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垃圾发电汽轮机设计特点及发展探讨

王博

山东省鑫峰工程设计有限公司,山东济南,250000

摘要: 随着人民生活水平的不断提高,城市生活垃圾泛滥的问题日益加剧。为解决垃圾围城的问题,越来越多的城市选择建设垃圾焚烧发电厂。而垃圾发电汽轮机与常规凝汽式汽轮机有着密切关联,其通流设计、强度设计、可靠性设计等均采用相同的技术方法。但是在具体参数、热力系统配置等方面,两者存在着明显差别。基于此,本文就垃圾发电汽轮机设计特点及发展进行简要探讨。
关键词: 垃圾发电;汽轮机设计;发展
DOI:10.12721/ccn.2022.157013
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1垃圾发电技术概述

虽然垃圾燃烧具有很高的发电效率,但由于主要核心设备需依赖进口,工艺系统复杂,投资高。同时P对燃料要求较高,要求燃料热值较高、杂质较少。垃圾燃烧锅炉投运维修成本较高,核心进口设备维修周期长,燃料品质要求高,运行过程中故障率较高。垃圾燃烧锅炉发电机组经过多年的发展,随着锅炉、汽轮机高参数小型化技术的不断延伸,垃圾发电经历了中温中压、次高温次高压、高温高压、高温超高压一次中间再热、超高温亚临界一次中间再热五代技术。根据垃圾燃烧锅炉传统容量参数匹配原则,其主要应用于300MW及以上大型机组。但近年来,由于节能减排以及装备升级改造任务日益紧迫,国内新建垃圾发电机组逐渐向亚临界中间再热的技术方向发展。

2 垃圾发电汽轮机热力系统特点

2.1母管制

对于汽轮机组来说,采用母管制意味着机组的启动通常为额定参数启动,而机组的运行为定压运行。在汽轮机通流间隙设计以及启动热应力计算中,必须充分考虑这一特点。

2.2抽汽

为了解决余热锅炉尾部受热面空气预热器的低温腐蚀和积灰问题,大型垃圾焚烧发电厂开始采用蒸汽空气预热器代替常规烟气空气预热器。蒸汽空气预热器的采用,就要求汽轮机提供一路参数较高的抽汽。而普通的凝汽式汽轮机,没有到空气预热器的抽口。根据所处地域,垃圾发电汽轮机还可以设置采暖抽汽,采暖抽汽可以是非调整抽汽,也可以是采用旋转隔板控制的调整抽汽。

2.3旁路系统

为保证城市生活垃圾的连续处理,垃圾发电厂的垃圾焚烧炉和余热锅炉年运行不小于8000h,其存在着“停机不停炉”的现实需求。因此,在热力系统的设计上,必须考虑设置旁路系统,从而保证在汽轮机停机时,焚烧炉仍能满足垃圾处理的需求。当前垃圾焚烧发电厂采用的蒸汽旁路系统形式有:设置独立的旁路高压凝汽器,简称为大旁路形式;汽轮机带旁路减温减压器,简称为小旁路形式,当前国内正在建设或已建成的焚烧厂的热力系统都设置大旁路或小旁路。

3再热技术

目前,对于100MW以下汽轮机组,再热技术已经比较成熟,对于垃圾焚烧发电,分别是中温次高压再热垃圾发电汽轮机和中温超高压再热垃圾发电汽轮机。

3.1中温次高压再热垃圾发电汽轮机

中温次高压再热垃圾发电汽轮机参数见表1,采用了高转速的设计理念,通过齿轮箱带动发电机发电。机组采用高中压合缸,高压通流和中低压通流反向布置。高压通流采用高效反动式叶型,中低压通流采用高效冲动式叶型。机组采用提板式调节阀,布置紧凑。

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3.2中温超高压再热垃圾发电汽轮机

中温超高压再热垃圾发电汽轮机参数见表2,其同样采用了高转速的设计理念,通过齿轮箱带动发电机发电。该机组为双缸双转子结构,即高压通流与低压通流分缸反向布置。采用双缸双转子结构,可以增加通流级数,将各级焓降分配在最合理的水平,同样通过双转子三支点设计,可以降低汽轮机转子挠度,从而控制汽封间隙在比较小的水平。

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3.3再热技术应用展望

采用再热技术可以提高蒸汽循环效率,提升吨垃圾发电量。以中温次高压机组为例,采用中温、次高压再热技术后,经济指标明显优于采用中温中压常规技术的同规模机组。其中,汽轮机汽耗下降0.97kg/kWh,汽轮机热耗下降2693.9kJ/kWh,全厂热效率提高5.98%,吨垃圾发电量提高136.61kWh/t。按照1000t/d垃圾处理能力,年运行8000h计算,增加发电量5737万kWh。增加收益2869万元。

4 热电联产技术在垃圾发电汽轮机中的应用展望

4.1 可调抽汽供热

可调抽汽供热通过抽汽调节阀或者旋转隔板来实现,该供热技术是目前最为成熟,应用情形最广的技术,可以实现各个压力等级的抽汽供热。

4.2 高背压供热

在供暖季节,提升汽轮机的排汽背压到35kPa左右,直接排入热网加热器,汽轮机排汽与热网循环水换热,实现供暖目的。而在非供暖季节,汽轮机恢复常规背压(低于10kPa)运行,排汽排入凝汽器。采用高背压供热的汽轮机,对末级叶片的设计提出了新的要求,即末级叶片既要能够适合供暖季的高背压运行,也要适合非供暖季的低背压运行。要实现高背压供热的汽轮机,在设计时必须对末级叶片的安全性作专门的校核。

4.3 背压式纯凝式在线切换

对于季节性供热的用户,可以采用汽轮机背压式纯凝式在线切换技术实现季节性供热。在机组需要纯凝运行时,SSS离合器合上,高压转子低压转子同步转动,带动前端的发电机发电,排汽进入凝汽器。机组需要背压运行时,SSS离合器脱开,低压进汽部分阀门关闭,低压转子停止转动,低压缸停止运行。而继续转动的高压转子带动发电机发电,高压缸的排汽进入热网。

结论

综上所述,在垃圾发电汽轮机设计中,必须高度关注其独特的特点,并且在机组设计中加以考虑,才能保证机组在垃圾焚烧发电厂中发挥应有的作用。随着垃圾发电汽轮机市场的发展,下一阶段的市场关注点,将着眼于机组经济性的提升和更多用途的集成,具体代表就是再热技术和热电联产技术的应用。

参考文献:

[1] 韩汉平,刘建华,董含林,等.小容量高参数煤气发电技术应用特点及分析[J].能源与节能,2018(08):163-164.

[2] 马赛.CCPP 与全烧高炉煤气发电技术综合对比分析[J].山西冶金,2014,37(06):139-141.