垃圾焚烧发电用汽轮机组开发及应用_方伋.pdf

2023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK收稿日期：2022-11-11作者简介：方伋（1986），男，本科，工程师，从事汽轮机热力、系统及本体设计工作。垃圾焚烧发电用汽轮机组开发及应用方伋杨世华吴宗健（杭州中能汽轮动力有限公司浙江杭州310018）摘要以“节能减排”“双碳目标”为指导，探寻提高垃圾焚烧发电循环效率的方法。根据朗肯循环理论，提高主蒸汽参数、再热循环可以有效提高循环效率。采用无量纲参数法，开发垃圾发电用汽轮机，适用目前国内大小城市的需求。关键词垃圾焚烧发电无量纲再热中图分类号：TK262文献标识码：A文章编号：1672-9064(2023)03034050引言随着我国经济持续快速发展，人民生活水平逐渐提高，人口向大城市集中，垃圾产量日益增多。据国家统计局数据，2018年全国垃圾清运量22 802万t，每年约6%增长率，预估到2020年底全国垃圾清运量25 620万t。生活垃圾处理1主要有填埋、堆肥、焚烧3种方式。垃圾焚烧发电2是焚烧生活垃圾产生热量，在余热锅炉内水吸收热量后产生蒸汽，蒸汽再通过汽轮机膨胀做功产生电力。垃圾焚烧可以有效使生活垃圾“减量化”“资源化”“无害化”。根据国家发改委发布的“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划，到2020年底，全国城镇生活垃圾焚烧处理设施能力占无害化处理总能力的50%以上，东部地区达到60%以上。截至2018年，全国生活垃圾焚烧无害化处理量10 184.9万t，占无害化处理总能力44.6%。预计到2020年可以达成规划要求。部分省已经发 布生活 垃 圾 焚 烧发电 中长 期 专 项 规划（20192030年），浙江省发布的规划中，要求“需求导向、创新驱动”，给予生活焚烧发电领域需求，针对关键性技术和标准，强化技术长信，提高生活垃圾资源化利用技术装备自主研发能力和国产化生产水平，不断提高生活垃圾减量化、资源化和无害化处理能力。至2030年，全省生活垃圾全部实现焚烧处理。1提效指导思想随着垃圾焚烧发电行业的发展，锅炉出口参数正逐渐向高参数化发展。张晓斌等3对垃圾焚烧发电余热锅炉中参数和高参数进行对比分析，高参数的经济收益明显，设备投资静态回收期短，经济优势明显；鞠付栋等4研究提高垃圾焚烧发电项目热效率的措施，从热力系统、垃圾焚烧锅炉、汽轮机等方面全系统优化提效，可以将垃圾发电热效率从22%25%提高至32%；刘玉坤等5分析高效率垃圾焚烧发电技术，提高主蒸汽参数是提高垃圾焚烧发电效率的有效途径。各制造厂也研发配套设备以适应市场变化。东方汽轮机厂刘全等6研发25 MW单缸、高转速一次再热汽轮机，循环效率提升约8%。上海汽轮机厂张星等7对垃圾焚烧发电汽轮机热力性能优化，提高主蒸汽压力的同时采用MSR或MS技术提高排汽干度，有效提高热力性能，并保证汽轮机末级叶片的安全。南通万达锅炉夏超等8对600 t/d高参数炉排垃圾焚烧余热锅炉研发，蒸汽温度达到485，防止受热面高温腐蚀是关键技术。垃圾焚烧发电系统循环效率见式（1），热力系统实际循环效率等于理想循环效率、锅炉效率、汽轮机内效率、发电机效率、机械效率的乘积。锅炉效率、发电机效率、机械效率不在讨论范围，取固定值。提高系统循环效率主要提高理想循环效率和汽轮机内效率。c，act=c.b.i.e.m（1）式中：c，act为实际循环效率；c为理想循环效率；b为锅炉效率，取0.83；i为汽轮机内效率；e为发电机效率，取0.97；m为机械效率，取0.98。c=1-TcT?1（2）式中：Tc为放热平均温度；T1为吸热平均温度。2提高理想循环效率提高理想循环效率的措施主要有提高进汽温度、提高进汽压力、降低排汽温度和采用中间再热技术。目前主蒸汽参数由3.8 MPa/390 向6.2 MPa/445 提升，也有部分超高压锅炉，蒸汽参数12.6 MPa/445 9-10。2.1提高进汽温度提高进汽温度后纯凝发电循环温熵图见图1。排汽压力相同的条件，放热平均温度Tc基本不变，提高主蒸汽温度，循环从1-2-2-3-3-1变为1a-2a-2-3-3-1 a，吸热平均温度升高，理想循环效率升高。