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        垃圾發(fā)電汽輪機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及發(fā)展方向研究

        2022-01-18 04:37:42尹華劼尹剛龔露
        東方汽輪機(jī) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:通流抽汽垃圾焚燒

        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(dòng)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(diǎn)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(jì)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(chǎng)合,垃圾發(fā)電汽輪機(jī)在設(shè)計(jì)參數(shù)、熱力系統(tǒng)等方面有著自身獨(dú)有的一些設(shè)計(jì)特點(diǎn)。本文將分析垃圾發(fā)電汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn),并就其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

        1 垃圾發(fā)電汽輪機(jī)參數(shù)特點(diǎn)

        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(huì)對(duì)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(huì)更加嚴(yán)重,因此目前國內(nèi)垃圾發(fā)電項(xiàng)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(huì)造成蒸汽過熱度低,造成汽輪機(jī)低壓末幾級(jí)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(xiàng)目的汽輪機(jī)參數(shù)見表1。

        表1 典型垃圾發(fā)電項(xiàng)目參數(shù)

        1.2 功率等級(jí)

        在垃圾發(fā)電項(xiàng)目中,汽輪機(jī)的輸出功率可以通過式(1)計(jì)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(xiàng)參數(shù)又取決于項(xiàng)目所處地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r。根據(jù)目前項(xiàng)目分布來看,30 MW及以上機(jī)組多分布在直轄市、省會(huì)城市和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地級(jí)市。而一般縣一級(jí)城市,多配置10 MW左右的機(jī)組。在一些項(xiàng)目中,也有鍋爐和汽輪機(jī)容量錯(cuò)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(dòng)設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的滯止速度。對(duì)于多級(jí)汽輪機(jī)來講,在進(jìn)排汽、級(jí)數(shù)一定的情況下,各級(jí)焓降一定,因此可以認(rèn)為各級(jí)的C0為一個(gè)定值。從上述公式可以看出,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速n與單級(jí)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(shí)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(jì),對(duì)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(diǎn)

        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(tái)或多臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)都有汽輪機(jī)組可以與之對(duì)應(yīng)發(fā)電,采用母管制成為最好的選擇。對(duì)于汽輪機(jī)組來說,采用母管制意味著機(jī)組的啟動(dòng)通常為額定參數(shù)啟動(dòng),而機(jī)組的運(yùn)行為定壓運(yùn)行。在汽輪機(jī)通流間隙設(shè)計(jì)以及啟動(dòng)熱應(yīng)力計(jì)算中,必須充分考慮這一特點(diǎn)。

        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绲匠跗鳌?號(hào)低壓加熱器和2號(hào)低壓加熱器。例如,沈陽大辛垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目,熱力系統(tǒng)如圖1所示,該項(xiàng)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(xiàng)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(yùn)行不小于8 000 h,其存在著“停機(jī)不停爐”的現(xiàn)實(shí)需求。因此,在熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí),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(dú)立的旁路高壓凝汽器,簡(jiǎn)稱為大旁路形式;汽輪機(jī)帶旁路減溫減壓器,簡(jiǎn)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(gè)蒸汽循環(huán)的效率。目前,對(duì)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(yùn)業(yè)績。對(duì)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(xiàng)目和光大蘇州四期項(xiàng)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(jì)理念,通過齒輪箱帶動(dòng)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(dòng)式葉型,中低壓通流采用高效沖動(dòng)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(jì)理念,通過齒輪箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。機(jī)組整體設(shè)計(jì)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(jí)數(shù),將各級(jí)焓降分配在最合理的水平,同樣通過雙轉(zhuǎn)子三支點(diǎn)設(shè)計(jì),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(jí)(25 MW)下,與采用中溫中壓常規(guī)技術(shù)的機(jī)組熱耗對(duì)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(yùn)行8 000 h計(jì)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(gè)垃圾發(fā)電再熱項(xiàng)目江陰三期的成功投運(yùn),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(shí)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(diǎn)。

        圖3 再熱技術(shù)采用前后熱耗對(duì)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(xiàng)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(xiàng)目,就配置了抽汽凝汽式汽輪機(jī),可以實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)各個(gè)壓力等級(jí)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(shí)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(yùn)行,排汽排入凝汽器。采用高背壓供熱的汽輪機(jī),對(duì)末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)提出了新的要求,即末級(jí)葉片既要能夠適合供暖季的高背壓運(yùn)行,也要適合非供暖季的低背壓運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)高背壓供熱的汽輪機(jī),在設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)末級(jí)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(duì)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(shí)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(dú)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(yùn)行時(shí),SSS離合器合上,高壓轉(zhuǎn)子低壓轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)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(yùn)行時(shí),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(dòng),低壓缸停止運(yùn)行。而繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的高壓轉(zhuǎn)子帶動(dòng)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(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)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(jì)中,必須高度關(guān)注其獨(dú)特的特點(diǎn),并且在機(jī)組設(shè)計(jì)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(chǎng)的發(fā)展,下一階段的市場(chǎng)關(guān)注點(diǎn),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。

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