等效熱降法在工業(yè)汽輪機設(shè)計中的應(yīng)用

童海文，白東方，潘志賢

（杭州汽輪機股份有限公司，浙江 杭州 310000）

等效熱降法在工業(yè)汽輪機設(shè)計中的應(yīng)用

童海文，白東方，潘志賢

（杭州汽輪機股份有限公司，浙江 杭州 310000）

針對某公司工業(yè)汽輪機設(shè)計生產(chǎn)實際，以T5297機為例，采用等效熱降方法對汽輪機漏汽回收、廠用蒸汽、排汽壓力變化以及平衡管問題進行了分析。研究結(jié)果可為節(jié)能降耗提供理論依據(jù)。

等效熱降；工業(yè)汽輪機；經(jīng)濟性分析

0 引言

目前工業(yè)汽輪機的發(fā)展已進入成熟期，其性能、可靠性、使用壽命均已經(jīng)達到了很高的水平[1]。然而，在工業(yè)汽輪機的設(shè)計過程中，由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的影響，汽輪機往往是單獨設(shè)計，對系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性關(guān)注相對較少。另一方面，由于世界經(jīng)濟衰退和其它原因的影響，工業(yè)汽輪機的銷售均呈現(xiàn)了不同程度的不景氣現(xiàn)象。在這種形勢下，提高機組的熱經(jīng)濟性對于推動某公司的精品工程建設(shè)和提高公司的市場競爭力，具有非常重要的意義。

等效熱降法是由前蘇聯(lián)學(xué)者庫茲涅佐夫在20世紀(jì)60年代后期提出，并在70年代逐步完善、成熟，后經(jīng)西安交通大學(xué)林萬超教授拓展而形成的完整理論體系。由于它摒棄了常規(guī)計算的缺點，不需要全盤重新計算就能查明系統(tǒng)變化的經(jīng)濟性，具有熱工概念清晰、計算方便等優(yōu)點，現(xiàn)已在電廠熱力系統(tǒng)定量分析中得到了廣泛應(yīng)用。

本文首先對等效熱降理論進行了簡單介紹，其次嘗試采用等效熱降方法對某工業(yè)汽輪機設(shè)計生產(chǎn)過程中遇到的有關(guān)裝置效率問題進行了分析，以期為汽輪機設(shè)計，尤其是外圍系統(tǒng)設(shè)計提供經(jīng)濟性評價的依據(jù)。

1 等效熱降理論[2]

1.1 基本概念

等效熱降是指排擠 1kg加熱器抽汽返回汽輪機的真實作功的大小。這 1kg排擠抽汽一部分作功到汽輪機的排汽出口，另一部分則會在隨后各個抽汽口分配，用以加熱給水。抽汽等效熱降的計算通式為：

式中，qj為1kg抽汽在Noj加熱器的放熱量；hj為Noj加熱器對應(yīng)的1kg抽汽的焓值；hn為汽輪機的排汽焓；Ar取τr(1kg給水在r級加熱器中的焓升)或者γr(1kg疏水在r級加熱器的放熱量)，根據(jù)加熱器的型式確定。具體而言：如果Noj為匯集式加熱器，Ar均以τr代替；如果Noj為疏水放流式加熱器則j以下直到匯集式加熱器用γr代替Ar，而在匯集式加熱器以下無論是匯集式或疏水放流式加熱器，則一律以τr代替Ar。r為 Noj加熱器后更低壓力抽汽口腳碼。排擠蒸汽做的功與加入熱量之比即為相應(yīng)的抽汽效率，即

1.2 新蒸汽的等效熱降

若將鍋爐視為匯集式加熱器，便可求出新蒸汽的等效熱降(毛等效熱降)，新蒸汽等效熱降實際上就是1kg新蒸汽的實際作功。如果扣除所有附加損失，便可求出新蒸汽的凈等效熱降，可表示為：

1.3 等效熱降進行經(jīng)濟性診斷的基本假設(shè)及條件

應(yīng)用等效熱降進行經(jīng)濟性診斷的計算是以新蒸汽流量保持不變?yōu)榍疤釛l件的；在計算等效熱降時，認(rèn)為新蒸汽參數(shù)、再熱參數(shù)、終參數(shù)及各抽汽參數(shù)均為已知且保持不變，即汽輪機膨脹過程線的變化暫時不予考慮；認(rèn)為加入循環(huán)熱量Q保持不變。

