國內首臺25 MW中溫次高壓再熱垃圾發(fā)電汽輪機設計

摘" 要：為適應垃圾焚燒發(fā)電技術經(jīng)濟性提升需求，設計25 MW中溫次高壓再熱汽輪機。該機組為國內第一臺垃圾發(fā)電再熱機組，采用母管制單缸再熱、高轉速、沖反結合設計，具有結構緊湊、運行靈活、經(jīng)濟性高的特點，該機組的成功投運對小型再熱汽輪機技術及垃圾發(fā)電行業(yè)均有較高的指導意義。

關鍵詞：垃圾發(fā)電；中溫次高壓；母管再熱；單缸；沖反結合；高轉速

中圖分類號：TM619" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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，利用煙氣熱量將產(chǎn)生的蒸汽送入蒸汽輪機中發(fā)電的過程。近年來，隨著國家出臺的財政金融扶持、電價補貼、優(yōu)先上網(wǎng)、稅收優(yōu)惠和垃圾處理費補貼等一系列政策，在政府的大力支持下，垃圾發(fā)電行業(yè)進入了快速發(fā)展期。

由于垃圾發(fā)電上網(wǎng)有補貼，機組經(jīng)濟性提升帶來的售電收益非常大，在現(xiàn)有的部分垃圾發(fā)電尤其是示范項目工程中，為了提高機組經(jīng)濟性，相關發(fā)電主機設備選擇從國外引進，導致項目單位投資較采用國產(chǎn)設備投資高出近一倍[1]，因此，開發(fā)出高經(jīng)濟性的國產(chǎn)垃圾發(fā)電設備就顯得非常重要，這樣既可以減小國內垃圾發(fā)電項目投資，同時又打破技術壁壘，提高我國在垃圾發(fā)電領域的技術水平。

受垃圾總量及熱值限制，目前在建、預研的垃圾發(fā)電項目中汽輪機單機功率大多在10～40 MW，同時由于垃圾燃料具有水分高、熱值低、國內垃圾種類復雜等特點，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，因此單機功率小、進汽參數(shù)低等因素制約了垃圾發(fā)電汽輪機提高效率。

在此背景下，東方電氣集團（以下簡稱“東氣”）東方汽輪機有限公司積極探索研發(fā)，在提高機組可靠性和經(jīng)濟性方面不斷取得突破性，并于2016年9月18日正式中標國內首臺垃圾發(fā)電項目25 MW再熱汽輪機。雖然再熱技術已經(jīng)在東汽的中小型余熱發(fā)電汽輪機中廣泛應用，但是在垃圾發(fā)電領域尚屬國內首次，該機組將會大大提升垃圾發(fā)電行業(yè)經(jīng)濟技術水平，市場前景廣闊，同時該機組也是公司目前功率等級最小的再熱機組。

1" 汽輪機選型思路

垃圾發(fā)電汽輪機技術特點：初參數(shù)低、單機功率小、停機不停爐和經(jīng)濟性要求高等。

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

根據(jù)本機組初參數(shù)低的特點，以及垃圾電站經(jīng)濟性高、運行靈活的要求，最終決定采用單缸再熱結構，即高、低壓合缸，一次再熱，反流布置。

在轉速選擇上，對于進汽容積流量較小的機組，提高轉速能有效提高相對葉高，使機組效率上升，同時也有利于控制機組跨距。另外，東汽已擁有30～50 MW高轉速一次再熱機組的成功運行經(jīng)驗，技術積累豐富。因此，本機組決定采用高轉速設計。

在通流設計上，有沖動式和反動式2種。對本機組而言，若采用傳統(tǒng)的沖動式設計，由于單缸結構跨距較長，而高壓進汽容積流量偏小，通流根徑較小，在考慮隔板汽封徑向尺寸后，會造成高壓段轉子軸頸相對較小，影響轉子剛度設計。同時，由于隔板、葉輪都比動葉需要更大的軸向尺寸，這樣會減少通流級數(shù)，機組通流效率不高。如采用傳統(tǒng)的反動式設計，若要實現(xiàn)推力自平衡，根據(jù)經(jīng)驗，平衡活塞的直徑要與動葉平均中徑的大小相當[3]，則使前汽封直徑過大，增加漏汽量，對軸系振動也產(chǎn)生不利影響。另外，轉子的質量相比沖動式也將大大增加，既增加了成本，也給軸承的設計帶來難度。

