熱水余熱飽和蒸汽汽輪機的初終參數選擇

王曉峰

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱150046）

1 引言

地熱熱水、工業生產過程產生的熱水，相對于周圍環境具有一定的溫度差，就有了可以利用的能量。這些熱水是具有一定壓力的不飽和水，通過在擴容器里減壓閃蒸，蒸發出壓力較低的飽和蒸汽，可以推動汽輪機做功。這一類的汽輪機稱為飽和蒸汽汽輪機。它有別于各種類型高溫蒸汽汽輪機，也不同于核電汽輪機。隨著節能減排觀念的增強，開發利用地熱及各種熱水余熱的項目越來越多，飽和汽輪機的需求越來越大。本文主要介紹對于不同溫度的熱水，如何選擇汽輪機的初終參數，以更好地利用能源。

2 決定初溫和終溫參數的因素

奠定了熱力學第二定律基礎的卡諾循環指出，循環的熱效率ηk=1-T2/T1，即熱效率與初溫T1和終溫T2有關。初溫越高，終溫越低，效率越高。

對于終溫，所有的汽輪機都一樣，決定于循環水溫、循環水量、汽輪機末葉片長度及排汽濕度。循環水溫是大自然賦予我們的條件，很難改變。循環水量、汽輪機末葉片長度及排汽濕度是技術和制造、運行成本問題。經過冷端優化、技術經濟比較，一般大機組會選擇較大循環水量和較長的葉片，得到較低的終溫，獲得較高的效率；而小機組為了降低成本，會犧牲一點效率，選擇較高的背壓和終溫。飽和汽輪機一般功率較小，循環水多是閉式循環，水溫較高，一般選取較高背壓。

提高初溫，受限于汽輪機所使用的材料，是技術問題。研制更耐高溫的材料，提高初溫，是發電行業永遠的追求。目前，汽輪機初溫已達到600℃，燃氣輪機已達到1300℃以上。當然，使用多高的初溫，還需要進行技術經濟比較。一般來說，大機組使用較高的初溫，而小機組仍使用較低的初溫。

3 合理選擇初溫和終溫參數的方法

對于使用飽和蒸汽的汽輪機的初溫的確定，不是決定于材料，而是受到熱水溫度和汽輪機排汽濕度的限制。

利用熱水余熱的飽和蒸汽汽輪機的工作蒸汽是熱水在擴容器內閃蒸出來的蒸汽，很顯然，它的溫度總是低于熱水溫度。熱水在擴容器內閃蒸出來一部分飽和蒸汽，疏走一部分飽合水。而且，閃蒸出來的蒸汽量與擴容器的壓力有關。

蒸汽流量=（熱水流量×熱水焓-疏水流量×疏水焓）/飽和蒸汽焓。

蒸汽焓是該壓力下的飽和蒸汽焓，疏水焓是該壓力下的飽和水焓。可見壓力越高，閃蒸蒸汽的溫度和焓值越高，同時，疏水焓也高，則蒸汽量越少。汽輪機的做功能力與蒸汽流量和可用焓值成正比。所以，如何確定蒸汽溫度是至關重要的。

再來討論排汽濕度問題。汽輪機的進汽接近干飽和蒸汽。其進汽壓力是其溫度的飽和壓力。隨著蒸汽在汽輪機內的各級膨脹做功，壓力越來越低，濕度越來越大，蒸汽內的水滴越來越多越來越大，對葉片的沖刷越來越厲害，到了一定的壓力，濕度太大，會使葉片受損，不能正常工作。受到濕度的限制，不能膨脹到更低的壓力，即不能達到更低的環境所能允許的冷端溫度。而且，進汽壓力越高，出現不能允許的濕度的壓力越高，排汽壓力就會越高。在焓熵圖上，飽和蒸汽線和濕蒸汽的干度線在2MPa以下基本上是平行的。在2MPa以下，不同的進汽壓力（與飽和溫度相對應），膨脹到相同的干度線的可用理想焓降大致上是相等的，也就是說，不同的進汽壓力的做功能力是大致相等的。而蒸發壓力越低，得到的蒸汽量越大，發電越多。所以選取較低的進汽壓力和溫度，得到的發電量較大。

表1

4 理論驗證

依據熱水溫度和環境條件，選擇合適的蒸汽溫度，才能得到較大的蒸汽量和合理的可用理想焓降，使汽輪機有較高的效率和功率。下面通過具體計算，來求證對于一個熱水溫度的合適的蒸汽溫度。假定熱水溫度200℃，1000t/h，汽輪機效率78%，最低排汽濕度12%，無汽水損失。見表1。

由表1可見，隨著主汽壓力降低，背壓可以降低，功率直線增加。但是，受環境溫度的限制，受汽輪機成本和循環水系統成本的制約，不可能把背壓降到太低。工程實踐中，要根據環境條件、熱水量的大小和溫度，選擇主汽壓力和背壓。

如果熱水的溫度比較高，可以做成兩級擴容系統。按照前述原則，合理地選擇一次、二次蒸發壓力，可以得到更多的電功率、更大的效益。

5 結論

綜上所述，熱水發電工程要根據熱水參數、環境條件、投資和運行成本合理地選擇汽輪機進汽壓力和背壓，一般應盡可能地選擇較低的主汽壓力和背壓，以期得到更大的效益。