垃圾焚燒發電廠汽輪機選型及通流改造經濟性分析

光大環保（中國）有限公司 于曉東 梁永財 熊志剛 王大任 中國光大綠色環保有限公司 嚴建華

引言

目前，隨著我國經濟的迅速發展，能源消耗量越來越大，也產生了嚴重的環境問題，不僅制約我國經濟的發展，還對人民生活質量造成嚴重威脅。因此，節能環保形勢已經越來越嚴重。為了我國社會經濟的可持續發展，各行各業都在進行節能降耗工作，作為垃圾焚燒發電行業，同樣也要倡導節能降耗，提高資源的利用率，促進垃圾焚燒發電行業的可持續發展。

在我國對垃圾進行處理的諸多方式中，利用垃圾進行焚燒發電成為主流。很多城市對生活垃圾都采用集中焚燒的方式處理，以實現垃圾的資源化、無害化和減量化，而且在焚燒垃圾的同時將其產生的熱能通過鍋爐吸收，變為蒸汽進入汽輪發電機組發電、變廢為寶，實現垃圾的資源化利用。可以說在各大城市中垃圾焚燒發電之所以能夠運用，不僅因為其對于垃圾進行了無害化、資源化和減量化處理，充分利用垃圾等廢棄物的熱量，更是因為其可持續發展和資源再利用的環保理念得到了社會各界的廣泛認同。

大多垃圾焚燒電廠存在投產規模大于實際接收垃圾量的問題，隨著垃圾分類的日益普及，可入爐垃圾量越來越少，因此要充分利用垃圾資源，提高能源的利用率。對于垃圾焚燒發電使用的汽輪機來說，汽輪機的通流部分是蒸汽在汽輪機內流動做功的通道，其結構設計嚴重影響汽輪機效率，對于通流部分的改造可提高機組效率。

本文介紹了垃圾焚燒發電系統汽輪機選型的重要性，對垃圾焚燒發電系統汽輪機如何選型，以及機組運行后對通流部分進行改造的方案，提高機組運行效率、提升經濟性、增強行業競爭力，達到節能降耗目的進行了簡單的論述。

1 新建汽輪發電機組選型建議及經濟性分析

在國家環保監管和多項政策的推動下，目前我國垃圾焚燒行業已經進入高質量成長期，垃圾焚燒發電廠越來越多，市場逐漸向小型城市分布，但是我國小型城市的人口卻越來越少，垃圾接收量也越來越低，并且隨著垃圾分類的日益普及，垃圾量及總熱值均無法滿足設計要求，更加延長了垃圾電廠的投資回收期，因此節能降耗工作也是需要積極探索的[1]。

垃圾焚燒發電系統多采用機械爐排爐，配套SNCR+旋轉噴霧半干法+干法脫酸+活性炭噴射吸附+布袋除塵器的傳統工藝，垃圾焚燒后產生的熱量經鍋爐換熱后變成蒸汽進入高速汽輪機做功，由發電機轉化為電能。隨著對垃圾焚燒電廠的深入了解，發現垃圾焚燒發電廠大部分設計會較為保守，且從安全方面考慮，鍋爐及汽輪機組富余量較大，因此系統存在以下問題：

部分公司考慮啟停的方便以及穩定性，選用兩爐一機的模式進行設計，但是垃圾量卻只夠一條垃圾焚燒發電系統運行，因此鍋爐系統無法在額定流量下運轉。為了保證鍋爐側正常的汽水循環過程，需通過汽輪機側調門調整主蒸汽壓力，此時節流損失較設計值加大，蒸汽流量降低，汽輪機通流截面積不變，噴嘴出口流速降低，此時汽輪機各級速比增大、偏離最佳速比，汽輪機效率降低，造成了能源浪費。

例如某項目垃圾實際入倉量為850t/d，垃圾處理量設計為2×500t/d，汽輪機型號為N25-6.2型，型式為中溫次高壓非調整抽汽凝汽式高轉速汽輪機，額定功率25MW、蒸汽溫度445℃、蒸汽壓力（高壓主汽閥前）6.2MPa（a）、汽輪機轉速5500r/min。按照汽輪機廠家提供的《汽輪發電機組熱力特性曲線》，兩爐一機THA 工況汽耗為4.491kg/kWh,鍋爐額定蒸發量工況汽耗為4.581kg/kWh，兩種工況時汽輪機負荷相差2%。對于2×500t/d 的垃圾焚燒線來說，如鍋爐能達到額定負荷運行，汽輪機無法達到滿負荷，損失約為415kW/h，按照全年運行8400h、0.65元/kWh 計算,年損失達226.59萬。

