中温次高压垃圾焚烧发电用汽轮机性能分析

张 雪，李 想

（杭州中能汽轮动力有限公司，浙江杭州 310018）

引言

随着国内垃圾焚烧技术的发展，其行业内的竞争也越来越激烈，焚烧厂为了更好的实现企业价值、获得更多利润，开始探索新的道路。

垃圾焚烧厂的主要收入来源于发电上网所带来的利润，那么提高发电效率就成了把握企业命运的重要方向。其中，提高蒸汽参数就是提高发电效率很好的选择。且随着国家对垃圾分类的重视，国民的垃圾分类意识不断提高，垃圾的焚烧热值也在不断提高并趋向稳定，还有就是锅炉的耐腐蚀技术的不断发展，都为提高蒸汽参数奠定了一定的基础。

从目前的市场询价来看，中温中压参数(4.0 MPa，400 ℃)余热锅炉还是主流，中温次高压参数(6.4 MPa，450 ℃)的垃圾电厂也在逐渐增多，国内也逐渐积累了一些中温次高压参数垃圾焚烧项目的建设和运行经验，尤其2016 年以来，中温次高压参数的垃圾焚烧发电厂在整个行业的占比明显上升[1]。

目前，国内垃圾焚烧发电用汽轮机功率等级主要分布在10～50 MW功率等级。中温次高压参数垃圾焚烧项目的前期投入和后期维护成本均高于中温中压参数项目[1]，而优势就是中温次高压参数汽轮机的发电能力较中温中压参数汽轮机发电能力要高，那么，提高中温次高压参数汽轮机的发电量就显得尤为重要。

1 性能分析

针对该参数下垃圾焚烧发电项目的功率等级范围，汽轮机的机型大体可分为三类：20 MW 以下、25～35 MW、40～50 MW机型。

20 MW 以下机型考虑进汽量相对较低，为了减小部分进汽度对效率的影响，高压段采用转毂的结构代替叶轮的结构，在转毂与扭叶片过度的通流级，为了减小级间损失，动、静叶片采用斜叶片的形式，另外，回热配置两级低加较一级低加热效率高，故建议在汽轮机结构允许的前提下优先选择配置两台低加。部分转毂结构相比中温次高压叶轮结构垃圾焚烧发电机组及中温中压垃圾焚烧发电机组的优势详见表1。

表1 各结构对应汽轮机性能表

从表1 中看出，转毂结构较中温中压汽耗降低了10.7%，热耗降低了8%，转毂结构在功率等级低的情况下优势会更加明显。另一方面，汽轮机功率等级越高，中温次高压参数机组相较中温中压参数机组的年发电收入优势更明显。

对于25～35 MW、40～50 MW 中温次高压机型，见表2，由于进汽量较大，转毂结构的优势减弱，并且考虑整机跨距及临界转速的问题，转子采用整锻与套装叶轮相结合的形式。

表2 中温次高压机型指标分析

2 强度设计要点

垃圾焚烧行业有它自己的特点，那就是热值的不稳定。垃圾的种类、含水量、外形尺寸等都会给垃圾焚烧的热值带来很大的波动，这就要求垃圾焚烧发电用汽轮机要具有良好的变工况能力，对强度和耐水蚀的要求也更高，尤其是低压级组叶片的性能。

在这样的条件下，遇到的较为常见的问题就是振动、应力集中引起的叶片破损。下面通过对一组试验叶片断裂情况的分析，来研究叶片设计及强度校核需要注意的问题。图1所示的断面呈现疲劳断裂特征，疲劳裂纹扩展区占整个断面面积约65%，快速撕裂区约35%。断裂性质为疲劳断裂，是由于激振引发的振动疲劳断裂。从图2 可以看出，由于叶片在离心拉弯应力作用下，叶身部分最大应力分布型线底部，越往上，应力越低。虽然从数值上来看根部的最大应力仍处于安全区域，不过在叶根伸出端附近区域存在应力集中，该处的应力最大。一般来说，裂纹源往往会存在应力集中，这也与叶片断裂的情况相符[2]。故加强叶片强度，加大过度圆角，减小应力集中需要重点考虑。

图1 叶片断裂断口照片

图2 叶片沿叶高应力分布

3 运行特点

垃圾焚烧发电机组启动一般采用额定参数起动，多见于几台机组并列运行，由母管制供汽的情况。冷态起动时，需要注意此时产生的热应力较大，起动时间也相应较长，要严格按照启动曲线的要求来执行。而这种起动方式在热态起动时，对迅速增加到目标负荷是较为方便的。

当汽轮机检修停机或者故障停机时，锅炉不能停，也就是常说的“停机不停炉”，这样就要求配置减温减压的旁路系统，一般锅炉出口的蒸汽经过两级减温减压后与凝汽器相连，保证锅炉的正常工作，以确保垃圾处理按计划进行[3]。

4 结论

中温次高压型垃圾焚烧发电用汽轮机较中温中压型垃圾焚烧发电用汽轮机发电所带来的收益要高，随着垃圾分类日益成熟，垃圾热值稳定性越来越高，垃圾集中处理的规模越来越大，这个优势会愈加明显，从长远的角度来说，中温次高压型垃圾焚烧发电用汽轮机的市场占有率会继续向上攀升；另一方面，随着功率等级的增加，以及垃圾焚烧发电行业固有的运行特点，对转动部件的尺寸及要求也会有所提高，在强度设计上要注意增加过度倒圆角避开应力集中点，静强度及动态分析计算，以及对自振频率的设计余量要着重考虑。