国内垃圾焚烧发电汽轮机技术发展现状

2021-07-20蔡小燕李胤祺杨红霞

热力透平 2021年2期

蔡小燕，李胤祺，杨红霞

(上海汽轮机厂有限公司，上海 200240)

垃圾焚烧发电厂主要由垃圾焚烧炉、余热锅炉、汽轮机、发电机等主要设备组成。垃圾在焚烧炉内燃烧，产生850～1 100 ℃的高温烟气，烟气进入余热锅炉进行热交换，产生的水蒸气进入汽轮机做功，水蒸气的热能转换成机械能，从而驱动发电机发电。

在垃圾焚烧发电领域，国内大多数文献的研究方向集中在锅炉及整个电厂热力循环方面，汽轮机的研究成果相对较少。相关文献很难查找，偶有文献[1]分析了汽轮机主蒸汽压力、配置汽水分离器(Moisture Separator,MS)或汽水分离再热器(Moisture Separator Reheater,MSR)对机组性能及末叶片水蚀的影响，但未涉及主蒸汽温度、回热系统配置、功率等影响因素。本文从汽轮机的主蒸汽参数、功率等级、热力循环系统3方面介绍垃圾焚烧发电汽轮机的最新技术发展方向，并介绍了上海汽轮机厂(上汽厂)的3款典型的非再热垃圾发电汽轮机产品，旨在为国内垃圾焚烧发电行业的研究提供参考。

1 垃圾焚烧发电的发展现状

垃圾焚烧发电技术在欧美、日本等发达国家发展得比较早，20世纪80年代才开始在我国发展。通过引进国外先进的焚烧设备和技术，消化吸收以及自主优化创新，我国的垃圾焚烧发电技术步入了较为成熟的发展阶段[2]。

随着国务院印发《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》，垃圾焚烧发电进入了一个快速发展的时期。近几年，光大集团、深能环保公司、康恒环境等企业均有很多垃圾发电项目。随着项目遍地开花，垃圾焚烧发电技术也得到了很大的发展。

国内垃圾焚烧发电行业的竞争越来越激烈。为追求更好的经济效益，各企业开始积极探寻通过提高垃圾发电机组循环热效率来增加收益的方法，如汽轮机运行参数的提高、机组容量的增大及热力循环系统的优化。国家发改委在2012年发布了垃圾焚烧发电价格政策的通知，每吨垃圾折算的上网电量为280 kW·h，垃圾发电的标杆电价为0.65元/(kW·h)，超过上网电量的部分执行当地同类燃煤发电机组的上网电价[3]。而相同垃圾数量下提升发电上网收入的最佳方法是提高发电效率，常用措施为提高主蒸汽参数、机组功率等级以及优化热力循环系统。

2 发电效率的影响因素

2.1 主蒸汽参数

提升主蒸汽参数可以提高热力循环系统的平均吸热温度，从而提高循环效率。但主蒸汽参数的提高需要综合考虑电厂运营的稳定性和安全性。

2.1.1 主蒸汽温度

根据热力学原理，主蒸汽温度的提高不仅可以提高循环效率，同时因过热度增大，蒸汽比容增大，还可以提高汽轮机的通流效率[4]。

垃圾焚烧发电厂以垃圾为主要燃料，垃圾的成分比较复杂，其中含橡胶、塑料等成分。这些成分焚烧后产生的烟气含有大量的氯化氢和氯气等气体，会腐蚀余热锅炉中的换热部件[5]。当管壁温度超过400 ℃，腐蚀速度加快，所以垃圾发电汽轮机主蒸汽温度一直处于中温的水平，大多数在400～450 ℃，低于常规燃煤火电机组。

图1为同等参数条件下，主蒸汽温度提高对汽轮机侧热耗的影响关系曲线，从上述曲线看出，主蒸汽温度的提高可以明显降低汽轮机侧的热耗，主蒸汽温度从400 ℃提高到480 ℃后，汽轮机侧热耗降低约4%。

