背壓式汽輪機驅動熱網循環水泵的應用及效果分析

摘 要：本文結合大唐洛陽熱電有限責任公司汽動熱網循環水泵的成功運行實例，重點介紹了背壓式汽輪機在驅動熱網循環水泵應用過程中，背壓式汽輪機初終參數選擇、排汽逆止門、軸封漏汽、保護配置情況等設計和調試運行過程中問題和解決方法，并簡要分析了背壓式汽輪機驅動熱網循環水泵的經濟性，對供熱首站熱網循環水泵選擇背壓式汽輪機驅動方式的設計選型、系統施工、實際運行具有較強的借鑒意義。

關鍵詞：背壓式；汽輪機；熱網；循環水泵；驅動

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.23.032

0 前言

熱網循環水泵是集中供熱熱網首站完成采暖水循環的重要設備，隨著城市供熱和民生關注度的持續提高，供熱企業對熱網循環水泵運行的可靠性的要求越來越高。同時熱網循環水泵具有在供熱期連續運行的特點，其驅動形式對供熱耗電率影響較大，直接關乎供熱企業的經濟效益，隨著背壓式汽輪機運行可靠性的不斷提高，以及電網調度負荷的特點，越來越多的供熱企業選擇了背壓式汽輪機作為熱網循環水泵的驅動形式，大唐洛陽熱電有限責任公司結合熱網系統升級改造，應用了背壓式工業小汽輪機驅動熱網循環水泵，在應用過程中成功解決設計和運行中的的相關問題，對熱網循環水泵選擇背壓式汽輪機驅動方式的設計選型、系統施工、實際運行積累較為豐富的實踐經驗。1 設備簡介

大唐洛陽熱電有限公司5、6號機組為哈汽生產C320/250-16.7/0.4/537/537型亞臨界、一次中間再熱、單軸雙缸雙排汽、單抽供熱式汽輪機。采暖抽汽取自中壓缸排汽，最大供汽能力500t/h。熱網首站原配置4臺電動機+液力偶合器驅動熱網循環水泵，4臺3200 t/h熱網加熱器，供水能力12000 t/h ，供回水溫度為70/130℃。通過系統改造將原有4臺電動機+液力偶合器驅動熱網循環水泵，改造為2臺背壓式汽輪機驅動的熱網循環泵和2臺變頻器驅動的熱網循環泵。背壓式汽輪機的系統流程為：背壓式汽輪機進汽使用主機冷再熱蒸汽，排汽進入熱網加熱器加熱熱網循環水，凝結水通過熱網疏水泵回收至高壓除氧器。

2 背壓式汽輪機的初終參數選擇

2.1 初參數選擇。

熱網循環泵驅動使用的背壓式汽輪機在設計選型階段，首要是汽源的選擇。背壓式汽輪機汽源取自主機抽汽段，選用的參數越低，對主機整體經濟性越好，但參數越低，做功能力越差，同樣功率情況下，所需的蒸汽量越大。同時，汽源參數的選擇受汽輪機排汽冷源即熱網加熱器正常運行壓力的限制，即背壓式汽輪機進汽壓力必須大于熱網加熱器運行最高壓力，背壓式汽輪機才具有做功能力。第三、背壓式汽輪機進汽量必須以滿足主機安全運行抽汽量為前提，在既定抽汽參數的抽汽量下，必須進行主機的安全性校核計算，安全校核合格后，確證抽汽汽源的可行性。因此在進行熱網循環水泵背壓式汽輪機設計選型時，必須從背壓式汽輪機所需功率、熱網加熱器運行壓力、抽汽參數、抽汽量校核主機安全性等方面綜合核算，選定背壓式汽輪機的初參數。

2.2 終參數選擇。

背壓式汽輪機終參數的選擇，主要考慮排汽冷源，即熱網加熱器運行壓力和排汽管道阻力兩方面因素。熱網加熱器壓力受加熱汽源壓力和熱網加熱器出口水溫的影響，對于進汽量可調整的熱網加熱器，熱網加熱器內部壓力可取用熱網加熱器出口水溫加上5-10度的端差對應的飽和壓力近似替代，背壓式汽輪機排汽壓力必須大于熱網加熱器內部壓力，背壓式汽輪機終參數的選取對功率影響較大，設計終參數選取如果低于實際運行熱網加熱器內部壓力，可能造成背壓式汽輪機無法達到額定功率或耗汽量增大等現象，對熱網循環泵的運行可靠性造成影響。因此在背壓式汽輪機終參數選取上應考慮一定的裕量，以保證背壓式汽輪機的額定功率。由于熱網加熱器出口水溫是熱網加熱器內部壓力的主要影響因素，進而影響背壓式汽輪機終參數選擇，盡量選擇出口水溫相對較低的熱網基本加熱器作為背壓式汽輪機的排汽冷源，符合能量的“梯級利用原則”。不同地區，不同企業熱網加熱器設計出口水溫不同，背壓式汽輪機終參數應根據實際熱網加熱器出口水溫合理選擇。

