等效热降法在工业汽轮机设计中的应用

童海文，白东方，潘志贤

（杭州汽轮机股份有限公司，浙江 杭州 310000）

等效热降法在工业汽轮机设计中的应用

童海文，白东方，潘志贤

（杭州汽轮机股份有限公司，浙江 杭州 310000）

针对某公司工业汽轮机设计生产实际，以T5297机为例，采用等效热降方法对汽轮机漏汽回收、厂用蒸汽、排汽压力变化以及平衡管问题进行了分析。研究结果可为节能降耗提供理论依据。

等效热降；工业汽轮机；经济性分析

0 引言

目前工业汽轮机的发展已进入成熟期，其性能、可靠性、使用寿命均已经达到了很高的水平[1]。然而，在工业汽轮机的设计过程中，由于产业结构的影响，汽轮机往往是单独设计，对系统的热经济性关注相对较少。另一方面，由于世界经济衰退和其它原因的影响，工业汽轮机的销售均呈现了不同程度的不景气现象。在这种形势下，提高机组的热经济性对于推动某公司的精品工程建设和提高公司的市场竞争力，具有非常重要的意义。

等效热降法是由前苏联学者库兹涅佐夫在20世纪60年代后期提出，并在70年代逐步完善、成熟，后经西安交通大学林万超教授拓展而形成的完整理论体系。由于它摒弃了常规计算的缺点，不需要全盘重新计算就能查明系统变化的经济性，具有热工概念清晰、计算方便等优点，现已在电厂热力系统定量分析中得到了广泛应用。

本文首先对等效热降理论进行了简单介绍，其次尝试采用等效热降方法对某工业汽轮机设计生产过程中遇到的有关装置效率问题进行了分析，以期为汽轮机设计，尤其是外围系统设计提供经济性评价的依据。

1 等效热降理论[2]

1.1 基本概念

等效热降是指排挤 1kg加热器抽汽返回汽轮机的真实作功的大小。这 1kg排挤抽汽一部分作功到汽轮机的排汽出口，另一部分则会在随后各个抽汽口分配，用以加热给水。抽汽等效热降的计算通式为：

式中，qj为1kg抽汽在Noj加热器的放热量；hj为Noj加热器对应的1kg抽汽的焓值；hn为汽轮机的排汽焓；Ar取τr(1kg给水在r级加热器中的焓升)或者γr(1kg疏水在r级加热器的放热量)，根据加热器的型式确定。具体而言：如果Noj为汇集式加热器，Ar均以τr代替；如果Noj为疏水放流式加热器则j以下直到汇集式加热器用γr代替Ar，而在汇集式加热器以下无论是汇集式或疏水放流式加热器，则一律以τr代替Ar。r为 Noj加热器后更低压力抽汽口脚码。排挤蒸汽做的功与加入热量之比即为相应的抽汽效率，即

1.2 新蒸汽的等效热降

若将锅炉视为汇集式加热器，便可求出新蒸汽的等效热降(毛等效热降)，新蒸汽等效热降实际上就是1kg新蒸汽的实际作功。如果扣除所有附加损失，便可求出新蒸汽的净等效热降，可表示为：

1.3 等效热降进行经济性诊断的基本假设及条件

应用等效热降进行经济性诊断的计算是以新蒸汽流量保持不变为前提条件的；在计算等效热降时，认为新蒸汽参数、再热参数、终参数及各抽汽参数均为已知且保持不变，即汽轮机膨胀过程线的变化暂时不予考虑；认为加入循环热量Q保持不变。

2 等效热降在工业汽轮机中的应用实例分析

2.1 数据整理及等效热降计算

本文主要以T5297机组(机型：HNK32/45/40)为例，图1为本机组的热力系统图。

图1 T5297机组热力系统图

针对不同的加热器类型，利用等效热降原理对其加热器的给水焓升τj、抽汽在加热器中的放热qj、疏水在加热器中的放热γj，抽汽焓降及抽汽效率进行了计算，整理结果见表1。

