伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司 上海 200438）

0 引言

熱電聯(lián)產(chǎn)可以大幅提高熱電裝置的熱效率，改善供熱質(zhì)量、減少環(huán)境污染。電力的輸送可以不受距離的限制，但熱能輸送的允許距離一般相對較短。因此，在熱用戶較集中且耗熱量較大的地區(qū)可建造大規(guī)模的中心熱電站，采用同時承擔(dān)供熱和發(fā)電功能的供熱式汽輪機。

1 供熱式汽輪機的分類

在工業(yè)發(fā)達而氣候又寒冷的國家和地區(qū)，工業(yè)用電用熱、居民生活采暖對熱能的需求量很大，其中心熱電站工業(yè)特別發(fā)達，其發(fā)電量的30%以上是由中心熱電站供熱式汽輪機供應(yīng)的［1］。我國中心熱電站汽輪機的發(fā)電能力約占全國汽輪機裝機容量的10%。

與凝汽式汽輪機相比，供熱式機組會遇到下列結(jié)構(gòu)、布置和運行工況等6 個方面的問題：

（1）汽缸本體上需要引出大容積流量的抽汽管道，還要留出布置抽汽調(diào)節(jié)機構(gòu)的位置；

（2）需要設(shè)置一整套熱網(wǎng)加熱器、大通流能力的止回閥和安全閥；

（3）在有限尺寸的汽輪機車間內(nèi)需要布置大量的輔助設(shè)備和抽汽管道；

（4）要考慮同時調(diào)節(jié)幾項參數(shù)；

（5）由于供熱式汽輪機具有工況變動范圍較大的特點，必須保證葉柵的安全性和穩(wěn)定性；

（6）變工況中對抽汽口前面的級和推力軸承會形成附加的負載，隨著單機容量的增大和利用抽汽效果的不斷完善，供熱對汽輪機結(jié)構(gòu)的影響會不斷地增大。

按結(jié)構(gòu)特點和工況特點，供熱式汽輪可分為兩大類：供熱凝汽式和供熱背壓式。其中，供熱凝汽式又分為：生產(chǎn)調(diào)節(jié)抽汽供熱、采暖調(diào)節(jié)抽汽供熱、生產(chǎn)調(diào)節(jié)抽汽和一次采暖或二次采暖抽汽供熱；供熱背壓式又分為：背壓供熱、生產(chǎn)調(diào)節(jié)抽汽背壓供熱、采暖抽汽背壓供熱。

2 供熱背壓汽輪機

背壓汽輪機的新汽參數(shù)可分為中壓、高壓和超高壓。前置式汽輪機也屬于背壓汽輪機。背壓汽輪機的排汽熱量作為低溫?zé)嵩垂?，基本上可得以全部利用，其熱效率約為80%左右，這類機組的熱耗率與排汽熱量以及決定這項熱量大小的循環(huán)效率和汽輪機相對效率都無關(guān)。當(dāng)機械效率、電機效率和鍋爐效率均為定值時，背壓式汽輪機的熱效率是一個常數(shù)。汽輪機排汽壓力和過熱度根據(jù)有關(guān)條件確定后，排汽量就等于供熱量除以排汽焓，這時汽輪機能輸出的功率就取決于進汽參數(shù)［2］。進汽壓力越高，汽輪機內(nèi)的絕熱焓降就越大，功率也越大。目前我國背壓汽輪機在過去的基礎(chǔ)上，進汽參數(shù)持續(xù)提高，但又低于常規(guī)電站汽輪機進汽參數(shù)的水平。背壓機的熱力設(shè)計有以下特點。

（1）沒有低壓區(qū)的級組，一般不會遇到低壓部分設(shè)計和制造方面的困難。

（2）與凝汽式汽輪機相比，因其背壓高，汽輪機的理想焓降較小，進汽流量較大。一般也不存在高壓部分前幾級葉片高度過小的困難。

（3）由于排汽壓力與初壓之比較大，理想焓降較小，而為滿足熱用戶要求，蒸汽流量的變化范圍較大［3］，需要采用噴嘴配汽，且調(diào)節(jié)級焓降設(shè)計值應(yīng)設(shè)定得更高一些，通常可采用雙列速度級作為調(diào)節(jié)級。