大唐洛陽熱電有限責任公司熱網循環泵額定功率2365KW，驅動背壓式汽輪機汽源取自冷再熱蒸汽，最大抽汽量50t/h，主機進行安全校核合格；熱網加熱器出水溫度最高130度，背壓式汽輪機排汽壓力選擇0.4MPa，大于熱網加熱器內部壓力，滿足熱網循環泵額定功率的需求，具有較高的可靠性。

3 背壓式汽輪機額定轉速和軸承形式的選擇

背壓式汽輪機的額定轉速選擇必須與相應熱網循環水泵的轉速選型匹配，通常由兩種選擇，額定轉速3000轉/分和額定轉速1500轉/分。額定轉速較高時，軸承振動對背壓式汽輪機軸系中心等安裝工藝要求嚴格，容易發生振動超標，對機組的運行維護水平要求相對較高。額定轉速較低的背壓式汽輪機外形尺寸相對較大，尤其對于改造項目系統布置對安裝場地要求較高。背壓式汽輪機的軸承采用的是落地式軸承座支撐形式，軸承潤滑采用油池潤滑形式，冷卻水取自主汽工業冷卻水。

4 背壓式汽輪機的排汽逆止門

背壓式汽輪機排汽進入熱網加熱器，為防止異常工況下，熱網加熱器內部蒸汽反向進入背壓式汽輪機，背壓式汽輪機排汽上設置排汽逆止門，排汽逆止門的形式通常選擇撲板式逆止門。由于背壓式汽輪機排汽參數相對較低，排汽管道管徑較大，在背壓式汽輪機啟動暖機過程中，汽輪機進汽量達到一定數值，撲板式逆止門前后壓差增大至將逆止門沖開的臨界狀態，在撲板式逆止門的自身重量和汽流的沖擊力共同作用下，逆止門發生頻繁則開關，引起排汽管道的沖擊振動，影響背壓式汽輪機及排汽管道的安全性和可操作性。為消除這種現象，可以選擇具有一定能夠強制外力形式的逆止門如：重錘式逆止門。或者通過增加背壓式汽輪機排汽逆止門旁路的形式給予消除，這種旁路逆止門的形式相對簡單，能夠有效解決背壓式汽輪機啟動暖機過程中排汽逆止門的振動問題

5 背壓式汽輪機軸封系統

背壓式汽輪機相對凝汽式汽輪機排汽壓力設計相對較高，不存在通過軸封向機組內漏空氣問題，不需要單獨設置軸封供汽系統，但存在軸封外漏蒸汽，軸封蒸汽外漏對汽輪機轉子的加熱作用以及外漏蒸汽進入軸承造成潤滑油質惡化，造成軸承溫度升高，油質乳化，油膜破壞甚至燒瓦事件，對機組安全運行構成威脅，因此有效解決軸封蒸汽外漏是背壓式汽輪機安全運行的必要保證。

背壓式汽輪機軸封漏汽回收主要有兩種方案，第一種方案是軸封漏汽回收至主機軸封加熱器，優點是利用原有的軸封加熱器加熱凝結水，疏水通過水封回收至凝汽器，軸封漏汽熱量和工質均得到回收。這種方案需要核算軸封漏汽量對軸封加熱器運行安全性的影響，同時背壓式汽輪機軸封至主機軸封加熱器距離不能太遠，軸封漏汽管道阻力不能太大，距離和阻力較大，使軸封漏汽口處壓力大于大氣壓力，背壓式汽輪機軸封漏汽外漏，無法解決軸封漏汽問題。

第二種方案是使用壓力匹配器即射汽式抽汽器，通過背壓式汽輪機的進汽高壓蒸汽引射軸封漏汽，排汽進入熱網加熱器的方式回收軸封漏汽，凝結水通過熱網系統疏水泵回收至主機汽水系統循環。優點是軸封漏汽回收至熱網加熱器，軸封熱量和工質能夠有效回收。這種方案需要對射汽式抽汽器參數尤其是排汽壓力適當選取，保證抽汽器排汽能夠進入熱網加熱器。由于軸封抽汽器排汽進入熱網加熱器，長期運行勢必造成熱網加熱器內部積存空氣，因此軸封抽汽器調整以背壓式汽輪機軸封無漏汽為度，同時必須單獨設置熱網加熱器的排空氣管道，運行中連續排除積存空氣，避免熱網加熱器因積存空氣造成換熱不良。

