中型抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機應(yīng)用分析

廖 斌 張 勇 王國棟 周 奇

1.山東齊魯電機制造有限公司 山東 濟南 250100；2.山東大學(xué) 山東 濟南250012

0 引言

DCHP區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)（District Combine Heating&Power）是通過一個熱電系統(tǒng)對一個區(qū)域進行工業(yè)蒸汽、冬季采暖、生活熱水等能源的支持，并提供這一區(qū)域所需要的部分電力供應(yīng)，我國的許多熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)施都屬于這一類項目［1］。多年的實踐證明，發(fā)展區(qū)域熱電聯(lián)產(chǎn)，對于城市減少環(huán)境污染，減少資源浪費，提高能源利用效率，加強城市功能具有非常積極的因素。

由于節(jié)能工作的需要、環(huán)境保護的要求、工業(yè)用熱需求量大、民用采暖和生活用熱迅速增加，再加上政府的大力支持，我國的熱產(chǎn)聯(lián)產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。我公司作為中小型汽輪機發(fā)電機組的生產(chǎn)制造企業(yè)，熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機產(chǎn)品一直是我們的發(fā)展方向，結(jié)合已有產(chǎn)品及未來產(chǎn)品開發(fā)的方向，對應(yīng)用最為廣泛的抽凝式中型熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機的應(yīng)用進行分析。

1 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

1.1 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)理論

熱電聯(lián)產(chǎn)是根據(jù)能源梯級利用原理，先將煤、天然氣等一次能源發(fā)電，再將發(fā)電后的余熱用于供熱的先進能源利用形式［2］。熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機是一種同時承擔(dān)供熱和發(fā)電兩項任務(wù)的汽輪機，根據(jù)工質(zhì)的不同，熱電聯(lián)產(chǎn)機組的系統(tǒng)配置形式主要有鍋爐加供熱汽輪機熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、內(nèi)燃機熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等。在我國應(yīng)用最為廣泛，且技術(shù)上已經(jīng)比較成熟的為鍋爐加供熱汽輪機熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

1.2 熱電聯(lián)產(chǎn)的技術(shù)特點

熱電聯(lián)產(chǎn)是在熱電分產(chǎn)技術(shù)上發(fā)展演變而來的，所以其技術(shù)特點是相對于熱電分產(chǎn)而言的，主要表現(xiàn)在：由于熱電聯(lián)產(chǎn)是在保證電負荷的同時利用在汽輪機中已經(jīng)做過功的蒸汽提供熱負荷，所以比熱電分產(chǎn)可以更加有效的梯級利用能源；對于有熱負荷需求的用戶，用熱電聯(lián)產(chǎn)的方式取代原有熱負荷由鍋爐新汽減溫減壓獲得的方式，同時還可以產(chǎn)出電負荷，一方面保證了熱電廠的綜合利用率，另一方面提高了熱負荷供應(yīng)的品質(zhì)和穩(wěn)定性。

熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪發(fā)電機組的熱效率高達70%以上，而一般單機容量200MW以上的純凝汽輪發(fā)電機組熱電廠的熱效率僅為35~40%［3］；200MW純凝汽機組的發(fā)電煤耗約為350g/kWh，而容量相同的供熱機組的發(fā)電煤耗一般均在300g/kWh以下，即供電煤耗約低50g/kWh以上，因此熱效率較高。

1.3 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)發(fā)展趨勢

1.3.1 應(yīng)用范圍普遍化

世界各國都在大力發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)，熱電裝機容量占總裝機容量的比重越來越大。我國政府越來越重視發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)，2000年國家計委、建設(shè)部、環(huán)保總局等部門聯(lián)合下發(fā)的 《關(guān)于發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的規(guī)定》，是指導(dǎo)我國熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展的綱領(lǐng)性文件，在促進我國熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展中已經(jīng)發(fā)揮并將長期發(fā)揮重要指導(dǎo)作用。

1.3.2 機組容量大型化

熱電聯(lián)產(chǎn)機組之所以呈現(xiàn)出大型化趨勢，是因為大容量熱電聯(lián)產(chǎn)機組更節(jié)省能源，更容易應(yīng)用先進的環(huán)保技術(shù)。我國原來的熱電聯(lián)產(chǎn)機組容量普遍偏小，隨著工業(yè)用汽、集中供熱規(guī)模的不斷擴大和環(huán)保壓力的不斷增加，各地對中大容量熱電聯(lián)產(chǎn)機組的需求越來越多。

