一種新型可調節(jié)抽汽汽輪機

1、一種新型可調節(jié)抽汽汽輪機王汝武沈陽飛鴻達節(jié)能設備技術開發(fā)有限公司摘要：本文提出用不旋轉隔板或抽汽調節(jié)汽閥的抽汽汽輪機和壓力匹配器聯合運行，代替 傳統的可調節(jié)抽汽汽輪機，說明了運行原理，并進行了兩種機型的技術經濟分析。關鍵詞：可調抽汽、壓力匹配器1、前言熱電聯產是國際上公認的節(jié)能措施，實現蒸汽動力裝置的熱電聯產就必須使用背壓或 抽汽式汽輪機。由于背壓式汽輪機熱負荷和電負荷相互制約，使用受一定限制。抽汽式機 組被廣泛用在熱電廠?？烧{抽汽汽輪機能夠在電負荷變化的一定范圍內，實現供汽壓力不 變，在熱負荷從零到最大抽汽量時，機組可供出額定的電能?？烧{節(jié)抽汽機實現上述功能 是通過在汽輪機的通流部分裝旋轉隔

2、板或抽汽調節(jié)汽門實現的，主要用來調節(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行時的流量設計，在抽汽量較大，凝汽 量較少時，旋轉隔板或抽汽調節(jié)汽門會產生很大的節(jié)流損失，一般抽汽式汽輪機的內效率 比凝汽式機組的內效率下降 10%左右。旋轉隔板或抽汽調節(jié)汽門都是結構復雜、體積龐大 的機械機構，隨著供熱機組容量的增大，旋轉隔板或抽汽調節(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組上很少有利用旋轉隔板或抽汽調節(jié)汽門的，而是在高低缸 之間的蒸汽導管上裝蝶形閥門來調節(jié)抽汽量的大小。這種結構限制了抽汽壓力的選擇（不 能根據外界熱負荷的要求決定抽汽壓力），也不能嚴格保證供汽壓力不變，也

3、要產生節(jié)流損 失，另外汽輪機的電負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。隨著電網容量的增大，發(fā)電機組的容量不斷增加，而供熱機組的容量也應增大，才能 發(fā)揮熱電聯產的優(yōu)越性。新型可調節(jié)抽汽式汽輪機是在以上技術背景下提出的。2、新型可調抽汽汽輪機的原理及系統新型可調節(jié)抽汽汽輪機是在和抽汽壓力相連的壓力級后汽缸上開一抽汽孔，抽汽孔的大小根據抽汽量決定。為了防止抽汽供出壓力隨汽輪機的電負荷而改變，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動蒸汽，用驅動蒸汽抽吸汽機抽汽達 到外供汽壓力，在壓力匹配器驅動蒸汽進口裝有調節(jié)閥，以保證出口蒸汽壓力不隨汽輪機 電負荷及外供汽量的

4、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, 汽機抽汽首先經過給水加熱器冷卻，冷卻至抽汽壓力的飽和溫度。新型可調節(jié)抽汽汽輪機 的原則性熱力系統如圖一：新蒸汽主汽門儀表箱圖一新型可調抽汽汽輪機原則性熱力系統圖新型可調節(jié)抽汽汽輪機的調節(jié)系統是將電負荷和熱負荷分開單獨控制。汽輪機的調節(jié) 系統以轉速為脈沖訊號，根據電負荷的大小控制汽機調節(jié)汽門的開度，而熱負荷由壓力匹 配器驅動蒸汽的調節(jié)閥來控制，外供汽量增大，驅動蒸汽調節(jié)閥開大，汽輪機抽汽增加， 反之，驅動蒸汽調節(jié)閥關小，汽輪機抽汽減少。電負荷和熱負荷分開調節(jié)，運行平穩(wěn)，而 不會出現強迫電負荷現象。3、壓力匹配器的原理和效率壓力匹配器

5、的基本原理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，為了適應抽汽供熱的需要，與汽輪機的調節(jié)汽門的噴咀調節(jié)相似，壓力匹配器 采用多噴咀結構，根據外供汽量的大小，調整噴咀開啟的數量及開度大小，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：isPp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u給定的情況下，在匹配器出口壓 縮流體的焓ic根據能量守恒定律來確定：ip 嘰1 u在無損失的理想匹配器中，在i-s圖上壓縮流體的

