摘 要：随着补贴退坡，针对农林生物质发电盈利能力降低，如何选取较为高效的利用途径成为相关人士的探讨热点。本文通过对不同初参数生物质发电用汽轮机热耗对比，肯定了提高蒸汽初参数的优势；同时对小功率高温高压再热机组一次再热压力选取进行分析，选取最佳再热压力；对农林生物质发电发展方向进行性能对比。研究旨在提升发电效率，促进电厂经济效益增长。

关键词：生物质；汽轮机；焚烧发电；低真空供暖；一次再热压力

生物质发电是利用生物质所具有的生物质能进行的发电，从处理技术方面可分为农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电。生物质电厂的主要收入来源于发电上网所带来电价收益，而随着补贴退坡、竞价上网，生物质电厂的运行成本上升，效益明显降低。如何高效发电、如何创造更多方式的收益成了生物质发电利用的重要研究方向[1-3]。

1 参数演变及性能对比

随着生物质前处理和燃烧工艺的优化，生物质发电的蒸汽参数也经历了几次变革，主要过程为：中温中压-次高温次高压-高温高压-高温超高压再热。目前，国内生物质发电用汽轮机功率等级主要分布在20~50 MW功率等级，蒸汽参数以高温高压（8.83 MPa/535℃）、高温超高压再热（13.24 MPa/535℃/535℃）为主。

根据朗肯循环，提高初参数、采用中间再热是提高机组循环效率的有效措施。排汽压力相同的条件下，放热平均温度基本不变：提高初压纯凝发电循环温熵图（见图1），循环从1-2-3-4-5-1变为1a-2a-3-4a-5a-1a；提高初温纯凝发电循环温熵图（见图2），循环从1-2-3-4-5-1变为1b-2b-3-4-5-1b；采用一次再热纯凝发电循环温熵图（见图3），采用中间一次再热，循环从1-2-3-4-5-1变为1-6-1c-2c-3-4-5-1。三者吸热平均温度升高，理想循环效率升高。

以30 MW功率等级生物质发电汽轮机组为例进行性能对比，不同参数性能指标详见表1。

从表1中看出，装机容量30 MW功率等级的生物质发电机组，次高温次高压机组热耗10629 kJ/(kW·h)比中温中压机组热耗11252 kJ/(kW·h)低6%，高温高压机组热耗9703 kJ/(kW·h)比中温中压机组热耗11252 kJ/(kW·h) 低14%，高温超高压再热机组热耗8843 kJ/(kW·h)比中温中压机组热耗11252 kJ/(kW·h) 低21%，同功率等级下，初蒸汽参数等级越高，热耗越低，燃料需求量越低，发电收入优势更明显。目前市场主流生物质发电参数为高温高压、高温超高压参数。  

2高温超高压再热压力选取

随着蒸汽参数的进一步提高，汽轮机末级乏汽干度不断下降。这不但降低了机组发电效率，还进一步影响了机组安全经济运行。因此，高温超高压参数凝汽机组需采用一次中间再热。再热压力的确定是影响热力循环的关键因素之一。目前，针对300 MW功率等级及以上一次再热机组的最优再热压力的选取已经有较为成熟的结论，在再热温度等于主蒸汽温度的前提下，最佳再热压力约为蒸汽初压的18%〜26%，当再热前有回热抽汽时，取18%〜22%；当再热前无回热抽汽时，取22%〜26%。对于功率等级80 MW及以下一次再热机组再热压力的选取，国内的相关研究较少，不同厂家选取的再热压力差异也很大。下面以N50-13.24/535/535机组针对再热压力的选取进行如下探讨。

再热压力1.5-3.5 MPa,额定功率50 MW下对应的热耗，以再热压力1.5 MPa热耗为基准，取热耗值相对变化量对比，同时计算相应压力下额定功率时排汽干度、最小运行功率时排汽干度，详见图4、图5。

由图4可以得出，再热压力1.5〜3.5 MPa，50 MW机组热耗先降低再升高，最低热耗出现在2.0 MPa左右；额定功率排汽干度一直降低；最小运行功率排汽干度在2.0 MPa以下，排汽几乎处于过热状态。综合考虑机组额定工况运行经济性、最小运行工况安全稳定运行，对于80 MW等级及以下小功率带回热再热机组，建议最佳再热压力约为蒸汽初压的17%〜20%。