按兩爐一機設計，如因垃圾量嚴重不足、長期一條垃圾焚燒發電系統運行，按照汽輪機特性表進行估算，單爐額定蒸發量時的汽耗為4.753kg/kWh，與汽機額定工況時汽耗相差5.83%。此時估算發電損失約為604.45kW/h，按照全年運行8400h、0.65元/kWh 計算,年損失達330.03萬。如長期無法達到鍋爐額定負荷，汽輪機效率更低，損失更為巨大。

針對小型縣城，垃圾處理量可能會產生嚴重偏差時可以考慮按照兩爐兩機進行設計，兩爐兩機與兩爐一機對比，土建方面需增加汽機島，汽輪發電機廠房需要適當擴大。對于設備方面可以考慮給水泵、除氧器等共用一套設備，增加一臺汽輪機發電機組、兩臺凝泵，一臺軸封加熱器、一臺低加、管道、閥門等設備。此時如垃圾量僅夠滿足一臺焚燒爐運行時，配置兩爐一機與一爐一機按照汽輪機的效率偏差大約在5.83%，按其經濟效益估算3.64年可回收此部分增加的投資[2]。

汽輪機長時間低負荷運行將使末級葉片水蝕加劇，縮短設備壽命，嚴重時危害設備安全運行。因此，垃圾焚燒發電廠對于選用兩爐一機或者兩爐兩機方式，需根據城市發展情況慎重考慮。

2 已投運汽輪發電機組改造思路

隨著垃圾焚燒發電機組投運一年左右，城市人口的增長基本可以預見、垃圾收集量及熱值也基本穩定，并通過長時間鍋爐側的調整，各系統的運行狀態也趨于穩定，機組是否可以達到設計參數有了初步的了解。

對于無法達到滿負荷的已運行項目一般會存在兩種操作思路：一種是通過垃圾倉的存儲能力，在垃圾倉滿料時同時運行兩臺鍋爐且均達到設計熱負荷，此時汽輪機可接近設計負荷，整體運行效率較高，但在垃圾量不足時需停運一臺鍋爐或兩臺鍋爐同時停運，待垃圾倉容量足夠時再次啟動。此種方式會因設備的啟停縮短筑爐材料的使用壽命、而且增加電耗、浪費柴油、除鹽水、增加操作人員的負擔。同時單爐運行時機組效率更低，對于全年效率來說經濟性較差。

另一種也是大部分公司的操作方法，即兩臺鍋爐長期低負荷運行。為保證鍋爐側正常的汽水循環過程，需通過汽輪機側調門調整主蒸汽壓力，此時節流損失較設計值增大、蒸汽流量降低，汽輪機通流截面積不變、噴嘴出口流速降低，此時汽輪機各級速比增大，偏離最佳速比，汽輪機效率降低，造成了能源的浪費。

汽輪發電機組在投運一年左右一般會進行一次A 級檢修，對于達不到設計負荷的汽輪機，通流改造工作可以隨著此次大修同步進行。針對運行的機組通流部分改造可以分為以下三種方案：第一種是嚴重偏離設計參數時，例如原設計為兩爐一機，但實際垃圾量僅夠一臺鍋爐焚燒量的機組，最優方案是將轉子、噴嘴均按照新運行參數進行重新設計，同時進行更換，外缸不變，此時效率可提高約3～5%；第二種是根據已運行工況重新設計高壓區域的噴嘴，僅更換高壓區域的噴嘴，即更換前幾級隔板或持環，轉子不變動；第三種是將原高壓區域隔板或持環的進汽端或出汽端進行封堵，即封堵部分蒸汽通道。

第二種跟第三種方案的思路是通過調整流通面積改變蒸汽流速，接近各級的最佳速比，因汽輪機通流面積變小，可降低調節汽門的節流損失、提升機組效率，但同時會增加部分進汽損失，改造效果較第一種方案稍差。如機組無法達到設計負荷，為減少投資成本，可以按照第二種或第三種方案在大修過程中進行通流改造，轉子不變動、改變進入噴嘴的蒸汽流速，提高機組運行效率。

因改造后會造成機組調節級級前壓力升高，軸系軸向負推力增加，需核算整機的軸向推力是否在合適范圍內，如負向推力無法滿足運行需要，可對轉子前汽封環進行切削，同時更換汽封體[3]。

