一種新型可調(diào)節(jié)抽汽汽輪機(jī)

1、203全國化工熱工設(shè)計技術(shù)中心站2005年年會論文集一種新型可調(diào)節(jié)抽汽汽輪機(jī)王汝武 沈陽飛鴻達(dá)節(jié)能設(shè)備技術(shù)開發(fā)有限公司摘要：本文提出用不旋轉(zhuǎn)隔板或抽汽調(diào)節(jié)汽閥的抽汽汽輪機(jī)和壓力匹配器聯(lián)合運(yùn)行，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的可調(diào)節(jié)抽汽汽輪機(jī)，說明了運(yùn)行原理，并進(jìn)行了兩種機(jī)型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。關(guān)鍵詞：可調(diào)抽汽、壓力匹配器1、前言熱電聯(lián)產(chǎn)是國際上公認(rèn)的節(jié)能措施，實現(xiàn)蒸汽動力裝置的熱電聯(lián)產(chǎn)就必須使用背壓或抽汽式汽輪機(jī)。由于背壓式汽輪機(jī)熱負(fù)荷和電負(fù)荷相互制約，使用受一定限制。抽汽式機(jī)組被廣泛用在熱電廠?？烧{(diào)抽汽汽輪機(jī)能夠在電負(fù)荷變化的一定范圍內(nèi)，實現(xiàn)供汽壓力不變，在熱負(fù)荷從零到最大抽汽量時，機(jī)組可供出額定的電能?？烧{(diào)節(jié)抽汽機(jī)

2、實現(xiàn)上述功能是通過在汽輪機(jī)的通流部分裝旋轉(zhuǎn)隔板或抽汽調(diào)節(jié)汽門實現(xiàn)的，主要用來調(diào)節(jié)抽汽量和凝汽量的比例。由于抽汽點后通過面積是按純凝汽運(yùn)行時的流量設(shè)計，在抽汽量較大，凝汽量較少時，旋轉(zhuǎn)隔板或抽汽調(diào)節(jié)汽門會產(chǎn)生很大的節(jié)流損失，一般抽汽式汽輪機(jī)的內(nèi)效率比凝汽式機(jī)組的內(nèi)效率下降10%左右。旋轉(zhuǎn)隔板或抽汽調(diào)節(jié)汽門都是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大的機(jī)械機(jī)構(gòu)，隨著供熱機(jī)組容量的增大，旋轉(zhuǎn)隔板或抽汽調(diào)節(jié)汽門的制造有一定的困難，因此在五萬千瓦以上的供熱機(jī)組上很少有利用旋轉(zhuǎn)隔板或抽汽調(diào)節(jié)汽門的，而是在高低缸之間的蒸汽導(dǎo)管上裝蝶形閥門來調(diào)節(jié)抽汽量的大小。這種結(jié)構(gòu)限制了抽汽壓力的選擇（不能根據(jù)外界熱負(fù)荷的要求決定抽汽壓力），也

3、不能嚴(yán)格保證供汽壓力不變，也要產(chǎn)生節(jié)流損失，另外汽輪機(jī)的電負(fù)荷也要隨抽汽量的大小而波動，在供熱時不能滿發(fā)額定功率。隨著電網(wǎng)容量的增大，發(fā)電機(jī)組的容量不斷增加，而供熱機(jī)組的容量也應(yīng)增大，才能發(fā)揮熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)越性。新型可調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)是在以上技術(shù)背景下提出的。2、新型可調(diào)抽汽汽輪機(jī)的原理及系統(tǒng)新型可調(diào)節(jié)抽汽汽輪機(jī)是在和抽汽壓力相連的壓力級后汽缸上開一抽汽孔，抽汽孔的大小根據(jù)抽汽量決定。為了防止抽汽供出壓力隨汽輪機(jī)的電負(fù)荷而改變，將抽汽口管道接到壓力匹配器的吸汽口，壓力匹配器用鍋爐新汽作驅(qū)動蒸汽，用驅(qū)動蒸汽抽吸汽機(jī)抽汽達(dá)到外供汽壓力，在壓力匹配器驅(qū)動蒸汽進(jìn)口裝有調(diào)節(jié)閥，以保證出口蒸汽壓力不隨汽輪機(jī)

4、電負(fù)荷及外供汽量的變化而改變。為了提高壓力匹配器的效率，并防止外供蒸汽溫度過高，汽機(jī)抽汽首先經(jīng)過給水加熱器冷卻，冷卻至抽汽壓力的飽和溫度。新型可調(diào)節(jié)抽汽汽輪機(jī)的原則性熱力系統(tǒng)如圖一：圖一 新型可調(diào)抽汽汽輪機(jī)原則性熱力系統(tǒng)圖新型可調(diào)節(jié)抽汽汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是將電負(fù)荷和熱負(fù)荷分開單獨(dú)控制。汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速為脈沖訊號，根據(jù)電負(fù)荷的大小控制汽機(jī)調(diào)節(jié)汽門的開度，而熱負(fù)荷由壓力匹配器驅(qū)動蒸汽的調(diào)節(jié)閥來控制，外供汽量增大，驅(qū)動蒸汽調(diào)節(jié)閥開大，汽輪機(jī)抽汽增加，反之，驅(qū)動蒸汽調(diào)節(jié)閥關(guān)小，汽輪機(jī)抽汽減少。電負(fù)荷和熱負(fù)荷分開調(diào)節(jié)，運(yùn)行平穩(wěn)，而不會出現(xiàn)強(qiáng)迫電負(fù)荷現(xiàn)象。3、壓力匹配器的原理和效率壓力匹配器的基本原理

