全背壓汽輪機在大型純堿企業熱電聯產中的應用

李紅衛，馬少波

（內蒙古蘭太實業股份有限公司，內蒙古 阿拉善盟 750300）

中鹽青海昆侖堿業有限公司于2009年開工建設了100萬t／a純堿項目，同時配套建設了裝機容量為3×240t／h高溫高壓循環流化床鍋爐，1×15 MW抽汽背壓式汽輪發電機組和1×25MW背壓式汽輪發電機組的熱電聯產裝置。本套裝置中使用的全背壓式汽輪機是熱電聯產設備中經濟性較高的機型，在設計工況下運行，其發電煤耗僅為凝汽式機組的一半左右，在滿足生產用汽的同時可獲得大量的電能，基本實現電量自給，并有一部分富余電量可外供。

堿業公司100萬t／a純堿項目，由于其特殊的生產工藝，需要提供與之配套的熱電系統，給化工線提供足夠蒸汽和電力。因此建立熱電聯產裝置，才能使化工（純堿）生產線連續穩定的運行。公司還依托“以大帶小”的設計原則將100萬t裝置中多余的蒸汽及電力供給老廠使用；因此，是能源綜合利用、保護環境、提高經濟效益的有利保障措施。

1 大型純堿企業中熱電聯產裝置情況

純堿廠是用汽耗能大戶，做好汽電平衡及蒸汽多級利用直接關系到堿廠的能量合理利用和生產成本的降低。目前大型純堿企業大多采用熱電聯產原則進行配套熱電設計；隨著國家電網的不斷發展，國家逐漸限制了企業的小型發電機組以及小企業凝汽式發電機組的使用，并且限制并網送電，這就是使純堿廠的汽電平衡、以熱定電、能量多級利用形成了矛盾，迫使純堿廠找出更好的節能途徑降低生產成本，以求得企業的生存與發展。

氨堿廠使用蒸汽的主要目的有兩個：一是作動力用，驅動二氧化碳壓縮機及真空機的汽輪機，二是作為熱源用于蒸汽煅燒爐、重灰煅燒爐、母液蒸餾、淡液蒸餾；其壓力等級分別為3.7MPa、3.2MPa、1.4MPa、0.4MPa。以往氨堿廠一般只能采用抽凝機組配套發電，抽汽送往堿廠供生產使用，采用凝汽機組調節發電，以保證生產中汽與電的平衡運行，但其熱能利用率低，最高只有40%左右。在目前新建的純堿裝置中，采用了抽背式汽輪機，背壓蒸汽送往堿廠生產裝置，發出的電供給生產用，沒有凝汽系統等輔助設備，節省投資，配置符合國家的產業政策，配置簡單，熱利用率高達80%左右；但也大大增加了汽電平衡的操作難度。

2 我公司全背壓汽輪機組節能技術的特點

中鹽青海昆侖堿業有限公司100萬t／a純堿工程為合理利用熱源，在進行蒸汽平衡的過程中，擬定了熱電站的工況參數，采用高溫高壓循環流化床鍋爐，并配置汽輪機，先做功、后供熱，實現熱電聯產。由此可凈得38 507kW的發電量，對于全廠38 734.06kW的用電負荷，滿負荷操作時，可以達到電力自給，并略有富余。由此可見，此熱電聯產單項節能效果十分顯著。

配套的熱電聯產工程裝機容量為3×240t／h高溫高壓循環流化床鍋爐（UG－240／9.81型）和1×15MW 抽汽背壓式汽輪發電機組（CB15－8.83／1.67／0.58型）和1×25MW 背壓式汽輪發電機組（B25－8.83／4.02型），產汽量460t／h，發電量約25 200kW／h（熱電站用電11 750.8kW／h，化工生產用電16 667.8kW／h），整個生產系統用電量28 000kW／h，還將15MW 汽機（抽汽量50t／h）的抽汽系統投入運行，汽電達到基本平衡。

