一种新型可调节抽汽汽轮机

1、一种新型可调节抽汽汽轮机王汝武 沈阳飞鸿达节能设备技术开发有限公司摘要：本文提出用不旋转隔板或抽汽调节汽阀的抽汽汽轮机和压力匹配器联合运行，代替传统的可调节抽汽汽轮机，说明了运行原理，并进行了两种机型的技术经济分析。关键词：可调抽汽、压力匹配器1、前言热电联产是国际上公认的节能措施，实现蒸汽动力装置的热电联产就必须使用背压或抽汽式汽轮机。由于背压式汽轮机热负荷和电负荷相互制约，使用受一定限制。抽汽式机组被广泛用在热电厂。可调抽汽汽轮机能够在电负荷变化的一定范围内，实现供汽压力不变，在热负荷从零到最大抽汽量时，机组可供出额定的电能。可调节抽汽机实现上述功能是通过在汽轮机的通流部分装旋转隔板或抽汽

2、调节汽门实现的，主要用来调节抽汽量和凝汽量的比例。由于抽汽点后通过面积是按纯凝汽运行时的流量设计，在抽汽量较大，凝汽量较少时，旋转隔板或抽汽调节汽门会产生很大的节流损失，一般抽汽式汽轮机的内效率比凝汽式机组的内效率下降10%左右。旋转隔板或抽汽调节汽门都是结构复杂、体积庞大的机械机构，随着供热机组容量的增大，旋转隔板或抽汽调节汽门的制造有一定的困难，因此在五万千瓦以上的供热机组上很少有利用旋转隔板或抽汽调节汽门的，而是在高低缸之间的蒸汽导管上装蝶形阀门来调节抽汽量的大小。这种结构限制了抽汽压力的选择（不能根据外界热负荷的要求决定抽汽压力），也不能严格保证供汽压力不变，也要产生节流损失，另外汽轮

3、机的电负荷也要随抽汽量的大小而波动，在供热时不能满发额定功率。随着电网容量的增大，发电机组的容量不断增加，而供热机组的容量也应增大，才能发挥热电联产的优越性。新型可调节抽汽式汽轮机是在以上技术背景下提出的。2、新型可调抽汽汽轮机的原理及系统新型可调节抽汽汽轮机是在和抽汽压力相连的压力级后汽缸上开一抽汽孔，抽汽孔的大小根据抽汽量决定。为了防止抽汽供出压力随汽轮机的电负荷而改变，将抽汽口管道接到压力匹配器的吸汽口，压力匹配器用锅炉新汽作驱动蒸汽，用驱动蒸汽抽吸汽机抽汽达到外供汽压力，在压力匹配器驱动蒸汽进口装有调节阀，以保证出口蒸汽压力不随汽轮机电负荷及外供汽量的变化而改变。为了提高压力匹配器的效

4、率，并防止外供蒸汽温度过高，汽机抽汽首先经过给水加热器冷却，冷却至抽汽压力的饱和温度。新型可调节抽汽汽轮机的原则性热力系统如图一：图一 新型可调抽汽汽轮机原则性热力系统图新型可调节抽汽汽轮机的调节系统是将电负荷和热负荷分开单独控制。汽轮机的调节系统以转速为脉冲讯号，根据电负荷的大小控制汽机调节汽门的开度，而热负荷由压力匹配器驱动蒸汽的调节阀来控制，外供汽量增大，驱动蒸汽调节阀开大，汽轮机抽汽增加，反之，驱动蒸汽调节阀关小，汽轮机抽汽减少。电负荷和热负荷分开调节，运行平稳，而不会出现强迫电负荷现象。3、压力匹配器的原理和效率压力匹配器的基本原理和蒸汽喷射压缩器相同，是利用高压蒸汽作动力来提升低压

5、蒸汽的压力，为了适应抽汽供热的需要，与汽轮机的调节汽门的喷咀调节相似，压力匹配器采用多喷咀结构，根据外供汽量的大小，调整喷咀开启的数量及开度大小，以保证在外供汽量变化时，压力匹配器保持较高的效率，压力匹配器的热力过程表示在焓熵图上如下： 图二 压力匹配器的热力过程图在匹配器前工作流体的状态用A点来确定：焓为ip，压力为Pp；在匹配器前引射流体的状态用D点来确定：焓为iH，压力为pH，在喷射系数u给定的情况下，在匹配器出口压缩流体的焓ic根据能量守恒定律来确定：在无损失的理想匹配器中，在i-s图上压缩流体的状态用直线AD与ic=常数之直线的交点C 来确定，这点的熵是sc。通过C 点所作的等压线决