2 等效熱降在工業(yè)汽輪機中的應(yīng)用實例分析

2.1 數(shù)據(jù)整理及等效熱降計算

本文主要以T5297機組(機型：HNK32/45/40)為例，圖1為本機組的熱力系統(tǒng)圖。

圖1 T5297機組熱力系統(tǒng)圖

針對不同的加熱器類型，利用等效熱降原理對其加熱器的給水焓升τj、抽汽在加熱器中的放熱qj、疏水在加熱器中的放熱γj，抽汽焓降及抽汽效率進行了計算，整理結(jié)果見表1。

表1 抽汽焓降及抽汽效率計算結(jié)果

2.2 經(jīng)濟性分析

2.2.1 閥桿、汽封漏汽及其利用系統(tǒng)的經(jīng)濟性診斷

汽封漏汽、閥桿漏汽不僅損失了工質(zhì)，而且伴隨著熱量的損失。目前，某公司閥桿漏汽多引至漏汽、封汽管道(圖2(a))；汽封漏汽主要通過冒汽管直接排大氣(圖 2(b))或者通過管道回收到汽封冷卻器用于加熱給水(圖2(c))。如果從等效熱降的角度出發(fā)，直接排空的蒸汽這無疑造成了蒸汽的損失。即使回收到汽封冷卻器的蒸汽，由于這部分蒸汽品質(zhì)較高，也未必能夠得到最大程度的利用，有必要在設(shè)計的過程中，對其引入位置進行具體分析。

圖2 漏汽、封汽現(xiàn)行處理方式

這里以額定抽汽工況進汽量的 1%作為閥桿漏汽量回收到No1級加熱器汽側(cè)為例進行分析，汽封漏汽、閥桿漏汽回收利用的等效熱降分析模型等同于蒸汽攜帶熱量進入系統(tǒng)。這部分熱量可以分解為純熱量和帶工質(zhì)的熱量αfh1兩部分（閥桿漏汽以絕熱過程處理）。純熱量進入系統(tǒng)引起的作功變化為：

剩余的帶工質(zhì)的熱量αfh1，因為正好與抽汽焓值一致，αf來汽恰好頂替了αf抽汽，不產(chǎn)生疏水的變化。為了保證系統(tǒng)工質(zhì)的平衡進入冷凝器的化學(xué)補充水量必須相應(yīng)減少αf，這樣主凝結(jié)水量將保持不變。由于疏水量及主凝結(jié)水量均未發(fā)生變化，因而不影響各級加熱器的抽汽量。所頂替的抽汽均直達凝汽器，其作功增加：

漏汽回收使作功增加：

進而求出其對裝置熱經(jīng)濟性的影響為：

同樣可以求得閥桿漏汽引入其它加熱器對裝置效率的影響依次(從低到高)為0.69%、0.91%、1.11%。由此可見，對于蒸汽品質(zhì)比較高的閥桿漏汽，若引到四級加熱器進行回收，級數(shù)越高，回收利用的效果越好，效率逐級相差0.2%左右(對于這臺18MW的發(fā)電機組而言，按標(biāo)準(zhǔn)煤耗為 350g/kWh，相當(dāng)于煤耗)相差12.6kg/h。

2.2.2 排汽壓力變化對裝置效率的影響[3]

在機組流量一定的條件下，由于季節(jié)的變化，排汽壓力偏離基準(zhǔn)值是機組運行中經(jīng)常遇到的情況。汽輪機排汽壓力的變化對機組作功的影響可以從兩個方面考慮，其一是由于排汽焓值變化引起的機組有效焓降的變化；其二是由于凝結(jié)水溫度的改變，引起最末一級加熱器抽汽量的變化。這兩個方面均引起了作功量的變化，進而影響了機組的效率。以 T5297機組夏季工況和冬季工況為例，應(yīng)用等效熱降方法對其進行分析(圖3)。當(dāng)排汽壓力升高時，排汽焓值由hc變?yōu)閔c，這部分焓降直接引起份額nα新蒸汽做功減少：

