垃圾焚燒發(fā)電汽輪機(jī)熱力性能優(yōu)化

張 星，楊紅霞，朱 奇

(上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240)

近年來我國生活垃圾焚燒發(fā)電發(fā)展迅速，已經(jīng)成為垃圾無害化處理的主要措施，垃圾焚燒發(fā)電裝機(jī)容量也在不斷提高。垃圾焚燒鍋爐以城鎮(zhèn)生活垃圾為燃料，將鍋爐給水加熱為過熱蒸汽，進(jìn)入汽輪機(jī)做功對(duì)外供電[1-2]。根據(jù)業(yè)主反饋信息，垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目整體投資較高，汽輪發(fā)電機(jī)組只占總投資的3%左右，而提高汽輪機(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率，可以提高汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電量，增加電廠發(fā)電收益，可以非常有效地提高投資收益。

為了提高垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的循環(huán)效率，可以考慮提高主汽參數(shù)(主汽壓力、主汽溫度)、降低背壓、提高給水溫度等，進(jìn)行回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化。

由于垃圾焚燒鍋爐管壁腐蝕速度與溫度直接相關(guān)，目前鍋爐過熱器出口溫度一般不超過450 ℃，如果過熱器出口溫度進(jìn)一步提高，管壁腐蝕速度急劇增加，因此，在考慮汽輪機(jī)進(jìn)汽管道溫?fù)p后，汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度一般為440 ℃。目前的垃圾焚燒發(fā)電汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)多為中溫中壓，也有少數(shù)為中溫次高壓[3]，后者如上海老港二期、廣州李坑等。目前垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組的鍋爐給水溫度為130 ℃左右，但提高給水溫度會(huì)提高鍋爐排煙溫度，影響鍋爐效率，因此給水溫度提高空間不大。回?zé)嵯到y(tǒng)一般設(shè)置1臺(tái)定壓除氧器和1臺(tái)低壓加熱器，優(yōu)化空間有限。

綜上，可以考慮提高主汽壓力或者降低背壓來提高循環(huán)效率，但是該方案同時(shí)會(huì)帶來末葉片干度降低、水蝕增加的風(fēng)險(xiǎn)，因此提高主汽壓力或者降低背壓的方法需要配合再熱或者去濕一起使用。由于垃圾焚燒鍋爐多為不再熱鍋爐，采用煙氣再熱設(shè)備，設(shè)計(jì)難度較大，成本較高，因此可以考慮使用汽水分離器或者汽水分離再熱器(爐外再熱)來進(jìn)行去濕。

為了提高垃圾焚燒發(fā)電的循環(huán)效率，國內(nèi)外已有提高主汽壓力、降低排汽壓力的案例。如荷蘭阿姆斯特丹AEB發(fā)電廠采用汽包再熱循環(huán)系統(tǒng)，為了提高循環(huán)效率高，主蒸汽參數(shù)達(dá)到12.5 MPa、440 ℃，背壓達(dá)到3 kPa[4]。

本文通過研究提高主汽壓力，以及汽水分離器、汽水分離再熱器的使用對(duì)汽輪機(jī)熱力性能及末葉片水蝕的影響，為垃圾焚燒發(fā)電汽輪機(jī)熱力性能優(yōu)化提供一定參考。本文的分析均采用統(tǒng)一的邊界條件：進(jìn)汽溫度440 ℃、進(jìn)汽量130 t/h、排汽壓力8.9 kPa、給水溫度130 ℃、配置回?zé)嵯到y(tǒng)(1臺(tái)定壓除氧器和1臺(tái)低壓加熱器)，且各級(jí)回?zé)岢槠趬毫Σ蛔?，汽水分離器和汽水分離再熱器壓力不變，汽輪機(jī)為單缸無再熱，功率等級(jí)34 MW左右。

1 原則性熱力系統(tǒng)圖

根據(jù)朗肯循環(huán)定義，汽輪機(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率計(jì)算公式如下[5]：