6、定了在压力匹配器后压缩流体的压力pc。压力匹配器的实际过程具有损失，因此，在实际压力匹配器后压缩流体的熵值sc比sc大，而压缩流体的压力pc比pc低，压力匹配器中的损失愈小，压缩流体的压力pc愈接近于pc。进入匹配器的工作流体，在喷嘴里和在混合室的入口段上压力从pp膨胀到p2。在膨胀末了，工作流体的状态用R点来确定。由于（Hp+Hk）热能转变成动能的结果，工作流体在圆柱形混合室入口截面上的速度达到wp2，速度系数是考虑工作流体的膨胀损失。这里，Hp和Hk是相应于工作流体从P1等熵膨胀到PH和从PH等熵膨胀到P2时的焓降。在混合室的入口段上，引射流体从压力PH膨胀到压力P2。在膨胀末了，引射流体

7、的状态用M点来确定，由于HH热能转变成动能的结果，在圆柱形混合室入口截面上引射流体的速度达到WH2，速度系数是考虑引射流体的膨胀损失。在混合室里，进行混合流体速度的均衡和压力的提高，在混合室末端，流体的状态用E点来确定，这时，流体具有平均速度W3和静压力P3。往下，流体进入扩散器，在扩散器中，动能转换成势能或热能，在扩散器后流体的状态用C点来确定，流体的静压力等于Pc，它的焓等于ic，它的熵等于sc。在取同样的喷射系数（u=不变量）或取同样的焓（ic=不变量）的情况下，在扩散器出口处，实际压缩器的压缩流体压力Pc低于理想压缩器的压缩流体的压力pc（pcpc），因为在实际压缩器中发生的过程是不完

8、善的。压力匹配器的效率我们可以用动力机械常用的等熵效率来定义压力匹配器的效率，式中u引射系数驱动蒸汽等熵膨胀到吸入蒸汽压力时的焓降吸入蒸汽等熵压缩到输出压力时的焓升。和压力匹配器等价的装置是用背压蒸汽透平拖动蒸汽压缩机，如图三所示： 图三 蒸汽透平拖动压缩机装置图压力匹配器的效率可以和透平压缩机的效率相媲美。例如用2.4MPa、390的蒸汽，将0.5MPa、250的抽汽提高到1.0MPa，=175.6KJ/kg，=376.2KJ/kg，u=0.5 则压力匹配器的等熵效率为该效率和用蒸汽透平拖动压缩机的效率相当，小型背压透平的效率大约为0.70 ,蒸汽压缩机的效率大约为0.65，透平压缩机组的效

9、率为0.70×0.65=0.455。但透平压缩机组的设备及运行维护费用则大大高于压力匹配器。4、压力匹配器式抽汽式汽轮机和旋转隔板抽汽式汽轮机经济性的比较传统的可调节抽汽式汽轮机是利用旋转隔板式调节汽门来保证抽汽点的压力不随电负荷、热负荷的改变的面改变。旋转隔板抽汽式汽轮机由于旋转隔板的节流损失使汽轮机通流部分的损失增加，旋转隔板抽汽式汽轮机通流部分在抽汽点前按额定抽汽时的进汽量设计，而抽汽点后的通流部分是按纯凝汽流量设计，例如C12-3.5/0.98抽汽式汽轮机，在额定抽汽量时，进汽98t/h，抽汽量50t/h，进入凝汽器的流量30.8t/h。纯凝工况时进汽量57t/h，进入凝汽器

10、的流量44.5t/h，在纯凝工况时抽汽点的压力为0.954MPa。根据弗留格尔公式Phd设计工况级前压力Ph变工况时级前压力Pc凝汽器压力T0设计工况下级前温度T变工况时级前温度凝汽器压力一般很小，Pc2和P2比较可以忽略。，上式可简化为根据上式计算得到在额定抽汽量时，抽汽点后的压力为.66MPa，而抽汽压力为0.98MPa也就是经过抽汽调节汽门节流损失P=0.98-0.66= 0.32MPa。蒸汽经过抽汽式汽轮机热力过程如图四所示： 图四 可调抽汽汽轮机热力过程曲线凝汽式汽轮机和抽汽式汽轮机的通流部分表示在图五和图六 图五 图六 凝汽式汽轮机通流部分 抽汽式汽轮机通流部分一次抽汽汽轮机的功率