另一部分是凝結(jié)水的溫升引起的做功能力的變化，根據(jù)等效熱降原理，相當(dāng)于純熱量進入No1加熱器，使新蒸汽等效熱降增加：

式中，αnn為凝結(jié)水通過No1加熱器的流量份額；為排汽壓力變化后No1加熱器的抽汽效率，計算方法由加熱器的型式而定。

圖3 排汽壓力作功分析系統(tǒng)圖

綜合考慮以上兩個方面的影響，排汽壓力降低引起的新蒸汽等效熱降變化為：

根據(jù)以上分析，圖4給出了T5297機組，汽輪機裝置效率隨排汽壓力的相對變化情況(以冬季工況為基準(zhǔn))，從圖中可以看出，汽輪機的裝置效率隨著汽輪機排汽壓力的升高呈直線下降規(guī)律，最惡劣工況(夏季工況)下降可達0.76%。

圖4 裝置效率隨排汽壓力的變化表

2.2.3 廠用蒸汽的經(jīng)濟性診斷

在生產(chǎn)過程中，有各種用汽的設(shè)備和場所，這些蒸汽往往是汽輪機的某段抽汽。這些蒸汽一方面是生產(chǎn)和生活所需，而另一方面必然導(dǎo)致新蒸汽作功能力的下降，熱經(jīng)濟性降低。蒸汽的抽出仍然可以采用帶蒸汽的熱量出系統(tǒng)進行計算。如果有凝結(jié)水回收利用時，可按熱水?dāng)y帶熱量進系統(tǒng)考慮。

廠用汽分析系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 廠用汽分析系統(tǒng)圖

凝結(jié)水返回除氧器出口的主凝結(jié)水線的回收功為：

對裝置效率的影響為：

凝結(jié)水返回除氧器汽側(cè)的回收功為：

對裝置效率的影響為：

由此可見，廠用蒸汽引起的作功損失比較大，使熱經(jīng)濟性大幅度降低。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)首先盡量減少廠用蒸汽的數(shù)量，其次應(yīng)在滿足生產(chǎn)和生活的前提下，盡量采用低品質(zhì)蒸汽作為廠用蒸汽，用新蒸汽減溫減壓后供給是很不合理的。

2.2.4 平衡管道等效熱降法的理論分析

蒸汽作用在汽輪機轉(zhuǎn)子上的力，可分解為兩個相互垂直的分力：切向力和軸向力。切向力用于驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，輸出機械功。軸向力的方向與汽輪機軸線平行，它由高壓側(cè)指向低壓側(cè)作用在汽輪機轉(zhuǎn)子上，稱為軸向推力。多級汽輪機的軸向推力常達幾噸至幾十噸，必須加以平衡，否則汽輪機無法正常工作。目前汽輪機中最常采用平衡活塞或者葉輪上開設(shè)平衡孔來平衡軸向推力，未被平衡剩余軸向推力就由推力軸承來承擔(dān)。某公司三系列反動式汽輪機主要采用平衡活塞輔以推力軸承的方法，平衡活塞兩端的反向壓差是通過平衡管道來實現(xiàn)。這種方法在平衡軸向推力以及減少漏汽損失方面都頗有成效，然而，從等效熱降的理論來看，這相當(dāng)于蒸汽攜帶熱量進出系統(tǒng)，也會引起新蒸汽作功能力的變化。

