垃圾焚燒電站汽輪機低負荷高背壓運行分析

摘" 要：該文介紹垃圾焚燒電站目前的典型汽水與旁路系統，闡述目前行業停機不停爐工況的運行特點及企業生產現狀，并針對國內外新建垃圾焚燒電站項目，用戶的新工藝需求，提出汽輪機低負荷高背壓工況運行的潛在風險。采用蒸汽透平的基本原理對汽輪機末級葉片的安全運行，振動風險進行評估，運用流體力學、工程熱力學的基本分析方法對蒸汽在汽輪機流道的流場分布進行理論分析。發現汽輪機出現低負荷高背壓的運行狀態后，不但降低機組出力，同時影響機組的安全運行及末級動葉片壽命。該文給出6種可行的解決方案，對汽輪機末級動葉片零功率或負功率的工況進行限制，降低其出現頻次，供垃圾焚燒電站行業相關從業及汽輪機設計人員在進行系統、產品設計時參考。

關鍵詞：垃圾焚燒電站；汽輪機；低負荷；高背壓；運行分析

中圖分類號：TK262" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）31-0168-05

Abstract： This paper introduction to the current typical steam and bypass systems of waste incineration power plants， explaining the operating characteristics of shutdown the steam turbine without stopping the boiler and the current production status of enterprises in the industry. In view of the new projects and the new process requirements of waste incineration power plant both domestically and internationally， and presents the potential risks of low-load and high-back pressure operation of steam turbines. The safe operation and vibration risk assessment of the last-stage blades of the steam turbine are evaluated based on the basic principles of steam turbines. The theoretical analysis of the flow field distribution of steam in the turbine flow channel is conducted using the basic analysis methods of fluid mechanics and engineering thermodynamics. It is found that the low-load and high-back pressure operating state of the steam turbine not only reduces the unit's output but also affects the safe operation and service life of the last-stage moving blades. This article provides six feasible solutions to restrict the zero-power or negative-power operating conditions of the last-stage moving blades of the steam turbine， reducing their frequency of occurrence， which can be used as reference for relevant practitioners of waste incineration power station industry and turbine designers in system and product design.

Keywords： waste incineration power plant; turbine; low load; high-back pressure; operational analysis

隨著人類社會生產水平和生活質量的提升，生活垃圾的產量逐年增加，如何高效、環保地處理城鎮生活垃圾成為世界各國急需解決的社會問題。目前，國際上傳統的城鎮生活垃圾處理方法主要包括無害化填埋、有機類垃圾堆肥技術、焚燒及綜合利用等，由于各個國家的發展水平、國情存在差異，針對城鎮生活垃圾處理方式的選擇、側重點有所不同。一般來說，土地資源富裕的國家選擇無害化填埋的比例高一些，環保要求較高的國家垃圾堆肥技術發展較為成熟，生活垃圾焚燒及綜合利用技術作為近年來的垃圾處理新手段，已經逐漸成為各個國家的優先選擇方案。在我國，垃圾焚燒技術已經發展數年，垃圾焚燒電站已經成為國內各大中型城市的標準公共基礎設施。例如建設一個2×500 t/d垃圾焚燒發電廠項目，設置2臺日處理量為500 t/d的垃圾焚燒爐，同時配套1臺25 MW中溫次高壓凝汽式汽輪發電機組，既可解決約800萬人口城市1 000 t/d的生活垃圾無害化處理，又能提供25 MW的城市上網用電，減輕了當地政府對城鎮生活垃圾的處理負擔，豐富了當地的能源結構，尤其是人口較密集、環保要求較高、城鎮化經濟發展水平較快的沿海地區，垃圾焚燒電站的設置彰顯了其獨特優勢。

1" 垃圾焚燒電站概述

相比燃煤電站，垃圾焚燒電站規模較小，汽水系統配置簡單，但為適應“垃圾”這種生活燃料，其汽水系統配置也有一定的特殊性。垃圾焚燒電站解決方案的主要目的是將城鎮生活垃圾轉化成上網用電的能源，實現廢物利用功能，與傳統的燃煤電站相比，城鎮生活垃圾產量較小、熱值較低，垃圾焚燒電站配套的汽輪發電設備多為50 MW以下的小汽輪機，其汽水系統的配置較燃煤機組也相對簡單。但鑒于垃圾焚燒電站的運行工況特點，除常規電站的汽水系統外，垃圾焚燒電站還需配置主蒸汽旁路系統。垃圾焚燒電站典型的旁路系統配置模式分為2種，一種為“旁路減溫減壓器+旁路高壓冷凝器”；另一種為“旁路減溫減壓器+公共主冷凝器”。

