供熱式汽輪機技術特點及未來發展趨勢展望

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司 上海 200438）

0 引言

熱電聯產可以大幅提高熱電裝置的熱效率，改善供熱質量、減少環境污染。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可建造大規模的中心熱電站，采用同時承擔供熱和發電功能的供熱式汽輪機。

1 供熱式汽輪機的分類

在工業發達而氣候又寒冷的國家和地區，工業用電用熱、居民生活采暖對熱能的需求量很大，其中心熱電站工業特別發達，其發電量的30%以上是由中心熱電站供熱式汽輪機供應的［1］。我國中心熱電站汽輪機的發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構、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節機構的位置；

（2）需要設置一整套熱網加熱器、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需要布置大量的輔助設備和抽汽管道；

（4）要考慮同時調節幾項參數；

（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，供熱對汽輪機結構的影響會不斷地增大。

按結構特點和工況特點，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：生產調節抽汽供熱、采暖調節抽汽供熱、生產調節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、生產調節抽汽背壓供熱、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熱源供熱，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效率和汽輪機相對效率都無關。當機械效率、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。汽輪機排汽壓力和過熱度根據有關條件確定后，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［2］。進汽壓力越高，汽輪機內的絕熱焓降就越大，功率也越大。目前我國背壓汽輪機在過去的基礎上，進汽參數持續提高，但又低于常規電站汽輪機進汽參數的水平。背壓機的熱力設計有以下特點。

（1）沒有低壓區的級組，一般不會遇到低壓部分設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，且調節級焓降設計值應設定得更高一些，通?？刹捎秒p列速度級作為調節級。

3 供熱凝汽式汽輪機(帶調節抽汽的汽輪機)

帶調節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，確定基本參數時應進行進一步說明。

3.1 功率值

額定功率是熱負荷和主要參數為額定值時汽輪機能長期發出的功率；最大功率是各抽汽流量和抽汽壓力呈一定比例關系或凝汽工況下其他主要參數為額定值時汽輪機能長期發出的最大功率。對帶雙調節抽汽的汽輪機，應根據相應抽汽量減少，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節器，調節機構位于低壓缸前面的下抽汽室中。因為只有一個低壓缸調節機構，兩級抽汽中同時只能維持一級的抽汽壓力（或一級熱網水溫度）。當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、熱網加熱器中的加熱不足和抽汽管道的阻力。因此在運行中應根據汽輪機的具體工況來進行熱負荷分配。描述工況的參數包括加熱器前、后的熱網水溫度，熱網水流量和電功率。相應工況不發生變化時，不應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蒸汽流的熱量來給熱網回水或熱網補充水。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，當用熱網回水冷卻凝汽器時，真空度還會進一步惡化，從而導致低壓排汽溫度、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構設計來實現：在凝汽器中布置一部分分離的冷卻表面，即所謂的內置管束，經過其中可以流過熱網回水或熱網補充水。

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 種熱負荷均與調節抽汽的壓力有關。低壓部分調節機構維持關閉狀態不變（通過關閉調節機構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。隨著調節抽汽壓力的升高，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。

在生產和采暖雙抽汽的汽輪機中，額定生產熱負荷和額定采暖熱負荷與電功率的額定值、調節抽汽壓力和新蒸汽參數的額定值相對應，同時回熱系統全部投入，而且進入凝汽器的汽流量最小。

確定最大生產抽汽（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用裝置時，該裝置應投入運營；電功率為額定值；生產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，低壓部分前的調節機構關閉，凝汽器用熱網回水或補充水或循環水來冷卻。這時汽輪機的負荷通過調節系統高壓缸配汽機構改變新蒸汽量來實現。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，低壓部分調節機構可部分地或全部地進行開啟。

4 供熱式汽輪機主要發展趨勢

（1）增大單機容量是電廠動力裝置發展的主要方向之一。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。無中間再熱時供熱機組與凝汽式機組提高初參數的經濟效益是不同的。研究結果表明：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。但考慮到電站設備繁多，標準化進程復雜，為此供熱式汽輪機的蒸汽和參數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濟性降低。此外，只有單元機組才能采用再熱，而在有橫向聯管的熱電中心破壞了單元機組的單一聯系。背壓機組不應采用中間再熱，否則其經濟性會降低。超臨界蒸汽參數的帶調節抽汽的汽輪機必須采用中間再熱，以降低低壓級內的濕度。對于部分供熱機組而言，應根據其排汽濕度，并經過經濟技術比較來確定。

5 結論及展望

供熱式汽輪機作為一類可有效實現熱電聯產的動力機組，在未來的國民經濟建設、工業技術發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研究仍在持續開展過程中，其單機容量及蒸汽參數仍有望進一步提升。