从图1可以看出，提高主蒸汽温度还可以提高排汽湿度，提高末级叶片的水蚀安全性。以6.2 MPa（a）、3.9 MPa（a）为例，排汽压力0.007 MPa（a）、无回热、无抽汽条件下温度变化对理想循环效率曲线见图2，温度升高10，理想循环效率增加约0.13%。由于生活垃圾中含有大量的氯化物、硫化物，烟气对焚烧炉水冷壁有极强腐蚀性，腐蚀特性见图311，蒸汽温度一般低能 源 与 电 力342023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图5进汽压力-效率曲线图4提高进汽压力后纯凝发电循环环温熵图1提高进汽温度后纯凝发电循环温熵于450。国内也在研究新防腐蚀技术，使主蒸汽温度提高至480 12。2.2提高进汽压力提高进汽压力后纯凝发电循环温熵如图4所示，排汽压力相同，提高主蒸汽压力，循环从1-2-2-3-3-1变为1b-2b-2-3b-3b-1b，吸热平均温度升高，理想循环效率升高。提高主蒸汽压力使熵增减少，排汽湿度增加，一般将排汽湿度控制在0.1213以下，以保证末级叶片的安全性。在汽轮机设计中通过式（3）确定排汽湿度对汽轮机的影响，并采取相应的措施减少末级叶片水蚀14。E=（1-x0）210P0n3000Dsw()3（3）15式中：E为腐蚀特性数；P0末级前蒸汽静压力；x0为末级前蒸汽干度，n为计算转速；Dsw为末级动叶外径。动叶腐蚀特性数的判断为：E0.3对动叶危害小；E0.8平均值；E2.0对动叶危害大。进汽压力-效率曲线如图5所示，进汽温度445，排汽压力7 MPa（a）条件下，随着排汽压力升高，理想循环效率升高，同时排汽湿度增加。图5中显示3条不同汽轮机内效率条件下，排汽湿度随进汽压力的变化，汽轮机效率越高，排汽湿度越大。假设以排汽湿度为进汽压力的限制条件，则汽轮机效率升高，最佳进汽压力降低。汽轮机445 进汽，当汽轮机内效率81%，最佳进汽压力为7.2 MPa（a），汽轮机内效率85%，最佳进汽压力为5.2 MPa（a）。当进汽压力继续提高，排汽湿度对动叶危害加大，为了提高排汽湿度，可以采用再热提高排汽湿度。2.3降低排汽温度汽轮机排汽的饱和温度，必然大于2个极限：理论极限排汽的保温温度必须不小于冷却水温；技术极限冷却水在图2主蒸汽温度-循环效率曲线图3管壁温度与腐蚀速度的关系能 源 与 电 力352023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图6再热循环.图7级效率与体积参数关系曲线能 源 与 电 力凝汽器内冷却排汽的过程中，由于凝汽器的面积不能无限大，循环水量不能无限多，排汽的饱和温度应在冷却水的基础上加上冷却水温升和传热端差。如式（4）所示，汽轮机的排汽压力应对应于排汽饱和温度tc对应的压力，在运行中取决于冷却水的进口温度，冷却水量的大小，冷却管的材质和冷却管的清洁度。在冬季时冷却水温较低，排汽压力可以适当降低运行。tc=tc1+t+t（4）式中：tc为排汽饱和温度；tc1为冷却水进口温度；t为冷却水温升，一般为612；t为凝汽器传热端差，一般在310 范围。2.4中间再热随着进汽压力提高，排汽湿度增大，通过中间再热提高排汽湿度（见图6），同时可以提高循环效率。中间再热分为炉内再热和炉外再热16，炉内再热为高压缸排汽进入锅炉再热器吸热升温后进入低压缸继续做功；炉外再热为高压缸排汽在表面式换热器中与部分主蒸汽换热，吸热后进入低压缸继续膨胀做功。炉外再热温度较炉内再热温度低，所以理论循环效率小于炉内再热方案，但是炉外再热温度稳定，更容易控制。3提高汽轮机内效率随着参数提高，汽轮机入口体积流量下降，级效率降低。根据统计17，级效率与体积参数关系见图7，体积参数定义见式（5）。从式（5）可以看出，汽轮机体积参数与体积流量成正比关系，与转速成反比关系，与叶栅节圆半径的3次方成反比，见式（6）（10）。可以通过降低节圆半径的方式提高级效率，由式（9）看出，当其他参数不变，汽轮机级数与节圆半径的平方成反比关系，降低节圆后整机级数增加，从而增加了汽轮机的制造成本。同时，受到轴系设计的限制，转子直径不能无限制减小。工程应用中，节径降低的同时，提高汽轮机转速，保持级节圆轮周速度不变，控制制造成本。为了提高效率，可以适当降低轮周速度，提高体积参数。