鍋爐產生的9.8MPa，540℃的蒸汽進入汽輪機發電機組，1×25MW背壓式汽輪機背壓出來4.02MPa的蒸汽送到二氧化碳螺桿壓縮機，作為該機的驅動用汽，壓縮機汽輪機的0.15～0.25MPa排汽用于蒸氨工序的熱源；1×15MW抽汽背壓式汽輪的1.67MPa抽汽用于重灰煅燒和熱電自身用汽，0.58MPa蒸汽用于熱電自用汽和化工系統的生產低壓蒸汽。當化工生產熱負荷較小時，根據生產熱負荷減小汽輪機進汽量，電負荷不足部分由電網補充；化工生產負荷較大時，鍋爐負荷及汽機進汽量均增加，汽輪機組發電也隨之增大，滿足生產用電量。

堿業公司的汽輪機發電機機組與電網并網運行，熱負荷全部由汽輪機供給；汽輪機不正常時，由鍋爐減溫減壓系統供給。另外，為了降低生產成本，生產用電量盡量采用自發電，大大減少了外購電用量。背壓式汽輪機發電熱電聯產熱效用高達70%以上，而一樣尋常單機容量200MW以上的冷凝電廠的熱效用僅為35%～40%。如200MW凝汽機組的發電煤耗為350gce／kWh，而容量各異的供熱機組的發電煤耗一樣尋常均在300gce／kWh以下，國內有些小型凝汽發電的發電煤耗在310～450gce／kWh，本套裝置采用的背壓機發電煤耗為147gce／kWh，與凝汽式汽輪機相比，顯示出了特別的優勢。

圖1 蒸汽系統平衡示意圖

3 全背壓汽輪機組的主要技術參數

3.1 B25－8.83／4.02汽輪機

汽輪機型號 B25－8.83／4.02

汽輪機型式 單缸、單軸、沖動、背壓式

額定功率 25 000kW

額定轉速 3 000r／min

電網額定功率 50Hz

主汽門前額定蒸汽壓力 8.83MPa

主汽門前額定蒸汽溫度 535℃

額定工況進汽量 503t／h

最大進汽量 516t／h

額定排汽量 495t／h

最大排汽量 508t／h

排汽壓力 4.02（3.8～4.2）MPa

排汽溫度

（新汽參數額定時） 434℃

轉子旋轉方向 面向機頭看為順時針

財務杠杠是經營杠杠的“堂兄弟”，它會產生兩種作用：銷售額必須補償固定成本的增額，而一旦達到平衡，利潤將隨銷售額的增加而較快的增長。因而，財務杠杠作用的增大也有兩種：需要有較多的經營收益來補償固定的籌資成本，不過一旦獲得平衡，利潤將隨經營收入的增加而較快的增長[6]。

轉子臨界轉速 －4 700r／min

汽輪機外形尺寸

（長×寬×高） 7 960×3 250×4 144mm

3.2 CB15－8.83／1.67／0.58汽輪機

汽輪機型號 CB15－8.83／1.67／0.58

汽輪機型式 單缸、單軸、沖動、抽汽背壓式

額定功率 15 000kW／16 562kW

電網額定功率 50Hz

主汽門前額定蒸汽壓力 8.83MPa

主汽門前額定蒸汽溫度 535℃

額定進汽量／抽汽量／排汽量 127／50／74.2t／h

最大進汽量／抽汽量／排汽量 137／55／100.7t／h

純背壓工況進汽量／排汽量103.5／100.7t／h

抽汽壓力（范圍） 1.67（1.47～1.87）MPa

排汽壓力 （范圍） 0.58（0.46～0.78）MPa

額定抽汽工況排汽溫度 241.4℃

轉子旋轉方向 面向機頭看為順時針

轉自臨界轉速 －3 700r／min

汽輪機外形尺寸

（長×寬×高） 6 402×3 495×4 200mm

3.3 汽輪機型式

B25－8.83／4.02型汽輪機為高壓沖動背壓式，CB15－8.83／1.67／0.58型汽輪機為高壓沖動抽汽背壓式，均由單缸、單軸組成。兩汽輪機通過剛性聯軸器直接帶動發電機。均屬于熱電兩用機組。

