垃圾焚燒發(fā)電廠大旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)的工藝研究

張莉莉

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

0 前言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展及人們生活水平的提高，生活垃圾的產(chǎn)量逐年遞增，成分復(fù)雜多樣，若垃圾不能得到妥善處理，將污染環(huán)境衛(wèi)生，占用大量土地資源，嚴(yán)重時可能危害人類賴以生存的環(huán)境。目前生活垃圾處理的原則是無害化、資源化和減量化，如果能將生活垃圾變廢為寶，不僅可以合理處理垃圾，而且可以保護環(huán)境，維持生態(tài)和諧。目前，廣泛應(yīng)用的垃圾處理方法是衛(wèi)生填埋、高溫堆肥和焚燒[1]。這三種垃圾處理方式的比例，因地理環(huán)境、垃圾成份、經(jīng)濟發(fā)展水平等因素不同而有所區(qū)別。對于人多地少、地下水位高的地區(qū)，垃圾填埋場占用場地較大，選址困難的狀況日趨嚴(yán)重，從基建投資和環(huán)保效果來看，使用國產(chǎn)化技術(shù)的焚燒設(shè)備，其綜合指標(biāo)優(yōu)于衛(wèi)生填埋，因此，應(yīng)重點考慮采用焚燒技術(shù)處理垃圾。

隨著焚燒發(fā)電技術(shù)的不斷成熟，應(yīng)用工程經(jīng)驗越來越豐富，余熱利用系統(tǒng)和煙氣凈化系統(tǒng)日益完善，焚燒廠日常運行趨于穩(wěn)定，滿足排放達標(biāo)。根據(jù)國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃的通知》，到2020年底，設(shè)市城市生活垃圾焚燒處理能力達到無害化處理總能力的50%以上，其中東部地區(qū)達到60%以上。根據(jù)新的規(guī)劃，近些年來還將進一步推動我國垃圾焚燒工藝處理的發(fā)展進程。

隨著近年來生活垃圾焚燒發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，我國的一些大中城市均建設(shè)了垃圾焚燒發(fā)電廠。根據(jù)檢測的垃圾數(shù)值發(fā)現(xiàn)，垃圾熱值顯著增大，可燃成分明顯增加。垃圾焚燒發(fā)電不僅可以減少對大氣環(huán)境的熱污染，保護環(huán)境，而且可以通過熱能回收利用獲得經(jīng)濟效益[2]，對提高垃圾焚燒廠運營的經(jīng)濟性起著重要作用。

1 垃圾焚燒發(fā)電廠運行特點

垃圾焚燒發(fā)電廠是利用垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的大量熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化成機械能推動汽輪機組發(fā)電。根據(jù)垃圾焚燒發(fā)電廠的目的是以處理垃圾為主的特點，汽輪發(fā)電機組的運行方式采用“機隨爐”的方法。正常工況下的生活垃圾焚燒后，余熱鍋爐產(chǎn)生的主要蒸汽推動汽輪發(fā)電機組做功發(fā)電。當(dāng)汽輪發(fā)電機組故障或檢修時，要求焚燒爐能繼續(xù)焚燒垃圾穩(wěn)定運行，余熱鍋爐還將會產(chǎn)汽，為了回收工質(zhì)，所以設(shè)置了蒸汽旁路冷凝系統(tǒng)

2 大旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)

旁路系統(tǒng)包括兩種：一種是蒸汽進入原汽輪機凝汽器進行凝結(jié)，稱為小旁路；另一種是蒸汽進入單獨設(shè)置的高壓凝汽器進行凝結(jié)，稱為大旁路。目前垃圾焚燒發(fā)電廠均采用小旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)，少數(shù)垃圾焚燒發(fā)電廠采用大旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)。下文對大旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)進行說明，并對其設(shè)備參數(shù)進行確定。

2.1 蒸汽旁路系統(tǒng)的作用

2.1.1 加快啟動速度，改善啟動條件

機組冷態(tài)或熱態(tài)啟動初期，當(dāng)余熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽參數(shù)尚未達到汽輪機沖轉(zhuǎn)要求時，這部分過熱蒸汽可經(jīng)過旁路系統(tǒng)進入凝汽器，以回收工質(zhì)，適應(yīng)系統(tǒng)暖管和儲能的需要。特別是在熱態(tài)啟動時，利用旁路系統(tǒng)加速提高蒸汽溫度，縮短啟動時間，減小汽輪機本體的熱應(yīng)力，延長汽輪機壽命。

