垃圾发电汽轮机设计特点及发展方向研究

尹华劼尹刚龚露

（1.东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000；2.西安交通大学，陕西 西安，710049）

随着人民生活水平的不断提高，城市生活垃圾泛滥的问题日益加剧。为解决垃圾围城的问题，越来越多的城市选择建设垃圾焚烧发电厂。垃圾焚烧发电厂通过焚烧垃圾产生烟气，烟气在锅炉里与蒸汽换热，蒸汽进入汽轮机带动发电机进行发电。汽轮机是垃圾发电厂的主要设备，垃圾发电汽轮机也是最近几年各大汽轮机厂商重点关注的领域。从原理上来讲，垃圾发电汽轮机属于凝汽式汽轮机，其设计思路与一般凝汽式汽轮机大致相同。但由于其特殊的应用场合，垃圾发电汽轮机在设计参数、热力系统等方面有着自身独有的一些设计特点。本文将分析垃圾发电汽轮机的设计特点，并就其发展趋势进行展望。

1 垃圾发电汽轮机参数特点

1.1 进汽参数

不同于燃煤发电，垃圾发电由于采用垃圾作为燃料，其蒸汽参数受到多重限制。在蒸汽温度方面，由于垃圾焚烧过程中产生的烟气含有大量的氯化氢等腐蚀性气体和灰分，会对余热锅炉系统中的各换热部件产生严重腐蚀[1]，温度过高腐蚀会更加严重，因此目前国内垃圾发电项目锅炉出口蒸汽温度最高为485℃。蒸汽压力方面，由于温度受到限制，单方面提高蒸汽压力会造成蒸汽过热度低，造成汽轮机低压末几级湿度大的问题，因此压力通常也限制在中压或次高压参数。所以垃圾发电汽轮机蒸汽参数通常为中温中压或中温次高压。一些典型垃圾发电项目的汽轮机参数见表1。

表1 典型垃圾发电项目参数

1.2 功率等级

在垃圾发电项目中，汽轮机的输出功率可以通过式（1）计算：

式中：Qs为垃圾低位热值，kJ/kg；Gr为日处理垃圾量，t/d；μ为而全厂发电效率，=μ1×μ2×μ3×μ4，μ1，μ2，μ3，μ4分别为发电机效率、锅炉热效率、管道热效率和汽轮机热效率[2]。

根据式（1），汽轮机功率和垃圾低位热值及日处理垃圾量密切相关，而该两项参数又取决于项目所处地域经济发展状况。根据目前项目分布来看，30 MW及以上机组多分布在直辖市、省会城市和经济发达的地级市。而一般县一级城市，多配置10 MW左右的机组。在一些项目中，也有锅炉和汽轮机容量错配的情形，即汽轮机容量大于锅炉容量。这种配置可以兼顾后续垃圾处理量增多，新建焚烧炉和余热锅炉，但是汽轮机可以保持不变。

1.3 转速选择

在汽轮机的气动设计中，通常要求U/C0为0.5附近，其中U为圆周速度，U=∏dmn/60，C0为静叶出口等熵焓降对应的滞止速度。对于多级汽轮机来讲，在进排汽、级数一定的情况下，各级焓降一定，因此可以认为各级的C0为一个定值。从上述公式可以看出，汽轮机转速n与单级节径dm呈相反关系，n越小，则dm越大。而汽轮机通流面积A取决于机组的容积流量，容积流量越小，A值相应越小。而A值又取决于节径dm与叶高h，A值一定的前提下，dm越大，则h越小。h越小带来较大的叶高损失，同时通常认为h值不能低于15 mm，在一些情况下，为避免h值过小，可采用部分进汽的做法。而提高转速n，可以降低节径dm，一方面缩小了机组体积，另一方面可以增加叶高h，减小叶高损失。

