供熱式汽輪機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及未來發(fā)展趨勢(shì)展望

伍賽特

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司 上海 200438）

0 引言

熱電聯(lián)產(chǎn)可以大幅提高熱電裝置的熱效率，改善供熱質(zhì)量、減少環(huán)境污染。電力的輸送可以不受距離的限制，但熱能輸送的允許距離一般相對(duì)較短。因此，在熱用戶較集中且耗熱量較大的地區(qū)可建造大規(guī)模的中心熱電站，采用同時(shí)承擔(dān)供熱和發(fā)電功能的供熱式汽輪機(jī)。

1 供熱式汽輪機(jī)的分類

在工業(yè)發(fā)達(dá)而氣候又寒冷的國家和地區(qū)，工業(yè)用電用熱、居民生活采暖對(duì)熱能的需求量很大，其中心熱電站工業(yè)特別發(fā)達(dá)，其發(fā)電量的30%以上是由中心熱電站供熱式汽輪機(jī)供應(yīng)的［1］。我國中心熱電站汽輪機(jī)的發(fā)電能力約占全國汽輪機(jī)裝機(jī)容量的10%。

與凝汽式汽輪機(jī)相比，供熱式機(jī)組會(huì)遇到下列結(jié)構(gòu)、布置和運(yùn)行工況等6 個(gè)方面的問題：

（1）汽缸本體上需要引出大容積流量的抽汽管道，還要留出布置抽汽調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位置；

（2）需要設(shè)置一整套熱網(wǎng)加熱器、大通流能力的止回閥和安全閥；

（3）在有限尺寸的汽輪機(jī)車間內(nèi)需要布置大量的輔助設(shè)備和抽汽管道；

（4）要考慮同時(shí)調(diào)節(jié)幾項(xiàng)參數(shù)；

（5）由于供熱式汽輪機(jī)具有工況變動(dòng)范圍較大的特點(diǎn)，必須保證葉柵的安全性和穩(wěn)定性；

（6）變工況中對(duì)抽汽口前面的級(jí)和推力軸承會(huì)形成附加的負(fù)載，隨著單機(jī)容量的增大和利用抽汽效果的不斷完善，供熱對(duì)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)的影響會(huì)不斷地增大。

按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工況特點(diǎn)，供熱式汽輪可分為兩大類：供熱凝汽式和供熱背壓式。其中，供熱凝汽式又分為：生產(chǎn)調(diào)節(jié)抽汽供熱、采暖調(diào)節(jié)抽汽供熱、生產(chǎn)調(diào)節(jié)抽汽和一次采暖或二次采暖抽汽供熱；供熱背壓式又分為：背壓供熱、生產(chǎn)調(diào)節(jié)抽汽背壓供熱、采暖抽汽背壓供熱。

2 供熱背壓汽輪機(jī)

背壓汽輪機(jī)的新汽參數(shù)可分為中壓、高壓和超高壓。前置式汽輪機(jī)也屬于背壓汽輪機(jī)。背壓汽輪機(jī)的排汽熱量作為低溫?zé)嵩垂?，基本上可得以全部利用，其熱效率約為80%左右，這類機(jī)組的熱耗率與排汽熱量以及決定這項(xiàng)熱量大小的循環(huán)效率和汽輪機(jī)相對(duì)效率都無關(guān)。當(dāng)機(jī)械效率、電機(jī)效率和鍋爐效率均為定值時(shí)，背壓式汽輪機(jī)的熱效率是一個(gè)常數(shù)。汽輪機(jī)排汽壓力和過熱度根據(jù)有關(guān)條件確定后，排汽量就等于供熱量除以排汽焓，這時(shí)汽輪機(jī)能輸出的功率就取決于進(jìn)汽參數(shù)［2］。進(jìn)汽壓力越高，汽輪機(jī)內(nèi)的絕熱焓降就越大，功率也越大。目前我國背壓汽輪機(jī)在過去的基礎(chǔ)上，進(jìn)汽參數(shù)持續(xù)提高，但又低于常規(guī)電站汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)的水平。背壓機(jī)的熱力設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)。

（1）沒有低壓區(qū)的級(jí)組，一般不會(huì)遇到低壓部分設(shè)計(jì)和制造方面的困難。

（2）與凝汽式汽輪機(jī)相比，因其背壓高，汽輪機(jī)的理想焓降較小，進(jìn)汽流量較大。一般也不存在高壓部分前幾級(jí)葉片高度過小的困難。

（3）由于排汽壓力與初壓之比較大，理想焓降較小，而為滿足熱用戶要求，蒸汽流量的變化范圍較大［3］，需要采用噴嘴配汽，且調(diào)節(jié)級(jí)焓降設(shè)計(jì)值應(yīng)設(shè)定得更高一些，通常可采用雙列速度級(jí)作為調(diào)節(jié)級(jí)。

