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

2、板或抽汽调节汽门实现的，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

3、要产生节流损 失，另外汽轮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

4、变化而改变。为了提高压力匹配器的效率，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：新蒸汽主汽门仪表箱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

5、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：isPp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：ip 叽1 u在无损失的理想匹配器中，在i-s图上压缩流体的

6、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） ;：i2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

7、1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 Pi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J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

8、熵等于sc。在取同样的喷射系数（口=不变量）或取同样的焓（=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' （pcV pc'）,因 为在实际压缩器中发生的过程是不完善的。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="汕2，式中=hp - :h2u引射系数hp 驱动蒸汽等熵膨胀到吸入蒸汽压力时的焓降h2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：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 C的蒸汽，

9、将0.5MPa、250 C的抽汽提高到1.0MPa，h2=175.6KJ/kg,hp=376.2KJ/kg, u=0.5则压力匹配器的等熵效率为0.5 175.6376.2 -175.687.8200.6= 0.437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,透平压缩机组的效率为0.70X 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

10、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。根据弗留格尔公式严P2Pc： jGhd 皿-PJT0Phd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

11、忽略。、T 1，上式可简化为d二旦,T 0GhdPhd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:PPhdRi'h0Pc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冬五凝汽式汽轮机通流部分图六抽汽式汽轮机通流部分一次抽汽汽轮机的功率：p=(Rl+R®Jg=D ho叫仁卩即匕n =3600 m g 3600 m gD hds!牡。片円卩n n1 360023600: mh Ihn1

12、2 1 hodhodhod , hod 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，hod=460kJ/kg，ho =355kJ/kghod 二 865kJ / kg，ho"二 794kJ / kg盏 °.77，794865= 0.92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:D mhm mi lod rim 卄m g3600.Dmhod eim3600 m对比以上两式，可以比较可调节抽汽式

13、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 D hoE和DjhorL的比较大小，抽汽点后级组决定于 D玉和Dmhp订的比较大小，对于抽汽点前的级组：D Dm，hod h；，rim ri对于抽汽点后的级组：D- - Dm， hod ho， rm r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

14、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。根据上述数据计算取r：二0.80， rim二0.82， = 0.79， 订二0.81可调抽汽式机组的电功率为:p D hoM仁 n 。比0匕 n +3600DE监 n Pc 3600 m g

15、 3600 m g 3600m g=6973.95+4699+513.5=12186.5KW压力匹配器配不可调抽汽机p _ Dmhod rim.m _3600 m g 3600 m g 3600 m g=6624.8+5426.8+712=12763.6KWPm Pc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

16、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ho, hon, hF, hoi如下：h。= 610.3kJ/kg h°m 二 698.1kJ /kghF = 706.4kJ /kgho =

17、794.2kJ/kg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