垃圾焚烧电站汽轮机低负荷高背压运行分析.pdf

2023 年 31 期方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application垃圾焚烧电站汽轮机低负荷高背压运行分析苏天亨1，刘艺2（1.广州广重企业集团有限公司，广州 510000；2.广东能效科技有限公司，广州 510000）随着人类社会生产水平和生活质量的提升，生活垃圾的产量逐年增加，如何高效、环保地处理城镇生活垃圾成为世界各国急需解决的社会问题。目前，国际上传统的城镇生活垃圾处理方法主要包括无害化填埋、有机类垃圾堆肥技术、焚烧及综合利用等，由于各个国家的发展水平、国情存在差异，针对城镇生活垃圾处理方式的选择、侧重点有所不同。一般来说，土地资源富裕的国家选择无害化填埋的比例高一些，环保要求较高的国家垃圾堆肥技术发展较为成熟，生活垃圾焚烧及综合利用技术作为近年来的垃圾处理新手段，已经逐渐成为各个国家的优先选择方案。在我国，垃圾焚烧技术已经发展数年，垃圾焚烧电站已经成为国内各大中型城市的标准公共基础设施。例如建设一个 2伊500 t/d 垃圾焚烧发电厂项目，设置 2 台日处理量为 500 t/d 的垃圾焚烧炉，同时配套 1 台 25 MW中温次高压凝汽式汽轮发电机组，既可解决约 800 万人口城市 1 000 t/d 的生活垃圾无害化处理，又能提供25 MW 的城市上网用电，减轻了当地政府对城镇生活垃圾的处理负担，丰富了当地的能源结构，尤其是人口较密集、环保要求较高、城镇化经济发展水平较快的沿海地区，垃圾焚烧电站的设置彰显了其独特优势。摘要：该文介绍垃圾焚烧电站目前的典型汽水与旁路系统，阐述目前行业停机不停炉工况的运行特点及企业生产现状，并针对国内外新建垃圾焚烧电站项目，用户的新工艺需求，提出汽轮机低负荷高背压工况运行的潜在风险。采用蒸汽透平的基本原理对汽轮机末级叶片的安全运行，振动风险进行评估，运用流体力学、工程热力学的基本分析方法对蒸汽在汽轮机流道的流场分布进行理论分析。发现汽轮机出现低负荷高背压的运行状态后，不但降低机组出力，同时影响机组的安全运行及末级动叶片寿命。该文给出 6 种可行的解决方案，对汽轮机末级动叶片零功率或负功率的工况进行限制，降低其出现频次，供垃圾焚烧电站行业相关从业及汽轮机设计人员在进行系统、产品设计时参考。关键词：垃圾焚烧电站；汽轮机；低负荷；高背压；运行分析中图分类号院TK262文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤31-0168-05Abstract:This paper introduction to the current typical steam and bypass systems of waste incineration power plants,explaining theoperating characteristics of shutdown the steam turbine without stopping the boiler and the current production status of enterprises in theindustry.In view of the new projects and the new process requirements of waste incineration power plant both domestically andinternationally,and presents the potential risks of low-load and high-back pressure operation of steam turbines.The safe operation andvibration risk assessment of the last-stage blades of the steam turbine are evaluated based on the basic principles of steam