供热式汽轮机技术特点及未来发展趋势展望

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司 上海 200438）

0 引言

热电联产可以大幅提高热电装置的热效率，改善供热质量、减少环境污染。电力的输送可以不受距离的限制，但热能输送的允许距离一般相对较短。因此，在热用户较集中且耗热量较大的地区可建造大规模的中心热电站，采用同时承担供热和发电功能的供热式汽轮机。

1 供热式汽轮机的分类

在工业发达而气候又寒冷的国家和地区，工业用电用热、居民生活采暖对热能的需求量很大，其中心热电站工业特别发达，其发电量的30%以上是由中心热电站供热式汽轮机供应的［1］。我国中心热电站汽轮机的发电能力约占全国汽轮机装机容量的10%。

与凝汽式汽轮机相比，供热式机组会遇到下列结构、布置和运行工况等6 个方面的问题：

（1）汽缸本体上需要引出大容积流量的抽汽管道，还要留出布置抽汽调节机构的位置；

（2）需要设置一整套热网加热器、大通流能力的止回阀和安全阀；

（3）在有限尺寸的汽轮机车间内需要布置大量的辅助设备和抽汽管道；

（4）要考虑同时调节几项参数；

（5）由于供热式汽轮机具有工况变动范围较大的特点，必须保证叶栅的安全性和稳定性；

（6）变工况中对抽汽口前面的级和推力轴承会形成附加的负载，随着单机容量的增大和利用抽汽效果的不断完善，供热对汽轮机结构的影响会不断地增大。

按结构特点和工况特点，供热式汽轮可分为两大类：供热凝汽式和供热背压式。其中，供热凝汽式又分为：生产调节抽汽供热、采暖调节抽汽供热、生产调节抽汽和一次采暖或二次采暖抽汽供热；供热背压式又分为：背压供热、生产调节抽汽背压供热、采暖抽汽背压供热。

2 供热背压汽轮机

背压汽轮机的新汽参数可分为中压、高压和超高压。前置式汽轮机也属于背压汽轮机。背压汽轮机的排汽热量作为低温热源供热，基本上可得以全部利用，其热效率约为80%左右，这类机组的热耗率与排汽热量以及决定这项热量大小的循环效率和汽轮机相对效率都无关。当机械效率、电机效率和锅炉效率均为定值时，背压式汽轮机的热效率是一个常数。汽轮机排汽压力和过热度根据有关条件确定后，排汽量就等于供热量除以排汽焓，这时汽轮机能输出的功率就取决于进汽参数［2］。进汽压力越高，汽轮机内的绝热焓降就越大，功率也越大。目前我国背压汽轮机在过去的基础上，进汽参数持续提高，但又低于常规电站汽轮机进汽参数的水平。背压机的热力设计有以下特点。

（1）没有低压区的级组，一般不会遇到低压部分设计和制造方面的困难。

（2）与凝汽式汽轮机相比，因其背压高，汽轮机的理想焓降较小，进汽流量较大。一般也不存在高压部分前几级叶片高度过小的困难。

（3）由于排汽压力与初压之比较大，理想焓降较小，而为满足热用户要求，蒸汽流量的变化范围较大［3］，需要采用喷嘴配汽，且调节级焓降设计值应设定得更高一些，通常可采用双列速度级作为调节级。

3 供热凝汽式汽轮机(带调节抽汽的汽轮机)

带调节抽汽的汽轮机的特点是能够同时满足电负荷和热负荷的要求。另外，还有一部分蒸汽要进入凝汽器，形成冷源损失。对于供热汽轮机，确定基本参数时应进行进一步说明。

3.1 功率值

额定功率是热负荷和主要参数为额定值时汽轮机能长期发出的功率；最大功率是各抽汽流量和抽汽压力呈一定比例关系或凝汽工况下其他主要参数为额定值时汽轮机能长期发出的最大功率。对带双调节抽汽的汽轮机，应根据相应抽汽量减少，通过高、中、低压3 个汽缸的阀门全开的蒸汽流量来确定。某些类型汽轮机的最大功率受到发电机负荷的限制：对带采暖抽汽的汽轮机，凝汽工况功率等于或大于额定功率；对于带生产和采暖抽汽的汽轮机，凝汽工况功率等于或小于额定功率。

3.2 采暖抽汽

对热网水分级加热的供热汽轮机有两级采暖抽汽：高压段和低压段。两段抽汽可以同时投入，也可以只投低压段抽汽。汽轮机只备有一个采暖抽汽压力调节器，调节机构位于低压缸前面的下抽汽室中。因为只有一个低压缸调节机构，两级抽汽中同时只能维持一级的抽汽压力（或一级热网水温度）。当两级抽汽同时投入时，可维持高压段抽汽压力；只投低压段抽汽时，可维持该段抽汽压力。