4 熱電聯產中常見汽輪機的特點比較

4.1 背壓式汽輪機

蒸汽在汽輪機內做功后，以高于大氣壓力被排入排汽室或集汽箱，以供熱用戶或工業用戶用汽。這種汽輪機在熱力系統中只有給水加熱器，沒有凝汽器，因而不存在冷源損失，熱能利用率高。當它的排汽用于供熱時，熱能可得到充足使用，但這種汽輪機的功率與供熱所需蒸汽量直接聯系，因此這種機組生產的熱、電是互相制約而不能單獨調節的。因而機組在熱負荷變化時，電負荷波動較大，且當流量偏離設計值較多時，機組的相對內效率顯著下降，作功能力損失大。這種機組的主要優點是額定工況下的經濟性好，節能效果顯著。其次，它的構造簡單，投資省，運行可靠。主要缺點是發電量取決于供熱量，不能獨立調節來同時滿足熱用戶和電用戶的需要。

4.2 抽汽背壓式汽輪機

從汽輪機的中間級抽取局部蒸汽，供需要較高壓力品級的熱用戶，同時保留了背壓的排汽，供需要較低壓力品級的熱用戶。這種機組的經濟性與背壓式機組相似，額定工況下的經濟性較好，但對負荷改變的適應性差。

4.3 抽汽凝汽式汽輪機

抽凝式機組是從汽輪機中間級抽出部分蒸汽供熱用戶使用的凝汽式機組，這種機組的熱負荷和電負荷有一定的調整范圍，也就是說熱和電在一定范圍內是自由負荷，當熱用戶所需的蒸汽負荷猛然下降時，多余蒸汽可以通過汽輪機抽汽點以后的級持續膨脹發電。這種機組的長處是靈敏性較大，能在較大范圍內同時滿足熱負荷和電負荷的需要。它的缺點是熱經濟性比背壓式機組的差，并且輔機較多，價錢較貴，編制也較龐雜。

背壓式汽輪機是國家推薦的節能型機組，熱效率高達65%～70%，是一般機組不能相比的。主要是將發過電的低壓蒸汽全部排出，供給熱用戶，而抽凝式汽輪機有很大部分低壓蒸汽進入凝結器進行冷卻，冷卻后的蒸汽變成水再循環使用，大量的熱能在冷卻過程中浪費，熱效率低僅為25%～35%。采用背壓式汽輪機的熱電聯產是當前幾種熱力循環方式中最經濟的一種。在熱力發電廠中的凝汽式汽輪機組即使采用了高參數蒸汽和低壓排汽凝結以及回熱、再熱等措施，其循環的熱效率仍很低，一般很少超過42% 。

因此，熱電聯產是節能和改善環境的有效途徑，而背壓式汽輪機是熱電聯產設備中經濟性較高的機型，在設計工況下運行，其發電煤耗僅為凝汽式機組的一半左右。從投資方面，凝汽機的投資比較高，要設置配套的空氣冷卻器、冷凝器、抽汽器等系列設施，自身有較大的動力消耗。

5 全背壓汽輪機技術的社會效益和經濟效益

由于背壓式汽輪機將發過電的蒸汽全部排出，進入熱網系統供給熱用戶，而抽凝式汽輪機有一部分低壓蒸汽是冷卻后進入除氧器再循環利用，熱能在冷卻中浪費，所以背壓式汽輪機的節能效果顯著，節能體現在蒸汽、水、電三個方面。根據相關數據計算分析，昆侖堿業公司的發電煤耗背壓式機組在147gce／kWh，比一般凝汽發電機組的310gce／kWh降低了163gce／kWh，如果同樣發電6 000 kWh比抽凝機節約蒸汽用煤0.978t，全年節煤7 824t，節省煤耗費用近300萬元以上。背壓式機組在工藝中取消了冷卻程序、取消了凝結器，循環水泵和冷卻塔改小，操作成本降低，節能降耗的效果良好。

由于歷史原因，我國大容量鍋爐和全背壓汽輪機技術在高海拔地區還沒有成功運行的先例，高原地區的空氣特性對鍋爐內燃料的燃燒和煙氣的傳熱等會產生一定的影響。鍋爐和汽輪機需作特殊設計才能滿足性能要求。昆侖堿業公司100萬t／a純堿熱電聯產符合國家節能減排政策，該工程項目為熱電聯產，采用全背壓汽輪機組，能量利用率高，在滿足生產用汽的同時又獲得了大量的電能，節省投資，降低成本，保護環境，帶來巨大的社會效益和經濟效益。經過昆侖堿業的生產操作，可實現穩定運行，降低了燃煤的消耗。