turbines.Thetheoretical analysis of the flow field distribution of steam in the turbine flow channel is conducted using the basic analysis methods of fluidmechanics and engineering thermodynamics.It is found that the low-load and high-back pressure operating state of the steam turbine notonly reduces the units output but also affects the safe operation and service life of the last-stage moving blades.This article provides sixfeasible solutions to restrict the zero-power or negative-power operating conditions of the last-stage moving blades of the steam turbine,reducing their frequency of occurrence,which can be used as reference for relevant practitioners of waste incineration power stationindustry and turbine designers in system and product design.Keywords:waste incineration power plant;turbine;low load;high-back pressure;operational analysis第一作者简介院苏天亨（1992-），男，助理工程师。研究方向工业热力系统设计，汽轮机产品设计。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.31.040168-方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期1垃圾焚烧电站概述相比燃煤电站，垃圾焚烧电站规模较小，汽水系统配置简单，但为适应“垃圾”这种生活燃料，其汽水系统配置也有一定的特殊性。垃圾焚烧电站解决方案的主要目的是将城镇生活垃圾转化成上网用电的能源，实现废物利用功能，与传统的燃煤电站相比，城镇生活垃圾产量较小、热值较低，垃圾焚烧电站配套的汽轮发电设备多为 50 MW 以下的小汽轮机，其汽水系统的配置较燃煤机组也相对简单。但鉴于垃圾焚烧电站的运行工况特点，除常规电站的汽水系统外，垃圾焚烧电站还需配置主蒸汽旁路系统。垃圾焚烧电站典型的旁路系统配置模式分为 2 种，一种为“旁路减温减压器+旁路高压冷凝器”；另一种为“旁路减温减压器+公共主冷凝器”。2垃圾焚烧电站典型工况及旁路模式2.1垃圾焚烧电站停机不停炉的典型工况国内垃圾焚烧电站具有停机不停炉的典型工况。由于垃圾焚烧电站具备 2 方面的功能，处理生活垃圾及生产上网电量。垃圾焚烧电站的收入也主要来自这 2 部分，处理垃圾带来的收入（垃圾处理费和政府补贴）与电能售卖的价格。因此考虑到经济因素，在不满足发电上网的停机期间，部分垃圾焚烧电站会保持在焚烧炉额定负荷甚至最大蒸发量下运行，具有停机不停炉的特点。2.2野旁路减温减压器+公共主冷凝器冶模式典型工况下的蒸汽状态在项目建设阶段，建设单位往往考虑成本问题，优先选择“旁路减温减压器+公共主冷凝器”配置方式，如图 1 所示。即主流蒸汽和旁路蒸汽共用 1 台主冷凝器的布置模式。在项目建成后，出现停机不停炉的工况时，将进入汽轮机的主汽门关闭，余热锅炉产生的新蒸汽通过旁路减温减压后直接排入运行的主冷凝器。