垃圾发电厂汽轮机高转速技术的研究和应用

垃圾发电厂汽轮机高转速技术的研究和应用

封江

广州广重企业集团， 广东 广州 511400

摘要：随着垃圾发电厂对经营效益的要求提高，国内垃圾发电厂汽轮机逐步向高转速方向发展。以N15-3.9//390中温中压参数机型和N12-6.6//450℃机型为研究对象，计算两汽轮机在3000RPM＆6000RPM转速下的热力性能参数＆通流结构特点，分析得出提高汽轮机转速能有效改善汽轮机组的热力性能，提高垃圾发电厂的经济性，降低前期投资成本等。

关键词：垃圾发电厂、高转速、汽轮机、系统优化

1 垃圾发电厂汽轮机的发展现状

目前垃圾焚烧行业汽轮机的进汽参数一般采用中温中压力或者中温次高压参数。提高进汽参数、降低排汽压力、提高机组转速等方式均可提高汽轮机效率。但是一味追求进汽参数的提升，反而会大大降低小汽轮机以及汽轮机高压级的效率。而降低排汽压力则会给汽轮机组的末级叶片带来湿度增大＆水蚀的风险。随着近几年垃圾发电行业的快速发展，通过提高汽轮机组转速来提高效率是目前垃圾焚烧发电领域汽轮机厂家广泛采用的一种方式，且该技术成熟、可靠^[1]。

东方汽轮机、上海汽轮机和广重汽轮机为代表的汽轮机设备厂家基本都已攻克高转速汽轮机的技术壁垒，最高可将汽轮机转速提高到10000RPM。其中广重汽轮机可做到8000RPM，如泰国N3.5；杭州汽轮机厂也已制成额定功率6MW、蒸汽初参数8.22MPA，530 ℃转速为9514RPM的高参数、高转速汽轮机。

国外在高转速汽轮机的研究方面发展较早，在小汽轮机研究生产中，国外普遍应用高转速机组，如BBC公司生产的小汽轮机转速可高达18000RPM。

2 理论计算基础

对于垃圾发电厂的汽轮机而言，常规机组一般以N9-N35为主。相比于大型火电机组，垃圾发电厂的汽轮机的进汽量比较小，蒸汽容积流量小，从而叶片高度较小。在叶片高度的某个极限数据内，蒸汽的端部损失与叶片的高度成反比。对于同一机型不同转速的汽轮机，汽轮机的转速提高，各级的叶片高度会相应的增加，从而有效减少蒸汽在级内的端部损失，提高汽轮机做功能力^[2]。

（1）转速与叶高的关系

(1)

（2)

(3)

-级的等熵焓降; -级的滞止速度； -速比， 最佳速比直叶片一般维持在0.42－0.49之间，扭叶片一般维持在0.5－0.58之间； -轮周速度； -转速； -叶片根径

在汽轮机进行通流设计比较时，汽轮机进汽排汽参数的一致，即两者的焓降一致，即汽轮机级的滞止速度 是定值，而一般级叶片的数值为维持在最优比范围内的一个定值，因此由式（1）－（3）可知，汽轮机的转速＆叶片的根径成反比，汽轮机的转速增大，叶片的根径会减小。

(4)

(5）

由于叶片的长径比较小，一般可以忽略不计，因此式(5)可以简化为

（6）

通过各个级的流量 为定值，叶片的最佳流速C在规范设计范围内会维持为定值。根据式（4）可知，流量一定的情况下，叶片的通流面积A一定。因此，当级的根径减少时，叶片的叶高会增加^[2]。

2. 端部损失计算

汽轮机端部损失系数随叶片的高度分两部分，当叶片的高度大于某个极限值时，端部损失随叶片的增大而线性减小，当叶片的高度小于该极限值时，端部损失随叶片的增大而非线性减小。在汽轮机的设计规范中，叶片的最小值一般维持在10－12mm。

图1 端部损失系数 随 的变化规律

3 案例计算

本文选取两个实际运行的N15-3.9//395机型的汽轮机，对比其在3000/6000RPM转速下的运行数据，分别对汽耗、热耗、电功率等性能参数进行计算和分析。

表1 15MW机组性能参数对比

由表1的数据可知，相同工况下的汽轮机在不同的转速下，工况1－工况4的汽耗的减少量（减少率）分别为0.37（7.14％）、0.35（6.78％）、0.27（6.8％）、0.35（6.82％）；电功率增加量（增加率）分别为0.98（7.77％）、0.96（7.27％）、0.542（7.28％）、1.02（7.27％）。该机型在额定运行工况下（工况4），6000RPM运行的汽轮机比3000RPM运行的汽轮机每小时多生产1020KW的电量，按照一年8000小时运行时间，上网电价0.48元/kwh计算，一年可多收益391.68万元。

表2 12MW机组通流部分的结构分析

N12-6.6//450℃机型汽轮机在不同转速下的通流结构分析
	1A	P1	P2	P3	P4	P5	P6	P7	P8	P9	P10	P11
6000	650	600	600	610	620	630	650	650	650	650	650	650
8000	485	485	485	485	485	485	485	485	485	485	485

N12-6.6//450℃机型汽轮机在进排汽参数一致、Ne=12MW的情况下，6000RPM时采用的是1A＋11P的通流结构，8000RPM时采用的是1A＋10P的通流结构。因两机组在同一工况下的进排汽参数一致，即两机组焓降一致，因此8000RPM时每级承担的平均焓降高于6000RPM时每级承担的平均焓降，同时8000RPM的机组尺寸更小，成本更低。但是叶片所承担的单级焓降增大会对叶片的强度等要求有所提升，且高转速机组的振动特性也会比低转速机组的振动特性强^[3]。

因此，按上文所论证的结果，提高汽轮机的转速能有效的提高汽轮机组的发电效率和降低汽轮机的汽耗量、提升发电厂经济效率、降低前期投资成本。

4 结论

本文以实际工程项目为背景，通过计算分析同一机型的汽轮机在不同转速、不同工况下的热力性能参数，分析同一机型的汽轮机在不同转速下通流结构，得出以下结论：

1. 提高汽轮机转速能有效提高机组的发电功率、降低汽耗、提升经济效益。

2. 提高汽轮机转速会增大叶片的强度＆机组的振动。

3. 提高汽轮机转速能减少机组体积，降低垃圾发电厂前期投资。

参考文献：

1. 蓝吉兵,丁旭东,陈金铨,等.高参数高转速工业汽轮机转子稳定性评估[J].热力透平,2015(3):7-9,17.

2. 张星,杨红霞,朱奇.垃圾焚烧发电汽轮机热力性能优化[J].热力透平,2019(12):265-268,293.

3. 岳兴月,洪勇,左一.垃圾焚烧厂汽轮机高低转速应用与研究[J].四川环境,2019(4):163-166.