6、狀態(tài)用直線 AD與ic=常數之直線的 交點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） ;：i2熱能轉變成動能的結果，工作流體在圓柱形混合室入口截面上的速度達到Wp2，速度系數

7、1是考慮工作流體的膨脹損失。這里，Hp和Hk是相應于工作流體從 Pi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 熱能轉變成動能的結果，在 圓柱形混合室入口截面上引射流體的速度達到 WH2，速度系數J是考慮引射流體的膨脹損 失。在混合室里，進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，流體進入擴散器，在擴散器中，動能轉換成勢能或熱能，在擴散器后流體的狀 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

8、熵等于sc。在取同樣的噴射系數（口=不變量）或取同樣的焓（=不變量）的情況下，在擴散器出 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 pc' （pcV pc'）,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械常用的等熵效率來定義壓力匹配器的效率="汕2，式中=hp - :h2u引射系數hp 驅動蒸汽等熵膨脹到吸入蒸汽壓力時的焓降h2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，如圖三所示：壓力匹配器的效率可以和透平壓縮機的效率相媲美。例如用2.4MPa、390 C的蒸汽，

9、將0.5MPa、250 C的抽汽提高到1.0MPa，h2=175.6KJ/kg,hp=376.2KJ/kg, u=0.5則壓力匹配器的等熵效率為0.5 175.6376.2 -175.687.8200.6= 0.437該效率和用蒸汽透平拖動壓縮機的效率相當,小型背壓透平的效率大約為0.70蒸汽壓縮機的效率大約為0.65,透平壓縮機組的效率為0.70X 0.65=0.455。但透平壓縮機組的設備 及運行維護費用則大大高于壓力匹配器。4、壓力匹配器式抽汽式汽輪機和旋轉隔板抽汽式汽輪機經濟性的比較傳統的可調節(jié)抽汽式汽輪機是利用旋轉隔板式調節(jié)汽門來保證抽汽點的壓力不隨電負荷、熱負荷的改變的面改變。旋轉

10、隔板抽汽式汽輪機由于旋轉隔板的節(jié)流損失使汽輪機通流部分的損失增加，旋轉 隔板抽汽式汽輪機通流部分在抽汽點前按額定抽汽時的進汽量設計，而抽汽點后的通流部 分是按純凝汽流量設計，例如 C12-3.5/0.98抽汽式汽輪機，在額定抽汽量時，進汽98t/h,抽汽量50t/h，進入凝汽器的流量 30.8t/h。純凝工況時進汽量 57t/h，進入凝汽器的流量 44.5t/h，在純凝工況時抽汽點的壓力為 0.954MPa。根據弗留格爾公式嚴P2Pc： jGhd 皿-PJT0Phd設計工況級前壓力Ph變工況時級前壓力Pc凝汽器壓力T0設計工況下級前溫度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

11、忽略。、T 1，上式可簡化為d二旦,T 0GhdPhd根據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 也就是經過抽汽調節(jié)汽門節(jié)流損失 P=0.98-0.66= 0.32MPa蒸汽經過抽汽式汽輪機熱力過程如圖四所示:PPhdRi'h0Pc圖四 可調抽汽汽輪機熱力過程曲線凝汽式汽輪機和抽汽式汽輪機的通流部分表示在圖五和圖六冬五凝汽式汽輪機通流部分圖六抽汽式汽輪機通流部分一次抽汽汽輪機的功率：p=(Rl+R®Jg=D ho叫仁卩即匕n =3600 m g 3600 m gD hds!牡。片円卩n n1 360023600: mh Ihn1

12、2 1 hodhodhod , hod 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機組來講，hod=460kJ/kg，ho =355kJ/kghod 二 865kJ / kg，ho"二 794kJ / kg盞 °.77，794865= 0.92從上面計算看出，由于旋轉隔板式抽汽調節(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%，抽汽點后機組可用焓降減少8%對于裝有壓力匹配器的可調節(jié)抽汽的汽輪機的功率:D mhm mi lod rim 卄m g3600.Dmhod eim3600 m對比以上兩式，可以比較可調節(jié)抽汽式