1.4 熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機的類型

熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機根據(jù)供給熱負荷蒸汽的來源及結(jié)構(gòu)不同可以分為抽汽凝汽式、背壓式及抽汽背壓式三種主要形式［4］。背壓式汽輪機的全部排汽用于用戶供熱，因此它所發(fā)出的電功率取決于熱負荷，當熱負荷等于零時，電功率也等于零，因此這類機組的電負荷是不自由的，只能應(yīng)用于全年熱負荷比較穩(wěn)定的企業(yè)自備電廠，或與凝汽式汽輪機組配套安裝。具有調(diào)整抽汽的汽輪機比較靈活，熱、電負荷在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)。抽汽凝汽式汽輪機是在我國已經(jīng)投產(chǎn)運行的熱力發(fā)電廠中應(yīng)用最為廣泛的一種熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機類型，根據(jù)熱負荷的供給壓力、溫度、流量等參數(shù)的不同要求，在凝汽式汽輪機的基礎(chǔ)上從汽輪機某級后抽取已經(jīng)做過功的蒸汽用于滿足用戶對熱負荷的使用要求。

在我國北部地區(qū)集中供熱的大型熱電廠中，現(xiàn)在出現(xiàn)了100MW以上的超高壓或亞臨界中間再熱式大型熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機組，機組在一年中的大部分時間處于純凝汽發(fā)電運行工況。高參數(shù)再熱式大功率熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機在結(jié)構(gòu)、工作原理上與單抽及雙抽汽凝汽式汽輪機有較大的差別，這種機組采用在中、低壓缸連通管上裝設(shè)蝶閥來調(diào)節(jié)采暖抽汽的壓力和流量。

圖1 熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機主要類型

2 抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)中型汽輪機工作原理

圖2 抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機系統(tǒng)圖

熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機的供熱抽汽按照用途不同可以分為工業(yè)用汽和供暖用汽，通常供暖用汽的抽汽壓力約為0.98MPa，溫度約為260~270°C。抽凝式汽輪機與純凝汽式汽輪機本體結(jié)構(gòu)上非常相似，主要區(qū)別在于抽凝式機組的某一級后接大流量抽汽，供給熱用戶。熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機一方面要保證供給熱用戶所需的熱量，同時又要發(fā)電，所以需要有完善的給水回?zé)嵯到y(tǒng)，如圖2所示為配備了3臺低壓加熱器、2臺高壓加熱器和1臺除氧器的50MW雙抽汽凝汽式汽輪機熱力系統(tǒng)圖。熱電聯(lián)產(chǎn)中型汽輪機的供熱抽汽有調(diào)整抽汽和非調(diào)整抽汽二種?？烧{(diào)整抽汽是直接將蒸汽送往熱用戶的，在用戶處，凝結(jié)成水的工質(zhì)用泵送回汽輪機的汽水系統(tǒng)了，在供給工業(yè)用汽時由于生產(chǎn)線的原因無法回收這部分工質(zhì)，利用補水的方式保證熱力系統(tǒng)的平衡。非調(diào)整抽汽是指除給水回?zé)岢槠酝猓瑢ｉT提供廠用汽等比較穩(wěn)定、對抽汽參數(shù)變化要求不高的一種抽汽，非調(diào)整抽汽式一般是二次換熱型的，就是將汽機中的蒸汽抽出一部分，在換熱器中加熱二次介質(zhì)，然后將二次介質(zhì)送往熱用戶。調(diào)整抽汽的形式主要有旋轉(zhuǎn)隔板式和抽汽調(diào)節(jié)閥式。旋轉(zhuǎn)隔板式為將汽輪機某一級后加裝一個可調(diào)節(jié)通流面積的旋轉(zhuǎn)隔板，用油動機帶動連桿控制隔板的開度，從而控制抽汽量的大小和抽汽壓力的大小；而抽汽調(diào)節(jié)閥式就是用調(diào)節(jié)閥的開度控制抽汽量的多少。