两段抽汽之间的热负荷分配取决于两抽汽口间级组通流部分的尺寸、热网加热器中的加热不足和抽汽管道的阻力。因此在运行中应根据汽轮机的具体工况来进行热负荷分配。描述工况的参数包括加热器前、后的热网水温度，热网水流量和电功率。相应工况不发生变化时，不应随意改变上述热负荷的分配情况。

3.3 凝汽器中蒸汽热能的利用

在某些供热式汽轮机中，可以利用通往低压缸最小通风蒸汽流的热量来给热网回水或热网补充水。这些汽轮机的工况与背压机组相同，除了机械损失、电机损失和辐射损失之外，所有进入汽轮机的热量都用来发电和供热。在此工况下，电负荷将取决于热负荷。汽轮机的特点是进入低压缸的流量受到限制，当用热网回水冷却凝汽器时，真空度还会进一步恶化，从而导致低压排汽温度、叶栅中蒸汽温度和排汽缸温度升高。这种工况可以通过凝汽器的结构设计来实现：在凝汽器中布置一部分分离的冷却表面，即所谓的内置管束，经过其中可以流过热网回水或热网补充水。

3.4 热负荷

对采暖供热汽轮机而言，有额定采暖热负荷和最大采暖热负荷之分。额定采暖负荷等于采暖抽汽量之和，最大热负荷包括采暖抽汽量之和再加上凝汽器中利用的热能。上述2 种热负荷均与调节抽汽的压力有关。低压部分调节机构维持关闭状态不变（通过关闭调节机构中的间隙进入凝汽器的流量为最小值，此流量与低压部分前的压力成正比），额定采暖负荷可达最大值。随着调节抽汽压力的升高，汽轮机的功率要减小，而通过低压部分的蒸汽流量会增大。当抽汽压力降低时，功率会增大［4］，而通往低压部分的汽流量会减小。

在生产和采暖双抽汽的汽轮机中，额定生产热负荷和额定采暖热负荷与电功率的额定值、调节抽汽压力和新蒸汽参数的额定值相对应，同时回热系统全部投入，而且进入凝汽器的汽流量最小。

确定最大生产抽汽（热负荷）的条件是：切除采暖抽汽，新蒸汽流量为额定值。对最大生产热负荷可以有2 种理解：电负荷为额定值，通往低压部分的汽流量可以大于最小值；通往凝汽器的汽流量最小，这时电负荷可能小于额定值。

确定最大采暖热负荷的条件是：中压缸维持最大流量，如果机组在凝汽器中配有蒸汽热量应用装置时，该装置应投入运营；电功率为额定值；生产热负荷为零或大于零。

供热机组一般有两个基本工况：按热定电工况和按电定热工况。在按热定电工况下工作时，低压部分前的调节机构关闭，凝汽器用热网回水或补充水或循环水来冷却。这时汽轮机的负荷通过调节系统高压缸配汽机构改变新蒸汽量来实现。按电定热工况可以分别满足电负荷和热负荷的需求。因为在采暖抽汽式和双抽汽式汽轮机装置中有凝汽器，超过了供热部分蒸汽的发电量时，可以通过增大通往凝汽器的蒸汽流量来满足电负荷的需求量。按电定热工况下，低压部分调节机构可部分地或全部地进行开启。

4 供热式汽轮机主要发展趋势

（1）增大单机容量是电厂动力装置发展的主要方向之一。由于送热比送电的费用更为昂贵，与凝汽式汽轮机相比，供热式汽轮机的单机容量较小。

（2）提高蒸汽初参数。无中间再热时供热机组与凝汽式机组提高初参数的经济效益是不同的。研究结果表明：对供热机组而言，提高初压比提高初温更为有效，而且抽汽压力越高，上述差异越大。但考虑到电站设备繁多，标准化进程复杂，为此供热式汽轮机的蒸汽和参数往往与凝汽式汽轮机相同。

（3）再热的采用。与凝汽式汽轮机相比，供热机组采用再热的效果较小。随着抽汽压力的提高，再热的热经济性会降低［5］，而且从某个抽汽压力值开始，采用再热反而会使供热机组装置的经济性降低。此外，只有单元机组才能采用再热，而在有横向联管的热电中心破坏了单元机组的单一联系。背压机组不应采用中间再热，否则其经济性会降低。超临界蒸汽参数的带调节抽汽的汽轮机必须采用中间再热，以降低低压级内的湿度。对于部分供热机组而言，应根据其排汽湿度，并经过经济技术比较来确定。

5 结论及展望

供热式汽轮机作为一类可有效实现热电联产的动力机组，在未来的国民经济建设、工业技术发展及保障居民日常生活中起着重要作用。目前，针对供热式汽轮机的技术研究仍在持续开展过程中，其单机容量及蒸汽参数仍有望进一步提升。