大型凝汽機(jī)組利用壓力匹配器改造成供熱機(jī)組的方法

1、大型凝汽機(jī)組利用壓力匹配器改造成供熱機(jī)組的方法沈陽飛鴻達(dá)節(jié)能設(shè)備技術(shù)開發(fā)有限公司 王汝武 關(guān)鍵詞：壓力匹配 凝汽式汽輪機(jī) 供熱提要：本文提出了利用壓力匹配器改造大型凝汽式汽輪機(jī)為供熱機(jī)組的方法，說明了改造原理，給出了原則性熱力系統(tǒng)圖和效益分析。目前我國火電發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)總?cè)萘恳殉^4億千瓦，新建火電廠以300MW及600MW為主。電網(wǎng)的供電煤耗逐年下降，到2006年為366g/kw.h。隨著能源價(jià)格的提高，對發(fā)電廠節(jié)能的要求進(jìn)一步提高，小于50MW瓦的純發(fā)電機(jī)組已經(jīng)淘汰，100MW以上的純凝機(jī)組有條件的也應(yīng)改為供熱機(jī)組，以提高能源利用效率，減少環(huán)境污染。大型凝汽機(jī)組由于是按凝汽運(yùn)行方式設(shè)計(jì)的，

2、沒有適合工業(yè)和生活用汽的抽汽口。如果要供熱必須進(jìn)行改造。將大型凝汽式機(jī)組改成供熱機(jī)組的方法大致有三種方法：一是將汽機(jī)的轉(zhuǎn)子和汽缸全部更換，將凝汽式機(jī)組改為供熱式機(jī)組，可實(shí)現(xiàn)合理參數(shù)的供熱，但這種改造方式價(jià)格昂貴和購置新機(jī)組相差不大；二是在汽輪機(jī)高、中壓缸及中、低壓導(dǎo)管上開孔抽汽，超高壓機(jī)組，亞臨界機(jī)組及超臨界、超超臨界機(jī)組的高壓缸排汽，中壓缸排汽參數(shù)如下表：大型凝汽機(jī)組參數(shù) 機(jī)組初參數(shù)超高壓亞臨界超臨界超超臨界初參數(shù)130/535/535160/550/550235/566/566250/600/600高壓缸排汽25/31736.8/34040/30061.8/363中壓缸排汽2.5/2381

3、0/3009.4/36311/383從上表可以看出，超高壓機(jī)（125MW、200MW）及亞臨界機(jī)組從中、低壓缸導(dǎo)管上抽汽供生活用汽（采暖、空調(diào)、洗浴等）是可以滿足的，特別是供熱水網(wǎng)負(fù)荷在20km內(nèi)是沒有問題的。供工業(yè)用汽（0.8-1.3MPa）用高壓缸排汽，由于參數(shù)高，需要節(jié)流，造成了可用能損失，用中壓缸排汽，由于參數(shù)低，需要節(jié)流，造成了可用能損失，用中壓缸排汽，由于參數(shù)低，不能滿足要求。第三種改造大型凝汽式機(jī)組為供熱機(jī)組的方法是利用壓力匹配器（蒸汽噴射器），將高于供汽壓力和低于壓力的兩種蒸汽混合，滿足供汽壓力要求。用壓力匹配器改造大型凝汽機(jī)組為供熱機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是改造工作量小，機(jī)組本體基本上可以

4、不改變，供熱參靈敏穩(wěn)定，調(diào)節(jié)范圍大，在機(jī)組滑參數(shù)運(yùn)行過程中可以穩(wěn)定供熱，參數(shù)不變。除了利用高壓缸、低壓缸排汽供熱外，還可以作回?zé)岢槠鞯某槠?。下面介紹幾種利用壓力匹配器將大型凝汽機(jī)組改造為供熱機(jī)組的可行方法。一、壓力匹配器的原理及效率壓力匹配器的基本原理和蒸汽噴射壓縮器相同，是利用高壓蒸汽作動(dòng)力來提升低壓蒸汽的壓力，為了適應(yīng)抽汽供熱的需要，與汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)汽門的噴咀調(diào)節(jié)相似，壓力匹配器采用多噴咀結(jié)構(gòu)，根據(jù)外供汽量的大小，調(diào)整噴咀開啟的數(shù)量及開度大小，以保證在外供汽量變化時(shí)，壓力匹配器保持較高的效率，壓力匹配器的熱力過程表示在焓熵圖上如下： 圖1 壓力匹配器的熱力過程圖在匹配器前工作流體的狀態(tài)