由于旁路系统的二级减温减压器出口设置在主凝汽器的缩颈处，而主凝汽器的缩颈直接焊接或者法兰连接在汽轮机的低压缸排汽口处，新蒸汽进入主凝汽器缩颈后，虽然大部分蒸汽将会朝着背压更低的主冷凝器深处流动，通过换热管壁与循环冷却水充分热交换后参与到整个汽水系统的热力循环，但仍会有小部分蒸汽充满汽轮机的整个低压缸排汽空间，甚至汽缸高压段都会停留滞止蒸汽。旁路蒸汽在经过二级减温加压器后，已相变成参数更低的湿蒸汽，若汽轮机低压段汽缸长时间处于湿蒸汽环境，势必会造成低压段动、静叶片及隔板等部件产生锈蚀，对汽轮机停机保养工作提出了更高的要求。图 1野旁路减温减压器+公共主冷凝器冶模式垃圾焚烧电站典型汽水系统简图2.3野旁路减温减压器+公共主冷凝器冶模式下汽机厂建议汽轮机厂家对出现停机不停炉工况时，一般会建议客户在后汽缸与主冷凝器缩颈之间加入隔板，阻断旁路湿蒸汽与后汽缸的流动通道，防止旁路蒸汽进入汽轮机内部。但在实际操作时发现，要想加入该隔板，垃圾焚烧炉需要短暂的停炉期，并且部分厂家汽轮机后汽缸与冷凝器缩颈之间是焊接连接，客户需要将后汽缸与冷凝器缩颈之间的连接面切开，再进行隔板焊接，当停机不停炉工况结束后，再将隔板切除。整个操作流程限制多，过程复杂，工艺要求高，且对设备进行了破坏性操作，实际很少客户会选择此方式。后汽缸与主冷凝器之间的连接示意图如图 2 所示。3国内外垃圾焚烧电站生产运行的新需求3.1国内垃圾焚烧电站项目3.1.1汽轮机需具备孤岛运行能力随着垃圾焚烧电站在国内的数量逐渐增加，有部分客户还提出了汽轮机要具备孤岛运行的能力，意味着垃圾焚烧电站在无上网用电外输需求的时候，汽轮机要带厂用电运行，同时垃圾焚烧炉处于满负荷运行状态。这样的优势在于，对于垃圾焚烧电站而言，孤岛运行解决了电网调峰、机组调试等特殊时期，厂用电无需从电网购买，相比原停机不停炉工况，降低了运行成本，缩短了汽轮发电机组停机到重新开机的启动时间，保证了汽轮其他用汽105140 益7 kPa.a1#空预器回水2#空预器回水2#空气预热器用汽1#空气预热器用汽1#2#低压加热器用汽低压加热器用汽169-2023 年 31 期方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application机低压段的工作环境，维持了企业的经济利益。注：1 为汽轮机后汽缸；2 为排汽接管；3 为二级减温减压器；4 为排汽缩颈；5 为主冷凝器。图 2后汽缸与主冷凝器连接示意图3.1.2孤岛运行工况的特点孤岛运行促使汽轮机具有极低负荷的运行能力。由于垃圾焚烧电站的装机规模较小，电站内总的辅助用电设备功耗本就不高，各单位在建设之初又多选用能耗较低的电器设备，从而一般垃圾焚烧电站的厂用电量实际功率更小。例如，一台 12 MW 的中温次高压纯凝汽轮发电机组厂用约为 1.0 MW 左右，实际占比仅为铭牌功率的 10%左右，这又给汽轮机低压段末级叶片的运行能力提出了新挑战。3.2国外垃圾焚烧电站项目由于具有国内垃圾焚烧电站成功运营的经验，同时响应国家“走出去”的战略号召，一些优秀的能源环保类投资企业开始进行国外垃圾焚烧电站的业务扩展，将国内对于城市生活垃圾废物再循环的成功经验带出国门，针对这一类国外垃圾焚烧电站项目，国外客户同样提出了与国内项目相似的生产需求。某国为印度洋岛国，其整个国家的人口约 55.7 万人，陆地面积 298 km2，人口密度达到了 1 801.8 人/km2，人口稠密且土地资源匮乏，每日的生活垃圾产量达到 400 t 以上。目前该国的主要垃圾处理方式为海岛填埋，但因该国的主要产业为旅游业，环保红线是该国政府最后的底线，垃圾焚烧电站的建设对于该国来说是双赢的民生项目。因该国国情限制，该国的电网异常薄弱，由国内某环保装备企业在该国投资建设的 13 MW 垃圾焚烧电站项目，要求本项目的汽轮发电机组要在额定负荷 8%左右的孤岛状态下，断断续续运行 12 年左右，与此同时，垃圾焚烧炉还需在满负荷状态运行以保证其每日的垃圾处理量。另外该电站的循环冷却水为海水，为满足换热后的循环水可以顺利排入大海，当地环保部门要求，该电站的冷却循环水系统温升不得超过 3益。这一系列严苛的外部条件，给汽轮机、冷凝器等主要设备提出了更严峻的考验。3.3 本章小结垃圾焚烧电站汽轮机新的运行工况低负荷高背压工况。