中国城市建设研究院有限公司，北京100120
摘要：目前，我国的科技发展十分迅速，在垃圾发电领域，目前汽轮发电机组的功率通常在6～70MW之间，其中以10～35MW功率机组最多，垃圾发电汽轮机转速通常为常规转速(3000r/min)，随着技术的改进更新，为了提高垃圾焚烧发电厂汽轮机的效率，汽轮机厂开发了高转速垃圾发电用汽轮机(5000r/min以上)，并且在多个项目投入使用。随着时代的发展，高转速汽轮机的占有率也在不断的提高。通过各汽轮机厂家提供的热平衡图，在相同的工况下对高低转速汽轮机的效率进行了整理和对比，对垃圾发电汽轮机功率和转速的选型进行分析研究，得出结论，在中温次高压条件下(6.2MPa.a，475℃)或其它蒸汽参数但蒸汽容积流量相当的条件下，汽轮机功率等级在25MW级及以下时，推荐选用高转速汽轮机，功率在30MW等级以上时，推荐选用常规转速汽轮机。
关键词：垃圾发电;汽轮机;高转速;低转速;效率
引言
与常规火电厂不同，垃圾焚烧发电厂以垃圾处理为主，发电为辅。受垃圾总产量及垃圾热值不高的限制（相对于标煤热量），垃圾焚烧发电厂均配置小功率的汽轮机组，采用定压启动的运行方式，同时不参与调频。相配套的垃圾焚烧锅炉蒸汽参数均为中温中压工况（４．０ＭＰａ，４００℃），仅有少数垃圾焚烧电厂采用了中温次高压工况（６．４ＭＰａ，４５０℃）。因垃圾热值会随季节波动，导致锅炉主蒸汽流量和参数变化幅度也相当大，所以首选具有较强变工况运行能力的汽轮机机组。本文结合垃圾焚烧发电厂汽轮机机组及其热力系统的技术特点，对汽轮机的选型合理性进行了计算分析，同时针对国内典型垃圾焚烧发电厂汽轮机机组热力系统方面存在的问题，给出了合理的优化措施，其分析结论适用于同类型机组。
1垃圾焚烧发电厂运行特点
垃圾焚烧发电厂应采用先进、成熟、可靠的技术和设备，做到焚烧工艺技术先进、运行可靠、污染控制、卫生安全、用地节约、维修方便、经济合理、管理科学。垃圾焚烧产生的热能适宜采用利用效率高的热电联产方式。一般垃圾焚烧发电厂汽轮发电机组的数量不宜大于２台。为保证城市生活垃圾能连续无害化、减量化和资源化的综合处理，垃圾焚烧发电厂的焚烧炉及余热锅炉应保证年运行小时数不小于８０００ｈ，且在热力系统的设计上，均考虑设置了汽轮机旁路系统（减温减压系统），以保证汽轮机因故停机（汽轮机检修而锅炉运行，或者汽轮发电机组事故停机）或降负荷运行时，其汽水系统仍能满足焚烧炉及余热锅炉的正常运行。
2转速与功率的匹配选型
在通流设计上来说，提高汽轮机转速可以提高汽轮机通流效率，但实际工程设计时，采用高转速时还需配套齿轮箱进行变速至3000ＲPM，以匹配电网频率要求。由于齿轮箱传动有机械损失，通常按1.5%进行计算，虽然进口齿轮箱机械损失会更小一点，但一般也很难做到小于1%，因此，高转速汽轮机实际发电功率输出需要额外扣除1.5%的机械损失。增加齿轮箱，会增加齿轮箱的投资成本，整个机组尺寸变长，相应会增加土建成本，因此汽轮机转速的选择可以从以下3个方面考虑:(一)机组效率，由于汽轮发电机组机械效率中会扣除1.5%齿轮箱会的效率，因此，我们选择汽轮机转速时，如果提高转速可以带来＞1.5%的效率提升时，那么就可以考虑采用高转速汽轮机，如果效率提升＜1.5%时，那么就采用常规转速，此时提高转速最终只会带来效率的降低。而这个1.5%就可以理解为效率的分界点，这个分界点对应的汽轮机功率就是本文所计算寻找的。(二)投资方面，采用高转速汽轮机，汽轮机叶片中径降低，转子和汽缸都可以变小，材料方面会降低部分成本，而增加的齿轮箱部分则属于增加的成本，机组尺寸较常规机组变长，相应增加了土建成本。经过综合分析，如果采用国产齿轮箱，整体投资成本增加不大。在方案上来说，我们认为提高转速至少带来2%以上的效率提升时，就有增加投资的价值，即，至少保证扣除齿轮箱损失后，至少还有0.5%以上的收益。(三)维护成本，高转速和常规转速汽轮机相比要增加一个齿轮箱，因此在日常运行维护方面，备品备件的储备方面，在同等运行水平条件下，高转速机组的维护成本要高于常规转速机组。因此在经济性对比时也应考虑维护成本的增加。