2 垃圾焚燒電站典型工況及旁路模式

2.1 垃圾焚燒電站停機不停爐的典型工況

國內垃圾焚燒電站具有停機不停爐的典型工況。由于垃圾焚燒電站具備2方面的功能，處理生活垃圾及生產上網電量。垃圾焚燒電站的收入也主要來自這2部分，處理垃圾帶來的收入（垃圾處理費和政府補貼）與電能售賣的價格。因此考慮到經濟因素，在不滿足發電上網的停機期間，部分垃圾焚燒電站會保持在焚燒爐額定負荷甚至最大蒸發量下運行，具有停機不停爐的特點。

2.2 “旁路減溫減壓器+公共主冷凝器”模式典型工況下的蒸汽狀態

在項目建設階段，建設單位往往考慮成本問題，優先選擇“旁路減溫減壓器+公共主冷凝器”配置方式，如圖1所示。即主流蒸汽和旁路蒸汽共用1臺主冷凝器的布置模式。在項目建成后，出現停機不停爐的工況時，將進入汽輪機的主汽門關閉，余熱鍋爐產生的新蒸汽通過旁路減溫減壓后直接排入運行的主冷凝器。由于旁路系統的二級減溫減壓器出口設置在主凝汽器的縮頸處，而主凝汽器的縮頸直接焊接或者法蘭連接在汽輪機的低壓缸排汽口處，新蒸汽進入主凝汽器縮頸后，雖然大部分蒸汽將會朝著背壓更低的主冷凝器深處流動，通過換熱管壁與循環冷卻水充分熱交換后參與到整個汽水系統的熱力循環，但仍會有小部分蒸汽充滿汽輪機的整個低壓缸排汽空間，甚至汽缸高壓段都會停留滯止蒸汽。旁路蒸汽在經過二級減溫加壓器后，已相變成參數更低的濕蒸汽，若汽輪機低壓段汽缸長時間處于濕蒸汽環境，勢必會造成低壓段動、靜葉片及隔板等部件產生銹蝕，對汽輪機停機保養工作提出了更高的要求。

2.3 “旁路減溫減壓器+公共主冷凝器”模式下汽機廠建議

汽輪機廠家對出現停機不停爐工況時，一般會建議客戶在后汽缸與主冷凝器縮頸之間加入隔板，阻斷旁路濕蒸汽與后汽缸的流動通道，防止旁路蒸汽進入汽輪機內部。但在實際操作時發現，要想加入該隔板，垃圾焚燒爐需要短暫的停爐期，并且部分廠家汽輪機后汽缸與冷凝器縮頸之間是焊接連接，客戶需要將后汽缸與冷凝器縮頸之間的連接面切開，再進行隔板焊接，當停機不停爐工況結束后，再將隔板切除。整個操作流程限制多，過程復雜，工藝要求高，且對設備進行了破壞性操作，實際很少客戶會選擇此方式。后汽缸與主冷凝器之間的連接示意圖如圖2所示。

3 國內外垃圾焚燒電站生產運行的新需求

3.1" 國內垃圾焚燒電站項目

3.1.1" 汽輪機需具備孤島運行能力

隨著垃圾焚燒電站在國內的數量逐漸增加，有部分客戶還提出了汽輪機要具備孤島運行的能力，意味著垃圾焚燒電站在無上網用電外輸需求的時候，汽輪機要帶廠用電運行，同時垃圾焚燒爐處于滿負荷運行狀態。這樣的優勢在于，對于垃圾焚燒電站而言，孤島運行解決了電網調峰、機組調試等特殊時期，廠用電無需從電網購買，相比原停機不停爐工況，降低了運行成本，縮短了汽輪發電機組停機到重新開機的啟動時間，保證了汽輪機低壓段的工作環境，維持了企業的經濟利益。

3.1.2" 孤島運行工況的特點

孤島運行促使汽輪機具有極低負荷的運行能力。由于垃圾焚燒電站的裝機規模較小，電站內總的輔助用電設備功耗本就不高，各單位在建設之初又多選用能耗較低的電器設備，從而一般垃圾焚燒電站的廠用電量實際功率更小。例如，一臺12 MW的中溫次高壓純凝汽輪發電機組廠用約為1.0 MW左右，實際占比僅為銘牌功率的10%左右，這又給汽輪機低壓段末級葉片的運行能力提出了新挑戰。

3.2" 國外垃圾焚燒電站項目

由于具有國內垃圾焚燒電站成功運營的經驗，同時響應國家“走出去”的戰略號召，一些優秀的能源環保類投資企業開始進行國外垃圾焚燒電站的業務擴展，將國內對于城市生活垃圾廢物再循環的成功經驗帶出國門，針對這一類國外垃圾焚燒電站項目，國外客戶同樣提出了與國內項目相似的生產需求。