3 供熱凝汽式汽輪機(jī)(帶調(diào)節(jié)抽汽的汽輪機(jī))

帶調(diào)節(jié)抽汽的汽輪機(jī)的特點(diǎn)是能夠同時(shí)滿足電負(fù)荷和熱負(fù)荷的要求。另外，還有一部分蒸汽要進(jìn)入凝汽器，形成冷源損失。對(duì)于供熱汽輪機(jī)，確定基本參數(shù)時(shí)應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步說明。

3.1 功率值

額定功率是熱負(fù)荷和主要參數(shù)為額定值時(shí)汽輪機(jī)能長(zhǎng)期發(fā)出的功率；最大功率是各抽汽流量和抽汽壓力呈一定比例關(guān)系或凝汽工況下其他主要參數(shù)為額定值時(shí)汽輪機(jī)能長(zhǎng)期發(fā)出的最大功率。對(duì)帶雙調(diào)節(jié)抽汽的汽輪機(jī)，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)抽汽量減少，通過高、中、低壓3 個(gè)汽缸的閥門全開的蒸汽流量來確定。某些類型汽輪機(jī)的最大功率受到發(fā)電機(jī)負(fù)荷的限制：對(duì)帶采暖抽汽的汽輪機(jī)，凝汽工況功率等于或大于額定功率；對(duì)于帶生產(chǎn)和采暖抽汽的汽輪機(jī)，凝汽工況功率等于或小于額定功率。

3.2 采暖抽汽

對(duì)熱網(wǎng)水分級(jí)加熱的供熱汽輪機(jī)有兩級(jí)采暖抽汽：高壓段和低壓段。兩段抽汽可以同時(shí)投入，也可以只投低壓段抽汽。汽輪機(jī)只備有一個(gè)采暖抽汽壓力調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位于低壓缸前面的下抽汽室中。因?yàn)橹挥幸粋€(gè)低壓缸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，兩級(jí)抽汽中同時(shí)只能維持一級(jí)的抽汽壓力（或一級(jí)熱網(wǎng)水溫度）。當(dāng)兩級(jí)抽汽同時(shí)投入時(shí)，可維持高壓段抽汽壓力；只投低壓段抽汽時(shí)，可維持該段抽汽壓力。

兩段抽汽之間的熱負(fù)荷分配取決于兩抽汽口間級(jí)組通流部分的尺寸、熱網(wǎng)加熱器中的加熱不足和抽汽管道的阻力。因此在運(yùn)行中應(yīng)根據(jù)汽輪機(jī)的具體工況來進(jìn)行熱負(fù)荷分配。描述工況的參數(shù)包括加熱器前、后的熱網(wǎng)水溫度，熱網(wǎng)水流量和電功率。相應(yīng)工況不發(fā)生變化時(shí)，不應(yīng)隨意改變上述熱負(fù)荷的分配情況。

3.3 凝汽器中蒸汽熱能的利用

在某些供熱式汽輪機(jī)中，可以利用通往低壓缸最小通風(fēng)蒸汽流的熱量來給熱網(wǎng)回水或熱網(wǎng)補(bǔ)充水。這些汽輪機(jī)的工況與背壓機(jī)組相同，除了機(jī)械損失、電機(jī)損失和輻射損失之外，所有進(jìn)入汽輪機(jī)的熱量都用來發(fā)電和供熱。在此工況下，電負(fù)荷將取決于熱負(fù)荷。汽輪機(jī)的特點(diǎn)是進(jìn)入低壓缸的流量受到限制，當(dāng)用熱網(wǎng)回水冷卻凝汽器時(shí)，真空度還會(huì)進(jìn)一步惡化，從而導(dǎo)致低壓排汽溫度、葉柵中蒸汽溫度和排汽缸溫度升高。這種工況可以通過凝汽器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)：在凝汽器中布置一部分分離的冷卻表面，即所謂的內(nèi)置管束，經(jīng)過其中可以流過熱網(wǎng)回水或熱網(wǎng)補(bǔ)充水。

3.4 熱負(fù)荷

對(duì)采暖供熱汽輪機(jī)而言，有額定采暖熱負(fù)荷和最大采暖熱負(fù)荷之分。額定采暖負(fù)荷等于采暖抽汽量之和，最大熱負(fù)荷包括采暖抽汽量之和再加上凝汽器中利用的熱能。上述2 種熱負(fù)荷均與調(diào)節(jié)抽汽的壓力有關(guān)。低壓部分調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)維持關(guān)閉狀態(tài)不變（通過關(guān)閉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的間隙進(jìn)入凝汽器的流量為最小值，此流量與低壓部分前的壓力成正比），額定采暖負(fù)荷可達(dá)最大值。隨著調(diào)節(jié)抽汽壓力的升高，汽輪機(jī)的功率要減小，而通過低壓部分的蒸汽流量會(huì)增大。當(dāng)抽汽壓力降低時(shí)，功率會(huì)增大［4］，而通往低壓部分的汽流量會(huì)減小。

