垃圾焚燒廠汽輪機高低轉(zhuǎn)速應(yīng)用與研究

岳興月，洪 勇，左 一

(1.上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703；2.東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000)

1 概 述

隨著全球?qū)Νh(huán)保、節(jié)能的要求越來越高，各行各業(yè)都在努力為環(huán)保事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。目前汽輪發(fā)電機組的功率通常在6～70MW之間，其中以10～35MW功率機組最多，垃圾發(fā)電汽輪機轉(zhuǎn)速通常為常規(guī)轉(zhuǎn)速(3 000r/min),隨著技術(shù)的改進(jìn)更新，為了提高垃圾焚燒發(fā)電廠汽輪機的效率，汽輪機廠開發(fā)了高轉(zhuǎn)速垃圾發(fā)電用汽輪機(5 000r/min以上)，并且在多個項目投入使用。垃圾焚燒是環(huán)保行業(yè)的龍頭產(chǎn)業(yè)，擁有更多節(jié)能優(yōu)化的空間。汽輪機是垃圾焚燒發(fā)電廠中最重要的節(jié)能設(shè)備之一，汽輪機的選型是否合理，對垃圾發(fā)電廠的經(jīng)濟會產(chǎn)生很大的影響，所以提高汽輪機的效率勢在必行。

提高汽輪機效率最簡單直接的方式就是提高汽輪機的進(jìn)汽參數(shù)，但受垃圾焚燒鍋爐技術(shù)的影響，提高鍋爐出口蒸汽參數(shù)的方案難度相對較大，在技術(shù)上成熟度不高，目前國內(nèi)已投產(chǎn)垃圾發(fā)電項目中采用蒸汽參數(shù)在中溫中壓(如3.8MPa.a,390℃)和中溫次高壓(如6.2MPa.a,475℃)參數(shù)是主流，其中中溫次高壓參數(shù)機組市場占比越來越大[1]。另一種提高機組效率的方式就是提高汽輪機的轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)速后汽輪機的尺寸、體積、重量均可減小，這不僅使制造成本大大降低，同時使汽輪機的內(nèi)效率大大提高，從而使工廠建設(shè)成本和運行成本降低，因此，提高汽機轉(zhuǎn)速是目前垃圾焚燒發(fā)電領(lǐng)域汽輪機制造廠廣泛采用的一種方式，該技術(shù)成熟、可靠。本文主要以中溫次高壓進(jìn)汽參數(shù)為基礎(chǔ)，常規(guī)非再熱機型的條件下，進(jìn)行汽輪機高轉(zhuǎn)速和常規(guī)轉(zhuǎn)速的選型論證。

2 高轉(zhuǎn)速汽輪機的特點

對于小型垃圾發(fā)電機組而言，汽輪機組功率一般相對較小，大多均小于50MW，以10～35MW等級居多。機組容量小，進(jìn)汽量也相對少，對于常規(guī)3 000RPM小功率汽輪機，在設(shè)計上葉片葉根及根莖較高，葉片短，高壓前幾級都有較大部分進(jìn)汽度，葉頂葉根部位邊界層流損失大，因此級效率較低。

因此，在設(shè)計通流時，初排通流后，級的速比應(yīng)該是一個定值(0.5左右)，因此每一級的焓降也就確定了，因此理論上C0也是一個定值，那么輪周速度U的數(shù)值也就確定出來了，如果轉(zhuǎn)速確定，級的葉片的中經(jīng)尺寸就計算出來了。根據(jù)以下公式，U值不變的條件下，提高轉(zhuǎn)速，可以降低葉片的中徑。

圖 速比-級效率曲線[2]Fig. speed ratio-stage sfficiency curve

通過級的容積流量Gv是一個定值，葉片的出口流速C也是有設(shè)計范圍要求，因此最佳流速可以理解為一個定值，那么不論轉(zhuǎn)速多少，最佳效率點條件下，級通流面積A計算出來也是一個定值。根據(jù)以下公式可以看出，通流面積A不變的條件下，降低葉片中徑，可以增加葉片的高度。