某國為印度洋島國，其整個國家的人口約55.7萬人，陸地面積298 km2，人口密度達到了1 801.8人/km2，人口稠密且土地資源匱乏，每日的生活垃圾產量達到400 t以上。目前該國的主要垃圾處理方式為海島填埋，但因該國的主要產業為旅游業，環保紅線是該國政府最后的底線，垃圾焚燒電站的建設對于該國來說是雙贏的民生項目。

因該國國情限制，該國的電網異常薄弱，由國內某環保裝備企業在該國投資建設的13 MW垃圾焚燒電站項目，要求本項目的汽輪發電機組要在額定負荷8%左右的孤島狀態下，斷斷續續運行1～2年左右，與此同時，垃圾焚燒爐還需在滿負荷狀態運行以保證其每日的垃圾處理量。另外該電站的循環冷卻水為海水，為滿足換熱后的循環水可以順利排入大海，當地環保部門要求，該電站的冷卻循環水系統溫升不得超過3℃。這一系列嚴苛的外部條件，給汽輪機、冷凝器等主要設備提出了更嚴峻的考驗。

3.3 本章小結

垃圾焚燒電站汽輪機新的運行工況——低負荷高背壓工況。無論是國內、還是國外的垃圾焚燒電站項目，在提出汽輪機帶孤島運行且鍋爐處于滿發負荷時，垃圾焚燒電站的汽水系統都要處理由鍋爐產生的大量過余蒸汽，客戶通常要求考慮將該部分過余蒸汽直接排入主冷凝器縮頸處，導致了汽輪機處在較低負荷工況運行的同時，低壓缸排汽口處仍要承受由旁路系統進入的大量濕蒸汽，造成汽輪機末級葉片長期處于低負荷高背壓的惡劣環境。

4" 新生產需求下汽輪機運行風險及解決方案

4.1" 汽輪機低負荷高背壓工況運行風險分析

孤島運行工況易造成汽輪機末級動葉片進入鼓風狀態。汽輪機在孤島低負荷工況下運行時，分配在末級動葉片的功率本身就會減小，同時，排汽口涌入大量減溫加壓后的旁路蒸汽后，汽輪機后汽缸蒸汽聚集，末級動葉片背壓快速升高，流經葉片的體積流量隨之迅速降低，末級動葉片容易進入鼓風狀態，即，末級不但不輸出功率，反而需吸收功率（處于負功率狀態），出現流動不穩定狀態，并且帶來一系列的問題。

蒸汽流動的穩定性降低，出現渦流。有研究表明，冷凝式汽輪機流經末級動葉片的蒸汽流動紊亂度隨著進汽量的減少而增大，在進入汽輪機末級的體積流量下降過程中，首先會在動葉片出汽端葉頂部位出現渦流，并且隨著體積流量的減少，渦流位置開始向葉根方向發展、渦流規模也逐漸增大，最終充滿整個排汽段，蒸汽流動的穩定性變差。

葉片振動應力增加，增加葉片斷裂風險。汽輪機在額定工況運行時，進入末級的蒸汽均可以繞葉片型線光滑地流動，小體積流量時，汽流將會與葉片表面發生脫離、失速，造成葉片顫振，葉片的振動應力增加，嚴重時將會造成葉片斷裂。

流道局部出現蒸汽逆流，級效率下降，葉片斷裂風險增加。末級動、靜葉片一般為扭葉片，且葉高較高，蒸汽經過通流流道時受離心力的作用，噴嘴與動葉片之間的壓力沿葉高逐漸增大，隨著機組末級體積流量的減少，葉片根部首先會出現負反動度，從而出現脫流、逆流現象。當蒸汽在葉片根部逆向沖刷時，該股汽流為一個局部阻力汽流，干擾主流蒸汽的正常流動，級效率下降。另外，蒸汽對末級動葉片沿葉高方向的軸向汽動彎應力并不是均勻分布，葉片根部由于逆流的存在，該處蒸汽對葉片根部作用的汽動彎應力將與主流相反，使葉片受到一對方向相反、大小不同的不對稱力偶，增加了葉片斷裂的風險。

后汽缸溫度急劇上升，增加機組運行風險。末級進入鼓風狀態時，鼓風損失增大，末級耗功大于等于末級的作功，蒸汽被加熱。雖然排汽段排汽溫度的提高降低了該段蒸汽濕度，有助于減少濕蒸汽對葉片前緣的水蝕現象，但是后汽缸溫度將會急劇上升，轉子支撐、冷凝器、低壓缸的膨脹量均會增加，造成轉子后軸承標高發生變化， 引起轉子軸系對中惡化，軸承載荷接觸點偏離設計位置，軸承動力特性發生改變。低壓缸與冷凝器的膨脹量變化同樣會使兩者的作用力平衡點離開設計狀態，不穩定因素增加，機組安全運行風險提高。

