300MW熱－電聯(lián)供機(jī)組抽汽方式選型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

張學(xué)凱

（中國電能成套設(shè)備有限公司，北京100011）

熱電聯(lián)供可使系統(tǒng)熱力經(jīng)濟(jì)性提高［1］，300MW級機(jī)組以其具有的熱電比高、技術(shù)成熟、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，成為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的主流機(jī)型。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組所供的“熱”一般有兩種形式：第一種是在熱電廠的換熱站內(nèi)將汽輪機(jī)采暖抽汽的熱量通過換熱器傳遞給熱網(wǎng)循環(huán)水，供城市居民冬季集中采暖所用；第二種為直接將汽輪機(jī)抽汽供給熱電廠附近的工業(yè)用戶，供其生產(chǎn)使用。無論何種供熱方式，正確選擇合適的抽汽方式非常重要。

以華潤電力渤海新區(qū)2臺(tái)300MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組工程（簡稱渤海項(xiàng)目）的熱負(fù)荷需求為例，介紹回?zé)岢槠艿篱_孔抽汽、從再熱汽熱端管道上開孔抽汽、壓力匹配器、旋轉(zhuǎn)隔板、座缸閥等幾種抽汽方式各自的特點(diǎn)以及如何選型［1］。

1 渤海項(xiàng)目熱負(fù)荷需求

渤海項(xiàng)目處于工業(yè)園區(qū)，其熱負(fù)荷主要為化工廠的TDI及PVC生產(chǎn)項(xiàng)目提供的工業(yè)用汽，以及海水淡化及少量民用采暖熱負(fù)荷。該工程建設(shè)2臺(tái)300MW亞臨界雙抽供熱機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組熱負(fù)荷需求見表1。

表1 300MW機(jī)組熱負(fù)荷需求

2 各種抽汽方案

2．1 低壓抽汽

目前低壓抽汽（約0．6MPa，包含采暖抽汽）均為中壓缸排汽，抽汽量靠調(diào)整中、低壓缸連通管蝶閥開度實(shí)現(xiàn)。抽汽口位于中壓缸排汽口正下方，在滿足汽輪機(jī)低壓缸最小冷卻流量的前提下，其最大抽汽能力約550t／h。

2．2 高參數(shù)工業(yè)抽汽

2．2．1 汽輪機(jī)回?zé)岢槠艿篱_孔抽汽

汽輪機(jī)回?zé)岢槠艿篱_孔抽汽是最簡單的一種抽汽方式。這種抽汽方式不需要對凝汽式汽輪機(jī)做內(nèi)部結(jié)構(gòu)的修改，僅僅需要與汽輪機(jī)制造廠配合后，選一級最接近且略高于工業(yè)供汽參數(shù)的回?zé)岢槠艿郎祥_孔作為工業(yè)抽汽口，并考慮此開孔的通流能力是否滿足該級回?zé)岢槠肮I(yè)抽汽的100%熱備用的總流量要求后就可實(shí)現(xiàn)。

一般來說，在各級回?zé)岢槠艿郎系某槠坑腥缦孪拗疲?/p>

（1）對于一段抽汽、三段抽汽、四段抽汽，由于受到汽缸上回?zé)岢槠涌诔叽绲南拗疲ㄩ_口過大會(huì)影響汽缸的強(qiáng)度），抽出的總汽量過大時(shí)，可能會(huì)由于抽汽接口處的蒸汽局部流速過大而壓損過大，產(chǎn)生振動(dòng)，不利于機(jī)組的安全運(yùn)行。通常一段抽汽最大允許抽出的工業(yè)抽汽量為20t／h左右，三段及四段抽汽最大允許抽出的工業(yè)抽汽量為50t／h左右。

（2）對于高壓缸排汽（二段抽汽），由于受到鍋爐再熱器最小蒸汽通流量的限制，通常可允許的抽汽量為50t／h。一般再熱器入口允許的蒸汽流量負(fù)偏差的設(shè)計(jì)值為當(dāng)前負(fù)荷時(shí)額定流量的5%，如果考慮使用再熱器汽側(cè)噴水減溫的調(diào)節(jié)手段，則高壓缸排汽（二段抽汽）可允許的最大抽汽量可提高到80t／h。值得指出的是，此時(shí)抽汽能力的提高是以再熱器的壽命損耗為代價(jià)的，不推薦長期采用。

（3）六段及其以后的各級回?zé)岢槠?，由于其參?shù)較低，不能滿足一般工業(yè)抽汽熱用戶的需求，不再討論其抽汽量限制值。

（4）采用回?zé)岢槠糜诠I(yè)供汽，為了保證供汽的穩(wěn)定性，計(jì)入管道壓力降后，一般抽汽壓力要高于要求壓力0．3～0．5MPa，經(jīng)過減壓后才能使用，因而造成這種抽汽供熱方式對熱能的利用效率不高。

