排擠抽汽原理研究及應用

張燦勇，孫華杰

（1.山東省電力學校，山東 泰安 271000；2.華電青島發電有限公司，山東 青島 266031）

0 引言

采用給水回熱循環可以提高發電廠的熱經濟性（提高循環熱效率和提高汽輪機相對內效率），作為回熱循環核心設備的回熱加熱器是利用汽輪機的回熱抽汽來加熱給水或凝結水，以提高其溫度。當某熱量利用于加熱器時，就會使該抽汽減少（排擠抽汽），削弱了機組的回熱效果，帶來熱經濟性的下降，可以利用這種影響來分析機組熱經濟性的變化，這種節能分析方法稱之為排擠抽汽原理。

1 排擠抽汽原理

為闡述問題方便，構建如圖1所示三級回熱的熱力系統，并假設進入汽輪機的新蒸汽為1 kg，這時各級抽汽分別為 α1、α2和 α3，給水的焓值為 h′g1kJ/kg。

h0為新蒸汽焓，kJ/kg；h1、h2、h3為各級抽汽焓，kJ/kg；hn為汽輪機排汽焓，kJ/kg；hs為疏水焓，kJ/kg；h′n為凝結水焓，kJ/kg。

假設一個純熱量q（即無工質帶入系統）利用于3號加熱器，使3號加熱器的抽汽減少

圖1 三級回熱的熱力系統

假設一個純熱量q利用于1號加熱器，使1號加熱器的抽汽減少Δα1

Δα1蒸汽稱為排擠抽汽，如圖3所示。Δα1排擠抽汽中有一部分作功到汽輪機的排汽口，另一部分作功到后面各抽汽口再被抽出用以加熱給水。Δα1排擠抽汽隨后在各抽汽口上的分配，按照熱平衡思想［1］可分析計算如下。

圖2 純熱量q利用于3號加熱器

由于1號加熱器抽汽減少Δα1，在僅有熱量加入而無工質加入時，其疏水也相應減少Δα1，因而使疏水在 2 號加熱器中的放熱量減少了Δα1（hs1-h′g2），這個減少了的熱量應由第二段抽汽來補償，其補償量

排擠抽汽繼續向后流動的份額只有（Δα1-Δα2）了。這部分蒸汽膨脹作功后，產生相同數量的水返回3號加熱器。3號加熱器為了加熱這部分水，因而抽汽增加

汽輪機排汽增加

由于（h1-h′s1）≈（h3-h′s3）

圖3 純熱量q利用于1號加熱器

涉及機組回熱系統的熱經濟性問題，可以認為就是熱量排擠回熱抽汽引起的熱經濟性問題［1］（包括了冷源損失的變化）。該熱量歸納起來可分為兩大類：一類是純熱量變化或出入熱力系統，它只是熱量的變遷或進出系統，沒有工質伴隨，簡稱“純熱量”，它的進出不影響熱力系統的工質平衡，分析起來相對簡單明了一些。另一類是帶工質的熱量變動或出入熱力系統，它不僅有熱量變遷，而且還伴隨有工質的變遷，簡稱“帶工質的熱量”，它的進出對熱力系統的工質平衡有一定影響，計算分析也相對就復雜一些。

2 應用排擠抽汽原理分析加熱器疏水方式的熱經濟性

加熱蒸汽在表面式加熱器中經放熱凝結而成的凝結水稱為疏水。這些疏水在加熱器內不與被加熱水（主凝結水和主給水）直接混合，需及時排出加熱器，其排出方式會影響回熱機組的熱經濟性和系統的復雜程度。

2.1 完全疏水方式

完全疏水方式就是加熱器的疏水全部流出回熱系統，如圖4所示。回熱系統既沒有回收疏水，也沒有利用疏水的熱量，疏水對回熱抽汽沒有任何排擠，系統最簡單。根據排擠抽汽原理一，疏水沒有削弱機組的回熱效果，回熱機組的循環熱效率沒有下降。這種疏水方式雖然能保證循環熱效率不降低，但它既損失工質（疏水）又損失熱量（疏水熱量是回熱系統的內部熱量），整個機組的熱經濟性不高，正常運行情況下現場不采用這種疏水方式。

