同時因過熱度增大，蒸汽比容增大，還可以提高汽輪機的通流效率[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，會腐蝕余熱鍋爐中的換熱部件[5]。當管壁溫度超過400 ℃，腐蝕速度加快，所以垃圾發(fā)電汽輪機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)燃煤火電機組。

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

圖1 汽輪機側(cè)熱耗隨主蒸汽溫度變化關系曲線

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

表1 不同垃圾焚燒發(fā)電項目的進汽參數(shù)及項目配置

2.1.2 主蒸汽壓力

當主蒸汽溫度、排汽壓力一定時，在一定范圍內(nèi)提高主蒸汽壓力可提高機組循環(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。汽輪機側(cè)熱耗隨主蒸汽壓力變化關系曲線如圖2所示。主蒸汽溫度不變的情況下，如果提高主蒸汽壓力，汽輪機側(cè)熱耗會明顯降低。從圖2可以看出，主蒸汽壓力提高1 MPa，汽輪機側(cè)熱耗降低約1%。但主蒸汽壓力提高會降低蒸汽過熱度，導致汽輪機排汽濕度增加，增加末級葉片水蝕的風險。根據(jù)文獻[1]，當主蒸汽壓力提高至8 MPa時，排汽干度將低于85%，此時末級葉片面臨著嚴重的水蝕風險，若要進一步提高壓力，則需要采用MS或采用再熱循環(huán)來降低末葉片的濕度。

圖2 汽輪機側(cè)熱耗隨主蒸汽壓力變化關系曲線

主蒸汽壓力的提高需要增加鍋爐受壓面管道的壁厚，導致鍋爐的投資增加。文獻[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3 350萬元(2010年的數(shù)據(jù))。

2.2 功率等級

提高單臺機組的功率等級，有利于提高汽輪機通流效率和發(fā)電機效率，進而提高整個熱力循環(huán)系統(tǒng)的效率。

垃圾焚燒電廠汽輪機的功率等級與城市的發(fā)展規(guī)模有關，也與垃圾的熱值有關。一般縣級市的垃圾焚燒電廠規(guī)模比較小，汽輪機的功率在10～15 MW；中型城市汽輪機的功率在25～35 MW；大型城市比如上海、深圳等一線城市，汽輪機的功率最高達到75 MW。隨著經(jīng)濟的發(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方向發(fā)展。不同垃圾焚燒發(fā)電項目的功率等級及項目配置如表2所示。

表2 不同垃圾焚燒發(fā)電項目的功率等級及項目配置

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，改進吸熱過程也是一個提高熱力循環(huán)效率的有效的方法。目前常采用多級回熱循環(huán)和再熱循環(huán)來提高循環(huán)熱效率。

2.3.1 給水回熱循環(huán)

垃圾焚燒電廠中，凝汽器的凝結(jié)水經(jīng)過凝結(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)項目配置1級除氧器和1級低壓加熱器，也有項目配置2級低壓加熱器。

垃圾焚燒發(fā)電汽輪機一般會配置2段非調(diào)整抽汽，用于垃圾滲濾液處理、化學水處理以及空預器中的空氣預熱。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)有項目通過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，不同回熱配置和給水溫度下汽輪機側(cè)熱耗的對比數(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級低加，汽輪機側(cè)熱耗降低約0.5%；給水溫度從130 ℃提高至150 ℃，汽輪機側(cè)熱耗降低約1%。

表3 不同回熱配置和給水溫度下汽輪機側(cè)熱耗的對比

2.3.2 再熱循環(huán)

根據(jù)國家節(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，國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠開始采用再熱循環(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。在國外，再熱循環(huán)早有應用，比如2007年荷蘭阿姆斯特丹AEB電廠通過提高主蒸汽參數(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側(cè)熱耗，提高出力，但鍋爐側(cè)的投資會有一定幅度上升。

3 典型產(chǎn)品介紹

上汽廠一直重點關注垃圾焚燒發(fā)電市場，經(jīng)過幾年的積累，開發(fā)了3款非再熱垃圾發(fā)電汽輪機產(chǎn)品，近3年獲得了近50臺的訂單業(yè)績。這3款汽輪機產(chǎn)品均基于反動式、小直徑、多級數(shù)的通流設計理念，采用先進的變反動度彎扭葉片，機組的通流效率得到了大幅提高。下文3款汽輪機系列編號均為工廠編號。

3.1 TN(E)1系列

該系列汽輪機適用于小型電站，功率為10～25 MW，最高進汽參數(shù)為壓力6.5 MPa、溫度480 ℃，為反動式、非再熱、單缸、單流、凝汽式汽輪機，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。汽輪機為高轉(zhuǎn)速設計，整個汽輪發(fā)電機組由汽輪機、減速箱、發(fā)電機組成。該系列機型配置326 mm和375 mm兩款長葉片供不同項目選擇。汽輪機采用噴嘴配汽方式，配置1個主汽閥和3個調(diào)節(jié)閥。機組可實現(xiàn)整裝發(fā)運，減少現(xiàn)場的安裝工作量，提高安裝精度。該系列汽輪機已經(jīng)有10多臺的應用業(yè)績。向下排汽的汽輪機效果圖如圖3所示。

圖3 TN(E)1系列的汽輪機效果圖

3.2 TN(E)3系列

該系列汽輪機適用于中型電站，功率為25～50 MW，最高進汽參數(shù)為壓力6.5 MPa、溫度480 ℃，為反動式、非再熱、單缸、單流、凝汽式汽輪機，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。汽輪機為高轉(zhuǎn)速設計，整個汽輪發(fā)電機組由汽輪機、減速箱、發(fā)電機組成。該系列機型配置500 mm和577 mm兩款長葉片供不同項目選擇。汽輪機效果圖同TN(E)1，僅尺寸增加。機組可實現(xiàn)整裝發(fā)運。該系列汽輪機已經(jīng)有約20臺的應用業(yè)績。

3.3 HN(E)6系列

該系列汽輪機適用于大型電站，功率為50～100 MW，最高進汽參數(shù)為壓力6.5 MPa、溫度480 ℃，為反動式、非再熱、單缸、單流、凝汽式汽輪機，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。汽輪機為常規(guī)轉(zhuǎn)速設計，汽輪機直連發(fā)電機。該系列機型配置690 mm和665 mm兩款長葉片供不同項目選擇。汽輪機采用噴嘴配汽方式，配置2個主汽閥和4個調(diào)節(jié)閥。該系列汽輪機已經(jīng)有約10臺的應用業(yè)績。軸向排汽的汽輪機效果圖如圖4所示。

圖4 HN(E)6系列的汽輪機效果圖

4 結(jié) 論

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