5、和蒸汽噴射壓縮器相同，是利用高壓蒸汽作動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，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： 圖二 壓力匹配器的熱力過程圖在匹配器前工作流體的狀態(tài)用A點來確定：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：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

6、C 來確定，這點的熵是sc。通過C 點所作的等壓線決定了在壓力匹配器后壓縮流體的壓力pc。壓力匹配器的實際過程具有損失，因此，在實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。在膨脹末了，工作流體的狀態(tài)用R點來確定。由于（Hp+Hk）熱能轉(zhuǎn)變成動能的結(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時的焓降。在混合室的入口段上，引

7、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點來確定，由于HH熱能轉(zhuǎn)變成動能的結(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點來確定，這時，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，在擴(kuò)散器中，動能轉(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

8、pc（pcpc），因為在實際壓縮器中發(fā)生的過程是不完善的。壓力匹配器的效率我們可以用動力機(jī)械常用的等熵效率來定義壓力匹配器的效率，式中u引射系數(shù)驅(qū)動蒸汽等熵膨脹到吸入蒸汽壓力時的焓降吸入蒸汽等熵壓縮到輸出壓力時的焓升。和壓力匹配器等價的裝置是用背壓蒸汽透平拖動蒸汽壓縮機(jī)，如圖三所示： 圖三 蒸汽透平拖動壓縮機(jī)裝置圖壓力匹配器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壓縮機(jī)的效率相當(dāng)，小型背壓透平的效率大約為0.70

9、 ,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0.70×0.65=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。4、壓力匹配器式抽汽式汽輪機(jī)和旋轉(zhuǎn)隔板抽汽式汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的比較傳統(tǒng)的可調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)是利用旋轉(zhuǎn)隔板式調(diào)節(jié)汽門來保證抽汽點的壓力不隨電負(fù)荷、熱負(fù)荷的改變的面改變。旋轉(zhuǎn)隔板抽汽式汽輪機(jī)由于旋轉(zhuǎn)隔板的節(jié)流損失使汽輪機(jī)通流部分的損失增加，旋轉(zhuǎn)隔板抽汽式汽輪機(jī)通流部分在抽汽點前按額定抽汽時的進(jìn)汽量設(shè)計，而抽汽點后的通流部分是按純凝汽流量設(shè)計，例如C12-3.5/0.98抽汽式汽輪機(jī)，在額定抽汽量時，進(jìn)汽98t/h，抽汽量50t/h，進(jìn)入凝汽器的流量3

10、0.8t/h。純凝工況時進(jìn)汽量57t/h，進(jìn)入凝汽器的流量44.5t/h，在純凝工況時抽汽點的壓力為0.954MPa。根據(jù)弗留格爾公式Phd設(shè)計工況級前壓力Ph變工況時級前壓力Pc凝汽器壓力T0設(shè)計工況下級前溫度T變工況時級前溫度凝汽器壓力一般很小，Pc2和P2比較可以忽略。，上式可簡化為根據(jù)上式計算得到在額定抽汽量時，抽汽點后的壓力為.66MPa，而抽汽壓力為0.98MPa也就是經(jīng)過抽汽調(diào)節(jié)汽門節(jié)流損失P=0.98-0.66= 0.32MPa。蒸汽經(jīng)過抽汽式汽輪機(jī)熱力過程如圖四所示： 圖四 可調(diào)抽汽汽輪機(jī)熱力過程曲線凝汽式汽輪機(jī)和抽汽式汽輪機(jī)的通流部分表示在圖五和圖六 圖五 圖六 凝汽式汽輪

11、機(jī)通流部分 抽汽式汽輪機(jī)通流部分一次抽汽汽輪機(jī)的功率：=,分別在純凝汽工況下，抽汽點前后級組的絕熱焓KJ/Kg對C12-3.43/0.98機(jī)組來講，從上面計算看出，由于旋轉(zhuǎn)隔板式抽汽調(diào)節(jié)汽門的節(jié)流作用，和純凝汽工況相比，抽汽點前級組可用焓降減少23%，抽汽點后機(jī)組可用焓降減少8%。對于裝有壓力匹配器的可調(diào)節(jié)抽汽的汽輪機(jī)的功率：對比以上兩式，可以比較可調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)和配有壓力匹配器的可調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。抽汽點前的級組決定于和的比較大小，抽汽點后級組決定于和的比較大小，對于抽汽點前的級組：，對于抽汽點后的級組：，最終的結(jié)果，決定于三項的乘積及抽汽點前后之和。以C12-3.43/0.98為例：額