无论是国内、还是国外的垃圾焚烧电站项目，在提出汽轮机带孤岛运行且锅炉处于满发负荷时，垃圾焚烧电站的汽水系统都要处理由锅炉产生的大量过余蒸汽，客户通常要求考虑将该部分过余蒸汽直接排入主冷凝器缩颈处，导致了汽轮机处在较低负荷工况运行的同时，低压缸排汽口处仍要承受由旁路系统进入的大量湿蒸汽，造成汽轮机末级叶片长期处于低负荷高背压的恶劣环境。4新生产需求下汽轮机运行风险及解决方案4.1汽轮机低负荷高背压工况运行风险分析孤岛运行工况易造成汽轮机末级动叶片进入鼓风状态。汽轮机在孤岛低负荷工况下运行时，分配在末级动叶片的功率本身就会减小，同时，排汽口涌入大量减温加压后的旁路蒸汽后，汽轮机后汽缸蒸汽聚集，末级动叶片背压快速升高，流经叶片的体积流量随之迅速降低，末级动叶片容易进入鼓风状态，即，末级不但不输出功率，反而需吸收功率（处于负功率状态），出现流动不稳定状态，并且带来一系列的问题。蒸汽流动的稳定性降低，出现涡流。有研究表明，冷凝式汽轮机流经末级动叶片的蒸汽流动紊乱度随着进汽量的减少而增大，在进入汽轮机末级的体积流量下降过程中，首先会在动叶片出汽端叶顶部位出现涡流，并且随着体积流量的减少，涡流位置开始向叶根方向发展、涡流规模也逐渐增大，最终充满整个排汽段，蒸汽流动的稳定性变差。叶片振动应力增加，增加叶片断裂风险。汽轮机在额定工况运行时，进入末级的蒸汽均可以绕叶片型线光滑地流动，小体积流量时，汽流将会与叶片表面发生脱离、失速，造成叶片颤振，叶片的振动应力增加，严重时将会造成叶片断裂。12345170-方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期流道局部出现蒸汽逆流，级效率下降，叶片断裂风险增加。末级动、静叶片一般为扭叶片，且叶高较高，蒸汽经过通流流道时受离心力的作用，喷嘴与动叶片之间的压力沿叶高逐渐增大，随着机组末级体积流量的减少，叶片根部首先会出现负反动度，从而出现脱流、逆流现象。当蒸汽在叶片根部逆向冲刷时，该股汽流为一个局部阻力汽流，干扰主流蒸汽的正常流动，级效率下降。另外，蒸汽对末级动叶片沿叶高方向的轴向汽动弯应力并不是均匀分布，叶片根部由于逆流的存在，该处蒸汽对叶片根部作用的汽动弯应力将与主流相反，使叶片受到一对方向相反、大小不同的不对称力偶，增加了叶片断裂的风险。后汽缸温度急剧上升，增加机组运行风险。末级进入鼓风状态时，鼓风损失增大，末级耗功大于等于末级的作功，蒸汽被加热。虽然排汽段排汽温度的提高降低了该段蒸汽湿度，有助于减少湿蒸汽对叶片前缘的水蚀现象，但是后汽缸温度将会急剧上升，转子支撑、冷凝器、低压缸的膨胀量均会增加，造成转子后轴承标高发生变化，引起转子轴系对中恶化，轴承载荷接触点偏离设计位置，轴承动力特性发生改变。低压缸与冷凝器的膨胀量变化同样会使两者的作用力平衡点离开设计状态，不稳定因素增加，机组安全运行风险提高。4.2汽轮机低负荷高背压工况运行解决方案具备低负荷高背压运行工况的汽轮机，需对末级动叶片进行风险评估。汽轮机出现低负荷高背压的运行状态后，一定要对末级动叶片的工作环境、工作能力进行分析，该工况下不但降低汽轮机出力，同时影响汽轮机安全运行及末级动叶片寿命，所以末级动叶片零功率或负功率的工况必须要被限制或者降低该工况的出现频次。绘制汽轮机排汽质量流量与背压变化的限制曲线。由于末级出现负功率的状态主要与末级排汽体积流量有关，而排汽体积流量又与排汽质量流量及排汽背压相关联。任何排汽质量流量下，随着背压的升高，末级动叶片都可能出现输出功率为 0 的情况，此时其排汽压力为该排汽质量流量下的上临界压力，即最高安全运行背压。故可作出排汽质量流量与临界排汽压力的界限线：在允许的任意排汽质量流量范围内，分别以最高安全背压为上界限，阻塞背压为下界限，制作出末级动叶片允许的安全运行区域图（图 3），在界限线以内为安全运行区。该图可以作为客户在孤岛运行，且背压变化时的运行限制曲线。图 3某垃圾焚烧电站 15 MW 汽轮机安全运行区域图末级动叶片负功率时允许其短期运行的经验数据。某一质量流量下对由于排汽压力超过临界压力的末级动叶片负功率问题，汽轮机厂家一般不能保证其安全性，根据经验，一般情况下，在末级动叶片负功率不超过额定功率的 10%，同时排汽为湿蒸汽时，允许其短期运行。