垃圾焚烧发电厂大旁路蒸汽冷凝系统的工艺研究

张莉莉

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

0 前言

随着我国经济的快速发展及人们生活水平的提高，生活垃圾的产量逐年递增，成分复杂多样，若垃圾不能得到妥善处理，将污染环境卫生，占用大量土地资源，严重时可能危害人类赖以生存的环境。目前生活垃圾处理的原则是无害化、资源化和减量化，如果能将生活垃圾变废为宝，不仅可以合理处理垃圾，而且可以保护环境，维持生态和谐。目前，广泛应用的垃圾处理方法是卫生填埋、高温堆肥和焚烧[1]。这三种垃圾处理方式的比例，因地理环境、垃圾成份、经济发展水平等因素不同而有所区别。对于人多地少、地下水位高的地区，垃圾填埋场占用场地较大，选址困难的状况日趋严重，从基建投资和环保效果来看，使用国产化技术的焚烧设备，其综合指标优于卫生填埋，因此，应重点考虑采用焚烧技术处理垃圾。

随着焚烧发电技术的不断成熟，应用工程经验越来越丰富，余热利用系统和烟气净化系统日益完善，焚烧厂日常运行趋于稳定，满足排放达标。根据国务院办公厅发布的《“十三五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划的通知》，到2020年底，设市城市生活垃圾焚烧处理能力达到无害化处理总能力的50%以上，其中东部地区达到60%以上。根据新的规划，近些年来还将进一步推动我国垃圾焚烧工艺处理的发展进程。

随着近年来生活垃圾焚烧发电事业的发展，我国的一些大中城市均建设了垃圾焚烧发电厂。根据检测的垃圾数值发现，垃圾热值显著增大，可燃成分明显增加。垃圾焚烧发电不仅可以减少对大气环境的热污染，保护环境，而且可以通过热能回收利用获得经济效益[2]，对提高垃圾焚烧厂运营的经济性起着重要作用。

1 垃圾焚烧发电厂运行特点

垃圾焚烧发电厂是利用垃圾焚烧过程中产生的大量热能，再将热能转化成机械能推动汽轮机组发电。根据垃圾焚烧发电厂的目的是以处理垃圾为主的特点，汽轮发电机组的运行方式采用“机随炉”的方法。正常工况下的生活垃圾焚烧后，余热锅炉产生的主要蒸汽推动汽轮发电机组做功发电。当汽轮发电机组故障或检修时，要求焚烧炉能继续焚烧垃圾稳定运行，余热锅炉还将会产汽，为了回收工质，所以设置了蒸汽旁路冷凝系统

2 大旁路蒸汽冷凝系统

旁路系统包括两种：一种是蒸汽进入原汽轮机凝汽器进行凝结，称为小旁路；另一种是蒸汽进入单独设置的高压凝汽器进行凝结，称为大旁路。目前垃圾焚烧发电厂均采用小旁路蒸汽冷凝系统，少数垃圾焚烧发电厂采用大旁路蒸汽冷凝系统。下文对大旁路蒸汽冷凝系统进行说明，并对其设备参数进行确定。

2.1 蒸汽旁路系统的作用

2.1.1 加快启动速度，改善启动条件

机组冷态或热态启动初期，当余热锅炉产生的过热蒸汽参数尚未达到汽轮机冲转要求时，这部分过热蒸汽可经过旁路系统进入凝汽器，以回收工质，适应系统暖管和储能的需要。特别是在热态启动时，利用旁路系统加速提高蒸汽温度，缩短启动时间，减小汽轮机本体的热应力，延长汽轮机寿命。

2.1.2 回收工质与消除噪音

机组在启停过程中，锅炉的蒸发量大于汽轮机的消耗量，在负荷突降和甩负荷时，有大量的蒸汽需要排出。多余的蒸汽若直接排向大气，不仅损失了工质，而且对环境产生很大的噪声污染。设置蒸汽旁路系统，可以达到回收工质和消除噪声的目的。另外，在机组突降负荷或甩负荷时，利用旁路系统排放蒸汽，可减少锅炉安全阀的动作。

2.2 大旁路蒸汽冷凝系统的组成及工艺流程

某大旁路蒸汽冷凝系统的主要设备有凝汽器用一级减温减压器、旁路高压凝汽器用二级减温减压器、旁路高压凝汽器、旁路凝结水泵。大旁路蒸汽冷凝系统工艺流程如图1所示。大旁路蒸汽冷凝系统采用两级减温减压器，蒸汽首先进入凝汽器用一级减温减压器，一级减温减压器的减温水由给水母管引出。蒸汽经过一级减温减压后进入旁路高压凝汽器用二级减温减压器，二级减温减压装置的减温水由凝结水母管引出。二级减温减压装置安装在旁路高压凝汽器的喉部。蒸汽经过二级减温减压后进入旁路高压凝汽器凝结成凝结水，通过旁路凝结水泵送入除氧器，最后通过给水泵送入锅炉。

