中溫次高壓垃圾焚燒發電用汽輪機性能分析

張 雪，李 想

（杭州中能汽輪動力有限公司，浙江杭州 310018）

引言

隨著國內垃圾焚燒技術的發展，其行業內的競爭也越來越激烈，焚燒廠為了更好的實現企業價值、獲得更多利潤，開始探索新的道路。

垃圾焚燒廠的主要收入來源于發電上網所帶來的利潤，那么提高發電效率就成了把握企業命運的重要方向。其中，提高蒸汽參數就是提高發電效率很好的選擇。且隨著國家對垃圾分類的重視，國民的垃圾分類意識不斷提高，垃圾的焚燒熱值也在不斷提高并趨向穩定，還有就是鍋爐的耐腐蝕技術的不斷發展，都為提高蒸汽參數奠定了一定的基礎。

從目前的市場詢價來看，中溫中壓參數(4.0 MPa，400 ℃)余熱鍋爐還是主流，中溫次高壓參數(6.4 MPa，450 ℃)的垃圾電廠也在逐漸增多，國內也逐漸積累了一些中溫次高壓參數垃圾焚燒項目的建設和運行經驗，尤其2016 年以來，中溫次高壓參數的垃圾焚燒發電廠在整個行業的占比明顯上升[1]。

目前，國內垃圾焚燒發電用汽輪機功率等級主要分布在10～50 MW功率等級。中溫次高壓參數垃圾焚燒項目的前期投入和后期維護成本均高于中溫中壓參數項目[1]，而優勢就是中溫次高壓參數汽輪機的發電能力較中溫中壓參數汽輪機發電能力要高，那么，提高中溫次高壓參數汽輪機的發電量就顯得尤為重要。

1 性能分析

針對該參數下垃圾焚燒發電項目的功率等級范圍，汽輪機的機型大體可分為三類：20 MW 以下、25～35 MW、40～50 MW機型。

20 MW 以下機型考慮進汽量相對較低，為了減小部分進汽度對效率的影響，高壓段采用轉轂的結構代替葉輪的結構，在轉轂與扭葉片過度的通流級，為了減小級間損失，動、靜葉片采用斜葉片的形式，另外，回熱配置兩級低加較一級低加熱效率高，故建議在汽輪機結構允許的前提下優先選擇配置兩臺低加。部分轉轂結構相比中溫次高壓葉輪結構垃圾焚燒發電機組及中溫中壓垃圾焚燒發電機組的優勢詳見表1。

表1 各結構對應汽輪機性能表

從表1 中看出，轉轂結構較中溫中壓汽耗降低了10.7%，熱耗降低了8%，轉轂結構在功率等級低的情況下優勢會更加明顯。另一方面，汽輪機功率等級越高，中溫次高壓參數機組相較中溫中壓參數機組的年發電收入優勢更明顯。

對于25～35 MW、40～50 MW 中溫次高壓機型，見表2，由于進汽量較大，轉轂結構的優勢減弱，并且考慮整機跨距及臨界轉速的問題，轉子采用整鍛與套裝葉輪相結合的形式。

表2 中溫次高壓機型指標分析

2 強度設計要點

垃圾焚燒行業有它自己的特點，那就是熱值的不穩定。垃圾的種類、含水量、外形尺寸等都會給垃圾焚燒的熱值帶來很大的波動，這就要求垃圾焚燒發電用汽輪機要具有良好的變工況能力，對強度和耐水蝕的要求也更高，尤其是低壓級組葉片的性能。

在這樣的條件下，遇到的較為常見的問題就是振動、應力集中引起的葉片破損。下面通過對一組試驗葉片斷裂情況的分析，來研究葉片設計及強度校核需要注意的問題。圖1所示的斷面呈現疲勞斷裂特征，疲勞裂紋擴展區占整個斷面面積約65%，快速撕裂區約35%。斷裂性質為疲勞斷裂，是由于激振引發的振動疲勞斷裂。從圖2 可以看出，由于葉片在離心拉彎應力作用下，葉身部分最大應力分布型線底部，越往上，應力越低。雖然從數值上來看根部的最大應力仍處于安全區域，不過在葉根伸出端附近區域存在應力集中，該處的應力最大。一般來說，裂紋源往往會存在應力集中，這也與葉片斷裂的情況相符[2]。故加強葉片強度，加大過度圓角，減小應力集中需要重點考慮。

圖1 葉片斷裂斷口照片

圖2 葉片沿葉高應力分布

3 運行特點

垃圾焚燒發電機組啟動一般采用額定參數起動，多見于幾臺機組并列運行，由母管制供汽的情況。冷態起動時，需要注意此時產生的熱應力較大，起動時間也相應較長，要嚴格按照啟動曲線的要求來執行。而這種起動方式在熱態起動時，對迅速增加到目標負荷是較為方便的。

當汽輪機檢修停機或者故障停機時，鍋爐不能停，也就是常說的“停機不停爐”，這樣就要求配置減溫減壓的旁路系統，一般鍋爐出口的蒸汽經過兩級減溫減壓后與凝汽器相連，保證鍋爐的正常工作，以確保垃圾處理按計劃進行[3]。

4 結論

中溫次高壓型垃圾焚燒發電用汽輪機較中溫中壓型垃圾焚燒發電用汽輪機發電所帶來的收益要高，隨著垃圾分類日益成熟，垃圾熱值穩定性越來越高，垃圾集中處理的規模越來越大，這個優勢會愈加明顯，從長遠的角度來說，中溫次高壓型垃圾焚燒發電用汽輪機的市場占有率會繼續向上攀升；另一方面，隨著功率等級的增加，以及垃圾焚燒發電行業固有的運行特點，對轉動部件的尺寸及要求也會有所提高，在強度設計上要注意增加過度倒圓角避開應力集中點，靜強度及動態分析計算，以及對自振頻率的設計余量要著重考慮。