在小容积流量的机组中，采用高转速设计，对于提高机组经济性、缩小机组体积有非常积极的意义，这也是各大汽轮机厂商的通行做法。

2 垃圾发电汽轮机热力系统特点

2.1 母管制

垃圾发电站不仅承担发电任务，还要承担区域垃圾处理任务。因此，垃圾发电厂不允许完全停用所有的焚烧炉和锅炉。为保证任意一台或多台锅炉运行时都有汽轮机组可以与之对应发电，采用母管制成为最好的选择。对于汽轮机组来说，采用母管制意味着机组的启动通常为额定参数启动，而机组的运行为定压运行。在汽轮机通流间隙设计以及启动热应力计算中，必须充分考虑这一特点。

2.2 抽汽

为了解决余热锅炉尾部受热面空气预热器的低温腐蚀和积灰问题，大型垃圾焚烧发电厂开始采用蒸汽空气预热器代替常规烟气空气预热器[3～4]。蒸汽空气预热器的采用，就要求汽轮机提供一路参数较高的抽汽。而普通的凝汽式汽轮机，没有到空气预热器的抽口。根据所处地域，垃圾发电汽轮机还可以设置采暖抽汽，采暖抽汽可以是非调整抽汽，也可以是采用旋转隔板控制的调整抽汽。除此之外，垃圾发电汽轮机还设置了必要的回热抽汽，例如到除氧器、1号低压加热器和2号低压加热器。例如，沈阳大辛垃圾焚烧发电项目，热力系统如图1所示，该项目设置了1除氧2低加的回热系统，并设置了去空气预热器抽汽和非调整采暖抽汽。

图1 沈阳大辛垃圾发电项目回热系统

2.3 旁路系统

为保证城市生活垃圾的连续处理，垃圾发电厂的垃圾焚烧炉和余热锅炉年运行不小于8 000 h，其存在着“停机不停炉”的现实需求。因此，在热力系统的设计上，必须考虑设置旁路系统，从而保证在汽轮机停机时，焚烧炉仍能满足垃圾处理的需求。

当前垃圾焚烧发电厂采用的蒸汽旁路系统形式有：设置独立的旁路高压凝汽器，简称为大旁路形式；汽轮机带旁路减温减压器，简称为小旁路形式，当前国内正在建设或已建成的焚烧厂的热力系统都设置大旁路或小旁路[5]。典型的大旁路系统如图2所示。

图2 典型的大旁路系统

3 再热技术在垃圾发电汽轮机中的应用及展望

再热技术广泛应用于大型燃煤电站，其原理是将在汽轮机高压缸内做功后的乏汽再次通入锅炉再热器进行换热，提高其温度，再进入中低压缸内做功，从而提高整个蒸汽循环的效率。目前，对于100 MW以下汽轮机组，再热技术已经比较成熟，在钢厂煤气回收发电领域有大量投运业绩。对于垃圾焚烧发电，国内第1批采用再热技术仅有光大江阴三期项目和光大苏州四期项目，分别是中温次高压再热垃圾发电汽轮机和中温超高压再热垃圾发电汽轮机。

3.1 中温次高压再热垃圾发电汽轮机

中温次高压再热垃圾发电汽轮机参数见表2，采用了高转速的设计理念，通过齿轮箱带动发电机发电。机组采用高中压合缸，高压通流和中低压通流反向布置。高压通流采用高效反动式叶型，中低压通流采用高效冲动式叶型。机组采用提板式调节阀，布置紧凑。

表2 中温次高压再热垃圾发电汽轮机参数

3.2 中温超高压再热垃圾发电汽轮机

中温超高压再热垃圾发电汽轮机参数见表3，其同样采用了高转速的设计理念，通过齿轮箱带动发电机发电。机组整体设计理念来自于小型高温超高压再热发电汽轮机。该机组为双缸双转子结构，即高压通流与低压通流分缸反向布置。采用双缸双转子结构，可以增加通流级数，将各级焓降分配在最合理的水平，同样通过双转子三支点设计，可以降低汽轮机转子挠度，从而控制汽封间隙在比较小的水平。