图1 大旁路蒸汽冷凝系统工艺流程图

2.3 大旁路蒸汽冷凝系统主要设备参数的确定

以某实际垃圾焚烧处理工程为例，确定大旁路蒸汽冷凝系统的主要设备参数。

2.3.1 汽轮发电机组的基本参数

新建2条额定处理能力为400 t/d的焚烧线，垃圾热值约7 118 kJ/kg，全厂总处理能力达800 t/d，处理垃圾量不低于29.2万t/a，配置1台15 MW的凝汽式汽轮发电机组，每台机组运行时间不低于8 000 h/a。基本参数见表1。

2.3.2 主要设备参数的计算选取

2.3.2.1 凝汽器用一级减温减压器

主蒸汽通过减压阀进行减压，减压系统采用减压阀和降噪节流孔板。通过喷入减温水进行减温，减温水取自高压给水母管并通过出口蒸汽温度反馈控制喷水量。减温减压装置调节范围一般为额定出口蒸汽流量的10%～110%。其调节灵敏准确，二次蒸汽出口参数稳定，波动较小。当进口蒸汽压力设定值发生变化时，减压阀能自动快速调节，使出口压力恢复到设定值，阀门能稳定保持；当进口蒸汽温度设定值发生变化时，能自动快速调节喷水调节阀，当出口温度恢复到设定值后，阀门均能稳定保持。根据规范[3]设置要求，当设置一套汽轮机组时，汽轮机旁路系统应按汽轮机组100%额定进汽量设置。同时，考虑到减温水也进入此设备，所以凝汽器用一级减温减压器总容量包含额定进汽量和减温水量。

表1 单台15 MW凝汽式汽轮发电机组的基本参数

注: MPa(g)指表压；MPa(a)指绝对压力。

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

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

减温水量参数：P=7.1 MPa(g)，T=130 ℃，Q=11.5 t/h。

凝汽器用一级减温减压器参数：P=4.0/0.6 MPa，T=400/175 ℃，Q=85 t/h，数量1台。

2.3.2.2 旁路高压凝汽器用二级减温减压器

经过一级减温减压器的蒸汽进入二级减温减压器进行减温减压。二级减温减压器安装在旁路高压凝汽器的喉部。蒸汽通过内部的结构形式进行减压，减温水取自凝结水母管并通过调节阀控制。设置方式同凝汽器用一级减温减压器。

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

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

减温水量参数：P=0.6 MPa(g)，T=40～50 ℃，Q=5.7 t/h。

旁路高压凝汽器用二级减温减压器参数：P=0.6/0.019 5 MPa，T=175/60 ℃，Q=90 t/h，数量1台。

2.3.2.3 旁路高压凝汽器

经过两级减温减压之后的蒸汽在旁路凝汽器中受到管束中循环水的冷却而凝结成水，经热井汇集后由凝结水泵打出，在经除氧器后由给水泵打回至锅炉。旁路高压凝汽器采用双流程凝汽器，设有分隔水室，允许一半运行，一半检修。每一水室满足60%额定负荷[4]。旁路高压凝汽器出口凝结水的含氧量，在补水率≤5%时，正常运行负荷范围内不超过40×10-9。旁路高压凝汽器能满足最大进汽量，在循环水入口水温32 ℃条件下连续运行。正常运行时旁路高压凝汽器出口的凝结水温度，不低于旁路高压凝汽器压力对应的饱和水温度。

旁路高压凝汽器设计压力P=0.019 5 MPa(a)，设计温度T=60 ℃。旁路高压凝汽器的压力P=0.019 5 MPa(a)是由抽真空系统来维持的[5]。旁路高压凝汽器的面积计算是大旁路蒸汽冷凝系统中最重要的，其设定的基本参数见表2。

表2 高压旁路凝汽器相关参数

进入高压旁路凝汽器的热量[6]：

以逆流为例，对流传热温差[6]:

旁路高压凝汽器面积[6]：

为保证富余量，旁路高压凝汽器的面积设定为850 m2，数量1台，即可满足大旁路蒸汽冷凝系统运行要求。

2.3.2.4 旁路凝结水泵

蒸汽经旁路凝汽器凝结成凝结水后，由旁路凝结水泵送至凝结水母管。旁路凝汽器热井水位的调节是通过旁路凝结水再循环管道上的调节阀进行控制，水位与调节阀进行联锁。旁路凝结水泵参数参照规范[7]对凝汽式机组的凝结水泵的台数和容量进行设置：Q=60～120 t/h，H=86 m，数量2台(一用一备，变频)。

3 结束语

现阶段，我国垃圾处理的方式以焚烧为主，某些城市生活垃圾热值已接近发达国家城市垃圾的热值，大中型城市均建设了垃圾焚烧发电厂。为了加快启动速度、改善启动条件和回收工质，垃圾焚烧发电厂设置了蒸汽旁路系统。大旁路蒸汽冷凝系统的主要设备包括凝汽器用一级减温减压器、旁路高压凝汽器用二级减温减压器、旁路高压凝汽器、旁路凝结水泵等。以实际工程为例，根据相应规范和计算公式对蒸汽冷凝系统各主要设备参数进行了确定。本文的理论分析和主要设备参数确定对今后的设计工作具有重要意义，同时，对垃圾焚烧发电厂运行人员检查维修设备也有一定的指导作用。