3发展方向

生物质发电面临“国补退坡、竞价上网”的现状，必须寻求新的技术、应用突破才能保证稳定收益。生物质发电可以向高效发电、热电联产的方向发展。

3.1高效发电

目前市场上的高温超高压生物质发电机组，基本都以单缸再热机组为主，3000转直连、高转速配减速箱的机型均有，虽然相对其他发电机型，热耗已经很低，优势明显，但受限于单缸、单轴的结构限制，效率并未做到极致。3000转直连机组因体积流量很小高压段叶高低，叶型损失很大，导致高压段效率较低[4]。高转速配减速箱机组，整机效率较高，但考虑齿轮箱的损失很大。

如追求高效，需要将高圧段和低压段的效率同时做到极致。由于受到转速和跨距的限制，单缸单轴的方案难以实现，因此采用双缸双轴双转速的方案，将高压段和低压段拆成2台独立的汽轮机。高压缸体积流量较小，采用高转速转鼓结构；低压缸体积流量较大，采用3000 r/min叶轮结构，最终形成“高压缸+齿轮箱+低压缸+发电机”的组合。适用功率等级25-80 MW。

由表2可以得出，35-80 MW机型，采用双缸双转速发电机组比单缸机组热耗分别降低3.9%，3.7%，3.5%，2.9%，1.9%，经济效益明显。

3.2热电联产

热电联产的主要形式有：背压供热、抽汽供热、低真空供暖[5]。以下主要讨论生物质电厂采用低真空供暖机组的设计难点和经济性分析。

（1）低真空供暖机组设计难点。夏季纯冷凝运行，尽可能多发电，提高电收益；冬季纯凝运行，将汽轮机运行在低真空状态，提高排汽温度，利用循环水供暖。例如排汽质量流量90 t/h，夏季排汽压力7 kPa，比容16.8 m3/kg，末级扭叶组（尤以末级叶片最严重）承担的焓降大，叶片受力较大，强度容易超限；冬季排汽压力25 kPa，比容5.8 m3/kg，约为夏季1/3，扭叶组承担的焓降较小，容易产生鼓风甚至作负功现象。面对以上冬、夏季两种极端且矛盾的运行条件，在保证机组安全稳定运行的基础上使全年综合经济效益达到最佳值，该类机组扭叶设计要兼顾高效和安全。低压级组必须具有良好的变工况气动性能，静强度、动强度要有较大安全倍率，动叶动频率避开率较常规机组要大。

（2）低真空供暖经济性对比。在北方供暖地区有很大市场前景，尤其老的生物质电厂技术升级改造，应用前景广阔。我们以装机容量30MW的高温高压生物质汽轮发电机组为例机型经济性对比分析。上网补贴后电价按0.65元/（kw·h），年运行8000h计算，纯发电机组收益15600万元。低真空供暖应用，非供暖季节，按运行6800h考虑，发电收益13260万元；供暖季节采用低真空供暖，按运行1200h、售热电价36元/GJ考虑，发电收益2067万元，售热收益829万元，全年总收益16156万元。采用低真空供暖机组比纯发电机组年收益增加556万元，经济效益有显著提高。

4结论

本文通过对生物质发电技术进行深入研究后发现：（1）蒸汽初参数提高，汽轮机发电收益越高；（2）对于65 MW等级及以下小功率带回热双缸再热机组，最佳再热压力约为蒸汽初压的17%〜20%；（3）为了高效发电，对于高温超高压机组，可以采用双缸双转速机型，将循环效率做到极致；（4）对有供暖需求的地区，生物质电厂冬季低真空供暖，可提高电厂经济效益。这些技术措施在不同方面为发电效率的提升和经济效益的增长提供了有力支持，推动着行业朝着更加高效、绿色、可持续的方向发展。

参考文献

[1]雪晶，侯丹，王旻烜，等.世界生物质能产业与技术发展现状及趋势研究[J].石油科技论坛，2020(3):31-41.

[2]王敏，艾琳，王烨.2023年中国生物质发电发展现状与展望[J].水利发电，2024(12):9-11.

[3]王敏，曾静，李博，等.促进生物质能产业发展的财税政策研究[J].国际税收，2024(12):51-57.

[4]刘惠宁.某生物质电厂30 MW汽轮机低真空改造利用排汽余热供暖项目案例分析[J].应用能源技术，2022(05):46-48.

[5]全威.汽轮机低真空运行循环水供热技术的研究与实施[J].电力设备管理,2020(10):87-89.

作者简介：杨世华（1991-），男，浙江杭州人，工程师，研究方向：汽轮机热力、系统、本体相关设计。