表3 中温超高压再热垃圾发电汽轮机参数

3.3 再热技术应用展望

采用再热技术可以提高蒸汽循环效率，提升吨垃圾发电量。以中温次高压机组为例，在相同功率等级（25 MW）下，与采用中温中压常规技术的机组热耗对比如图3所示。由此可知，采用中温、次高压再热技术后，经济指标明显优于采用中温中压常规技术的同规模机组。其中，汽轮机汽耗下降0.97 kg/kWh，汽轮机热耗下降2 693.9 kJ/kWh，全厂热效率提高5.98%，吨垃圾发电量提高136.61 kWh/t。按照1 000 t/d垃圾处理能力，年运行8 000 h计算，增加发电量5 737万kWh。增加收益2 869万元。目前，随着首个垃圾发电再热项目江阴三期的成功投运，越来越多的业主和总包方开始关注再热技术，也提出了更多切实可行的再热系统配置。随着垃圾焚烧电厂建设高潮的到来，垃圾发电的成本压力与日俱增，提升发电效率成为降低发电成本的具体技术路线，基于此，再热技术极有可能成为下一阶段垃圾发电汽轮机的热点。

图3 再热技术采用前后热耗对比

4 热电联产技术在垃圾发电汽轮机中的应用展望

部分地区的垃圾焚烧发电厂，除了承担垃圾处理任务外，还可以承担区域供热供暖任务。目前，一些垃圾发电项目已经将热电联产与垃圾焚烧结合起来，配置了热电联产机组。例如上海康恒环境西安高陵垃圾焚烧发电项目，就配置了抽汽凝汽式汽轮机，可以实现0.9 MPa（a），70 t/h的可调整抽汽。除了传统意义上的抽汽式机组，近年来还出现了一些新的热电联产技术，也可以应用到垃圾发电汽轮机中。

4.1 可调抽汽供热

可调抽汽供热通过抽汽调节阀或者旋转隔板来实现，该供热技术是目前最为成熟，应用情形最广的技术，可以实现各个压力等级的抽汽供热。

4.2 高背压供热

高背压供热主要应用于区域供暖的情形。在供暖季节，提升汽轮机的排汽背压到35 kPa左右，直接排入热网加热器，汽轮机排汽与热网循环水换热，实现供暖目的。而在非供暖季节，汽轮机恢复常规背压（低于10 kPa）运行，排汽排入凝汽器。采用高背压供热的汽轮机，对末级叶片的设计提出了新的要求，即末级叶片既要能够适合供暖季的高背压运行，也要适合非供暖季的低背压运行。要实现高背压供热的汽轮机，在设计时必须对末级叶片的安全性作专门的校核。

4.3 背压式纯凝式在线切换

对于季节性供热的用户，可以采用汽轮机背压式纯凝式在线切换技术实现季节性供热。一种单轴单电机的切换机组系统配置如图4所示，即汽轮机分为高压缸部分和低压缸部分，高压转子和低压转子为独立的2根转子，2根转子之间通过SSS离合器连接。机组需要纯凝运行时，SSS离合器合上，高压转子低压转子同步转动，带动前端的发电机发电，排汽进入凝汽器。机组需要背压运行时，SSS离合器脱开，低压进汽部分阀门关闭，低压转子停止转动，低压缸停止运行。而继续转动的高压转子带动发电机发电，高压缸的排汽进入热网。

图4 一种单轴单电机的纯凝背压切换机组

5 结论

垃圾发电汽轮机与常规凝汽式汽轮机有着密切关联，其通流设计、强度设计、可靠性设计等均采用相同的技术方法。但是在具体参数、热力系统配置等方面，两者存在着明显差别。在垃圾发电汽轮机设计中，必须高度关注其独特的特点，并且在机组设计中加以考虑，才能保证机组在垃圾焚烧发电厂中发挥应有的作用。随着垃圾发电汽轮机市场的发展，下一阶段的市场关注点，将着眼于机组经济性的提升和更多用途的集成，具体代表就是再热技术和热电联产技术的应用。