2.1.2 回收工質(zhì)與消除噪音

機組在啟停過程中，鍋爐的蒸發(fā)量大于汽輪機的消耗量，在負(fù)荷突降和甩負(fù)荷時，有大量的蒸汽需要排出。多余的蒸汽若直接排向大氣，不僅損失了工質(zhì)，而且對環(huán)境產(chǎn)生很大的噪聲污染。設(shè)置蒸汽旁路系統(tǒng)，可以達到回收工質(zhì)和消除噪聲的目的。另外，在機組突降負(fù)荷或甩負(fù)荷時，利用旁路系統(tǒng)排放蒸汽，可減少鍋爐安全閥的動作。

2.2 大旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)的組成及工藝流程

某大旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)的主要設(shè)備有凝汽器用一級減溫減壓器、旁路高壓凝汽器用二級減溫減壓器、旁路高壓凝汽器、旁路凝結(jié)水泵。大旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。大旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)采用兩級減溫減壓器，蒸汽首先進入凝汽器用一級減溫減壓器，一級減溫減壓器的減溫水由給水母管引出。蒸汽經(jīng)過一級減溫減壓后進入旁路高壓凝汽器用二級減溫減壓器，二級減溫減壓裝置的減溫水由凝結(jié)水母管引出。二級減溫減壓裝置安裝在旁路高壓凝汽器的喉部。蒸汽經(jīng)過二級減溫減壓后進入旁路高壓凝汽器凝結(jié)成凝結(jié)水，通過旁路凝結(jié)水泵送入除氧器，最后通過給水泵送入鍋爐。

圖1 大旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)工藝流程圖

2.3 大旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)的確定

以某實際垃圾焚燒處理工程為例，確定大旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)的主要設(shè)備參數(shù)。

2.3.1 汽輪發(fā)電機組的基本參數(shù)

新建2條額定處理能力為400 t/d的焚燒線，垃圾熱值約7 118 kJ/kg，全廠總處理能力達800 t/d，處理垃圾量不低于29.2萬t/a，配置1臺15 MW的凝汽式汽輪發(fā)電機組，每臺機組運行時間不低于8 000 h/a?；緟?shù)見表1。

2.3.2 主要設(shè)備參數(shù)的計算選取

2.3.2.1 凝汽器用一級減溫減壓器

主蒸汽通過減壓閥進行減壓，減壓系統(tǒng)采用減壓閥和降噪節(jié)流孔板。通過噴入減溫水進行減溫，減溫水取自高壓給水母管并通過出口蒸汽溫度反饋控制噴水量。減溫減壓裝置調(diào)節(jié)范圍一般為額定出口蒸汽流量的10%～110%。其調(diào)節(jié)靈敏準(zhǔn)確，二次蒸汽出口參數(shù)穩(wěn)定，波動較小。當(dāng)進口蒸汽壓力設(shè)定值發(fā)生變化時，減壓閥能自動快速調(diào)節(jié)，使出口壓力恢復(fù)到設(shè)定值，閥門能穩(wěn)定保持；當(dāng)進口蒸汽溫度設(shè)定值發(fā)生變化時，能自動快速調(diào)節(jié)噴水調(diào)節(jié)閥，當(dāng)出口溫度恢復(fù)到設(shè)定值后，閥門均能穩(wěn)定保持。根據(jù)規(guī)范[3]設(shè)置要求，當(dāng)設(shè)置一套汽輪機組時，汽輪機旁路系統(tǒng)應(yīng)按汽輪機組100%額定進汽量設(shè)置。同時，考慮到減溫水也進入此設(shè)備，所以凝汽器用一級減溫減壓器總?cè)萘堪~定進汽量和減溫水量。

表1 單臺15 MW凝汽式汽輪發(fā)電機組的基本參數(shù)

注: MPa(g)指表壓；MPa(a)指絕對壓力。

入口蒸汽參數(shù)：P=3.82 MPa(g)，T=400 ℃，Q=72 t/h。

出口蒸汽參數(shù)：P=0.5～0.6 MPa(g)，T=160～175 ℃，Q=83.5 t/h≈85 t/h。

減溫水量參數(shù)：P=7.1 MPa(g)，T=130 ℃，Q=11.5 t/h。

凝汽器用一級減溫減壓器參數(shù)：P=4.0/0.6 MPa，T=400/175 ℃，Q=85 t/h，數(shù)量1臺。

2.3.2.2 旁路高壓凝汽器用二級減溫減壓器

經(jīng)過一級減溫減壓器的蒸汽進入二級減溫減壓器進行減溫減壓。二級減溫減壓器安裝在旁路高壓凝汽器的喉部。蒸汽通過內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形式進行減壓，減溫水取自凝結(jié)水母管并通過調(diào)節(jié)閥控制。設(shè)置方式同凝汽器用一級減溫減壓器。

