淺析中小型熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉超

摘 要：在熱力發(fā)電廠中，熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)發(fā)揮著重要作用，對(duì)其進(jìn)行必要的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以促進(jìn)熱電聯(lián)產(chǎn)事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。本首先對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)的相關(guān)概念做了闡述，對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)進(jìn)行了分類，根據(jù)相應(yīng)的衡量指標(biāo)和優(yōu)化原則，對(duì)汽輪機(jī)的容量和參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，并總結(jié)了優(yōu)化過(guò)程中應(yīng)考慮的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：熱電聯(lián)產(chǎn)；汽輪機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

面對(duì)自然資源不斷匱乏的當(dāng)今，要想對(duì)有限資源更經(jīng)濟(jì)高效的利用，就燃料來(lái)說(shuō)，熱電聯(lián)產(chǎn)的方式被視為人們的首選，作為梯級(jí)利用的方式之一，它成功的做到了能質(zhì)匹配，對(duì)于提高電廠的能源轉(zhuǎn)換效率來(lái)說(shuō)有巨大貢獻(xiàn)。熱電聯(lián)產(chǎn)之所以能夠?qū)Y源實(shí)現(xiàn)高效利用，原因之一是相比于純冷凝汽輪機(jī)，它使用的汽輪機(jī)熱耗率更低；另一個(gè)原因是抽汽、排汽供熱只需消耗更少的能源；同時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)的除塵效果好，是一項(xiàng)環(huán)境友好型生產(chǎn)項(xiàng)目。為了實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)的健康發(fā)展，合理利用地球上的有限資源，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的優(yōu)化處理，本文以中小型熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)為對(duì)象進(jìn)行研究。

1 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)簡(jiǎn)介及機(jī)組類型

熱電聯(lián)產(chǎn)將一次能源初次利用后的余熱進(jìn)行合理利用，實(shí)現(xiàn)供電和供熱，對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，相比于熱電分產(chǎn)，熱電聯(lián)產(chǎn)利用能源的效率更高，因?yàn)樗怯善啓C(jī)中的蒸汽提供熱負(fù)荷的，不僅提高了熱電廠的綜合利用效率，在熱負(fù)荷供應(yīng)的質(zhì)量上也有較為可靠的保證。在未來(lái)，熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)將會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用，當(dāng)下，世界各國(guó)都在大力發(fā)展這種供能方式，我國(guó)國(guó)家紀(jì)委也出臺(tái)了相應(yīng)的綱領(lǐng)性文件，不斷促進(jìn)熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)展；熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)組的裝機(jī)容量越來(lái)越大，機(jī)組也朝著大型化的方向發(fā)展，這樣一來(lái)將會(huì)更加節(jié)省能源和有利于環(huán)境保護(hù)[1]。

圖1給出了中小型熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)主要類型分類。依據(jù)給熱負(fù)荷提供蒸汽的不同來(lái)源，可以將熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)分為三種形式：背壓式、抽汽凝汽式以及抽汽背壓式[2]，其中，第一種汽輪機(jī)所排出的蒸汽全部用于給用戶供熱，其電功率的大小由熱負(fù)荷來(lái)決定，所以對(duì)于這一類機(jī)組來(lái)說(shuō)，電負(fù)荷是不固定的，其較為適用的場(chǎng)合是具有穩(wěn)定熱負(fù)荷的企業(yè)自備電廠。抽汽凝汽式汽輪機(jī)是我國(guó)使用最為廣泛的一種熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)型，它是根據(jù)熱負(fù)荷的不同要求，基于凝汽式汽輪機(jī)抽取已經(jīng)用于做功的蒸汽，將這些蒸汽用于用戶的供熱。

2 中小型熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)組運(yùn)行的各類指標(biāo)參數(shù)

熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的熱效率或燃料利用率高于純發(fā)電用汽輪機(jī)裝置，純發(fā)電用凝汽式機(jī)組的熱效率約在40%的水平，熱電聯(lián)產(chǎn)后，熱電比增大，其熱效率在40%～85%之間。本文優(yōu)化的對(duì)象是小于100MW機(jī)組，屬于中小型熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)。國(guó)家大力推廣熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的同時(shí)也對(duì)其機(jī)組的相應(yīng)指標(biāo)做了規(guī)定，對(duì)于供熱式汽輪發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)：

（1）當(dāng)汽輪機(jī)組輸出的蒸汽既用于發(fā)電又用于供熱時(shí)，要保證熱總效率年平均值在45%以上。

（2）在熱電比方面，容量在50WM以下的機(jī)組年平均值應(yīng)該保持在100%以上，容量在50-200MW的機(jī)組年平均值應(yīng)該保持在50%以上，容量在200MW以上的兩用機(jī)組在采暖期的熱電比應(yīng)該大于50%。