对于既要带极低负荷，排汽口又要承受来自旁路蒸汽的汽轮机设计技巧。汽轮机厂家在对低压排汽段进行结构设计时，可以考虑牺牲少量的额定工况效率，来推迟末级动叶片零功率出现的时间点。在方案设计阶段，对额定或者最低循环冷却水温度的工况，减少冷凝器冷却水流量，使该工况的背压适当提高，同时，在满足末级最佳速比的前提下，适当地降低末级喷嘴的通流面积，从而降低动叶片高度，以此来平衡汽轮机在小体积流量工况时，末级通道与蒸汽流量不匹配问题。考虑在系统中增加旁路冷凝器。针对长期有大量旁路蒸汽需要冷却的项目，可以考虑增加 1 台高背压的旁路冷凝器，因该旁路冷凝器无需匹配汽轮机的正常排汽，只需达到将垃圾焚烧炉产生的过余高温蒸汽冷凝的目的，所以可以在冷凝器材料和车间环境温度允许的前提下，适当地提高冷凝压力，从而冷却水量、冷凝器面积可相应减少，降低投资成本。增加控制、监控手段，提高运行水平，随时监测汽轮机排汽缸的温度、压力等参数。在降低汽轮机进汽流量，增加旁路蒸汽进入主凝缩颈时，密切监控汽轮机渊下转 176 页冤排汽流量/（t h-1）50.0045.0040.0035.0030.0025.0020.0015.0010.005.000.0015.020.025.030.035.040.045.050.055.060.053.25，45.0049.00，45.0021.00，16.5021.00，3.0053.25，8.70171-2023 年 31 期技术 窑 应用科技创新与应用Technology Innovation and Application参考文献院1 施国泉.油页岩开发利用现状与前景C/煤层气、油页岩、油砂矿综合利用技术研讨会论文集，2009：120-131.2 韩岗，朱文宏.新疆宝明油页岩露天矿配矿方法的分析J.露天采矿技术，2014（7）：28-30.3 任静.生物炭基异养硝化菌固定化体对水中氨氮的去除和N2O 排放的影响D.太原：太原理工大学，2020.4 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高青宇，王赵兴，姚国强.煤气化工艺中高氨氮废水的处理方法探讨J.煤炭加工与综合利用，2018（4）：40-43.背压变化，根据设备厂家提供的排汽流量与背压曲线，实时调整，找出汽轮机实际运行安全背压对应的排汽能力，并对设备厂家提供的理论曲线进行修正。其次，在后汽缸温度超过安全背压对应的饱和温度后，需投入带有高雾化喷头的减温装置，对后汽缸进行喷水降温，且喷头的设置点应远离末级动叶片的出汽边，防止喷射出的水滴运动到叶片上，造成末级动叶片出汽侧水蚀加剧。汽轮机厂家可采取的其他手段。在面对末级动叶片不可避免的负功率出现问题，汽轮机厂家应提升末叶片的材料强度，并对实际末级叶片的通流能力进行汽动实验，准确找到高背压下末级叶片的极限通流能力，根据叶片出现裂纹的时间、运行参数进行数据统计、分析，找出不同材料下末级叶片的精准寿命周期，极限运行参数，并制作图表作为用户的运行指导文件。5结束语随着垃圾焚烧电站行业对汽轮机运行能力提出的新要求，低负荷高背压工况在汽轮机的寿命周期内出现的频次将会逐步增加。本文通过对出现该运行工况的汽轮机末级通流流道分析，提出了影响汽轮机安全运行的4 类风险，并针对如何避免该风险，给出了 6 条可行的解决方案，可为行业相关从业者在项目建设、设备制造时提供设计指导。参考文献院1 李彬，杨自春，张磊，等.极低负荷工况下单缸核湿汽轮机末三级流动特性分析J.汽轮机技术，2021，63（4）：273-276.2 石红晖，张攀，曹蓉秀，等.小流量条件下低压缸末级流动特性研究J，动力工程学报，2022，42（2）：109-114.3 徐美超.小容积流量下汽轮机末级叶片动力特性研究D.吉林：东北电力大学，2021.4 李禹.汽轮机低压缸小容积流量下水蚀特性研究D.吉林：东北电力大学，2021.5 戈志华，马立群，李亚华，等.高背压供热汽轮机低压转子模态分析J，汽轮机技术，2019，61（3）：167-170.渊上接 员71 页冤176-