入口蒸汽參數(shù)：P=0.5～0.6 MPa(g)，T=160～175 ℃，Q=83.5 t/h。

出口蒸汽參數(shù)：P=0.019 5 MPa(a)，T=60～80 ℃，Q=89.2 t/h≈90 t/h。

減溫水量參數(shù)：P=0.6 MPa(g)，T=40～50 ℃，Q=5.7 t/h。

旁路高壓凝汽器用二級減溫減壓器參數(shù)：P=0.6/0.019 5 MPa，T=175/60 ℃，Q=90 t/h，數(shù)量1臺。

2.3.2.3 旁路高壓凝汽器

經(jīng)過兩級減溫減壓之后的蒸汽在旁路凝汽器中受到管束中循環(huán)水的冷卻而凝結(jié)成水，經(jīng)熱井匯集后由凝結(jié)水泵打出，在經(jīng)除氧器后由給水泵打回至鍋爐。旁路高壓凝汽器采用雙流程凝汽器，設(shè)有分隔水室，允許一半運行，一半檢修。每一水室滿足60%額定負(fù)荷[4]。旁路高壓凝汽器出口凝結(jié)水的含氧量，在補水率≤5%時，正常運行負(fù)荷范圍內(nèi)不超過40×10-9。旁路高壓凝汽器能滿足最大進汽量，在循環(huán)水入口水溫32 ℃條件下連續(xù)運行。正常運行時旁路高壓凝汽器出口的凝結(jié)水溫度，不低于旁路高壓凝汽器壓力對應(yīng)的飽和水溫度。

旁路高壓凝汽器設(shè)計壓力P=0.019 5 MPa(a)，設(shè)計溫度T=60 ℃。旁路高壓凝汽器的壓力P=0.019 5 MPa(a)是由抽真空系統(tǒng)來維持的[5]。旁路高壓凝汽器的面積計算是大旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)中最重要的，其設(shè)定的基本參數(shù)見表2。

表2 高壓旁路凝汽器相關(guān)參數(shù)

進入高壓旁路凝汽器的熱量[6]：

以逆流為例，對流傳熱溫差[6]:

旁路高壓凝汽器面積[6]：

為保證富余量，旁路高壓凝汽器的面積設(shè)定為850 m2，數(shù)量1臺，即可滿足大旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)運行要求。

2.3.2.4 旁路凝結(jié)水泵

蒸汽經(jīng)旁路凝汽器凝結(jié)成凝結(jié)水后，由旁路凝結(jié)水泵送至凝結(jié)水母管。旁路凝汽器熱井水位的調(diào)節(jié)是通過旁路凝結(jié)水再循環(huán)管道上的調(diào)節(jié)閥進行控制，水位與調(diào)節(jié)閥進行聯(lián)鎖。旁路凝結(jié)水泵參數(shù)參照規(guī)范[7]對凝汽式機組的凝結(jié)水泵的臺數(shù)和容量進行設(shè)置：Q=60～120 t/h，H=86 m，數(shù)量2臺(一用一備，變頻)。

3 結(jié)束語

現(xiàn)階段，我國垃圾處理的方式以焚燒為主，某些城市生活垃圾熱值已接近發(fā)達國家城市垃圾的熱值，大中型城市均建設(shè)了垃圾焚燒發(fā)電廠。為了加快啟動速度、改善啟動條件和回收工質(zhì)，垃圾焚燒發(fā)電廠設(shè)置了蒸汽旁路系統(tǒng)。大旁路蒸汽冷凝系統(tǒng)的主要設(shè)備包括凝汽器用一級減溫減壓器、旁路高壓凝汽器用二級減溫減壓器、旁路高壓凝汽器、旁路凝結(jié)水泵等。以實際工程為例，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范和計算公式對蒸汽冷凝系統(tǒng)各主要設(shè)備參數(shù)進行了確定。本文的理論分析和主要設(shè)備參數(shù)確定對今后的設(shè)計工作具有重要意義，同時，對垃圾焚燒發(fā)電廠運行人員檢查維修設(shè)備也有一定的指導(dǎo)作用。