中型抽凝式热电联产汽轮机应用分析

廖 斌 张 勇 王国栋 周 奇

1.山东齐鲁电机制造有限公司 山东 济南 250100；2.山东大学 山东 济南250012

0 引言

DCHP区域热电联产（District Combine Heating&Power）是通过一个热电系统对一个区域进行工业蒸汽、冬季采暖、生活热水等能源的支持，并提供这一区域所需要的部分电力供应，我国的许多热电联产设施都属于这一类项目［1］。多年的实践证明，发展区域热电联产，对于城市减少环境污染，减少资源浪费，提高能源利用效率，加强城市功能具有非常积极的因素。

由于节能工作的需要、环境保护的要求、工业用热需求量大、民用采暖和生活用热迅速增加，再加上政府的大力支持，我国的热产联产技术应用前景广阔。我公司作为中小型汽轮机发电机组的生产制造企业，热电联产汽轮机产品一直是我们的发展方向，结合已有产品及未来产品开发的方向，对应用最为广泛的抽凝式中型热电联产汽轮机的应用进行分析。

1 热电联产技术

1.1 热电联产技术理论

热电联产是根据能源梯级利用原理，先将煤、天然气等一次能源发电，再将发电后的余热用于供热的先进能源利用形式［2］。热电联产汽轮机是一种同时承担供热和发电两项任务的汽轮机，根据工质的不同，热电联产机组的系统配置形式主要有锅炉加供热汽轮机热电联产系统、燃气－蒸汽联合循环热电联产系统、内燃机热电联产系统等。在我国应用最为广泛，且技术上已经比较成熟的为锅炉加供热汽轮机热电联产系统。

1.2 热电联产的技术特点

热电联产是在热电分产技术上发展演变而来的，所以其技术特点是相对于热电分产而言的，主要表现在：由于热电联产是在保证电负荷的同时利用在汽轮机中已经做过功的蒸汽提供热负荷，所以比热电分产可以更加有效的梯级利用能源；对于有热负荷需求的用户，用热电联产的方式取代原有热负荷由锅炉新汽减温减压获得的方式，同时还可以产出电负荷，一方面保证了热电厂的综合利用率，另一方面提高了热负荷供应的品质和稳定性。

热电联产汽轮发电机组的热效率高达70%以上，而一般单机容量200MW以上的纯凝汽轮发电机组热电厂的热效率仅为35~40%［3］；200MW纯凝汽机组的发电煤耗约为350g/kWh，而容量相同的供热机组的发电煤耗一般均在300g/kWh以下，即供电煤耗约低50g/kWh以上，因此热效率较高。

1.3 热电联产技术发展趋势

1.3.1 应用范围普遍化

世界各国都在大力发展热电联产，热电装机容量占总装机容量的比重越来越大。我国政府越来越重视发展热电联产，2000年国家计委、建设部、环保总局等部门联合下发的 《关于发展热电联产的规定》，是指导我国热电联产发展的纲领性文件，在促进我国热电联产发展中已经发挥并将长期发挥重要指导作用。

1.3.2 机组容量大型化

热电联产机组之所以呈现出大型化趋势，是因为大容量热电联产机组更节省能源，更容易应用先进的环保技术。我国原来的热电联产机组容量普遍偏小，随着工业用汽、集中供热规模的不断扩大和环保压力的不断增加，各地对中大容量热电联产机组的需求越来越多。

1.4 热电联产汽轮机的类型

热电联产汽轮机根据供给热负荷蒸汽的来源及结构不同可以分为抽汽凝汽式、背压式及抽汽背压式三种主要形式［4］。背压式汽轮机的全部排汽用于用户供热，因此它所发出的电功率取决于热负荷，当热负荷等于零时，电功率也等于零，因此这类机组的电负荷是不自由的，只能应用于全年热负荷比较稳定的企业自备电厂，或与凝汽式汽轮机组配套安装。具有调整抽汽的汽轮机比较灵活，热、电负荷在一定范围内可以调节。抽汽凝汽式汽轮机是在我国已经投产运行的热力发电厂中应用最为广泛的一种热电联产汽轮机类型，根据热负荷的供给压力、温度、流量等参数的不同要求，在凝汽式汽轮机的基础上从汽轮机某级后抽取已经做过功的蒸汽用于满足用户对热负荷的使用要求。