在生產(chǎn)和采暖雙抽汽的汽輪機(jī)中，額定生產(chǎn)熱負(fù)荷和額定采暖熱負(fù)荷與電功率的額定值、調(diào)節(jié)抽汽壓力和新蒸汽參數(shù)的額定值相對(duì)應(yīng)，同時(shí)回?zé)嵯到y(tǒng)全部投入，而且進(jìn)入凝汽器的汽流量最小。

確定最大生產(chǎn)抽汽（熱負(fù)荷）的條件是：切除采暖抽汽，新蒸汽流量為額定值。對(duì)最大生產(chǎn)熱負(fù)荷可以有2 種理解：電負(fù)荷為額定值，通往低壓部分的汽流量可以大于最小值；通往凝汽器的汽流量最小，這時(shí)電負(fù)荷可能小于額定值。

確定最大采暖熱負(fù)荷的條件是：中壓缸維持最大流量，如果機(jī)組在凝汽器中配有蒸汽熱量應(yīng)用裝置時(shí)，該裝置應(yīng)投入運(yùn)營；電功率為額定值；生產(chǎn)熱負(fù)荷為零或大于零。

供熱機(jī)組一般有兩個(gè)基本工況：按熱定電工況和按電定熱工況。在按熱定電工況下工作時(shí)，低壓部分前的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)關(guān)閉，凝汽器用熱網(wǎng)回水或補(bǔ)充水或循環(huán)水來冷卻。這時(shí)汽輪機(jī)的負(fù)荷通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)高壓缸配汽機(jī)構(gòu)改變新蒸汽量來實(shí)現(xiàn)。按電定熱工況可以分別滿足電負(fù)荷和熱負(fù)荷的需求。因?yàn)樵诓膳槠胶碗p抽汽式汽輪機(jī)裝置中有凝汽器，超過了供熱部分蒸汽的發(fā)電量時(shí)，可以通過增大通往凝汽器的蒸汽流量來滿足電負(fù)荷的需求量。按電定熱工況下，低壓部分調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可部分地或全部地進(jìn)行開啟。

4 供熱式汽輪機(jī)主要發(fā)展趨勢(shì)

（1）增大單機(jī)容量是電廠動(dòng)力裝置發(fā)展的主要方向之一。由于送熱比送電的費(fèi)用更為昂貴，與凝汽式汽輪機(jī)相比，供熱式汽輪機(jī)的單機(jī)容量較小。

（2）提高蒸汽初參數(shù)。無中間再熱時(shí)供熱機(jī)組與凝汽式機(jī)組提高初參數(shù)的經(jīng)濟(jì)效益是不同的。研究結(jié)果表明：對(duì)供熱機(jī)組而言，提高初壓比提高初溫更為有效，而且抽汽壓力越高，上述差異越大。但考慮到電站設(shè)備繁多，標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程復(fù)雜，為此供熱式汽輪機(jī)的蒸汽和參數(shù)往往與凝汽式汽輪機(jī)相同。

（3）再熱的采用。與凝汽式汽輪機(jī)相比，供熱機(jī)組采用再熱的效果較小。隨著抽汽壓力的提高，再熱的熱經(jīng)濟(jì)性會(huì)降低［5］，而且從某個(gè)抽汽壓力值開始，采用再熱反而會(huì)使供熱機(jī)組裝置的經(jīng)濟(jì)性降低。此外，只有單元機(jī)組才能采用再熱，而在有橫向聯(lián)管的熱電中心破壞了單元機(jī)組的單一聯(lián)系。背壓機(jī)組不應(yīng)采用中間再熱，否則其經(jīng)濟(jì)性會(huì)降低。超臨界蒸汽參數(shù)的帶調(diào)節(jié)抽汽的汽輪機(jī)必須采用中間再熱，以降低低壓級(jí)內(nèi)的濕度。對(duì)于部分供熱機(jī)組而言，應(yīng)根據(jù)其排汽濕度，并經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較來確定。

5 結(jié)論及展望

供熱式汽輪機(jī)作為一類可有效實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)的動(dòng)力機(jī)組，在未來的國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、工業(yè)技術(shù)發(fā)展及保障居民日常生活中起著重要作用。目前，針對(duì)供熱式汽輪機(jī)的技術(shù)研究仍在持續(xù)開展過程中，其單機(jī)容量及蒸汽參數(shù)仍有望進(jìn)一步提升。