12、定抽汽量工況：進(jìn)汽量98t/h，抽汽量50t/h，抽汽壓力0.98MPa，抽汽調(diào)節(jié)汽門后壓力0.71MPa，抽汽點后流量42.1t/h，凝汽量30.8t/h。在抽汽量相同，鍋爐供汽量相同時配壓力匹配器抽汽汽輪機(jī)的進(jìn)汽量為77.2t/h，壓力匹配器驅(qū)動蒸汽量為98-77.2=20.8t/h，抽汽量29.2t/h。為了防止混合汽溫度過高，將抽汽通過加熱給水冷卻至飽和溫度。由于給水經(jīng)過加熱和可調(diào)抽汽汽輪機(jī)比較，回?zé)岢槠繙p少，使抽汽點后級組流量增加，抽汽點壓力增高，經(jīng)熱平衡計算回?zé)岢槠麥p少2.9t/h，抽汽點后級組流量45t./h，抽汽點壓力0.76MPa，進(jìn)入凝汽器流量33t/h。抽汽點后回?zé)岢槠?/p>

13、的壓力0.2MPa，回?zé)岢槠墓β蕟为?dú)計算。根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算取，可調(diào)抽汽式機(jī)組的電功率為：=6973.95+4699+513.5=12186.5KW壓力匹配器配不可調(diào)抽汽機(jī) =6624.8+5426.8+712=12763.6KW這主要是由于配壓力匹配器的機(jī)組通流部分效率大于可調(diào)節(jié)抽汽機(jī)組。對于高壓機(jī)組以C25-8.83/0.98為例：額定工況進(jìn)汽量151t/h，抽汽80t/h，抽汽點后流量36.84t/h，壓力0.53MPa，凝汽量32.7t/h。在該工況下，抽汽調(diào)節(jié)汽門前后壓差為1.0-0.53=0.47MPa，造成了節(jié)流損失。配壓力匹配器式抽汽式機(jī)組進(jìn)汽量119t/h，抽47.9t/h，

14、壓力匹配器驅(qū)動蒸汽32.1t/h，為了使外供蒸汽溫度不高，47.9t/h抽汽首先經(jīng)過給水加熱器，將抽汽降到飽和溫度，這也提高了壓力匹配器的效率。用抽汽加熱給水，減少了回?zé)岢槠?。根?jù)熱平衡計算減少回?zé)岢槠?.6t/h，因此抽汽點后的流量為40.4t/h，壓力為0.64。假設(shè)兩型號的抽汽汽輪機(jī)的回?zé)岢槠肯嗤?，回?zé)岢槠麑Πl(fā)電功率的影響基本相同，對比較兩種型號機(jī)組的優(yōu)劣沒有影響。根據(jù)水蒸汽焓熵圖查得如下： 并假設(shè)可調(diào)抽汽式機(jī)組由于節(jié)流損失，通流部分效率下降2%，計算出兩種機(jī)組的電功率如下：Pc=27700.2kw,Pm=27549kw，兩種機(jī)型相差0.5%，考慮計算誤差，兩種機(jī)型功率基本相同。以上

15、是在額定工況下對兩種機(jī)型進(jìn)行了效益分析，在抽汽量較少的情況下，壓力匹配器機(jī)組具有較好的效益。因此利用壓力匹配器改造打孔抽汽機(jī)組為可調(diào)抽汽機(jī)組，或者新設(shè)計機(jī)組配壓力匹配器成為可調(diào)節(jié)抽汽機(jī)組都具有一定的優(yōu)越性。壓力匹配器式機(jī)組還有一個優(yōu)點，就是機(jī)組的電負(fù)荷和熱負(fù)荷分開控制，電負(fù)荷和熱負(fù)荷互不影響，不存在所謂“強(qiáng)迫電負(fù)荷”問題。另一個優(yōu)點就是壓力匹配器在汽機(jī)停機(jī)時，可作減壓減溫器使用，不用再設(shè)備用的減溫減壓器。5、結(jié)論根據(jù)上述分析及多臺壓力匹配器的運(yùn)行實踐，建議汽輪機(jī)制造廠應(yīng)改進(jìn)抽汽式汽輪機(jī)的設(shè)計方法，按壓力匹配器式可調(diào)抽汽汽輪機(jī)的機(jī)型制造，同功率、同供熱量的汽輪機(jī)可降低造價1/3-1/4。運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性還優(yōu)于傳統(tǒng)的可調(diào)抽汽汽輪機(jī)。參考文獻(xiàn)：1楊玉恒 發(fā)電廠聯(lián)電聯(lián)合生產(chǎn)及供熱 水利電力出版社 1989年2索科洛夫 噴射器 科學(xué)出版社 1977年作者簡介王汝武，江蘇沛縣人，1938年生。1963年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)動力機(jī)械系，1966年西安交通大學(xué)熱動專業(yè)研究生畢業(yè)。一直從事蒸汽熱能動力領(lǐng)域?qū)I(yè)工作。歷任北京重型電機(jī)廠技術(shù)員、沈陽汽輪機(jī)廠總工