3 抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)中型汽輪機技術(shù)特點

3.1 汽輪機本體設(shè)計

中型熱電聯(lián)產(chǎn)抽凝式汽輪機為單缸、單軸結(jié)構(gòu)，有單抽和雙抽兩種主要型式，這類機組的運行情況多為供熱抽汽常年比較穩(wěn)定，因此設(shè)計為在額定抽汽量時可以發(fā)出額定的電功率。這種機組的最大特點就是熱/電負荷適應(yīng)性好，運行調(diào)節(jié)靈活。

由于熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機運行工況變化范圍大，為了適應(yīng)這一實際運行要求，抽凝式汽輪機的進汽部分通常采用噴嘴配汽方式。調(diào)節(jié)級選用雙列調(diào)節(jié)級，以保持其在最大流量時仍有足夠大的通流能力，且在廣泛的工況流量變化范圍內(nèi)有著平坦的效率曲線，從而保證機組在變工況時高效率的運行。

由于此類機組在大部分運行過程中低壓缸的排汽流量小于同等功率的純凝汽機組，當供熱抽汽量達到最大時，低壓缸的蒸汽流量減少到最小值。低壓缸設(shè)置完善的測溫及測壓裝置，以防止由于蒸汽流量過小引起部分葉片進入鼓風(fēng)狀態(tài)，導(dǎo)致低壓級葉片產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，排汽溫度過高而引起缸體變形，在低壓缸內(nèi)還裝有噴水減溫裝置。低壓缸設(shè)計成徑向擴壓結(jié)構(gòu)，目的是充分利用排汽余速，降低排汽阻力，提高機組效率。抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機本體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)中型汽輪機結(jié)構(gòu)圖

3.2 熱/電負荷的匹配

可調(diào)整抽汽汽輪機能夠在電負荷變化的一定范圍內(nèi)，實現(xiàn)供汽壓力不變，在熱負荷從零到最大抽汽量時，機組可發(fā)出額定的電功率。中型熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機調(diào)整抽汽為牽連調(diào)節(jié)方式，通過汽輪機組的DEH數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行控制，從而達到用戶在運行過程中對于電負荷和熱負荷的不同要求。供熱抽汽量的調(diào)節(jié)是靠同時增大（減小）進汽量和減?。ㄔ龃螅┡牌縼磉_到的。

3.3 抽汽調(diào)整方式

3.2.1 旋轉(zhuǎn)隔板

旋轉(zhuǎn)隔板主要由中分面對開式的隔板體與轉(zhuǎn)動環(huán)組成，其中隔板體上裝有噴嘴靜葉與普通隔板結(jié)構(gòu)相似，但區(qū)別是在隔板體的成組靜葉前開有均勻分布的小蒸汽室，如圖4所示。轉(zhuǎn)動環(huán)通過連桿由油動機拖動，其上開有面積不等的窗口，用于通過蒸汽。轉(zhuǎn)動環(huán)窗口與隔板體小蒸汽室形成的通流面積即是經(jīng)過供熱抽汽后需繼續(xù)在汽輪機中做功發(fā)電的蒸汽流經(jīng)的通道。旋轉(zhuǎn)隔板適用于大流量的中、低壓抽汽場合，在汽缸中占據(jù)空間小，易于布置，但調(diào)節(jié)性能不如抽汽調(diào)節(jié)閥好。

圖4 旋轉(zhuǎn)隔板結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 抽汽調(diào)節(jié)閥

抽凝式汽輪機的抽汽調(diào)節(jié)閥有單座式、雙座式和整體式幾種類型，如圖5所示。雖然結(jié)構(gòu)不同，但調(diào)節(jié)原理是一樣的，具有調(diào)節(jié)性能好，節(jié)流損失小的特點?？梢愿鶕?jù)供熱抽汽的壓力和溫度范圍進行抽汽調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計和閥門中關(guān)鍵零件所用材料的選擇。抽汽調(diào)節(jié)閥通常以成組的形式直接布置在汽缸的上部，利用DEH系統(tǒng)控制油動機調(diào)節(jié)閥門的開度，從而調(diào)節(jié)抽汽量的大小。抽汽調(diào)節(jié)閥適用于流量適中、較高壓力的工業(yè)調(diào)整抽汽，對于大流量的中、低壓調(diào)整抽汽由于其受到閥門通徑及汽缸結(jié)構(gòu)的限制并不適用。