大唐洛陽熱電有限責任公司熱網循環泵驅動使用的背壓式汽輪機軸封射汽式抽汽器汽源取自背壓式汽輪機進汽，抽汽器匯入背壓式汽輪機排汽逆止門后管道進入熱網加熱器，熱網加熱器設置獨立排空氣管道，應用效果良好。

6 背壓式汽輪機保護設置

背壓式汽輪機通常設置的保護有超速保護、排汽壓力高保護、主汽輪機跳閘保護、軸承溫度高保護、軸承振動大保護。保護設置應充分考慮驅動設備的運行特性和要求，對于供熱企業，對熱網循環泵的運行可靠性要求相對較高，驅動的背壓式汽輪機保護設置以簡單和必要為原則，保護設計上應避免使用單點保護，防止保護的誤動和拒動，造成熱網循環水泵的可靠性降低。

7 背壓式汽輪機的轉速調節

背壓式汽輪機的轉速調節應采用閉環調節。轉速開環調節時，由于背壓式汽輪機進汽汽源取自主機相應抽汽，抽汽壓力受主機接帶負荷影響，變化區間較大， 造成背壓式汽輪機轉速變化較大，增加調整難度；在熱網循環泵出力大幅減小時，由于轉速開環調節的滯后特性，增加了熱網循環泵超速的安全風險。轉速閉環調節時，在熱網循環泵出口母管壓力變化的動態過程中，對轉速調節特性要求較高。在熱網循環泵出力發生大幅變化時，調節過程應避免熱網循環泵超速和過負荷現象的發生。

8 背壓式汽輪機的經濟性分析

熱網循環水泵采用電動機驅動和采用背壓式汽輪機驅動，兩種驅動形式的經濟性比較關鍵在于，比較基準的一致性，必須折算到同一邊界條件下，經濟性分析才具有實際意義。比較的原則是：在同樣的供熱負荷條件下，采用兩種不同驅動方式運行成本、對煤耗影響情況以及投資回收期等指標的比較。

從運行成本和對煤耗影響方面分析。熱網循環水泵采用背壓式汽輪機驅動時，需要使用主機抽汽段部分抽汽作為背壓式汽輪機進汽，這部分抽汽失去繼續通過主汽輪機做功的機會，通常情況下，背壓式汽輪機的效率低于主機汽輪機效率。因此相對于采用電動機驅動方式，在同樣的發電功率下采用背壓式汽輪機，運行成本將會增加，機組的發電煤耗將會升高，升高的幅度取決于背壓式汽輪機相對主機效率降低幅度。同時由于熱網循環泵采用背壓式汽輪機驅動，降低廠用電率，上網電量增加，對供電煤耗的影響取決于運行成本增加幅度和上網電量增加幅度的綜合因素。根據大唐洛陽熱電有限責任公司熱網的實際數據計算，熱網循環水泵采用背壓式汽輪機驅動相對于采用電機驅動方式，發電煤耗略有增加，而供電煤耗有所下降。

從經濟效益上分析，熱網循環水泵采用背壓式汽輪機驅動降低了機組廠用電率，根據電網按照機組發電負荷調度的特點，機組廠用電量的降低，機組上網電量將增加。綜合考慮燃料價格等運行成本因素，上網電量只要存在一定的邊界利潤，對于發電企業來講，經濟效益是明顯的。大唐洛陽熱電有限責任公司采暖季采用背壓式汽輪機驅動的熱網循環水泵運行，相對電機驅動的熱網循環水泵一個采暖期內增加上網電量900萬KW.h，增加企業利潤315萬元，經濟效益顯著。

9 結論

通過大唐洛陽熱電有限責任公司汽動熱網循環水泵的成功應用實例，說明對于供熱機組，熱網循環水泵采用背壓式汽輪機驅動，并且背壓式汽輪機排汽進入熱網加熱器的驅動形式，相對于采用電機的驅動形式，兩種驅動形式對主機發電煤耗影響不大，對機組供電煤耗的降低略微有利，在一定的供電邊際利潤條件下，對發電企業具有較為顯著的經濟效益。在具體的實現方案上，應根據企業供熱參數、機組的實際狀況，注重對背壓式汽輪機設計選型，初終參數合理優化，有效解決調試運行過程中的實際問題，熱網循環水泵采用背壓式汽輪機驅動在技術和經濟效益上均是一種較為可行的方案。

參考文獻：

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[2]中國動力工程學會主編.火力發電設備技術手冊（第二卷）汽輪機[K].機械工業出版社，2004（06）.

作者簡介：吳小川（1974-），男，河南洛寧人，工程師，現任大唐洛陽熱電有限責任公司設備管理部主任。