以上所說汽輪機(jī)回?zé)岢槠艿篱_孔抽汽，雖然可在抽汽管道上加裝調(diào)節(jié)閥對抽汽壓力進(jìn)行減壓調(diào)節(jié)（一般稱“體外調(diào)節(jié)”），但嚴(yán)格地說汽缸本體開孔抽汽為非調(diào)整抽汽。

2．2．2 再熱汽熱端管道上開孔抽汽

此方案是利用汽輪機(jī)中壓主汽閥的調(diào)節(jié)作用，從高溫再熱管道上開孔抽汽。當(dāng)汽輪機(jī)運(yùn)行在額定負(fù)荷時(shí)，中壓主汽閥不必參與調(diào)節(jié)；當(dāng)汽輪機(jī)處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，中壓主汽閥開度關(guān)小，保持閥前壓力，使工業(yè)抽汽壓力仍滿足熱用戶要求。

受再熱汽熱端壓力的限制，此方案所供的工業(yè)抽汽壓力一般不超過3．5MPa，同時(shí)由于再熱汽熱端管道的設(shè)計(jì)溫度同主蒸汽溫度（545～566℃），而工業(yè)用戶對蒸汽溫度的要求一般均不超過500℃，因此所供抽汽還需要經(jīng)減溫、減壓后才能供給熱用戶，所以說這種抽汽方式的經(jīng)濟(jì)性不理想。

從再熱汽熱端管道上抽汽的方式由于不涉及汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)的變動(dòng)，因此一般用于純凝汽機(jī)組改造為工業(yè)供汽機(jī)組時(shí)才采用這種方案。但是由于各汽輪機(jī)制造廠技術(shù)流派的不同，這種方案的適應(yīng)能力也不同：

（1）對于采用中壓缸啟動(dòng)機(jī)組，其中壓主汽閥具有良好的調(diào)節(jié)特性，因此采用本方案進(jìn)行抽汽具有一定的調(diào)節(jié)特性。

（2）對于采用高壓缸啟動(dòng)或高、中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)機(jī)組，其中壓主汽閥不具備良好的調(diào)節(jié)特性，基本上只有開關(guān)功能，因此這些機(jī)組就只能采用中壓主汽閥不參與調(diào)節(jié)、從再熱汽熱端管道上抽汽的方案，但對汽輪機(jī)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較差。

從再熱汽熱端管道上抽汽的方案的抽汽量也是有限制的：對于供熱改造機(jī)組，一般汽輪機(jī)制造廠允許從再熱汽熱端管道上的最大抽汽量約為150t／h；對于在訂貨階段明確需要在再熱汽熱端管道上大量抽汽的機(jī)組，經(jīng)汽輪機(jī)制造廠在設(shè)計(jì)制造階段考慮此不利工況后，其允許最大抽汽量也不會(huì)超過300t／h。

2．2．3 壓力匹配器

壓力匹配器是一種蒸汽引射裝置，基本原理同射汽抽汽器，即通過消耗高壓蒸汽的能量來提高低壓蒸汽的壓力，利用高壓（驅(qū)動(dòng)）蒸汽通過噴嘴中超音速噴射，在喉部形成低壓，將低壓蒸汽吸入，再經(jīng)混合擴(kuò)壓，達(dá)到將低壓蒸汽升壓的目的。

從理論上來說，只要高壓汽源、低壓汽源的參數(shù)及蒸汽量符合壓力匹配器制造廠要求，壓力匹配器就可穩(wěn)定輸出任意參數(shù)及流量的蒸汽。但在實(shí)際應(yīng)用中，壓力匹配器多用于輸出蒸汽流量在100t／h以下的場合。

2．2．4 汽缸內(nèi)部加裝旋轉(zhuǎn)隔板

汽缸內(nèi)部加裝旋轉(zhuǎn)隔板的抽汽方式是在抽汽口后（順蒸汽流向）增設(shè)一個(gè)旋轉(zhuǎn)隔板（見圖1），用旋轉(zhuǎn)隔板控制抽汽壓力和流量。300MW級機(jī)組的旋轉(zhuǎn)隔板一般采用節(jié)流調(diào)節(jié)。

圖1 旋轉(zhuǎn)隔板

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在額定負(fù)荷時(shí)，抽汽口處的蒸汽參數(shù)能滿足熱用戶的要求，此時(shí)旋轉(zhuǎn)隔板在最大開度；當(dāng)機(jī)組處于較低負(fù)荷時(shí)，旋轉(zhuǎn)隔板的開度變小，限制了蒸汽通過旋轉(zhuǎn)隔板的流量，在抽汽口處形成類似“憋壓”的效果，這樣當(dāng)汽輪機(jī)運(yùn)行在較大的低負(fù)荷范圍時(shí)，仍能保證抽汽口處的蒸汽參數(shù)滿足熱用戶的要求。