3 供熱凝汽式汽輪機(帶調(diào)節(jié)抽汽的汽輪機)

帶調(diào)節(jié)抽汽的汽輪機的特點是能夠同時滿足電負荷和熱負荷的要求。另外，還有一部分蒸汽要進入凝汽器，形成冷源損失。對于供熱汽輪機，確定基本參數(shù)時應(yīng)進行進一步說明。

3.1 功率值

額定功率是熱負荷和主要參數(shù)為額定值時汽輪機能長期發(fā)出的功率；最大功率是各抽汽流量和抽汽壓力呈一定比例關(guān)系或凝汽工況下其他主要參數(shù)為額定值時汽輪機能長期發(fā)出的最大功率。對帶雙調(diào)節(jié)抽汽的汽輪機，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)抽汽量減少，通過高、中、低壓3 個汽缸的閥門全開的蒸汽流量來確定。某些類型汽輪機的最大功率受到發(fā)電機負荷的限制：對帶采暖抽汽的汽輪機，凝汽工況功率等于或大于額定功率；對于帶生產(chǎn)和采暖抽汽的汽輪機，凝汽工況功率等于或小于額定功率。

3.2 采暖抽汽

對熱網(wǎng)水分級加熱的供熱汽輪機有兩級采暖抽汽：高壓段和低壓段。兩段抽汽可以同時投入，也可以只投低壓段抽汽。汽輪機只備有一個采暖抽汽壓力調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)機構(gòu)位于低壓缸前面的下抽汽室中。因為只有一個低壓缸調(diào)節(jié)機構(gòu)，兩級抽汽中同時只能維持一級的抽汽壓力（或一級熱網(wǎng)水溫度）。當(dāng)兩級抽汽同時投入時，可維持高壓段抽汽壓力；只投低壓段抽汽時，可維持該段抽汽壓力。

兩段抽汽之間的熱負荷分配取決于兩抽汽口間級組通流部分的尺寸、熱網(wǎng)加熱器中的加熱不足和抽汽管道的阻力。因此在運行中應(yīng)根據(jù)汽輪機的具體工況來進行熱負荷分配。描述工況的參數(shù)包括加熱器前、后的熱網(wǎng)水溫度，熱網(wǎng)水流量和電功率。相應(yīng)工況不發(fā)生變化時，不應(yīng)隨意改變上述熱負荷的分配情況。

3.3 凝汽器中蒸汽熱能的利用

在某些供熱式汽輪機中，可以利用通往低壓缸最小通風(fēng)蒸汽流的熱量來給熱網(wǎng)回水或熱網(wǎng)補充水。這些汽輪機的工況與背壓機組相同，除了機械損失、電機損失和輻射損失之外，所有進入汽輪機的熱量都用來發(fā)電和供熱。在此工況下，電負荷將取決于熱負荷。汽輪機的特點是進入低壓缸的流量受到限制，當(dāng)用熱網(wǎng)回水冷卻凝汽器時，真空度還會進一步惡化，從而導(dǎo)致低壓排汽溫度、葉柵中蒸汽溫度和排汽缸溫度升高。這種工況可以通過凝汽器的結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)：在凝汽器中布置一部分分離的冷卻表面，即所謂的內(nèi)置管束，經(jīng)過其中可以流過熱網(wǎng)回水或熱網(wǎng)補充水。

3.4 熱負荷

對采暖供熱汽輪機而言，有額定采暖熱負荷和最大采暖熱負荷之分。額定采暖負荷等于采暖抽汽量之和，最大熱負荷包括采暖抽汽量之和再加上凝汽器中利用的熱能。上述2 種熱負荷均與調(diào)節(jié)抽汽的壓力有關(guān)。低壓部分調(diào)節(jié)機構(gòu)維持關(guān)閉狀態(tài)不變（通過關(guān)閉調(diào)節(jié)機構(gòu)中的間隙進入凝汽器的流量為最小值，此流量與低壓部分前的壓力成正比），額定采暖負荷可達最大值。隨著調(diào)節(jié)抽汽壓力的升高，汽輪機的功率要減小，而通過低壓部分的蒸汽流量會增大。當(dāng)抽汽壓力降低時，功率會增大［4］，而通往低壓部分的汽流量會減小。