考慮到以上問題，本機組采用了高壓缸反動式、低壓缸沖動式的沖反結合設計。這樣帶來的優(yōu)勢有：高壓反動式效率提升，低壓沖動式有成熟模塊，并且高低壓轉子軸頸相近，減小了階躍，質量分布均勻，提高了機組運行穩(wěn)定性。

2" 熱力系統(tǒng)

該項目配置2臺日處理垃圾量為500 t/d的余熱鍋爐和1臺汽輪機，即“兩爐一機”運行，當其中1臺鍋爐停運時采用單臺爐運行。

機組主要參數(shù)如下。

機組型式：N25-6.3/445/425型，中溫次高壓、一次中間再熱、高轉速、帶非調整抽汽、沖反結合、單缸、單軸、凝汽式汽輪機。

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）。

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

回熱系統(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" 汽輪機總體設計

3.1" 通流設計

通流設計采用高效的通流級和優(yōu)良的汽封結構。

通流部分：高壓級為反向流布置設計，中低壓級為正向流布置設計。調節(jié)級采用噴嘴配汽，高壓壓力級采用反動式、等根徑設計，均為全周進汽。中低壓通流采用逐級增高根徑的沖動式設計[4]。

3.2" 軸系設計

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

3.3" 軸封系統(tǒng)設計

本機組采用自密封系統(tǒng)，在機組啟動時，新蒸汽通過減壓站后，進入均壓箱，再分別供給機組前后軸封；正常運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)

機組的旁路系統(tǒng)主要功能在于解決機爐參數(shù)匹配、提高啟停靈活性、減少啟動時間、回收凝結水及保護鍋爐再熱器等。另外一個比較特殊的情況是，國內現(xiàn)有再熱機組均采用一爐一機配置，該項目采用兩爐一機，給機組啟動時參數(shù)調整、運行時參數(shù)調整、一爐和兩爐切換等都帶來了很大的難度，需要旁路配合調整。除此之外，由于垃圾的處理是不間斷的，所以當汽輪機降負荷或者停機時，鍋爐有可能仍然保持滿負荷運行，因此必須設置100%旁路。

該機組共設2級旁路：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)濟性分析

在本機組投運之前，國內垃圾焚燒電站均采用非再熱型式。采用再熱可以提高機組平均吸熱溫度，使循環(huán)效率得到提升。通過計算25 MW非再熱機組與再熱機組進行對比：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。非再熱機組與再熱機組的膨脹過程線如圖6所示。

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

在主汽壓力、溫度、背壓、轉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，各項指標均有較大程度提升：熱耗降低4.38%；汽耗降低12.1%；循環(huán)效率提高1.6個百分點；主汽量，降低12.1%。

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

5" 結束語

較常規(guī)垃圾焚燒發(fā)電機組而言，本機組結構緊湊、運行靈活，經(jīng)濟性也得到了顯著提升，對日益增長的垃圾發(fā)電行業(yè)是一個極大的技術突破。

該機組已于2018年6月17日順利通過72+24 h試運行，試運行期間，機組主輔機設備、軸系、控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項技術指標優(yōu)良，尤其是經(jīng)濟性好于設計值，得到了業(yè)主的認可。2019年2月，經(jīng)西安熱工院性能測試，試驗熱耗優(yōu)于設計熱耗4.2%，取得了非常好的應用示范效果。

參考文獻：

[1] 劉會金，陳荔，陳格恒.垃圾發(fā)電的開發(fā)利用[J].電工電能新技術，2005，24（4）：47-50.

[2] 曾曜，范長健.垃圾焚燒發(fā)電煙氣排放標準及提高對策研究[J].環(huán)境保護與循環(huán)經(jīng)濟，2017（2）：68-72.

[3] 沈維道，蔣智敏，童均耕.工程熱力學[M].北京：高等教育出版社，2000：9.

[4] 劉全，衛(wèi)棟梁，劉潤兵.高效再熱垃圾發(fā)電汽輪機組的開發(fā)及應用[J].東方汽輪機，２０１９（２）：６２－６4.