通過旋轉(zhuǎn)隔板調(diào)整抽汽參數(shù)也存在以下問題：（1）為了預(yù)留旋轉(zhuǎn)隔板的安裝空間，汽缸及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子均需要加長，機(jī)組金屬耗量增加。（2）作為抽汽調(diào)整結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)隔板在正常運(yùn)行，不參與抽汽調(diào)節(jié)時(shí)也有一定壓損。（3）因?yàn)楫?dāng)汽輪機(jī)運(yùn)行在低負(fù)荷時(shí)通過旋轉(zhuǎn)隔板的“憋壓”作用保證了抽汽口處的蒸汽參數(shù)及抽汽量，但此時(shí)通過抽汽口處的總蒸汽量比額定負(fù)荷時(shí)的總蒸汽量少，這就相當(dāng)于抽汽口處相對額定負(fù)荷時(shí)多抽了汽，因此旋轉(zhuǎn)隔板后的蒸汽通流量會(huì)比不抽汽時(shí)明顯減少。

為了解決高溫、高壓工作條件下旋轉(zhuǎn)隔板的卡澀和密封面的耐磨性問題，旋轉(zhuǎn)隔板體和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)需采用耐高溫、綜合力學(xué)性能良好的材料，并且在旋轉(zhuǎn)隔板體和轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)摩擦面上鑲嵌高溫自潤滑滑塊作為旋轉(zhuǎn)隔板摩擦副，同時(shí)旋轉(zhuǎn)隔板執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力油應(yīng)采用高壓抗燃油。

一般情況下，當(dāng)抽汽流量大于10%當(dāng)?shù)亓髁繒r(shí)，就不能采用汽輪機(jī)回?zé)岢槠艿篱_孔抽汽方式，此時(shí)旋轉(zhuǎn)隔板抽汽是一種合適的抽汽形式，最大抽汽量可滿足300t／h。同時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)隔板安裝于汽輪機(jī)抽汽口后的整個(gè)通流截面，橫截面積較大，所以當(dāng)抽汽參數(shù)高于1．8MPa時(shí)，一般不再采用旋轉(zhuǎn)隔板的抽汽形式，因?yàn)楫?dāng)抽汽壓力高于1．8MPa時(shí)，旋轉(zhuǎn)隔板前后壓差加大，隔板變形大，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)需要提升力變大。壓力大，溫度高，變形大，如采用旋轉(zhuǎn)隔板結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生一系列問題。

當(dāng)抽汽流量小于10%當(dāng)?shù)亓髁繒r(shí)，不建議采用旋轉(zhuǎn)隔板結(jié)構(gòu)，因旋轉(zhuǎn)隔板壓力損失大，對整個(gè)機(jī)組的效率影響大。

2．2．5 汽缸本體加裝座缸閥

座缸閥是為了適應(yīng)300MW級熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的高參數(shù)、大流量工業(yè)抽汽而專門設(shè)計(jì)的。座缸閥的結(jié)構(gòu)形式為在中壓缸外缸上部橫向布置3個(gè)（或4個(gè)）獨(dú)立的調(diào)節(jié)腔室，每個(gè)腔室配1臺(tái)獨(dú)立的油動(dòng)機(jī)，油動(dòng)機(jī)安裝在閥蓋上部的法蘭面上，調(diào)節(jié)閥均可以獨(dú)立控制。在座缸閥工作時(shí)，蒸汽由座缸閥前的一級排出后進(jìn)入閥前腔室，工業(yè)抽汽口位于閥前腔室下部，閥前腔室與閥體聯(lián)通，座缸閥閥碟前壓力與抽汽口處壓力相同。汽輪機(jī)在額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)座缸閥全開，閥前一部分蒸汽經(jīng)抽汽口抽出，另一部分蒸汽經(jīng)座缸閥進(jìn)入下一級繼續(xù)做功；汽輪機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，各座缸閥開度依次關(guān)小，使閥前腔室內(nèi)的壓力繼續(xù)保持在額定抽汽壓力下，此時(shí)將能保證抽汽參數(shù)滿足熱用戶要求。

座缸閥所對應(yīng)的抽汽壓力為1．5～5．0MPa，最大抽汽流量可滿足300t／h，且在汽缸上沿軸向所占空間為一個(gè)閥體寬度，因此采用座缸閥的汽輪機(jī)只能采用高、中壓缸分缸的結(jié)構(gòu)，且座缸閥也布置于中壓缸外缸上部。