Vcr=V2nsR3（5）式中：Vcr为体积参数；V为体积流量，ns为转速；R为叶栅节圆半径。nstageWmU2（6）U=r（7）=2n（8）从而：nstageWm（2rn）2（9）opt，exp=0.6542+1（10）式（6）（10）中：nstage为级数；W为输出功率；m为蒸汽质量流量；为级负荷系数；U为轮周速度；opt，exp为最佳级负荷系数；为速比或流量系数，冲动级取0.5，反动级取0.6。从图7可以看出，当体积参数小于0.2，级效率急剧下降。小体积流量下，有围带的反动级较冲动级效率更高，见图8。图8（a）展示进汽30 t/h，参数11.8 MPa、445 在汽轮机内部做功的体积参数变化曲线。从图8（a）可以看出，汽轮机3 000 r/min设计时，0.1 MPa之前都是低效率运行，如采用高转速设计，汽轮机效率将提高约8%。图8（b）展示200 t/h，参数11.8 MPa、445 在汽轮机内部做功的体积参数变化曲线。从图8中可以看出，汽轮机3 000 r/min设计时，1 MPa前处于低效运行工况，由于排汽体积流量限制，低压段不能采用高转速设计。采用再热提高排汽湿度，同时将高压缸采用高转速设计，高压缸效率提高10%以上，整机内效率提高3.5%左右。目前超高压机组采用再热循环的功率多在30 MW以上，对于垃圾发电汽轮机，12 MW以上机组可采用再热循环。4垃圾发电用汽轮机族基于以上理论分析，提供垃圾发电汽轮机族谱（表1），以供电站建设选择最优参数，达到收益最大化。表1中垃圾热值按7 536 kJ/kg，锅炉效率0.83，发电机效率0.97，具体项目按设备厂家提供系数计算。垃圾发电厂收益分为垃圾处理费和根据现行垃圾发电补贴政策，垃圾处理费按70元/t；垃圾发电上网电价按国家规定：每吨垃圾发电中，280 kWh按0.65元单价上网，超出部分按燃煤机组标杆电价，燃煤标杆电价各地稍有不同，按0.45元计算。垃圾发电厂常用电按18%计算，高效汽轮机只涉及锅炉及汽轮机，厂用电量基本不增加，高效汽轮机厂用电按3.8 MPa/390 参数发电厂计算。6.2 MPa/440 与3.8 MPa/390 收益的对比见表2，再热机型与3.8 MPa/390 收益见表3。362023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK（下转第40页）书书书表 摇收益对比（再热）序号垃圾处理量（）收益（元）.再热增加收益（元）年增加收益万元 图8循环对比书书书表 摇垃圾发电用汽轮机族方伋序号垃圾处理量（）.转.（）转高转速双缸（）.书书书表 摇收益对比（纯凝）序号垃圾处理量（）收益（元）.增加收益（元）年增加收益万元 能 源 与 电 力372023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK为了达到最高的经济效益，300450 t/d垃圾处理量电站推荐选用6.2 Mpa/445 进汽参数，450750 t/d垃圾处理量电站采用8.83 MPa/425/405 收益更高，750 t/d以上垃圾处理量电站推荐选用12.6 MPa/425/405 机型。5结论垃圾焚烧电站的高效率是市场的需求，也是国家政策的要求。结合垃圾焚烧发电锅炉腐蚀特性，系列开发垃圾焚烧发电用汽轮机。300450 t/d处理量焚烧炉选择6.2 MPa/440 凝汽式、高转速汽轮机收益增加6.1%以上，年收益增加178万312万元；4501 650 t/d处理量焚烧炉选择再热凝汽式（双缸双转速）汽轮机收益增加14.6%以上，年收益增加791万元以上。参考文献1张英民，尚晓博，李开明，等.城市生活垃圾处理技术现状与管理对策J.生态环境报，2011，20（02）：389-396.2田新珊，蔡广宇.城市垃圾处理方法综述J.电力环境保护，2003（01）：46-48.3张晓斌，戴小东，熊君霞，等.垃圾焚烧发电项目余热锅炉中参数和高参数的对比分析J.能源研究与信息，2018，34（4）：195-201.4鞠付栋，孙永斌，聂会建，等.垃圾焚烧发电工程提高热效率的措施J.电力科技与环保，2020，36（03）：53-56.5刘玉坤，管志云，邵敏.高效率垃圾焚烧发电技术分析和应用J.