3除氧器加热蒸汽系统优化
某垃圾焚烧发电厂二期工程给水除氧采用压力式热力除氧，除氧器正常运行时的加热汽源来自汽轮机二段抽汽，调试启动期间由主蒸汽通过减温减压后的加热蒸汽作为启动备用汽源。该厂初期通过机械式弹簧减压阀将加热蒸汽减压来达到除氧器的压力范围，但在实际运行过程中，由于启动初期主蒸汽压力不稳定，该阀门频繁开启和关闭，造成了除氧器加热蒸汽压力也不稳定，除氧效果不佳。同时由于加热蒸汽至除氧器的供汽母管沿途未设置疏水管路，导致管路中大量积水，积水中杂质集聚到机械式弹簧减压阀前，使得该阀门常发生弹簧卡涩而无法正常开启，除氧器供汽量不足。通过改造减压阀和增设疏水管路解决了该问题。
4汽轮发电机组性能参数对比
通过各汽轮机厂家提供的热平衡图，在相同的工况下对高低转速汽轮机的效率进行了整理和对比，对垃圾发电汽轮机功率和转速的选型进行分析研究。表1为本公司的某BOT在建项目已确定的30MW抽凝式汽轮机组，在招标阶段各汽轮机厂家提供的相关数据。由于不同厂家设计的汽轮机不会完全相同，热力系统及效率区别也较大，按最保守的数据对比，高转速的厂家1与低转速的厂家3效率相差约1%。如按高转速的厂家2与低转速的厂家3对比，效率相差约1.4%，如按上文中所论证的结果，证明30MW的机组比较适合采用低转速，也可以根据不同项目的具体情况进行优化设计后确定汽轮发电机组的转速。表2为本公司的某BOT在建项目已确定的25MW可调节抽汽机组，可调节抽汽量约为50t/h。高转速的厂家1与低转速的厂家3效率相差约2.2%。如按高转速的厂家2与低转速的厂家3对比，效率相差约2.6%，所以25MW容量的机组适合用高转速汽轮机。
5汽轮机旁路系统减温减压级数选择
按照目前各垃圾焚烧发电厂主蒸汽参数，汽轮机旁路系统可采用一级或两级减温减压。若汽轮机旁路系统采用一级减温减压，减温减压器减压比（进口蒸汽压力比出口蒸汽压力）过大，一般厂家很难满足要求，且此时减温减压器减温水全部采用高压给水；而采用两级减温减压的汽轮机旁路系统中二级减温减压器采用凝结水作为减温水。只有一级减温减压器需高压给水作为减温水。采用一级减温减压时，高压给水作为减温水部分耗量增大，需增加给水泵流量，提高了给水系统设备要求。综合以上因素考虑，推荐采用两级减温减压。从表１中可以看出：只有Ｂ厂项目中采用的是一级减温减压，其余垃圾焚烧发电厂均采用两级减温减压。此外，若一级减温减压后蒸汽参数过高，可能造成汽轮机厂自供的凝汽器两级减温减压器及凝汽器喉部结构过于复杂，结合表１中的工程实例，推荐一级减温减压器将新蒸汽减温、减压至０．６ＭＰａ、１６０℃，然后再经过两级减温减压装置进入凝汽器，凝汽器需做特殊设计。
结语
经过前面的分析及论证，同时考虑投资及收益回报率，当效率提升＞2%时推荐采用高转速，反之推荐采用低转速。再结合我公司工程以往工程实践和目前较成熟的汽轮机技术水平条件下，得出以下结论，在中温次高压条件下(6.2MPa.a，475℃)或其它蒸汽参数但蒸汽容积流量相当的条件下。1、25MW级及以下功率汽轮机推荐采用高转速。2、30MW及以上功率汽轮机推荐采用常规转速。
参考文献
［1］中国动力工程学会主编．火力发电设备技术手册［M］．北京:机械工业出版社．2006，35．
［2］王新军，李亮．汽轮机原理［M］．西安:西安交通大学出版社，2014，12．