葉片高度增加，可以減少葉片的二次流損失，減少部分進(jìn)汽度，增加做功能力，從而提高級效率。這里講解的比較簡單，實際的計算是一個復(fù)雜反復(fù)迭代的過程，通流的設(shè)計需要反復(fù)的調(diào)整[3]。

小功率機組通過提高轉(zhuǎn)速帶來的效率提升更明顯，因為其葉片相對較短，而大功率機組，由于蒸汽流量本身比較大，葉片設(shè)計已比較長，損失小，提高轉(zhuǎn)速也能夠提高效率，但相比之下帶來的提升較低。

綜上可以看出，提高轉(zhuǎn)速可以提高汽輪機級效率，但提高轉(zhuǎn)速的同時，也增加了葉片的設(shè)計難度，所以，各汽輪機廠家也是根據(jù)自己的技術(shù)特點選擇高轉(zhuǎn)速。目前國外最高的已做到10 000RPM以上。

3 轉(zhuǎn)速與功率的匹配選型

在通流設(shè)計上來說，提高汽輪機轉(zhuǎn)速可以提高汽輪機通流效率，但實際工程設(shè)計時，采用高轉(zhuǎn)速時還需配套齒輪箱進(jìn)行變速至3 000RPM，以匹配電網(wǎng)頻率要求。

由于齒輪箱傳動有機械損失，通常按1.5%進(jìn)行計算，雖然進(jìn)口齒輪箱機械損失會更小一點，但一般也很難做到小于1%，因此，高轉(zhuǎn)速汽輪機實際發(fā)電功率輸出需要額外扣除1.5%的機械損失[4]。

增加齒輪箱，會增加齒輪箱的投資成本，整個機組尺寸變長，相應(yīng)會增加土建成本，因此汽輪機轉(zhuǎn)速的選擇可以從以下3個方面考慮：

(一)機組效率，由于汽輪發(fā)電機組機械效率中會扣除1.5%齒輪箱會的效率，因此，我們選擇汽輪機轉(zhuǎn)速時，如果提高轉(zhuǎn)速可以帶來>1.5%的效率提升時，那么就可以考慮采用高轉(zhuǎn)速汽輪機，如果效率提升<1.5%時，那么就采用常規(guī)轉(zhuǎn)速，此時提高轉(zhuǎn)速最終只會帶來效率的降低。而這個1.5%就可以理解為效率的分界點，這個分界點對應(yīng)的汽輪機功率就是本文所計算尋找的。

(二)投資方面，采用高轉(zhuǎn)速汽輪機，汽輪機葉片中徑降低，轉(zhuǎn)子和汽缸都可以變小，材料方面會降低部分成本，而增加的齒輪箱部分則屬于增加的成本，機組尺寸較常規(guī)機組變長，相應(yīng)增加了土建成本。經(jīng)過綜合分析，如果采用國產(chǎn)齒輪箱，整體投資成本增加不大。在方案上來說，我們認(rèn)為提高轉(zhuǎn)速至少帶來2%以上的效率提升時，就有增加投資的價值，即，至少保證扣除齒輪箱損失后，至少還有0.5%以上的收益。

(三)維護(hù)成本，高轉(zhuǎn)速和常規(guī)轉(zhuǎn)速汽輪機相比要增加一個齒輪箱，因此在日常運行維護(hù)方面，備品備件的儲備方面，在同等運行水平條件下，高轉(zhuǎn)速機組的維護(hù)成本要高于常規(guī)轉(zhuǎn)速機組。因此在經(jīng)濟性對比時也應(yīng)考慮維護(hù)成本的增加。

4 汽輪發(fā)電機組性能參數(shù)對比

通過各汽輪機廠家提供的熱平衡圖，在相同的工況下對高低轉(zhuǎn)速汽輪機的效率進(jìn)行了整理和對比，對垃圾發(fā)電汽輪機功率和轉(zhuǎn)速的選型進(jìn)行分析研究。