节能，2019（12）：44-46.6刘全，卫栋梁，刘润兵.高效再热垃圾发电汽轮机组的开发及应用J.东方汽轮机，2019（2）：62-64.7张星，杨红霞，朱奇.垃圾焚烧发电汽轮机热力性能优化J.热力透平，2019，48（4）：265-268，293.8夏超，李光耀.600t/d高参数炉排垃圾焚烧余热锅炉的研发J.工业锅炉，2021（01）：26-29，54.9童钧耕.工程热力学M.北京：高等教育出版社，2007：317-330.10蔡小燕，李胤祺，杨红霞.国内垃圾焚烧发电汽轮机技术发展现状J.热力透平，2021，50（02）：79-82，92.11张益，赵由才.生活垃圾焚烧技术M.北京：化学工业出版社，2000：228-233.12曲作鹏，钟日钢，王磊，等.垃圾焚烧发电锅炉高温腐蚀防护技术的研究进展J.热加工工艺，2021，50（15）：6-11.13叶涛.热力发电厂M：6版.北京：中国电力出版社，2020：25-30.14陈霖.饱和蒸汽汽轮机水蚀的预防措施及应用J.化工设备与管道，2018，55（02）：53-56.15施红辉，俞茂铮，蔡颐年.汽轮机低压级动叶片的水蚀机理及水蚀准则J.热力发电，1990（04）：29-34.16苏畅，巩李明，邓启刚，等.垃圾焚烧余热锅炉典型再热方案分析J.节能，2020，39（12）：86-88.17W鲍尔.叶轮机械（原理与结构）M.王俊，译.北京：化学工业出版社，1984：125.（上接第37页）场处于围岩破碎带，吸取前期掘进施工过程遇断层造成冒顶的教训，在后期施工中，提前分析预测地质构造情况，在接近断层破碎带时，提前采取插板法施工，顺利通过断层破碎带。成巷施工过冒落区时也可采用撞楔法。在巷道发生严重冒顶、冒碴源源不断的情况下，在靠冒落区的棚梁上，往冒落区斜向上打一排插板（插板间隙根据现场冒落区岩石块度确定），形成人工假顶，从而阻断顶部冒碴现象。如果冒碴之中夹有大块矸石，插板无法打入时，可采用钢管或钢钎代替，先采取风钻打眼（钻头直径要略大于钢管、钢钎直径），达到深度后再打入钢管或钢钎。箭竹坪煤矿在施工过冒落区砌碹施工过程中广泛应用该方法，并取得明显成效。在处理断层冒顶区时，也可以将撞楔法和掏硐法结合起来施工，先采用插板法，制造人工假顶控制顶帮，再采用“掏硐法”将巷道掏出（掏硐大小以满足人员操作为原则）进行成巷施工。3.6确保支护质量要保证支护质量符合要求，首先要确保支架承压强度必须满足围岩支护要求5。目前箭竹坪煤矿架棚支护采用“工字钢”或“U型钢”支护，支护强度基本满足特殊构造带掘进需求，压力较大时采用“U型钢”支护或缩小棚间距。在松软围岩掘进过程中控帮、控顶尤为重要，特别是在风化带或淋水带，如果帮、顶未控实，易导致边帮、顶板掉渣，久而久之就容易导致支架不牢固，从而导致冒顶、垮帮等现象发生。背帮、背顶可用半圆木、厚板皮等材料，根据围岩情况确定背帮、背顶材料用量，总之以不漏碴为原则。二采区+380 m上部车场90多米全部处于围岩破碎带，掘进过程中帮、顶背得不够严实，经过一段时间后，因巷道支架顶、帮大量的掉碴，导致多个支架失稳，顶板来压时推倒支架造成巷道大范围冒顶。3.7加强围岩预测预报加强围岩地质构造情况预测预报，提前采取合理破岩方法和支护方式，适时组织现场跟班技术指导，做好必要的退路、支护防范等工作，为过地质构造带（松软围岩带、断层破碎带、泥岩带等）巷道施工安全保驾护航。4结语本文总结了箭竹坪矿区围岩的破碎情况及在遇断层、围岩破碎带、松软岩层中掘进施工的经验教训，针对施工中遇到的常见问题，从成巷方式、掘进方法、支护方式、安全技术管理等方面提出施工和管理意见，通过长期的实践检验，采用上述的技术措施和施工方法对破碎、松软围岩施工能取得较大实效，可供恶劣围岩破碎掘进施工参考。参考文献1徐开礼，朱志澄.构造地质学M.北京：中国地质大学出版社，1989.2钟桂旺.箭竹坪矿区构造特征及找煤方向 J.能源与环境，2021（03）：20-22.3邱永强.箭竹坪煤矿地质构造对井巷开拓布置的影响及对策J.能源与环境，2022（03）：25-27.4徐景德.煤矿安全生产管理人员安全培训教材M.徐州：中国矿业大学出社，2004.5钟权伟.箭竹坪煤矿支护方式选择与运用分析 J.能源与环境，2021（05）：34-36.能 源 与 电 力40