5、用A點(diǎn)來確定：焓為ip，壓力為Pp；在匹配器前引射流體的狀態(tài)用D點(diǎn)來確定：焓為iH，壓力為pH，在噴射系數(shù)u給定的情況下，在匹配器出口壓縮流體的焓ic根據(jù)能量守恒定律來確定： （1）在無損失的理想匹配器中，在i-s圖上壓縮流體的狀態(tài)用直線AD與ic=常數(shù)之直線的交點(diǎn)C 來確定，這點(diǎn)的熵是sc。通過C 點(diǎn)所作的等壓線決定了在壓力匹配器后壓縮流體的壓力pc。壓力匹配器的實(shí)際過程具有損失，因此，在實(shí)際壓力匹配器后壓縮流體的熵值sc比sc大，而壓縮流體的壓力pc比pc低，壓力匹配器中的損失愈小，壓縮流體的壓力pc愈接近于pc。進(jìn)入匹配器的工作流體，在噴嘴里和在混合室的入口段上壓力從pp膨脹到p2。在膨

6、脹末了，工作流體的狀態(tài)用R點(diǎn)來確定。由于（Hp+Hk）熱能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能的結(jié)果，工作流體在圓柱形混合室入口截面上的速度達(dá)到wp2，速度系數(shù)是考慮工作流體的膨脹損失。這里，Hp和Hk是相應(yīng)于工作流體從P1等熵膨脹到PH和從PH等熵膨脹到P2時(shí)的焓降。在混合室的入口段上，引射流體從壓力PH膨脹到壓力P2。在膨脹末了，引射流體的狀態(tài)用M點(diǎn)來確定，由于HK熱能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能的結(jié)果，在圓柱形混合室入口截面上引射流體的速度達(dá)到WH2，速度系數(shù)是考慮引射流體的膨脹損失。在混合室里，進(jìn)行混合流體速度的均衡和壓力的提高，在混合室末端，流體的狀態(tài)用E點(diǎn)來確定，這時(shí)，流體具有平均速度W3和靜壓力P3。往下，流體進(jìn)入擴(kuò)散器，

7、在擴(kuò)散器中，動(dòng)能轉(zhuǎn)換成勢能或熱能，在擴(kuò)散器后流體的狀態(tài)用C點(diǎn)來確定，流體的靜壓力等于Pc，它的焓等于ic，它的熵等于sc。在取同樣的噴射系數(shù)（u=不變量）或取同樣的焓（ic=不變量）的情況下，在擴(kuò)散器出口處，實(shí)際壓縮器的壓縮流體壓力Pc低于理想壓縮器的壓縮流體的壓力pc（pcpc），因?yàn)樵趯?shí)際壓縮器中發(fā)生的過程是不完善的。壓力匹配器的效率我們可以用動(dòng)力機(jī)械常用的等熵效率來定義壓力匹配器的效率 （2）式中：u引射系數(shù)驅(qū)動(dòng)蒸汽等熵膨脹到吸入蒸汽壓力時(shí)的焓降吸入蒸汽等熵壓縮到輸出壓力時(shí)的焓升。和壓力匹配器等價(jià)的裝置是用背壓蒸汽透平拖動(dòng)蒸汽壓縮機(jī)，如圖2所示： 圖2 蒸汽透平拖動(dòng)壓縮機(jī)裝置圖壓力匹配器

