中溫次高壓垃圾焚燒發(fā)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(nèi)垃圾焚燒技術的發(fā)展，其行業(yè)內(nèi)的競爭也越來越激烈，焚燒廠為了更好的實現(xiàn)企業(yè)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(fā)電上網(wǎng)所帶來的利潤，那么提高發(fā)電效率就成了把握企業(yè)命運的重要方向。其中，提高蒸汽參數(shù)就是提高發(fā)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(wěn)定，還有就是鍋爐的耐腐蝕技術的不斷發(fā)展，都為提高蒸汽參數(shù)奠定了一定的基礎。

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

目前，國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)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(shù)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(shù)項目[1]，而優(yōu)勢就是中溫次高壓參數(shù)汽輪機的發(fā)電能力較中溫中壓參數(shù)汽輪機發(fā)電能力要高，那么，提高中溫次高壓參數(shù)汽輪機的發(fā)電量就顯得尤為重要。

1 性能分析

針對該參數(shù)下垃圾焚燒發(fā)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(zhuǎn)轂的結構代替葉輪的結構，在轉(zhuǎn)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(yōu)先選擇配置兩臺低加。部分轉(zhuǎn)轂結構相比中溫次高壓葉輪結構垃圾焚燒發(fā)電機組及中溫中壓垃圾焚燒發(fā)電機組的優(yōu)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(zhuǎn)轂結構較中溫中壓汽耗降低了10.7%，熱耗降低了8%，轉(zhuǎn)轂結構在功率等級低的情況下優(yōu)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(shù)機組相較中溫中壓參數(shù)機組的年發(fā)電收入優(yōu)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(zhuǎn)轂結構的優(yōu)勢減弱，并且考慮整機跨距及臨界轉(zhuǎn)速的問題，轉(zhuǎn)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(yè)有它自己的特點，那就是熱值的不穩(wěn)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(fā)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(xiàn)疲勞斷裂特征，疲勞裂紋擴展區(qū)占整個斷面面積約65%，快速撕裂區(qū)約35%。斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，是由于激振引發(fā)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(shù)值上來看根部的最大應力仍處于安全區(qū)域，不過在葉根伸出端附近區(qū)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(fā)電機組啟動一般采用額定參數(shù)起動，多見于幾臺機組并列運行，由母管制供汽的情況。冷態(tài)起動時，需要注意此時產(chǎn)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(zhí)行。而這種起動方式在熱態(tài)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(tǒng)，一般鍋爐出口的蒸汽經(jīng)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(fā)電用汽輪機較中溫中壓型垃圾焚燒發(fā)電用汽輪機發(fā)電所帶來的收益要高，隨著垃圾分類日益成熟，垃圾熱值穩(wěn)定性越來越高，垃圾集中處理的規(guī)模越來越大，這個優(yōu)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(fā)電用汽輪機的市場占有率會繼續(xù)向上攀升；另一方面，隨著功率等級的增加，以及垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)固有的運行特點，對轉(zhuǎn)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(tài)分析計算，以及對自振頻率的設計余量要著重考慮。