ηi=ηT×ηt

(1)

式中：ηi為汽輪機(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率；ηT為汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率；ηt為理想朗肯循環(huán)熱效率。

在汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度為440 ℃的前提下，汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力提高，理想朗肯循環(huán)熱效率隨之提高，但是由于排汽濕度增加，排汽的濕汽損失與末葉片的水蝕都會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率下降。實(shí)際循環(huán)熱效率的變化需綜合考慮理想朗肯循環(huán)效率及汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率的變化[6]。

當(dāng)主汽壓力為5.2 MPa時(shí)，排汽干度接近88%，汽輪機(jī)可采用常規(guī)方案；當(dāng)主汽壓力進(jìn)一步提高，為了防止排汽濕度過大，該汽輪機(jī)考慮設(shè)置汽水分離器(Moisture Separator, MS)，或者汽水分離再熱器(Moisture Separator Reheater, MSR)。MSR被廣泛應(yīng)用在核電汽輪機(jī)領(lǐng)域，技術(shù)成熟，安全可靠[7]。去濕點(diǎn)暫定為除氧器抽汽口，汽輪機(jī)被分為高壓段、低壓段兩段，再熱的熱源來自主蒸汽或高壓缸抽汽。

各方案原則性熱力系統(tǒng)圖分別見圖1至圖3，其中汽水分離器的疏水、再熱汽的疏水及掃排汽均排到除氧器中進(jìn)行回收。再熱器掃排汽的設(shè)置是防止換熱過程中發(fā)生再熱器汽源過冷現(xiàn)象，產(chǎn)生設(shè)備振動(dòng)，影響換熱效果[7]。

圖1 常規(guī)方案原則性熱力系統(tǒng)圖

圖2 MS方案原則性熱力系統(tǒng)圖

圖3 MSR方案原則性熱力系統(tǒng)圖

2 性能對(duì)比

以主汽壓力5.2 MPa的常規(guī)方案為基準(zhǔn)，常規(guī)方案、MS方案、MSR方案實(shí)際循環(huán)熱效率隨主汽壓力提高而提高，見圖4，各方案排汽干度見圖5。

圖4 實(shí)際循環(huán)熱效率提高比例隨主汽壓力變化曲線

圖5 排汽干度隨主汽壓力變化曲線

常規(guī)方案中，實(shí)際循環(huán)熱效率隨著主汽壓力的提高而提高，同時(shí)，排汽干度降低。當(dāng)主汽壓力高于8 MPa、排汽干度低于85%時(shí)，循環(huán)熱效率提升幅度下降，其原因是排汽濕汽損失增加，末葉效率降低，汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率明顯下降。

汽水分離器的使用可將高壓段排汽的濕蒸汽干度提高到99.5%左右，此時(shí)末葉片排汽干度基本保持在85%左右，相比于常規(guī)方案，末3級(jí)葉片效率提高，汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率提高，實(shí)際循環(huán)熱效率提高。且隨著汽輪機(jī)主汽壓力的提高，汽水分離器的作用更加明顯，MS方案與常規(guī)方案的性能差距也加大。主汽壓力在8.0～13.0 MPa之間時(shí)，MS方案實(shí)際循環(huán)熱效率提高幅度大于常規(guī)方案。

在汽水分離器基礎(chǔ)上，采用再熱器將高壓段排汽進(jìn)一步加熱至過熱蒸汽，再熱汽源暫為主蒸汽，再熱溫度是再熱汽源壓力的函數(shù)，其計(jì)算公式如下：

T=Ts[p×(1-Δp)]-Δt

(2)