熱耗率和汽耗率是衡量汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，例如對(duì)于背壓式汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，熱耗率的計(jì)算公式為：

q=m*（i0-i2）/N（1）

其中，q表示汽輪機(jī)的熱耗率，單位為kJ/kWh；m為蒸汽流量，單位為kg/h；i0表示初焓；單位為kJ/kg；i2表示排汽焓，單位為kJ/kg；N表示汽輪機(jī)的功率，單位為kW。經(jīng)過(guò)計(jì)算背壓式汽輪機(jī)熱耗率近似為3600kJ/kWh，顯然這是一常數(shù)，通過(guò)熱耗率無(wú)法對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行判斷，只有通過(guò)汽耗率來(lái)判斷汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。就汽耗率來(lái)說(shuō)，汽輪機(jī)組的汽耗率越高，其占有的供熱份額也就越大，熱效率相應(yīng)提高。實(shí)際的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，汽耗率最高的機(jī)型是背壓式汽輪機(jī)，最低的是冷凝式汽輪機(jī)[3]。

3 中小型熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)優(yōu)化原則

進(jìn)行汽輪機(jī)組的優(yōu)化時(shí)，要堅(jiān)持可靠原則，應(yīng)該集中于成熟可靠的設(shè)備，對(duì)于那些需要試制的設(shè)備，在購(gòu)買時(shí)要十分謹(jǐn)慎；在確定汽輪機(jī)組的額定功率時(shí)，要做到機(jī)組、爐膛以及電耗相匹配，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置。優(yōu)化工作要實(shí)行洋為中用，將西方先進(jìn)的優(yōu)化方法與我國(guó)汽輪機(jī)組目前的實(shí)際狀況相結(jié)合，對(duì)于那些可以優(yōu)化也可以不優(yōu)化的項(xiàng)目不能輕易修改，防止工作管理中出現(xiàn)混亂的局面。在機(jī)組、爐膛以及電耗相匹配的原則上，汽輪機(jī)組應(yīng)該是考慮的重點(diǎn)，因?yàn)榫凸に嚵鞒虂?lái)說(shuō)，汽輪機(jī)組處于中心位置，應(yīng)將其工況作為匹配的基礎(chǔ)。

4 中小型熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 要盡量加大抽汽式汽輪機(jī)抽汽量的作用，當(dāng)抽汽壓力不變時(shí)，加大抽汽量的同時(shí)也增加了機(jī)組的供熱負(fù)荷，如果此時(shí)保持新汽量為原有值，機(jī)組的發(fā)電量就會(huì)相應(yīng)減少，導(dǎo)致熱電比的增加，熱耗率降低；如果此時(shí)保持發(fā)電量為原有值，新汽量就會(huì)相應(yīng)的得到增加，導(dǎo)致熱效率增加。

4.2 采用噴嘴配汽的方式。當(dāng)汽輪機(jī)組的工況變化較大時(shí)，相比于節(jié)流配汽，在可調(diào)抽汽口的后面使用噴嘴配汽效果更佳，更能提高機(jī)組的內(nèi)效率，降低汽耗率和熱耗率。

4.3 在供熱方式上，盡量使用非調(diào)抽汽方式。當(dāng)汽輪機(jī)組的發(fā)電量和抽汽壓力等的變化情況都在允許的條件下，應(yīng)該盡量選用非調(diào)抽汽方式，可以在汽輪機(jī)上設(shè)計(jì)前后兩個(gè)非調(diào)抽汽口，這樣，前一個(gè)承受的壓力是工況允許的最大供熱壓力，后一個(gè)承受的壓力為工況允許的最小供熱壓力，通過(guò)抽汽閥的切換，對(duì)供熱抽汽的位置進(jìn)行相應(yīng)的改變，使得在工況變化范圍較大的情況下也能夠滿足用戶的供熱要求

4.4 供暖時(shí)，可以采用汽輪機(jī)排汽。在冬季氣溫低下的北方地區(qū)，需要的供暖熱水量十分龐大，采用抽汽冷凝式汽輪機(jī)可以有效降低真空度，使得汽輪機(jī)的冷凝壓力處于適當(dāng)?shù)某潭龋┡療嵩赐ㄟ^(guò)排汽來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.5 對(duì)回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)置。汽輪機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)是通過(guò)鍋爐給水來(lái)實(shí)現(xiàn)的，熱源的主要來(lái)源形式是汽輪機(jī)的非調(diào)抽汽，進(jìn)行相應(yīng)壓力以及抽汽級(jí)數(shù)的合理設(shè)置可以有效提高機(jī)組的熱效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為一種能源利用的有效手段，熱電聯(lián)產(chǎn)已經(jīng)具備有非常廣泛的市場(chǎng)。根據(jù)實(shí)際的市場(chǎng)需求對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)組的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文首先對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)的相關(guān)概念做了闡述，對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)進(jìn)行了分類，根據(jù)相應(yīng)的衡量指標(biāo)和優(yōu)化原則，對(duì)汽輪機(jī)的容量和參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，并總結(jié)了優(yōu)化過(guò)程中應(yīng)考慮的問(wèn)題，以期給同行以參考。

參考文獻(xiàn)

[1]劉正海.火電廠節(jié)能與指標(biāo)管理技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力科技出版社，2006.

[2]中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]唐家裕，付林，狄洪發(fā).不同類型供熱機(jī)組熱電負(fù)荷優(yōu)化分配的研究[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（7）.