表1 抽汽焓降及抽汽效率计算结果

2.2 经济性分析

2.2.1 阀杆、汽封漏汽及其利用系统的经济性诊断

汽封漏汽、阀杆漏汽不仅损失了工质，而且伴随着热量的损失。目前，某公司阀杆漏汽多引至漏汽、封汽管道(图2(a))；汽封漏汽主要通过冒汽管直接排大气(图 2(b))或者通过管道回收到汽封冷却器用于加热给水(图2(c))。如果从等效热降的角度出发，直接排空的蒸汽这无疑造成了蒸汽的损失。即使回收到汽封冷却器的蒸汽，由于这部分蒸汽品质较高，也未必能够得到最大程度的利用，有必要在设计的过程中，对其引入位置进行具体分析。

图2 漏汽、封汽现行处理方式

这里以额定抽汽工况进汽量的 1%作为阀杆漏汽量回收到No1级加热器汽侧为例进行分析，汽封漏汽、阀杆漏汽回收利用的等效热降分析模型等同于蒸汽携带热量进入系统。这部分热量可以分解为纯热量和带工质的热量αfh1两部分（阀杆漏汽以绝热过程处理）。纯热量进入系统引起的作功变化为：

剩余的带工质的热量αfh1，因为正好与抽汽焓值一致，αf来汽恰好顶替了αf抽汽，不产生疏水的变化。为了保证系统工质的平衡进入冷凝器的化学补充水量必须相应减少αf，这样主凝结水量将保持不变。由于疏水量及主凝结水量均未发生变化，因而不影响各级加热器的抽汽量。所顶替的抽汽均直达凝汽器，其作功增加：

漏汽回收使作功增加：

进而求出其对装置热经济性的影响为：

同样可以求得阀杆漏汽引入其它加热器对装置效率的影响依次(从低到高)为0.69%、0.91%、1.11%。由此可见，对于蒸汽品质比较高的阀杆漏汽，若引到四级加热器进行回收，级数越高，回收利用的效果越好，效率逐级相差0.2%左右(对于这台18MW的发电机组而言，按标准煤耗为 350g/kWh，相当于煤耗)相差12.6kg/h。

2.2.2 排汽压力变化对装置效率的影响[3]

在机组流量一定的条件下，由于季节的变化，排汽压力偏离基准值是机组运行中经常遇到的情况。汽轮机排汽压力的变化对机组作功的影响可以从两个方面考虑，其一是由于排汽焓值变化引起的机组有效焓降的变化；其二是由于凝结水温度的改变，引起最末一级加热器抽汽量的变化。这两个方面均引起了作功量的变化，进而影响了机组的效率。以 T5297机组夏季工况和冬季工况为例，应用等效热降方法对其进行分析(图3)。当排汽压力升高时，排汽焓值由hc变为hc，这部分焓降直接引起份额nα新蒸汽做功减少：

另一部分是凝结水的温升引起的做功能力的变化，根据等效热降原理，相当于纯热量进入No1加热器，使新蒸汽等效热降增加：

式中，αnn为凝结水通过No1加热器的流量份额；为排汽压力变化后No1加热器的抽汽效率，计算方法由加热器的型式而定。

图3 排汽压力作功分析系统图

综合考虑以上两个方面的影响，排汽压力降低引起的新蒸汽等效热降变化为：

根据以上分析，图4给出了T5297机组，汽轮机装置效率随排汽压力的相对变化情况(以冬季工况为基准)，从图中可以看出，汽轮机的装置效率随着汽轮机排汽压力的升高呈直线下降规律，最恶劣工况(夏季工况)下降可达0.76%。

图4 装置效率随排汽压力的变化表

2.2.3 厂用蒸汽的经济性诊断

在生产过程中，有各种用汽的设备和场所，这些蒸汽往往是汽轮机的某段抽汽。这些蒸汽一方面是生产和生活所需，而另一方面必然导致新蒸汽作功能力的下降，热经济性降低。蒸汽的抽出仍然可以采用带蒸汽的热量出系统进行计算。如果有凝结水回收利用时，可按热水携带热量进系统考虑。

厂用汽分析系统如图5所示。

图5 厂用汽分析系统图

凝结水返回除氧器出口的主凝结水线的回收功为：

对装置效率的影响为：

凝结水返回除氧器汽侧的回收功为：

对装置效率的影响为：

由此可见，厂用蒸汽引起的作功损失比较大，使热经济性大幅度降低。在生产过程中，应首先尽量减少厂用蒸汽的数量，其次应在满足生产和生活的前提下，尽量采用低品质蒸汽作为厂用蒸汽，用新蒸汽减温减压后供给是很不合理的。