圖4 完全疏水方式

2.2 逐級自流的疏水方式

逐級自流的疏水方式，如圖5所示。由于壓力較高加熱器的疏水流入較低壓力的加熱器，疏水會在壓力較低加熱器的汽側空間要放出熱量，從而總是排擠較低壓力的回熱抽汽。根據排擠抽汽原理二（在系統已經存在排擠抽汽的情況下，單純從保證循環熱效率的角度看，排擠高壓抽汽比排擠低壓抽汽要經濟），從保證循環熱效率的角度來考慮，總不希望排擠低壓抽汽。另外，這種疏水方式的機組，在保持汽輪機輸出功率一定的條件下，還會造成抽汽作功減少，凝汽作功增加，冷源損失增大。因此，疏水逐級自流方式構成的回熱系統雖然簡單可靠，但機組的熱經濟性也不高。

圖5 逐級自流的疏水方式

2.3 加裝疏水泵的疏水方式

加裝疏水泵的疏水方式有兩種。一種是將疏水送入本級加熱器的入口，如圖6（a）所示；另一種是將疏水送入本級加熱器的出口，如圖6（b）所示。圖6（a）所示的入口方式把回收的疏水熱量利用于本級加熱器，排擠了本級抽汽；圖6（b）所示的出口方式把回收的疏水熱量利用于高一級加熱器，排擠了高一級抽汽。根據排擠抽汽原理二，出口方式要比入口方式的熱經濟性高，現場一般采用出口方式。加裝疏水泵的疏水方式一般就是指圖6（b）所示的將疏水送入加熱器的出口。

將疏水用疏水泵送入被加熱水管道中，提高了高一級加熱器的入口水溫，相當于該疏水的熱量利用于高一級加熱器，對高一級加熱器的抽汽產生了排擠，機組的熱經濟性比采用完全疏水方式和采用逐級自流方式的要高。但在這種系統中，對應每臺加熱器，必須裝設兩臺疏水泵（其中一臺備用），增加了投資；另外，疏水泵是轉動設備，增大了廠用電耗，降低了運行可靠性。

圖6 加裝疏水泵的疏水方式

2.4 加裝疏水冷卻器的疏水方式

加裝疏水冷卻器的疏水方式，如圖7所示。在疏水自流入低一級加熱器之前，先流過疏水冷卻器（或加熱器的疏水冷卻段），用主凝結水（或給水）將疏水適當降低溫度后再流入下一級加熱器。這種疏水方式，降低了流出疏水冷卻器的疏水溫度，疏水的部分“純熱量”利用于本級加熱器，疏水再流入低一級加熱器，減輕了疏水自流入低一級加熱器時對抽汽的排擠。根據排擠抽汽抽汽原理，其熱經濟性優于疏水逐級自流方式，但比加裝疏水泵的熱經濟性要低。

圖7 加裝疏水冷卻器的疏水方式

用疏水冷卻器代替疏水泵，雖然會使機組熱經濟性略有降低，但帶來的好處卻很明顯：無轉動設備，消除了疏水泵發生汽蝕的隱患，疏水系統簡單，安全性高；省去了運行與備用疏水泵（包括電動機），降低了投資，節省了廠用電。

3 結語

回熱系統是火力發電機組最核心的熱力系統之一，排擠抽汽原理是分析機組熱經濟性最重要、最基本的節能原理。排擠抽汽原理主要包含兩點：單純從提高循環熱效率的角度看，總不希望存在對回熱抽汽的排擠，因為任何排擠抽汽都會削弱回熱效果，使機組的循環熱效率下降；在系統已經存在排擠抽汽的情況下，單純從保證循環熱效率的角度看，排擠高壓抽汽比排擠低壓抽汽要經濟。

各種疏水方式都有其優、缺點，應用排擠抽汽原理可以清晰地分析疏水方式對機組的熱經濟性的影響。

表示機組熱經濟性的指標有很多，影響其熱經濟性的因素也很復雜，在一定影響范圍內，這些因素主要是帶來循環熱效率的變化。