在我国北部地区集中供热的大型热电厂中，现在出现了100MW以上的超高压或亚临界中间再热式大型热电联产汽轮机组，机组在一年中的大部分时间处于纯凝汽发电运行工况。高参数再热式大功率热电联产汽轮机在结构、工作原理上与单抽及双抽汽凝汽式汽轮机有较大的差别，这种机组采用在中、低压缸连通管上装设蝶阀来调节采暖抽汽的压力和流量。

图1 热电联产汽轮机主要类型

2 抽凝式热电联产中型汽轮机工作原理

图2 抽凝式热电联产汽轮机系统图

热电联产汽轮机的供热抽汽按照用途不同可以分为工业用汽和供暖用汽，通常供暖用汽的抽汽压力约为0.98MPa，温度约为260~270°C。抽凝式汽轮机与纯凝汽式汽轮机本体结构上非常相似，主要区别在于抽凝式机组的某一级后接大流量抽汽，供给热用户。热电联产汽轮机一方面要保证供给热用户所需的热量，同时又要发电，所以需要有完善的给水回热系统，如图2所示为配备了3台低压加热器、2台高压加热器和1台除氧器的50MW双抽汽凝汽式汽轮机热力系统图。热电联产中型汽轮机的供热抽汽有调整抽汽和非调整抽汽二种。可调整抽汽是直接将蒸汽送往热用户的，在用户处，凝结成水的工质用泵送回汽轮机的汽水系统了，在供给工业用汽时由于生产线的原因无法回收这部分工质，利用补水的方式保证热力系统的平衡。非调整抽汽是指除给水回热抽汽以外，专门提供厂用汽等比较稳定、对抽汽参数变化要求不高的一种抽汽，非调整抽汽式一般是二次换热型的，就是将汽机中的蒸汽抽出一部分，在换热器中加热二次介质，然后将二次介质送往热用户。调整抽汽的形式主要有旋转隔板式和抽汽调节阀式。旋转隔板式为将汽轮机某一级后加装一个可调节通流面积的旋转隔板，用油动机带动连杆控制隔板的开度，从而控制抽汽量的大小和抽汽压力的大小；而抽汽调节阀式就是用调节阀的开度控制抽汽量的多少。

3 抽凝式热电联产中型汽轮机技术特点

3.1 汽轮机本体设计

中型热电联产抽凝式汽轮机为单缸、单轴结构，有单抽和双抽两种主要型式，这类机组的运行情况多为供热抽汽常年比较稳定，因此设计为在额定抽汽量时可以发出额定的电功率。这种机组的最大特点就是热/电负荷适应性好，运行调节灵活。

由于热电联产汽轮机运行工况变化范围大，为了适应这一实际运行要求，抽凝式汽轮机的进汽部分通常采用喷嘴配汽方式。调节级选用双列调节级，以保持其在最大流量时仍有足够大的通流能力，且在广泛的工况流量变化范围内有着平坦的效率曲线，从而保证机组在变工况时高效率的运行。

由于此类机组在大部分运行过程中低压缸的排汽流量小于同等功率的纯凝汽机组，当供热抽汽量达到最大时，低压缸的蒸汽流量减少到最小值。低压缸设置完善的测温及测压装置，以防止由于蒸汽流量过小引起部分叶片进入鼓风状态，导致低压级叶片产生过热现象，排汽温度过高而引起缸体变形，在低压缸内还装有喷水减温装置。低压缸设计成径向扩压结构，目的是充分利用排汽余速，降低排汽阻力，提高机组效率。抽凝式热电联产汽轮机本体结构如图3所示。

图3 抽凝式热电联产中型汽轮机结构图

3.2 热/电负荷的匹配

可调整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，机组可发出额定的电功率。中型热电联产汽轮机调整抽汽为牵连调节方式，通过汽轮机组的DEH数字电液调节系统进行控制，从而达到用户在运行过程中对于电负荷和热负荷的不同要求。供热抽汽量的调节是靠同时增大（减小）进汽量和减小（增大）排汽量来达到的。

3.3 抽汽调整方式

3.2.1 旋转隔板

旋转隔板主要由中分面对开式的隔板体与转动环组成，其中隔板体上装有喷嘴静叶与普通隔板结构相似，但区别是在隔板体的成组静叶前开有均匀分布的小蒸汽室，如图4所示。转动环通过连杆由油动机拖动，其上开有面积不等的窗口，用于通过蒸汽。转动环窗口与隔板体小蒸汽室形成的通流面积即是经过供热抽汽后需继续在汽轮机中做功发电的蒸汽流经的通道。旋转隔板适用于大流量的中、低压抽汽场合，在汽缸中占据空间小，易于布置，但调节性能不如抽汽调节阀好。