11、：=,分别在纯凝汽工况下，抽汽点前后级组的绝热焓KJ/Kg对C12-3.43/0.98机组来讲，从上面计算看出，由于旋转隔板式抽汽调节汽门的节流作用，和纯凝汽工况相比，抽汽点前级组可用焓降减少23%，抽汽点后机组可用焓降减少8%。对于装有压力匹配器的可调节抽汽的汽轮机的功率：对比以上两式，可以比较可调节抽汽式汽轮机和配有压力匹配器的可调节汽轮机的经济性。抽汽点前的级组决定于和的比较大小，抽汽点后级组决定于和的比较大小，对于抽汽点前的级组：，对于抽汽点后的级组：，最终的结果，决定于三项的乘积及抽汽点前后之和。以C12-3.43/0.98为例：额定抽汽量工况：进汽量98t/h，抽汽量50t/h，抽

12、汽压力0.98MPa，抽汽调节汽门后压力0.71MPa，抽汽点后流量42.1t/h，凝汽量30.8t/h。在抽汽量相同，锅炉供汽量相同时配压力匹配器抽汽汽轮机的进汽量为77.2t/h，压力匹配器驱动蒸汽量为98-77.2=20.8t/h，抽汽量29.2t/h。为了防止混合汽温度过高，将抽汽通过加热给水冷却至饱和温度。由于给水经过加热和可调抽汽汽轮机比较，回热抽汽量减少，使抽汽点后级组流量增加，抽汽点压力增高，经热平衡计算回热抽汽减少2.9t/h，抽汽点后级组流量45t./h，抽汽点压力0.76MPa，进入凝汽器流量33t/h。抽汽点后回热抽汽的压力0.2MPa，回热抽汽的功率单独计算。根据上述

13、数据计算取，可调抽汽式机组的电功率为：=6973.95+4699+513.5=12186.5KW压力匹配器配不可调抽汽机 =6624.8+5426.8+712=12763.6KW这主要是由于配压力匹配器的机组通流部分效率大于可调节抽汽机组。对于高压机组以C25-8.83/0.98为例：额定工况进汽量151t/h，抽汽80t/h，抽汽点后流量36.84t/h，压力0.53MPa，凝汽量32.7t/h。在该工况下，抽汽调节汽门前后压差为1.0-0.53=0.47MPa，造成了节流损失。配压力匹配器式抽汽式机组进汽量119t/h，抽47.9t/h，压力匹配器驱动蒸汽32.1t/h，为了使外供蒸汽温度

14、不高，47.9t/h抽汽首先经过给水加热器，将抽汽降到饱和温度，这也提高了压力匹配器的效率。用抽汽加热给水，减少了回热抽汽量。根据热平衡计算减少回热抽汽3.6t/h，因此抽汽点后的流量为40.4t/h，压力为0.64。假设两型号的抽汽汽轮机的回热抽汽量相同，回热抽汽对发电功率的影响基本相同，对比较两种型号机组的优劣没有影响。根据水蒸汽焓熵图查得如下： 并假设可调抽汽式机组由于节流损失，通流部分效率下降2%，计算出两种机组的电功率如下：Pc=27700.2kw,Pm=27549kw，两种机型相差0.5%，考虑计算误差，两种机型功率基本相同。以上是在额定工况下对两种机型进行了效益分析，在抽汽量较少

15、的情况下，压力匹配器机组具有较好的效益。因此利用压力匹配器改造打孔抽汽机组为可调抽汽机组，或者新设计机组配压力匹配器成为可调节抽汽机组都具有一定的优越性。压力匹配器式机组还有一个优点，就是机组的电负荷和热负荷分开控制，电负荷和热负荷互不影响，不存在所谓“强迫电负荷”问题。另一个优点就是压力匹配器在汽机停机时，可作减压减温器使用，不用再设备用的减温减压器。5、结论根据上述分析及多台压力匹配器的运行实践，建议汽轮机制造厂应改进抽汽式汽轮机的设计方法，按压力匹配器式可调抽汽汽轮机的机型制造，同功率、同供热量的汽轮机可降低造价1/3-1/4。运行的经济性还优于传统的可调抽汽汽轮机。参考文献：1杨玉恒 发电厂联电联合生产及供热 水利电力出版社 1989年2索科洛夫 喷射器 科学出版社 1977年作者简介王汝武，江苏沛县人，1938年生。1963年毕业于哈尔滨工业大学动力机械系，1966年西安交通大学热动专业研究生毕业。一直从事蒸汽热能动力领域专业工作。历任北京重型电机厂技术员、沈阳汽轮机厂总工程师