13、汽輪機和配有壓力匹配器的可調節(jié)汽輪機的經 濟性。抽汽點前的級組決定于 D hoE和DjhorL的比較大小，抽汽點后級組決定于 D玉和Dmhp訂的比較大小，對于抽汽點前的級組：D Dm，hod h；，rim ri對于抽汽點后的級組：D- - Dm， hod ho， rm r最終的結果，決定于三項的乘積及抽汽點前后之和。以 C12-3.43/0.98 為例：額定抽汽量工況：進汽量98t/h，抽汽量50t/h，抽汽壓力0.98MPa,抽汽調節(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的進汽量為77.2t/h，壓力

14、匹配器驅動蒸汽量為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。由于給水經過加熱和可調抽汽汽輪機比較，回熱抽汽量減 少，使抽汽點后級組流量增加，抽汽點壓力增高，經熱平衡計算回熱抽汽減少2.9t/h，抽汽點后級組流量45t./h,抽汽點壓力0.76MPa,進入凝汽器流量33t/h。抽汽點后回熱抽汽的 壓力0.2MPa，回熱抽汽的功率單獨計算。根據上述數據計算取r：二0.80， rim二0.82， = 0.79， 訂二0.81可調抽汽式機組的電功率為:p D hoM仁 n 。比0匕 n +3600DE監(jiān) n Pc 3600 m g

15、 3600 m g 3600m g=6973.95+4699+513.5=12186.5KW壓力匹配器配不可調抽汽機p _ Dmhod rim.m _3600 m g 3600 m g 3600 m g=6624.8+5426.8+712=12763.6KWPm Pc這主要是由于配壓力匹配器的機組通流部分效率大于可調節(jié)抽汽機組對于高壓機組以C25-8.83/0.98為例：額定工況進汽量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組進

16、汽量 119t/h,抽47.9t/h,壓力匹配器驅動蒸汽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，減少了回熱抽汽量。根據熱平衡計算減少回 熱抽汽3.6t/h，因此抽汽點后的流量為40.4t/h，壓力為0.64。假設兩型號的抽汽汽輪機的回 熱抽汽量相同，回熱抽汽對發(fā)電功率的影響基本相同，對比較兩種型號機組的優(yōu)劣沒有影 響。根據水蒸汽焓熵圖查得ho, hon, hF, hoi如下：h。= 610.3kJ/kg h°m 二 698.1kJ /kghF = 706.4kJ /kgho =

17、794.2kJ/kg并假設可調抽汽式機組由于節(jié)流損失， 通流部分效率下降2%，計算出兩種機組的電功 率如下：Pc=27700.2kw,Pm=27549kw,兩種機型相差0.5%，考慮計算誤差，兩種機型功率 基本相同。以上是在額定工況下對兩種機型進行了效益分析，在抽汽量較少的情況下，壓力匹配 器機組具有較好的效益。因此利用壓力匹配器改造打孔抽汽機組為可調抽汽機組，或者新設計機組配壓力匹配 器成為可調節(jié)抽汽機組都具有一定的優(yōu)越性。壓力匹配器式機組還有一個優(yōu)點，就是機組的電負荷和熱負荷分開控制，電負荷和熱 負荷互不影響，不存在所謂“強迫電負荷”問題。另一個優(yōu)點就是壓力匹配器在汽機停機 時，可作減壓減溫器使用，不用再設備用的減溫減壓器。5、結論根據上述分析及多臺壓力匹配器的運行實踐，建議汽輪機制造廠應改進抽汽式汽輪機 的設計方法，按壓力匹配器式可調抽汽汽輪機的機型制造，同功率、同供熱量的汽輪機可 降低造價1/3-1/4。運行的經濟性還優(yōu)于傳統的可調抽汽汽輪機。參考文獻：1 楊玉恒 發(fā)電廠聯電聯合生產及供熱水利電力出版社1989年2 索科洛夫 噴射器 科學出版社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)大學動力機械系，1966 年西安交通大學熱動專業(yè)研究生畢業(yè)。一直從事蒸汽熱