图4 旋转隔板结构图

3.2.2 抽汽调节阀

抽凝式汽轮机的抽汽调节阀有单座式、双座式和整体式几种类型，如图5所示。虽然结构不同，但调节原理是一样的，具有调节性能好，节流损失小的特点。可以根据供热抽汽的压力和温度范围进行抽汽调节阀的结构设计和阀门中关键零件所用材料的选择。抽汽调节阀通常以成组的形式直接布置在汽缸的上部，利用DEH系统控制油动机调节阀门的开度，从而调节抽汽量的大小。抽汽调节阀适用于流量适中、较高压力的工业调整抽汽，对于大流量的中、低压调整抽汽由于其受到阀门通径及汽缸结构的限制并不适用。

图5 单座调节阀与双座调节阀结构图

3.4 推力支持联合轴承

抽凝式汽轮机由于其抽汽量变化，运行工况较纯凝汽机组复杂，致使热电联产机组轴向推力比同容量机组复杂，而且正负变化很大。对于50MW单缸、单轴的抽凝式汽轮机在其纯凝工况运行时，轴向推力可能达到18~20t；最大抽汽工况时，轴向推力为负的4~5t。此类机组多采用正负推力瓦面积相同的对称结构，能保证承受机组在各种工况下的轴向推力，且每块瓦都有独立测温元件，保证轴瓦在温度极限范围内安全运行。

3.5 除氧装置

对于化工、造纸、纺织、皮鞋等行业的热电联产汽轮机的工业抽汽，由于其生产线原因大多工业用抽汽不能回收，需要大量的补给水，为了满足锅炉给水品质的要求，要增补给水的化学水处理和低压除氧器等设备。对于小功率机组可设低压除氧器，对于中、大功率机组可在凝汽器热井增加鼓泡除氧装置，以满足高压除氧器对给水含氧量的要求。

4 抽凝式热电联产汽轮机选型

抽凝式汽轮机的选型主要涉及到机组的机型、参数及容量等的确定，可以根据热电厂的类型、热网的规模、工业生产线的用汽需求，建设规划、热负荷曲线及电负荷的需求等因素进行类比选择，主要有以下几个主要方面：

4.1 机炉电的匹配

热电厂的三大主机为锅炉、汽轮机和发电机，三者的容量匹配问题不仅涉及到三大主机的制造厂，还涉及到设计院及项目的审批，所以是热电厂项目执行过程中的一个关键环节。对于中型热电联产汽轮机多用于企业的自备电厂或中等城市的区域供热，要根据供热的需求确定抽汽量参数，结合锅炉的蒸汽量，汽轮机制造厂进行汽轮机热平衡计算，作为三大主机选型的参考依据。

4.2 抽汽调整方式的选择

根据热负荷的使用要求，对抽汽是否进行调整，采用何种方式进行调整进行选型。对于可调整供热抽汽根据供热抽汽量的压力和流量范围，选择合理的抽汽调整方式。对于大流量、压力低于1.55~1.6MPa供暖抽汽采用旋转隔板进行抽汽流量调节；压力大于等于1.55~1.6MPa，选用抽汽调节阀进行抽汽流量调节，根据流量与抽汽点处比容对照，核算抽汽调节阀组的通流面积，保证在汽缸处可以布置相应的阀门组及执行机构。

4.3 热力系统配置

热电联产机组的热力系统配置是在确定机型后的一项主要任务，首先根据工业生产线及热电厂的规划确定补水的方式及补水的温度；然后确定选用何种除氧方式进行补水除氧；最后合理规划供暖抽汽系统及管道的布置。

5 结语

中型抽凝式汽轮机技术伴随着我国热电联产项目的实施不断发展，热电联产机组不仅要求可以供热，而且要求可以高效率、高质量、低排放的供热，所以汽轮机制造厂的任务是更好的进行热电联产汽轮机的研发，为我国热电联产汽轮机技术的发展做出更大的贡献。

［1］刘志真.热电联产［M］.北京：中国电力出版本社，2006.

［2］中国动力工程学会.火力发电设备技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］王加璇.热力发电厂系统设计与运行［M］.北京：中国电力出版社，1997.

［4］蔡颐年，王壁玉.汽轮机装置［M］.北京： 机械工业出版社，1989.