2.2.4 平衡管道等效热降法的理论分析

蒸汽作用在汽轮机转子上的力，可分解为两个相互垂直的分力：切向力和轴向力。切向力用于驱动转子旋转，输出机械功。轴向力的方向与汽轮机轴线平行，它由高压侧指向低压侧作用在汽轮机转子上，称为轴向推力。多级汽轮机的轴向推力常达几吨至几十吨，必须加以平衡，否则汽轮机无法正常工作。目前汽轮机中最常采用平衡活塞或者叶轮上开设平衡孔来平衡轴向推力，未被平衡剩余轴向推力就由推力轴承来承担。某公司三系列反动式汽轮机主要采用平衡活塞辅以推力轴承的方法，平衡活塞两端的反向压差是通过平衡管道来实现。这种方法在平衡轴向推力以及减少漏汽损失方面都颇有成效，然而，从等效热降的理论来看，这相当于蒸汽携带热量进出系统，也会引起新蒸汽作功能力的变化。

图6为某公司凝汽式汽轮机在本体空间不足时采用的一种情况，即将高压端蒸汽直接引到抽汽口处，这个过程可以分解为蒸汽携带热量出系统和蒸汽携带热量进系统两个过程，假如有份额为αf，焓值为hf的蒸汽流出，凝汽器必有αf的化学补充水进入系统，蒸汽出系统和水的进系统均不影响回热系统的抽汽和疏水，所以新蒸汽作功减少：。而焓值为hf，份额为αf的蒸汽进入系统(假设从j能级进入系统，用于回热抽汽)，这个热量可以分解为纯热量和带工质的热量αfhj两部分。显然，纯热量进入系统很容易由等效热降法求出其作功的变化为剩余的带工质的热量因为正好与抽汽焓值一致，αf来汽恰好顶替了αf抽汽，不产生疏水的变化。为了保证系统工质的平衡进入冷凝器的化学补充水量必须相应减少αf，这样主凝结水量将保持不变。由于疏水量及主凝结水量均未发生变化，因而不影响各级加热器的抽汽量。所顶替的抽汽均直达凝汽器，其作功增加故整个平衡管道引起作功的变化为：

图6 凝汽式汽轮机本体空间不足时平衡管分析系统图

需要说明的是，对于凝汽式汽轮机(包括T5297)常采用的情况，即将蒸汽从本体位置进入系统到低压缸继续作功时，则不能单纯采用等效热降法进行分析，需结合其它方法考虑其蒸汽混合损失。

同样，背压式汽轮机常常采用的方式，如图 7所示。高压端蒸汽被直接引到排气端，分析方法大致相同，所不同的是纯热量可以过渡到第一级加热器，而带工质的热量没有作功。所以背压式汽轮机常常采用的平衡管道方式对作功的影响为：

图7 背压式汽轮机平衡管分析系统图

4 结论

1）汽封漏汽、阀杆漏汽会对新蒸汽做功能力产生影响，从而影响装置效率。漏汽的回收应考虑回收位置，即高品位热源尽可能回收到较高能级上，以达到收益最大化；2）排汽压力的变化对机组装置效率产生很大的影响。在汽轮机设计和凝汽器设计中，适当采取控制汽轮机排汽压力的措施，比如排缸内补给化学水，控制凝汽器真空度等是十分有必要的；3）厂用蒸汽引起的作功损失比较大，使热经济性大幅度降低。在汽轮机设计中应在满足生产和生活的前提下，尽量采用低品质蒸汽作为厂用蒸汽，用新蒸汽减温减压后供给是很不合理的；4）平衡管蒸汽的引出位置和引入位置均会对机组的效率产生影响，设计时在满足平衡轴向推力的同时，应综合考虑其影响大小，择优选择设计方案。

[1] 伍爱民. 工业汽轮机市场需求结构及预测[J]. 工程建设与设计, 2000(2): 8-10.

[2] 严峻杰, 林万超. 火电厂热力系统经济性诊断理论及应用[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2000.

[3] 李秀云. 用等效热降法确定排汽压力变化对机组经济性的影响[J]. 热能动力工程, 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，副总工程师，本科，主要从事汽轮机故障诊断分析、安装指导和调试。

白东方（1986-），男，系统工程师，硕士，主要从事汽轮机装置设计。