在生產(chǎn)和采暖雙抽汽的汽輪機中，額定生產(chǎn)熱負荷和額定采暖熱負荷與電功率的額定值、調(diào)節(jié)抽汽壓力和新蒸汽參數(shù)的額定值相對應(yīng)，同時回?zé)嵯到y(tǒng)全部投入，而且進入凝汽器的汽流量最小。

確定最大生產(chǎn)抽汽（熱負荷）的條件是：切除采暖抽汽，新蒸汽流量為額定值。對最大生產(chǎn)熱負荷可以有2 種理解：電負荷為額定值，通往低壓部分的汽流量可以大于最小值；通往凝汽器的汽流量最小，這時電負荷可能小于額定值。

確定最大采暖熱負荷的條件是：中壓缸維持最大流量，如果機組在凝汽器中配有蒸汽熱量應(yīng)用裝置時，該裝置應(yīng)投入運營；電功率為額定值；生產(chǎn)熱負荷為零或大于零。

供熱機組一般有兩個基本工況：按熱定電工況和按電定熱工況。在按熱定電工況下工作時，低壓部分前的調(diào)節(jié)機構(gòu)關(guān)閉，凝汽器用熱網(wǎng)回水或補充水或循環(huán)水來冷卻。這時汽輪機的負荷通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)高壓缸配汽機構(gòu)改變新蒸汽量來實現(xiàn)。按電定熱工況可以分別滿足電負荷和熱負荷的需求。因為在采暖抽汽式和雙抽汽式汽輪機裝置中有凝汽器，超過了供熱部分蒸汽的發(fā)電量時，可以通過增大通往凝汽器的蒸汽流量來滿足電負荷的需求量。按電定熱工況下，低壓部分調(diào)節(jié)機構(gòu)可部分地或全部地進行開啟。

4 供熱式汽輪機主要發(fā)展趨勢

（1）增大單機容量是電廠動力裝置發(fā)展的主要方向之一。由于送熱比送電的費用更為昂貴，與凝汽式汽輪機相比，供熱式汽輪機的單機容量較小。

（2）提高蒸汽初參數(shù)。無中間再熱時供熱機組與凝汽式機組提高初參數(shù)的經(jīng)濟效益是不同的。研究結(jié)果表明：對供熱機組而言，提高初壓比提高初溫更為有效，而且抽汽壓力越高，上述差異越大。但考慮到電站設(shè)備繁多，標(biāo)準(zhǔn)化進程復(fù)雜，為此供熱式汽輪機的蒸汽和參數(shù)往往與凝汽式汽輪機相同。

（3）再熱的采用。與凝汽式汽輪機相比，供熱機組采用再熱的效果較小。隨著抽汽壓力的提高，再熱的熱經(jīng)濟性會降低［5］，而且從某個抽汽壓力值開始，采用再熱反而會使供熱機組裝置的經(jīng)濟性降低。此外，只有單元機組才能采用再熱，而在有橫向聯(lián)管的熱電中心破壞了單元機組的單一聯(lián)系。背壓機組不應(yīng)采用中間再熱，否則其經(jīng)濟性會降低。超臨界蒸汽參數(shù)的帶調(diào)節(jié)抽汽的汽輪機必須采用中間再熱，以降低低壓級內(nèi)的濕度。對于部分供熱機組而言，應(yīng)根據(jù)其排汽濕度，并經(jīng)過經(jīng)濟技術(shù)比較來確定。

5 結(jié)論及展望

供熱式汽輪機作為一類可有效實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)的動力機組，在未來的國民經(jīng)濟建設(shè)、工業(yè)技術(shù)發(fā)展及保障居民日常生活中起著重要作用。目前，針對供熱式汽輪機的技術(shù)研究仍在持續(xù)開展過程中，其單機容量及蒸汽參數(shù)仍有望進一步提升。