图1 汽轮机侧热耗随主蒸汽温度变化关系曲线

近两年随着经济的发展和国民生产水平的提高，以及垃圾分类政策逐步落实，垃圾成分呈简单化态势，所以垃圾焚烧电厂开始将主蒸汽温度提高至480 ℃。不同垃圾焚烧发电项目的进汽参数及项目配置如表1所示。

表1 不同垃圾焚烧发电项目的进汽参数及项目配置

2.1.2 主蒸汽压力

当主蒸汽温度、排汽压力一定时，在一定范围内提高主蒸汽压力可提高机组循环热效率[4]。由于主蒸汽温度提高的幅度有限，因此垃圾焚烧电厂的汽轮机主蒸汽压力一直处于中压或次高压的水平，大多数在4～6.5 MPa，如表1所示。汽轮机侧热耗随主蒸汽压力变化关系曲线如图2所示。主蒸汽温度不变的情况下，如果提高主蒸汽压力，汽轮机侧热耗会明显降低。从图2可以看出，主蒸汽压力提高1 MPa，汽轮机侧热耗降低约1%。但主蒸汽压力提高会降低蒸汽过热度，导致汽轮机排汽湿度增加，增加末级叶片水蚀的风险。根据文献[1]，当主蒸汽压力提高至8 MPa时，排汽干度将低于85%，此时末级叶片面临着严重的水蚀风险，若要进一步提高压力，则需要采用MS或采用再热循环来降低末叶片的湿度。

图2 汽轮机侧热耗随主蒸汽压力变化关系曲线

主蒸汽压力的提高需要增加锅炉受压面管道的壁厚，导致锅炉的投资增加。文献[6]显示，中温中压(压力4 MPa，温度400 ℃)和中温次高压(压力6.4 MPa，温度450 ℃)的锅炉相比，锅炉侧的总投资少3 350万元(2010年的数据)。

2.2 功率等级

提高单台机组的功率等级，有利于提高汽轮机通流效率和发电机效率，进而提高整个热力循环系统的效率。

垃圾焚烧电厂汽轮机的功率等级与城市的发展规模有关，也与垃圾的热值有关。一般县级市的垃圾焚烧电厂规模比较小，汽轮机的功率在10～15 MW；中型城市汽轮机的功率在25～35 MW；大型城市比如上海、深圳等一线城市，汽轮机的功率最高达到75 MW。随着经济的发展、垃圾分类的推行，垃圾的数量和热值也在提高，新建垃圾焚烧电厂也在往更大功率等级方向发展。不同垃圾焚烧发电项目的功率等级及项目配置如表2所示。

表2 不同垃圾焚烧发电项目的功率等级及项目配置

2.3 热力循环系统

除了提高主蒸汽参数以提高蒸汽的平均吸热温度以外，改进吸热过程也是一个提高热力循环效率的有效的方法。目前常采用多级回热循环和再热循环来提高循环热效率。

2.3.1 给水回热循环

垃圾焚烧电厂中，凝汽器的凝结水经过凝结水泵、轴封加热器、低压加热器、除氧器、给水泵后，在锅炉省煤器与烟气换热。多数项目配置1级除氧器和1级低压加热器，也有项目配置2级低压加热器。

垃圾焚烧发电汽轮机一般会配置2段非调整抽汽，用于垃圾渗滤液处理、化学水处理以及空预器中的空气预热。一段蒸汽直接从除氧器抽汽口抽出，另一段蒸汽从除氧器抽汽口前面的抽汽口抽出。

排烟热损失是垃圾焚烧锅炉的主要热损失。降低排烟温度，可以降低排烟热损失，但由于低温腐蚀和烟气净化工艺需要，目前垃圾焚烧锅炉的排烟温度一般控制在190～200 ℃[7]。由于设备存在换热端差，给水温度一般为130 ℃左右。但目前已经有项目通过增大省煤器将给水温度提高到了150 ℃。