8、的效率可以和透平壓縮機(jī)的效率相媲美。例如用2.4MPa、390的蒸汽，將0.5MPa、250的抽汽提高到1.0MPa，=175.6KJ/kg，=376.2KJ/kg，u=0.5 則壓力匹配器的等熵效率為該效率和用蒸汽透平拖動(dòng)壓縮機(jī)的效率相當(dāng)，小型背壓透平的效率大約為0.70 ,蒸汽壓縮機(jī)的效率大約為0.65，透平壓縮機(jī)組的效率為0.700.65=0.455。但透平壓縮機(jī)組的設(shè)備及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用則大大高于壓力匹配器。二、100MW及200MW機(jī)組改造為供熱機(jī)組的方法國產(chǎn)的125MW及200MW機(jī)組為超高壓參數(shù)，進(jìn)汽壓力12.75MPa，535，再熱壓力2.0-2.45MPa，535。中壓缸到低壓缸

9、導(dǎo)管壓力0.22MPa，溫度245，凝汽壓力0.005MPa，共有8級回?zé)岢槠?，抽汽壓力?.045MPa到3.75MPa。采暖抽汽一般是在從中壓缸到低壓缸的導(dǎo)管上裝調(diào)節(jié)閥打孔抽汽，由于導(dǎo)管上的為0.22MPa適合于生活用汽參數(shù)，已在我國三北地區(qū)多臺機(jī)組上實(shí)施1。從大型凝機(jī)組上實(shí)施工業(yè)供汽，還不多。工業(yè)供汽一般要求0.8-1.0MPa，可以直接在高壓缸排汽管道上抽汽通過減壓減溫器供熱。但減壓減溫器供熱存在節(jié)流損失，降低了熱能利用率。利用壓力匹配器可以克服上述缺點(diǎn)，利用高壓缸排汽導(dǎo)管上的蒸汽作為驅(qū)動(dòng)蒸汽，引射第三回?zé)岢槠诘某槠ㄔ陬~定工況下為0.67MPa），輸出1.0MPa，200的蒸汽。由

10、于高排壓力及三抽壓力都隨機(jī)組的電負(fù)荷變化而變化，以125MW機(jī)組為例，在額定工況下高排參數(shù)2.45MPa，330，三抽參數(shù)0.67MPa，390，而在80MW負(fù)荷時(shí)，高排參數(shù)1.6MPa，290，三抽參數(shù)0.44MPa，375。為了保證供熱參數(shù)不變（1.0MPa，200），必須采用必要的調(diào)節(jié)手段。壓力匹配器正是將汽機(jī)打孔抽汽變成可調(diào)節(jié)抽汽的理想設(shè)備2。125MW機(jī)組利用壓力匹配器供汽的原則性熱力系統(tǒng)圖如圖3所示。1、壓力匹配器 2、減溫器 3、減溫水調(diào)節(jié)閥 4、壓力變送器5、溫度變送器 6、儀表箱 7、電動(dòng)執(zhí)行器 8、安全閥 圖3 125MW機(jī)組壓力匹配器供熱系統(tǒng)圖由高壓缸排汽抽出部分蒸汽進(jìn)入

11、壓力匹配器噴咀，膨脹形成高速汽流，將某級部分回?zé)岢槠耄瑑煞N汽流混合擴(kuò)壓形成熱用戶所需要的壓力，如果溫度超過熱用戶的要求，可以噴水減溫。在壓力匹配器的出口裝有壓力和溫度變送器。將實(shí)測訊號送給儀表箱中智能調(diào)節(jié)器，智能調(diào)節(jié)器經(jīng)分析、計(jì)算發(fā)出訊號給高排蒸汽調(diào)節(jié)閥及減溫水調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行器，關(guān)小或開大閥門，以保證出口蒸汽壓力和溫度穩(wěn)定。不隨電負(fù)荷和熱負(fù)荷的變化而變化。如果沒有壓力匹配器的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于高壓缸排汽和回?zé)岢槠膲毫Χ茧S電負(fù)荷的變化而變化，則出口壓力和溫度將隨電負(fù)荷和熱負(fù)荷的變化而變化。以135KW機(jī)組為例，高排蒸汽及三抽蒸汽參數(shù)的變化如下表。表 135MW機(jī)組高排及三抽蒸汽參數(shù)隨工況變化