式中：T為再熱溫度，℃；Ts[x]為已知壓力x下的飽和蒸汽溫度，℃；p為再熱汽源壓力，MPa；Δp為再熱汽源至再熱器的管道壓損，1；Δt為再熱器換熱端差，℃。

再熱溫度隨著主汽壓力的提高而提高，同時(shí)再熱蒸汽的過熱度也提高。過熱度隨主汽壓力變化曲線見圖6。末葉片排汽干度進(jìn)一步提高到92%以上，這大大提高了末葉片的安全性。

圖6 再熱器出口蒸汽過熱度隨主汽壓力變化曲線

由于MSR的汽源占主蒸汽的14%左右，這使得進(jìn)入高壓缸做功的蒸汽流量降低。雖然去濕后末葉效率顯著提高，但是循環(huán)效率比MS方案低2%～3%，因此采用再熱器并不能提高實(shí)際循環(huán)熱效率。

3 末葉片水蝕

汽輪機(jī)末葉片工作在濕蒸汽區(qū)，蒸汽中的水滴由于慣性較大，其絕對(duì)速度遠(yuǎn)小于汽流速度，這導(dǎo)致其以較大的相對(duì)速度撞擊動(dòng)葉進(jìn)汽邊，產(chǎn)生葉片水蝕。葉片水蝕產(chǎn)生機(jī)理和影響因素非常復(fù)雜，評(píng)估其嚴(yán)重性的理論不統(tǒng)一，各制造廠商有各自的評(píng)估經(jīng)驗(yàn)。1970年Gloger總結(jié)西德KWU透平制造廠的經(jīng)驗(yàn)，提出了評(píng)估葉片侵蝕危險(xiǎn)性的公式[8]：

(3)

式中：E為侵蝕指數(shù)；y0為級(jí)前濕度；p0為級(jí)前壓力，MPa(a)；D為葉片頂徑，m；n為葉片轉(zhuǎn)速，r/min。

當(dāng)侵蝕指數(shù)E<0.2時(shí)，葉片沒有侵蝕危險(xiǎn)；當(dāng)E達(dá)到0.8時(shí)，葉片略有侵蝕危險(xiǎn)；當(dāng)E>3時(shí)，葉片會(huì)出現(xiàn)侵蝕，造成危險(xiǎn)?？梢钥闯?，末葉片的侵蝕受到蒸汽濕度、級(jí)前壓力、葉片頂部速度等各方面影響。

各方案的末葉片侵蝕指數(shù)見圖7。常規(guī)方案中末葉片侵蝕指數(shù)隨主汽壓力的提高而提高，當(dāng)主汽壓力高于7 MPa時(shí)，末葉片侵蝕指數(shù)高于0.8，容易出現(xiàn)侵蝕危險(xiǎn)；主汽壓力提高到13 MPa時(shí)，末葉片侵蝕指數(shù)接近1.6。MS方案中排汽侵蝕指數(shù)接近0.9，且不論主汽壓力是否提高，都基本不變。MSR方案中排汽侵蝕指數(shù)隨主汽壓力提高而降低，均低于0.3?？梢奙S、MSR的使用均可以降低排汽侵蝕指數(shù)，有效防止末葉片發(fā)生水蝕，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

圖7 末葉片侵蝕指數(shù)隨主汽壓力變化曲線

本文各對(duì)比方案選用的排汽背壓為8.9 kPa，且末葉片高度相對(duì)較低，末葉片的侵蝕指數(shù)最高為1.6?？梢圆捎每招撵o葉或者去濕溝等有效去濕措施對(duì)末葉片進(jìn)行內(nèi)部保護(hù)，保證末葉片不產(chǎn)生安全危險(xiǎn)。對(duì)于功率等級(jí)較高或背壓較低的汽輪機(jī)，設(shè)計(jì)人員將采用更長(zhǎng)的末葉片，相同主汽壓力下的末葉片侵蝕指數(shù)將會(huì)更加惡劣，此時(shí)有必要采用MS方案甚至MSR方案，來保證末葉片的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 MSR汽源影響