4.2" 汽輪機低負荷高背壓工況運行解決方案

具備低負荷高背壓運行工況的汽輪機，需對末級動葉片進行風險評估。汽輪機出現低負荷高背壓的運行狀態后，一定要對末級動葉片的工作環境、工作能力進行分析，該工況下不但降低汽輪機出力，同時影響汽輪機安全運行及末級動葉片壽命，所以末級動葉片零功率或負功率的工況必須要被限制或者降低該工況的出現頻次。

繪制汽輪機排汽質量流量與背壓變化的限制曲線。由于末級出現負功率的狀態主要與末級排汽體積流量有關，而排汽體積流量又與排汽質量流量及排汽背壓相關聯。任何排汽質量流量下，隨著背壓的升高，末級動葉片都可能出現輸出功率為0的情況，此時其排汽壓力為該排汽質量流量下的上臨界壓力，即最高安全運行背壓。故可作出排汽質量流量與臨界排汽壓力的界限線：在允許的任意排汽質量流量范圍內，分別以最高安全背壓為上界限，阻塞背壓為下界限，制作出末級動葉片允許的安全運行區域圖（圖3），在界限線以內為安全運行區。該圖可以作為客戶在孤島運行，且背壓變化時的運行限制曲線。

末級動葉片負功率時允許其短期運行的經驗數據。某一質量流量下對由于排汽壓力超過臨界壓力的末級動葉片負功率問題，汽輪機廠家一般不能保證其安全性，根據經驗，一般情況下，在末級動葉片負功率不超過額定功率的10%，同時排汽為濕蒸汽時，允許其短期運行。

對于既要帶極低負荷，排汽口又要承受來自旁路蒸汽的汽輪機設計技巧。汽輪機廠家在對低壓排汽段進行結構設計時，可以考慮犧牲少量的額定工況效率，來推遲末級動葉片零功率出現的時間點。在方案設計階段，對額定或者最低循環冷卻水溫度的工況，減少冷凝器冷卻水流量，使該工況的背壓適當提高，同時，在滿足末級最佳速比的前提下，適當地降低末級噴嘴的通流面積，從而降低動葉片高度，以此來平衡汽輪機在小體積流量工況時，末級通道與蒸汽流量不匹配問題。

考慮在系統中增加旁路冷凝器。針對長期有大量旁路蒸汽需要冷卻的項目，可以考慮增加1臺高背壓的旁路冷凝器，因該旁路冷凝器無需匹配汽輪機的正常排汽，只需達到將垃圾焚燒爐產生的過余高溫蒸汽冷凝的目的，所以可以在冷凝器材料和車間環境溫度允許的前提下，適當地提高冷凝壓力，從而冷卻水量、冷凝器面積可相應減少，降低投資成本。

增加控制、監控手段，提高運行水平，隨時監測汽輪機排汽缸的溫度、壓力等參數。在降低汽輪機進汽流量，增加旁路蒸汽進入主凝縮頸時，密切監控汽輪機背壓變化，根據設備廠家提供的排汽流量與背壓曲線，實時調整，找出汽輪機實際運行安全背壓對應的排汽能力，并對設備廠家提供的理論曲線進行修正。其次，在后汽缸溫度超過安全背壓對應的飽和溫度后，需投入帶有高霧化噴頭的減溫裝置，對后汽缸進行噴水降溫，且噴頭的設置點應遠離末級動葉片的出汽邊，防止噴射出的水滴運動到葉片上，造成末級動葉片出汽側水蝕加劇。

汽輪機廠家可采取的其他手段。在面對末級動葉片不可避免的負功率出現問題，汽輪機廠家應提升末葉片的材料強度，并對實際末級葉片的通流能力進行汽動實驗，準確找到高背壓下末級葉片的極限通流能力，根據葉片出現裂紋的時間、運行參數進行數據統計、分析，找出不同材料下末級葉片的精準壽命周期，極限運行參數，并制作圖表作為用戶的運行指導文件。

5" 結束語

隨著垃圾焚燒電站行業對汽輪機運行能力提出的新要求，低負荷高背壓工況在汽輪機的壽命周期內出現的頻次將會逐步增加。本文通過對出現該運行工況的汽輪機末級通流流道分析，提出了影響汽輪機安全運行的4類風險，并針對如何避免該風險，給出了6條可行的解決方案，可為行業相關從業者在項目建設、設備制造時提供設計指導。

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