12、項(xiàng)目工況高排蒸汽三抽蒸汽壓力（MPa）溫度（）壓力（MPa）溫度（）135MW2.58313.50.651354.7100MW1.92294.10.491355.667.5MW1.31277.70.337357.1從上表看出，高壓缸排汽及第三回?zé)岢槠诘某槠紳M足不了熱用戶的用汽的要求。熱用戶用汽量的變化，當(dāng)然也要引射抽汽口壓力的變化。上面所說壓力匹配器的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以保證在電負(fù)荷和熱負(fù)荷變化時(shí)，壓力匹配器的出口壓力和溫度穩(wěn)定。以供0.8-1.0MPa工業(yè)用汽為例，分析不同供汽量下的經(jīng)濟(jì)效益?？紤]鍋爐運(yùn)行的安全性，高排抽汽量不能超過額定再熱流量的6%，對200MW機(jī)組不超過30t/h，對12

13、5MW機(jī)組不超過20t/h。如果供熱抽汽量超過上述數(shù)值則應(yīng)從再熱管道熱端抽汽，熱端允許的抽汽量可大大增加。這時(shí)對增加供熱量受限制的是回?zé)岢槠诘牧髁俊Ｈ绻粋€(gè)回?zé)岢槠诘牧髁坎荒軡M足要求，在蒸汽參數(shù)允許的情況下，也可以從鄰近抽汽口抽汽，壓力匹配器可做成多管抽汽并允許抽入不同壓力。例如要外供0.8-1.0MPa的蒸汽，可以同時(shí)從3、4、5回?zé)岢槠诔槠?、4、5抽汽口的抽汽壓力分別為 0.77、0.458、0.245MPa），系統(tǒng)圖如圖4所示。圖4 不同壓力抽汽口壓力匹配器系統(tǒng)圖回?zé)岢槠麎毫Ω叩某槠诔槿肫看?，壓力低的抽汽口抽入汽量少?？蓪Ⅱ?qū)動(dòng)蒸汽調(diào)節(jié)閥（多噴咀）開啟順序按抽汽口壓力從高到低

14、依次排列，順序開啟。以外供0.8-1.0MPa蒸汽為例，高排參數(shù)2.45MPa，330，三抽參數(shù)0.67MPa，390，這時(shí)壓力匹配器的引射比u=0.8，即一噸高排蒸汽可引射三抽蒸汽機(jī)0.8噸。200MW機(jī)組高排蒸汽最大允許抽汽量按30t/h計(jì)算，可吸入三抽汽24t/h，向外供汽為54t/h。125MW機(jī)組高排蒸汽最大允許抽汽量按20t/h計(jì)算，可吸入三抽汽16t/h，總供汽為36t/h。200MW機(jī)組在供0.8-1.0MPa蒸汽54t/h時(shí)，增加熱化發(fā)電量8400KW，減凝汽發(fā)電量13000KW，發(fā)電煤耗為307g/kw.h，比不供熱節(jié)約燃料9000噸/年（年運(yùn)行6000小時(shí)）。125MW機(jī)

15、組在供0.8-1.0MPa蒸汽36t/h時(shí)，減少發(fā)電量8125KW，增加熱化發(fā)電量5250g/kw.h，比不供熱節(jié)約燃料5625噸/年。隨供汽量增加，節(jié)能量也將隨著增加，這時(shí)需要在再熱器熱端抽取壓力匹配器的驅(qū)動(dòng)蒸汽。三、300MW和600KW機(jī)組改造成供熱300MW和600MW機(jī)組進(jìn)汽參數(shù)為亞臨界參數(shù)，16.5MPa ,550，再熱參數(shù)為3.48MPa，550。8級回?zé)岢槠槠麎毫Ψ謩e為5.16、3.58、1.46、0.744、0.44、0.27、0.0819、0.0172MPa。抽汽壓力1.46、0.744、0.44MPa的抽汽口都可以作為工業(yè)用汽的抽汽口。壓力為5.16MPa和3.58MP