由于座缸閥需要在中壓缸上部開大孔，這樣就對缸體的整體剛性有很大削弱，需要制造廠詳細(xì)核算，并對中壓缸缸體結(jié)構(gòu)做局部補(bǔ)強(qiáng)。

為了保證座缸閥后的中壓缸各級及低壓缸的最小流量要求，左、右兩個(gè)閥均設(shè)有機(jī)械限位，保證這兩個(gè)閥的開度均不小于最小開度，同時(shí)通過控制程序保證各調(diào)節(jié)閥的開度均不小于15%，減少閥體的振動(dòng)。座缸閥見圖2。

圖2 座缸閥

與旋轉(zhuǎn)隔板相比，座缸閥具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，各個(gè)調(diào)節(jié)閥為獨(dú)立的腔室，配備獨(dú)立的油動(dòng)機(jī)。油動(dòng)機(jī)安裝在中壓外缸頂部，動(dòng)作力矩均可按汽缸內(nèi)力考慮，對汽缸的作用力和力矩小，有利于汽缸的穩(wěn)定性。

（2）在實(shí)際運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)方案更加靈活、簡潔，汽流擾動(dòng)小。

（3）閥后參數(shù)均勻，壓力級動(dòng)應(yīng)力穩(wěn)定。

（4）進(jìn)汽腔室與蒸汽室合為一體，無外部管道，安裝維護(hù)方便。

與旋轉(zhuǎn)隔板相同，當(dāng)額定抽汽量不大于100t／h時(shí)，也不建議采用座缸閥。

3 各抽汽方案對渤海項(xiàng)目的適用性分析

由渤海項(xiàng)目熱負(fù)荷表可知，工程共需要三檔抽汽：

（1）對于第一檔（3．5MPa）抽汽，壓力較高，但需求量并不大（20t／h），由上述分析可知，采用汽輪機(jī)回?zé)岢槠艿篱_孔抽汽較為適合。由于第一檔抽汽的抽汽參數(shù)接近并略低于汽輪機(jī)高壓缸排汽參數(shù)，因此可將第一檔抽汽從再熱汽冷端連接管上接出供給熱用戶。由于此壓力等級的抽汽量較小，鍋爐再熱器基本不會(huì)有超溫的危險(xiǎn)。

壓力匹配器方案可以作為第一檔抽汽采用回?zé)岢槠艿篱_孔抽汽時(shí)的補(bǔ)充方案。由于第一檔抽汽的壓力接近并略低于汽輪機(jī)高壓缸排汽，因此當(dāng)機(jī)組在額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，是不需要壓力匹配器工作的。

但是單純的開孔抽汽屬于非調(diào)整抽汽，當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，高壓缸排汽壓力可能就不能滿足3．5MPa的要求，此時(shí)若采用壓力匹配器，就可以選擇一段抽汽作為高壓汽源（主蒸汽在理論上也可以作為高壓汽源，但是其參數(shù)太高，為了盡量減少主蒸汽管道開孔，因而不考慮這種方案），同時(shí)選擇高壓缸排汽作為低壓汽源，這樣使低負(fù)荷時(shí)本不能滿足供汽要求的高壓缸排汽經(jīng)一段抽汽驅(qū)動(dòng)升壓至3．5MPa后，仍能滿足第一檔工業(yè)供汽，而且第一檔工業(yè)抽汽這時(shí)可以認(rèn)為是可調(diào)整抽汽。

壓力匹配器使第一檔抽汽由不可調(diào)整抽汽變?yōu)榭烧{(diào)整抽汽，增大了抽汽對負(fù)荷的適應(yīng)性。

（2）對于第二檔（2．1MPa）抽汽，壓力也較高，同時(shí)需求量也較大（180t／h），考慮到抽汽方案的經(jīng)濟(jì)性，首先可以排除旋轉(zhuǎn)隔板及再熱汽熱端管道抽汽兩種方案，也排除了采用汽輪機(jī)回?zé)岢槠艿篱_孔抽汽及采用壓力匹配器的可能性，僅有座缸閥方案可以選擇。

（3）對于第三檔（0．6MPa）抽汽，其參數(shù)與采暖供熱抽汽基本相同，采用常規(guī)的中壓缸排汽端下部抽汽，同時(shí)靠中、低壓缸連通管蝶閥開度調(diào)整抽汽的方案是最成熟可靠的方案。

4 結(jié)語

以上對不同壓力等級供熱的抽汽方法作了全面分析，可以歸結(jié)為高壓和中壓工業(yè)供汽及低壓采暖三種典型的供熱形式，為渤海項(xiàng)目汽輪機(jī)的選型提供了依據(jù)，也可為國內(nèi)其他熱電聯(lián)供工程提供參考。

［1］中國動(dòng)力工程學(xué)會(huì)．火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998．