表1為本公司的某BOT在建項目已確定的30MW抽凝式汽輪機組，在招標(biāo)階段各汽輪機廠家提供的相關(guān)數(shù)據(jù)。由于不同廠家設(shè)計的汽輪機不會完全相同，熱力系統(tǒng)及效率區(qū)別也較大，按最保守的數(shù)據(jù)對比，高轉(zhuǎn)速的廠家1與低轉(zhuǎn)速的廠家3效率相差約1%。如按高轉(zhuǎn)速的廠家2與低轉(zhuǎn)速的廠家3對比，效率相差約1.4%，如按上文中所論證的結(jié)果，證明30MW的機組比較適合采用低轉(zhuǎn)速，也可以根據(jù)不同項目的具體情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后確定汽輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速。

表2為本公司的某BOT在建項目已確定的25MW可調(diào)節(jié)抽汽機組，可調(diào)節(jié)抽汽量約為50t/h。高轉(zhuǎn)速的廠家1與低轉(zhuǎn)速的廠家3效率相差約2.2%。如按高轉(zhuǎn)速的廠家2與低轉(zhuǎn)速的廠家3對比，效率相差約2.6%，所以25MW容量的機組適合用高轉(zhuǎn)速汽輪機。

表1 30MW機組性能參數(shù)對比Tab.1 Comparison of performance parameters of 30MW

注：表中數(shù)據(jù)是針對某個項目的效率，不同項目由于工藝參數(shù)不一樣，效率也會不同。

表2 25MW機組性能參數(shù)對比[5]Tab.2 Comparision of performance parameters of 25MW

注：表中數(shù)據(jù)是針對某個項目的效率，不同項目由于工藝參數(shù)不一樣，效率也會不同。

5 高低轉(zhuǎn)速汽輪機組外形尺寸對比

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)對比可以看出，高轉(zhuǎn)速汽輪機本體的尺寸比低轉(zhuǎn)速汽輪機的本體外形尺寸小，發(fā)電機的長度，由于不同的廠家會略有不同但差別不是特別大，所以發(fā)電機本體的尺寸不是影響汽輪機組的總體長度。表3中同是30MW的汽輪發(fā)電機組布置總長度高轉(zhuǎn)速比低轉(zhuǎn)速長1.5米左右，基本上就是由于增加了齒輪箱的原因，這樣就使汽機房的總長度增加，汽輪機基礎(chǔ)的混凝土結(jié)構(gòu)也會有所增大，這樣整體上增加了前期的投資造價。

表3 不同容量汽輪機組外形尺寸對比Tab.3 Comparison of external dimensions of steam turbine sets with different capacities

6 高低轉(zhuǎn)速汽輪機價格對比(參考)

隨著機組容量的增大，高低轉(zhuǎn)速汽機的總體價格差越來越小(見表4)，30MW高低轉(zhuǎn)速機組的前期投資基本一致，15MW機組的高轉(zhuǎn)速前期投資比低轉(zhuǎn)速多330萬，所以汽輪機的選擇應(yīng)針對不同項目的情況進(jìn)行經(jīng)濟對比分析后確定。

表4 不同容量汽輪機價格對比Tab.4 Comparison of prices of steam turbine with differnet volumes

注：此價格為汽輪發(fā)電機組的成套價格，包括國產(chǎn)齒輪箱、發(fā)電機及輔助設(shè)備等。

7 結(jié) 論

經(jīng)過前面的分析及論證，同時考慮投資及收益回報率，當(dāng)效率提升>2%時推薦采用高轉(zhuǎn)速，反之推薦采用低轉(zhuǎn)速。

再結(jié)合我公司工程以往工程實踐和目前較成熟的汽輪機技術(shù)水平條件下，得出以下結(jié)論，在中溫次高壓條件下(6.2MPa.a,475℃)或其它蒸汽參數(shù)但蒸汽容積流量相當(dāng)?shù)臈l件下。

1、25MW級及以下功率汽輪機推薦采用高轉(zhuǎn)速。

2、30MW及以上功率汽輪機推薦采用常規(guī)轉(zhuǎn)速。