16、a的抽汽口可以作為壓力匹配器驅(qū)動(dòng)蒸汽機(jī)抽汽口。由于回?zé)岢槠诔ス┗責(zé)峒訜岬恼羝酝?，剩余不多，不能滿足大量供熱（例如大于50t/h）的要求。如果需要大量供汽，還要利用上述125MW到200MW機(jī)組再熱導(dǎo)管冷端或熱端抽汽作為驅(qū)動(dòng)蒸汽抽吸回?zé)岢槠帷?、再熱導(dǎo)管抽汽作為驅(qū)動(dòng)蒸汽抽吸回?zé)岢槠墓岱绞皆擃愋蜋C(jī)組的再熱導(dǎo)管抽汽接近于中壓電廠的鍋爐新汽，用再熱導(dǎo)管抽汽作為驅(qū)動(dòng)蒸汽抽吸回?zé)嵴羝椭袎弘姀S使用壓力匹配器的參數(shù)基本上相似，壓力匹配器在中壓電廠已大量使用，取得可觀的經(jīng)濟(jì)效果。用再熱器冷端、熱端或冷熱端混合汽作驅(qū)動(dòng)蒸汽抽吸壓力為0.744MPa、0.44MPa的蒸汽可供壓力0.8-1.3MPa

17、的工業(yè)用汽?？梢詥蝹€(gè)抽吸0.744MPa或0.44MPa抽汽口的蒸汽也可以同時(shí)抽吸兩個(gè)抽汽口的蒸汽。估計(jì)最大供汽量可達(dá)100t/h左右。2、再熱導(dǎo)管冷端和熱端蒸汽混合成中壓參數(shù)蒸汽，向中小熱電機(jī)級供汽。300MW和600MW機(jī)組再熱導(dǎo)管冷端壓力4.0MPa，溫度300，熱端壓力3.9MPa，溫度550，欲混合成3.9MPa，450的蒸汽。兩種不同參數(shù)的混合也要借助于壓力匹配器，該種壓力匹配器的原則性系統(tǒng)圖如圖5。 1、蒸汽混合器 2、溫度調(diào)節(jié)閥 3、壓力調(diào)節(jié)閥 4、壓力變送器 5、溫度變送器 6、儀表箱 7、電動(dòng)執(zhí)行器圖5 再熱導(dǎo)管冷端和熱端蒸汽混合裝置再熱器前后兩種蒸汽進(jìn)入混合器1，進(jìn)行混合

18、，再通過壓力調(diào)節(jié)閥3保證出口壓力在輸出流量變化時(shí)穩(wěn)定。壓力變送器的訊號通過儀表箱中的智能壓力調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥3，控制出口壓力。溫度變送器的訊號通過儀表箱中智能溫度調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥2，控制出口溫度。壓力和溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)既可以封閉控制，也可以接入DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。上述再熱器冷端和熱端的混合汽可供給中壓背壓式機(jī)組，背壓一般為0.8-1.3MPa，可配置B6-3.43/0.98及B12-3.43/0.98兩種機(jī)型，功率分別為6000KW及12000KW，進(jìn)汽量為60t/h和118t/h。估算300MW機(jī)組抽60t/h，600MW機(jī)組抽118t/h對機(jī)組的安全運(yùn)行沒有影響。以300MW為例，再熱器前后共抽汽60t/h，減少發(fā)電量約18000KW?？鄢硥簷C(jī)發(fā)電6000KW，實(shí)際少發(fā)電12000KW。機(jī)組且在該工況下的發(fā)電量為KW，其中11000KW為熱化發(fā)電量。