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垃圾焚燒發(fā)電廠汽輪機選型及通流改造經(jīng)濟性分析

2022-10-31 06:28光大環(huán)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(huán)保有限公司嚴(yán)建華
電力設(shè)備管理 2022年17期
關(guān)鍵詞:通流垃圾焚燒發(fā)電機組

光大環(huán)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(huán)保有限公司 嚴(yán)建華

引言

目前,隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展,能源消耗量越來越大,也產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境問題,不僅制約我國經(jīng)濟的發(fā)展,還對人民生活質(zhì)量造成嚴(yán)重威脅。因此,節(jié)能環(huán)保形勢已經(jīng)越來越嚴(yán)重。為了我國社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,各行各業(yè)都在進行節(jié)能降耗工作,作為垃圾焚燒發(fā)電行業(yè),同樣也要倡導(dǎo)節(jié)能降耗,提高資源的利用率,促進垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)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(fā)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(xiàn)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(chǎn)生的熱能通過鍋爐吸收,變?yōu)檎羝M入汽輪發(fā)電機組發(fā)電、變廢為寶,實現(xiàn)垃圾的資源化利用??梢哉f在各大城市中垃圾焚燒發(fā)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(xù)發(fā)展和資源再利用的環(huán)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(chǎn)規(guī)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(fā)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(nèi)流動做功的通道,其結(jié)構(gòu)設(shè)計嚴(yán)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(fā)電系統(tǒng)汽輪機選型的重要性,對垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)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(jīng)濟性、增強行業(yè)競爭力,達到節(jié)能降耗目的進行了簡單的論述。

1 新建汽輪發(fā)電機組選型建議及經(jīng)濟性分析

在國家環(huán)保監(jiān)管和多項政策的推動下,目前我國垃圾焚燒行業(yè)已經(jīng)進入高質(zhì)量成長期,垃圾焚燒發(fā)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(shè)計要求,更加延長了垃圾電廠的投資回收期,因此節(jié)能降耗工作也是需要積極探索的[1]。

垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)多采用機械爐排爐,配套SNCR+旋轉(zhuǎn)噴霧半干法+干法脫酸+活性炭噴射吸附+布袋除塵器的傳統(tǒng)工藝,垃圾焚燒后產(chǎn)生的熱量經(jīng)鍋爐換熱后變成蒸汽進入高速汽輪機做功,由發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能。隨著對垃圾焚燒電廠的深入了解,發(fā)現(xiàn)垃圾焚燒發(fā)電廠大部分設(shè)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(tǒng)存在以下問題:

部分公司考慮啟停的方便以及穩(wěn)定性,選用兩爐一機的模式進行設(shè)計,但是垃圾量卻只夠一條垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)運行,因此鍋爐系統(tǒng)無法在額定流量下運轉(zhuǎn)。為了保證鍋爐側(cè)正常的汽水循環(huán)過程,需通過汽輪機側(cè)調(diào)門調(diào)整主蒸汽壓力,此時節(jié)流損失較設(shè)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(shè)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(diào)整抽汽凝汽式高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速5500r/min。按照汽輪機廠家提供的《汽輪發(fā)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(fā)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(shè)計,如因垃圾量嚴(yán)重不足、長期一條垃圾焚燒發(fā)電系統(tǒng)運行,按照汽輪機特性表進行估算,單爐額定蒸發(fā)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(fā)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(chǎn)生嚴(yán)重偏差時可以考慮按照兩爐兩機進行設(shè)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(fā)電機廠房需要適當(dāng)擴大。對于設(shè)備方面可以考慮給水泵、除氧器等共用一套設(shè)備,增加一臺汽輪機發(fā)電機組、兩臺凝泵,一臺軸封加熱器、一臺低加、管道、閥門等設(shè)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(jīng)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(shè)備壽命,嚴(yán)重時危害設(shè)備安全運行。因此,垃圾焚燒發(fā)電廠對于選用兩爐一機或者兩爐兩機方式,需根據(jù)城市發(fā)展情況慎重考慮。

2 已投運汽輪發(fā)電機組改造思路

隨著垃圾焚燒發(fā)電機組投運一年左右,城市人口的增長基本可以預(yù)見、垃圾收集量及熱值也基本穩(wěn)定,并通過長時間鍋爐側(cè)的調(diào)整,各系統(tǒng)的運行狀態(tài)也趨于穩(wěn)定,機組是否可以達到設(shè)計參數(shù)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(shè)計熱負荷,此時汽輪機可接近設(shè)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(shè)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(dān)。同時單爐運行時機組效率更低,對于全年效率來說經(jīng)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(cè)正常的汽水循環(huán)過程,需通過汽輪機側(cè)調(diào)門調(diào)整主蒸汽壓力,此時節(jié)流損失較設(shè)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(fā)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(shè)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(yán)重偏離設(shè)計參數(shù)時,例如原設(shè)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(yōu)方案是將轉(zhuǎn)子、噴嘴均按照新運行參數(shù)進行重新設(shè)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(jù)已運行工況重新設(shè)計高壓區(qū)域的噴嘴,僅更換高壓區(qū)域的噴嘴,即更換前幾級隔板或持環(huán),轉(zhuǎn)子不變動;第三種是將原高壓區(qū)域隔板或持環(huán)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(diào)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(diào)節(jié)汽門的節(jié)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(shè)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(nèi),如負向推力無法滿足運行需要,可對轉(zhuǎn)子前汽封環(huán)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(zhuǎn)子汽封環(huán)可以增加一個環(huán)形結(jié)構(gòu),并使用原汽封體,使機組可恢復(fù)至原設(shè)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(jīng)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(fā)電機組,汽輪機通流級數(shù)為21級,調(diào)節(jié)級一級,壓力級前七級為1#持環(huán),壓力級9至14級為2#持環(huán),壓力級15至17級為3#持環(huán),后四級為單獨隔板。機組運行一年后,經(jīng)過各方努力垃圾收運量依然未能達到設(shè)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(zhuǎn)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(huán)[4]。

因本臺機組前期的設(shè)計問題,在進行本次改造時會引起調(diào)節(jié)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(zhuǎn)子汽封圈進行調(diào)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(fā)電效益達109.2萬。

某3條750t/d 垃圾焚燒線預(yù)留1條750t/d 垃圾焚燒線的項目,配套兩臺35MW 汽輪發(fā)電機組,因為考慮到二期預(yù)留一條生產(chǎn)線,35MW 汽輪發(fā)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(shù)為14級,調(diào)節(jié)級一級,壓力級前四級為1#持環(huán),壓力級6至8級為2#持環(huán),壓力級9至11級為3#持環(huán),后三級為單獨隔板。因為設(shè)備生產(chǎn)較早,已按照4條750t/d 配套簽訂合同,后期變更為預(yù)留一條生產(chǎn)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(zhuǎn)子、軸承和軸承箱等主要部套不變,重新設(shè)計并更換1#持環(huán)、2#持環(huán),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(fā)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(fā)電效益達187.28萬。

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

4 結(jié)語

總而言之,隨著我國垃圾焚燒發(fā)電規(guī)模的不斷擴大,實際垃圾接收量與預(yù)計存在較大偏差,垃圾焚燒發(fā)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(yōu)先考慮采用一爐一機形式進行布置,大型城市可以根據(jù)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(jīng)濟運行,實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的,以更好地履行社會責(zé)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(xué),2014.

[3]李秀平,苗承剛,等.調(diào)節(jié)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(fā)電機組低負荷運行時改變調(diào)整方式對經(jīng)濟性的影響[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2019,1.

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