圖6為某公司凝汽式汽輪機在本體空間不足時采用的一種情況，即將高壓端蒸汽直接引到抽汽口處，這個過程可以分解為蒸汽攜帶熱量出系統(tǒng)和蒸汽攜帶熱量進系統(tǒng)兩個過程，假如有份額為αf，焓值為hf的蒸汽流出，凝汽器必有αf的化學(xué)補充水進入系統(tǒng)，蒸汽出系統(tǒng)和水的進系統(tǒng)均不影響回?zé)嵯到y(tǒng)的抽汽和疏水，所以新蒸汽作功減少：。而焓值為hf，份額為αf的蒸汽進入系統(tǒng)(假設(shè)從j能級進入系統(tǒng)，用于回?zé)岢槠?，這個熱量可以分解為純熱量和帶工質(zhì)的熱量αfhj兩部分。顯然，純熱量進入系統(tǒng)很容易由等效熱降法求出其作功的變化為剩余的帶工質(zhì)的熱量因為正好與抽汽焓值一致，αf來汽恰好頂替了αf抽汽，不產(chǎn)生疏水的變化。為了保證系統(tǒng)工質(zhì)的平衡進入冷凝器的化學(xué)補充水量必須相應(yīng)減少αf，這樣主凝結(jié)水量將保持不變。由于疏水量及主凝結(jié)水量均未發(fā)生變化，因而不影響各級加熱器的抽汽量。所頂替的抽汽均直達凝汽器，其作功增加故整個平衡管道引起作功的變化為：

圖6 凝汽式汽輪機本體空間不足時平衡管分析系統(tǒng)圖

需要說明的是，對于凝汽式汽輪機(包括T5297)常采用的情況，即將蒸汽從本體位置進入系統(tǒng)到低壓缸繼續(xù)作功時，則不能單純采用等效熱降法進行分析，需結(jié)合其它方法考慮其蒸汽混合損失。

同樣，背壓式汽輪機常常采用的方式，如圖 7所示。高壓端蒸汽被直接引到排氣端，分析方法大致相同，所不同的是純熱量可以過渡到第一級加熱器，而帶工質(zhì)的熱量沒有作功。所以背壓式汽輪機常常采用的平衡管道方式對作功的影響為：

圖7 背壓式汽輪機平衡管分析系統(tǒng)圖

4 結(jié)論

1）汽封漏汽、閥桿漏汽會對新蒸汽做功能力產(chǎn)生影響，從而影響裝置效率。漏汽的回收應(yīng)考慮回收位置，即高品位熱源盡可能回收到較高能級上，以達到收益最大化；2）排汽壓力的變化對機組裝置效率產(chǎn)生很大的影響。在汽輪機設(shè)計和凝汽器設(shè)計中，適當(dāng)采取控制汽輪機排汽壓力的措施，比如排缸內(nèi)補給化學(xué)水，控制凝汽器真空度等是十分有必要的；3）廠用蒸汽引起的作功損失比較大，使熱經(jīng)濟性大幅度降低。在汽輪機設(shè)計中應(yīng)在滿足生產(chǎn)和生活的前提下，盡量采用低品質(zhì)蒸汽作為廠用蒸汽，用新蒸汽減溫減壓后供給是很不合理的；4）平衡管蒸汽的引出位置和引入位置均會對機組的效率產(chǎn)生影響，設(shè)計時在滿足平衡軸向推力的同時，應(yīng)綜合考慮其影響大小，擇優(yōu)選擇設(shè)計方案。

[1] 伍愛民. 工業(yè)汽輪機市場需求結(jié)構(gòu)及預(yù)測[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計, 2000(2): 8-10.

[2] 嚴(yán)峻杰, 林萬超. 火電廠熱力系統(tǒng)經(jīng)濟性診斷理論及應(yīng)用[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2000.

[3] 李秀云. 用等效熱降法確定排汽壓力變化對機組經(jīng)濟性的影響[J]. 熱能動力工程, 1999, 83(14): 353-355

Application of Equivalent Heat Drop Method in Design of Industrial Steam Turbine

TONG Hai-wen, BAI Dong-fang, PAN Zhi-xian
(Hangzhou Steam Turbine Co., Ltd., Hangzhou 310000, China)

Aiming at the design and production practice of a company in the industrial steam turbine,taking T5297 machine as an example, the problems of leakage recovery, the plant steam, exhaust steam pressure variation and balance pipe of turbine steam are analyzed by using the equivalent heat drop method. The research results can provide theoretical basis for energy saving.

equivalent heat drop; industrial steam turbine; economic analysis

U664.131

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.004

童海文（1965-），男，副總工程師，本科，主要從事汽輪機故障診斷分析、安裝指導(dǎo)和調(diào)試。

白東方（1986-），男，系統(tǒng)工程師，碩士，主要從事汽輪機裝置設(shè)計。