如因垃圾收運量或熱值的變更造成機組出力變大，可以考慮對機組進行一次大修，同時更換為原隔板或切除新增加的堵板并將流道打磨圓滑；如切削轉子汽封環可以增加一個環形結構，并使用原汽封體，使機組可恢復至原設計出力。其封堵方法詳見圖1。

圖1 封堵方法

3 工程改造方法及經濟性分析

按照某機組的運行狀況，2條500t/d 垃圾焚燒線配套一臺25MW 汽輪發電機組，汽輪機通流級數為21級，調節級一級，壓力級前七級為1#持環，壓力級9至14級為2#持環，壓力級15至17級為3#持環，后四級為單獨隔板。機組運行一年后，經過各方努力垃圾收運量依然未能達到設計量，摻入陳腐垃圾后實際垃圾入爐量約為850t/d。該項目按照第二種方式運行，蒸汽流量在85～90t/h 之間，平均負荷維持在19MW 左右。按照汽輪機特性曲線查出機組在此負荷工況下汽耗為4.623kg/kWh，利用機組大修時間針對通流部分進行改造，保留汽缸、閥門、轉子、軸承和軸承箱、等主要部套不變，對機組2～8級動靜葉進行改造，縮小機組通流面積，更換1#持環[4]。

因本臺機組前期的設計問題，在進行本次改造時會引起調節級級前壓力增加，造成軸系負向推力過大，故本次方案需同時對汽封體及轉子汽封圈進行調整。改造后機組汽耗約為4.575kg/kWh，兩種工況時汽輪機負荷相差1.05%。對于2×500t/d 的垃圾焚燒線來說損失約為200kW/h，按照全年運行8400h、電價0.65元/kWh 計算,年提高發電效益達109.2萬。

某3條750t/d 垃圾焚燒線預留1條750t/d 垃圾焚燒線的項目，配套兩臺35MW 汽輪發電機組，因為考慮到二期預留一條生產線，35MW 汽輪發電機組配置較大，需要對一臺機組進行改造。汽輪機通流級數為14級，調節級一級，壓力級前四級為1#持環，壓力級6至8級為2#持環，壓力級9至11級為3#持環，后三級為單獨隔板。因為設備生產較早，已按照4條750t/d 配套簽訂合同，后期變更為預留一條生產線。

按照汽輪機特性曲線查出機組在額定負荷工況下汽耗為4.28kg/kWh，單爐運行時汽輪機汽耗為4.68kg/kWh。利用機組大修時間針對通流部分進行改造，保留汽缸、閥門、轉子、軸承和軸承箱等主要部套不變，重新設計并更換1#持環、2#持環，縮小通流面積，改造后機組汽耗約為4.59kg/kWh，單爐運行兩種工況時汽輪機負荷相差1.96%。對于單臺35MW 的汽輪發電機組來說損失約為343kW/h，按照全年運行8400h、電價0.65元/kWh 計算，年提高發電效益達187.28萬。

對于部分預留鍋爐二期未建，但汽輪機容量已經考慮二期預留的機組更應該及時進行改造，以提高機組運行效率。

4 結語

總而言之，隨著我國垃圾焚燒發電規模的不斷擴大，實際垃圾接收量與預計存在較大偏差，垃圾焚燒發電機組不能滿負荷運行、效率也隨之降低。因此建議處于基建期的機組選型時需充分考慮城市人口、垃圾收集量以及垃圾熱值，合理選擇汽輪機的容量。中小型城市選用優先考慮采用一爐一機形式進行布置，大型城市可以根據人口增長情況考慮多爐一機的形式進行布置。

對于長期無法達到額定負荷的機組，可以在大修期間對通流部分進行改造，提升機組效率，保證機組的經濟運行，實現節能降耗的目的，以更好地履行社會責任。

參考文件

[1]劉曉宏,裴東升,等.汽輪機通流改造效果分析、存在問題研究及對策[J].中國電力,2016,4.

[2]程源.300MW 汽輪機通流改造及性能試驗研究[D].蘇州大學,2014.

[3]李秀平,苗承剛,等.調節級噴嘴面積對機組性能的影響與改造[J].中國電力,2013,11.

[4]于曉東.水泥窯余熱發電機組低負荷運行時改變調整方式對經濟性的影響[J].科技創新導報,2019,1.