在锅炉放热量相同的情况下，不同回热配置和给水温度下汽轮机侧热耗的对比数据如表3所示。方案1为1除氧1低加，方案2为1除氧2低加，方案3为给水温度提高后的1除氧1低加。从表3中可知，增加1级低加，汽轮机侧热耗降低约0.5%；给水温度从130 ℃提高至150 ℃，汽轮机侧热耗降低约1%。

表3 不同回热配置和给水温度下汽轮机侧热耗的对比

2.3.2 再热循环

根据国家节能减排的要求，垃圾焚烧发电厂也在寻求更高的能源转换效率。在主蒸汽参数提高能力受限的情况下，国内垃圾焚烧发电厂开始采用再热循环方式。常规非再热循环的电厂发电效率仅有20%左右[5]，采用再热循环可以明显提高吸热过程的平均温度，从而提高全厂热效率，并能够降低排汽湿度。

目前再热方式有炉外再热和炉内再热2种。炉外再热由于加热汽源的不同，因此再热温度有所不同，具体如表4所示。在国外，再热循环早有应用，比如2007年荷兰阿姆斯特丹AEB电厂通过提高主蒸汽参数并采用再热循环系统(炉外再热)，将全厂焚烧发电效率提高到30%[5]。

表4 不同项目的再热循环方式

采用再热循环，不论是炉内再热还是炉外再热方式，在锅炉吸热量一致的情况下，都能明显降低汽轮机侧热耗，提高出力，但锅炉侧的投资会有一定幅度上升。

3 典型产品介绍

上汽厂一直重点关注垃圾焚烧发电市场，经过几年的积累，开发了3款非再热垃圾发电汽轮机产品，近3年获得了近50台的订单业绩。这3款汽轮机产品均基于反动式、小直径、多级数的通流设计理念，采用先进的变反动度弯扭叶片，机组的通流效率得到了大幅提高。下文3款汽轮机系列编号均为工厂编号。

3.1 TN(E)1系列

该系列汽轮机适用于小型电站，功率为10～25 MW，最高进汽参数为压力6.5 MPa、温度480 ℃，为反动式、非再热、单缸、单流、凝汽式汽轮机，可根据用户需求配置1档调整抽汽，满足轴向排汽或向下排汽的需求。汽轮机为高转速设计，整个汽轮发电机组由汽轮机、减速箱、发电机组成。该系列机型配置326 mm和375 mm两款长叶片供不同项目选择。汽轮机采用喷嘴配汽方式，配置1个主汽阀和3个调节阀。机组可实现整装发运，减少现场的安装工作量，提高安装精度。该系列汽轮机已经有10多台的应用业绩。向下排汽的汽轮机效果图如图3所示。

图3 TN(E)1系列的汽轮机效果图

3.2 TN(E)3系列

该系列汽轮机适用于中型电站，功率为25～50 MW，最高进汽参数为压力6.5 MPa、温度480 ℃，为反动式、非再热、单缸、单流、凝汽式汽轮机，可根据用户需求配置1档调整抽汽，满足轴向排汽或向下排汽的需求。汽轮机为高转速设计，整个汽轮发电机组由汽轮机、减速箱、发电机组成。该系列机型配置500 mm和577 mm两款长叶片供不同项目选择。汽轮机效果图同TN(E)1，仅尺寸增加。机组可实现整装发运。该系列汽轮机已经有约20台的应用业绩。

3.3 HN(E)6系列

该系列汽轮机适用于大型电站，功率为50～100 MW，最高进汽参数为压力6.5 MPa、温度480 ℃，为反动式、非再热、单缸、单流、凝汽式汽轮机，可根据用户需求配置1档调整抽汽，满足轴向排汽或向下排汽的需求。汽轮机为常规转速设计，汽轮机直连发电机。该系列机型配置690 mm和665 mm两款长叶片供不同项目选择。汽轮机采用喷嘴配汽方式，配置2个主汽阀和4个调节阀。该系列汽轮机已经有约10台的应用业绩。轴向排汽的汽轮机效果图如图4所示。