當(dāng)MSR的汽源采用主蒸汽時(shí)，排汽侵蝕指數(shù)有了很大的降低，末葉片更加安全，但是同時(shí)損耗了主蒸汽流量，這使得實(shí)際循環(huán)熱效率下降。通過建立模型，本文分析了再熱汽源壓力對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、末葉片安全性的影響，結(jié)果表明如果汽源改為較低壓力的汽輪機(jī)高壓段抽汽，則可以在保證較低的末葉片侵蝕指數(shù)的同時(shí)，提高汽輪機(jī)高壓段做功能力，進(jìn)而提升實(shí)際循環(huán)熱效率。

當(dāng)汽源壓力降低時(shí)，實(shí)際循環(huán)熱效率提高，相對(duì)基準(zhǔn)的變化曲線見圖8。同時(shí)，末葉片排汽干度降低，末葉片侵蝕指數(shù)增加，見圖9。當(dāng)汽源壓力在1.0 MPa左右時(shí)，排汽侵蝕指數(shù)為0.8，此時(shí)實(shí)際循環(huán)熱效率也接近最大值，這樣既保證了末葉片安全，又保證了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

圖8 實(shí)際循環(huán)熱效率提高比例隨再熱汽源壓力

圖9 末葉片侵蝕指數(shù)、排汽干度隨再熱汽源壓力

5 結(jié) 論

本文采用對(duì)比分析的方法，重點(diǎn)研究主汽壓力提高對(duì)汽輪機(jī)熱力性能及排汽干度的影響，同時(shí)采用MS、MSR來提高排汽干度，并研究二者的使用對(duì)實(shí)際循環(huán)熱效率的影響，得出如下結(jié)論：

1)對(duì)于非再熱的垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組，在主蒸汽溫度保持440 ℃不變的前提下，當(dāng)主汽壓力從5.2 MPa提高到13 MPa時(shí)，實(shí)際循環(huán)熱效率不斷提高，但同時(shí)帶來末葉片排汽濕度增加的問題，侵蝕指數(shù)增大，存在一定安全隱患。

2)當(dāng)主汽壓力高于8 MPa時(shí)，采用MS對(duì)汽輪機(jī)高壓段排汽進(jìn)行去濕，可以提高汽輪機(jī)排汽干度和末葉片效率，進(jìn)而提高汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率和實(shí)際循環(huán)熱效率，同時(shí)可以降低末葉片侵蝕指數(shù)，降低末葉片水蝕風(fēng)險(xiǎn)。

3)采用MSR，汽源采用主蒸汽，可以使排汽濕度明顯降低，使末葉片侵蝕指數(shù)達(dá)到最低，運(yùn)行最安全。但是該方案犧牲了主蒸汽流量，性能比MS方案低2%～3%。通過方案優(yōu)化，本文得到了相對(duì)最佳再熱汽源壓力，這樣既保證了末葉片安全，又提高了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，與采用MS相比，實(shí)際循環(huán)熱效率降低少于0.5%。

4)當(dāng)主汽壓力從5.2 MPa提高到13 MPa，同時(shí)采用MS或MSR，實(shí)際循環(huán)熱效率均可以提高7%以上。但是受限于鍋爐的制造成本及難度，主汽壓力不能無限提高，而且當(dāng)主汽壓力繼續(xù)提高，汽輪機(jī)首級(jí)葉片高度將急劇降低，導(dǎo)致汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率降低，這會(huì)使實(shí)際循環(huán)熱效率下降。本文推薦該進(jìn)汽流量下的最高進(jìn)汽壓力為13 MPa。不同項(xiàng)目可能存在不同的最高進(jìn)汽壓力，建議依據(jù)汽輪機(jī)進(jìn)汽容積流量進(jìn)行判斷。本文未考慮主汽壓力提高帶來鍋爐成本增加、給水泵耗功增加的影響，在實(shí)際項(xiàng)目中建議綜合整廠成本及收益，合理選擇主汽壓力。