圖5 單座調(diào)節(jié)閥與雙座調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖

3.4 推力支持聯(lián)合軸承

抽凝式汽輪機由于其抽汽量變化，運行工況較純凝汽機組復(fù)雜，致使熱電聯(lián)產(chǎn)機組軸向推力比同容量機組復(fù)雜，而且正負變化很大。對于50MW單缸、單軸的抽凝式汽輪機在其純凝工況運行時，軸向推力可能達到18~20t；最大抽汽工況時，軸向推力為負的4~5t。此類機組多采用正負推力瓦面積相同的對稱結(jié)構(gòu)，能保證承受機組在各種工況下的軸向推力，且每塊瓦都有獨立測溫元件，保證軸瓦在溫度極限范圍內(nèi)安全運行。

3.5 除氧裝置

對于化工、造紙、紡織、皮鞋等行業(yè)的熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機的工業(yè)抽汽，由于其生產(chǎn)線原因大多工業(yè)用抽汽不能回收，需要大量的補給水，為了滿足鍋爐給水品質(zhì)的要求，要增補給水的化學(xué)水處理和低壓除氧器等設(shè)備。對于小功率機組可設(shè)低壓除氧器，對于中、大功率機組可在凝汽器熱井增加鼓泡除氧裝置，以滿足高壓除氧器對給水含氧量的要求。

4 抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機選型

抽凝式汽輪機的選型主要涉及到機組的機型、參數(shù)及容量等的確定，可以根據(jù)熱電廠的類型、熱網(wǎng)的規(guī)模、工業(yè)生產(chǎn)線的用汽需求，建設(shè)規(guī)劃、熱負荷曲線及電負荷的需求等因素進行類比選擇，主要有以下幾個主要方面：

4.1 機爐電的匹配

熱電廠的三大主機為鍋爐、汽輪機和發(fā)電機，三者的容量匹配問題不僅涉及到三大主機的制造廠，還涉及到設(shè)計院及項目的審批，所以是熱電廠項目執(zhí)行過程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于中型熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機多用于企業(yè)的自備電廠或中等城市的區(qū)域供熱，要根據(jù)供熱的需求確定抽汽量參數(shù)，結(jié)合鍋爐的蒸汽量，汽輪機制造廠進行汽輪機熱平衡計算，作為三大主機選型的參考依據(jù)。

4.2 抽汽調(diào)整方式的選擇

根據(jù)熱負荷的使用要求，對抽汽是否進行調(diào)整，采用何種方式進行調(diào)整進行選型。對于可調(diào)整供熱抽汽根據(jù)供熱抽汽量的壓力和流量范圍，選擇合理的抽汽調(diào)整方式。對于大流量、壓力低于1.55~1.6MPa供暖抽汽采用旋轉(zhuǎn)隔板進行抽汽流量調(diào)節(jié)；壓力大于等于1.55~1.6MPa，選用抽汽調(diào)節(jié)閥進行抽汽流量調(diào)節(jié)，根據(jù)流量與抽汽點處比容對照，核算抽汽調(diào)節(jié)閥組的通流面積，保證在汽缸處可以布置相應(yīng)的閥門組及執(zhí)行機構(gòu)。

4.3 熱力系統(tǒng)配置

熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱力系統(tǒng)配置是在確定機型后的一項主要任務(wù)，首先根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)線及熱電廠的規(guī)劃確定補水的方式及補水的溫度；然后確定選用何種除氧方式進行補水除氧；最后合理規(guī)劃供暖抽汽系統(tǒng)及管道的布置。

5 結(jié)語

中型抽凝式汽輪機技術(shù)伴隨著我國熱電聯(lián)產(chǎn)項目的實施不斷發(fā)展，熱電聯(lián)產(chǎn)機組不僅要求可以供熱，而且要求可以高效率、高質(zhì)量、低排放的供熱，所以汽輪機制造廠的任務(wù)是更好的進行熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機的研發(fā)，為我國熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機技術(shù)的發(fā)展做出更大的貢獻。

［1］劉志真.熱電聯(lián)產(chǎn)［M］.北京：中國電力出版本社，2006.

［2］中國動力工程學(xué)會.火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［3］王加璇.熱力發(fā)電廠系統(tǒng)設(shè)計與運行［M］.北京：中國電力出版社，1997.

［4］蔡頤年，王壁玉.汽輪機裝置［M］.北京： 機械工業(yè)出版社，1989.