小型凝汽式汽轮发电机组低真空供热技术研究

王方明1，李雪松2，王 磊3

( 1． 包钢集团设计研究院，内蒙古 包头 014010;

2． 西安建筑科技大学环境学院建环专业，西安 710055;

3． 内蒙古包头市建委市政工程管理处监理所，内蒙古 包头 014030 )

摘 要: 文章介绍了小型凝汽式汽轮发电机组低真空供热工艺发行的基本方法，即通过降低机组真空度提高排汽温度，加热循环水用于采暖，并以包钢 4#发电机为例进行了经济效益和环境效益分析。针对系统发行时应注意问题提出了相应的对策，为同类机组父权真空供热发行提供了借鉴和参考。该技术具有良好的发展空间和推广前景。

关键词: 小型纯凝式汽轮机; 低真空; 供热

节能减排是当今能源工作的重要指导方针，为了提高中小型热电企业的能源综合利用效率，许多小型电厂都在走热电联产的道路。在利用现有条件，将凝汽式机组改为供热机组后，热电联产所带来的经济效益和环境效益远远的超过了换热站及供热锅炉房的单纯供热。

1 凝汽式汽轮机低真空供热的工艺

凝汽式汽轮机低真空供热就是降低汽轮机运行的排汽真空度，相应提高汽轮机的排汽温度，从而使汽轮机的循环冷却水温度提高。将提高温度后的循环冷却水输入供热系统，代替供热系统的热网循环水，具体做法: 汽轮机的排汽真空度在正常发电时是93 kPa( 排汽压力 8 kPa) ，在采暖期将汽轮机的真空度降低到 61． 3 kPa( 排汽压力 40 kPa) ，使凝汽器的乏汽温度由 40 ℃提高到 60 ℃，与此相适应汽轮机的循环冷却水温度也由 30 ℃提高到 60 ℃，将提高温度后的循环冷却水在非最冷月时直接送入热网系统代替热网系统的供热循环水。汽轮机的冷凝器就变成了供热系统的热交换器，发电系统的循环冷却水变成了热网系统的循环水，而热网就代替了发电系统冷却水的冷却塔。使原来从冷却塔散失到空气中的热量( 即发电时的冷源损失) ，通过散热器进入室内达到取暖的目的。

2 低真空供热的节能效益

以包钢热电厂 4#纯凝式汽轮发电机为例，热电厂 4#汽轮发电机( AKB －12) 机组是 1987 年生产的上海汽轮机厂产品，机组额定参数如下: 额定功率:12 000 kW，额定进汽压力: 3． 43 MPa，额定进汽温度: 435 ℃额定排汽压力: 0． 007 15 MPa 额定排汽温度: 40 ℃，循环水温度: 30 ℃; 改造后机组参数: 排汽压力: 0． 031 MPa，排汽温度: 65 ℃，循环水温度:55 ℃ 。机组总循环水量 3 300 t / h，为了尽可能利用现有设施减少改造投资; 维持原有的采暖热水系统管网参数不变; 保证机组安全运行，就近利用炼钢换热站现有的供热系统与鼓风机站内改造后的 4#发电机组凝汽器的循环冷却水系统组成了一个新的联合供热系统。即由炼钢换热站内采暖循环水泵入口前的回水总管引 1 根 DN700 管道送至 4#发电机组凝汽器的循环冷却水泵入口前，进凝汽器吸热后，由1 根 DN700 管道送回换热站采暖回水总管循环水泵入口前，如果吸热后的水温能够满足采暖水供水要求，由循环水泵直接送入外网，如果水温供各采暖不能够满足采暖水供水要求，则进汽 － 水换热器组二次加热后送入外网。通常每年在最冷月 1． 5 个月使用换热器，其它采暖时间均可由低真空供热机组直接满足采暖要求。

2． 1 经济效益分析

一个采暖期，如果发电机全进行发电按额定发电量 12 MW 计算，采暖期 5 个月发电收益 12 000 ×24 × 150 × ( 0． 45 － 0． 31) = 604． 80 万元，在改为热电联产供热机组后收益为 9 000( 由于降低真空度后会影响发电量，4 500 kW 是在改造完成以后的发电量) × 24 × 90 × ( 0． 45 － 0． 31) + 12 000 × 24 ×60 × ( 0． 45 － 0． 31) + 30 t / h( 换热站用器汽量) ×24 × 30 × 3． 5 × 3 × 26 元 / GJ( 公司最新内部蒸汽价格) +280kW × 0． 8 × 24 × 90 × 0． 45 元/kW·h + 3300 t / h × 0． 02 × 24 × 90 × 0． 3 = 993． 73 万元( 发电收益 + 节省蒸汽收益 + 停运鼓风机循环泵节约电费+ 减少循环水蒸发量) ，可见热电联产较纯发电每个采暖期多创造 302． 66 万元纯利润［1］。

2． 2 环境效益

在完成 4#发电机机低真空供热改造后，每个采暖期节约蒸汽量 378 000 t，如果按照普通供热锅炉房作为参照，以煤质的低位发热量 11 302 kJ/kg 计算，相当于少耗用原煤 33 445 t，如果按照原煤含矸率 42%计算，则每个采暖期可减少排渣量 14 000多 t。并且会相应的减少烟气排放量约 ( 480 ×106) m3，减少二氧化硫排放量约 2 000 t，减少粉尘排放量约 2 960 t。

3 低真空供热存在的问题及解决措施

机组凝汽式汽轮机组改造成低真空循环水供暖主要有 2 种方式。一种是对汽轮机本体不做任何改动，直接将凝汽机组用于低真空供暖。这种改造方式，其运行参数严重偏离设计工况，汽轮机各级焓降发生变化，末级和次末级焓降变小，不做功甚至起阻滞作用而消耗功。同时会由于振动、推力轴承损坏，如果采用这种方式对运行要求比较高; 另一种改造方式是对汽轮机组的某些静止部分进行结构改造。对冬季为低真空供暖，而夏季又要恢复为凝汽运行的机组，最好的办法是根据汽轮机厂家针对新工况的计算结果，控制参数运行。这样在提高机组的安全性和经济性的同时，也可以收到较理想的改造效果。

3． 1 背压的选择

从热网运行的经济性来看，采用越高的供热水温经济性越好。但是由于汽轮机排汽压力过高不但使机组的发电出力降低，还可能导致凝汽器钢管膨胀过大而产生泄漏，以及排汽缸上的后轴承温度升高而引起的冷却困难和机组振动等问题，因此针对于各种小机组，最大排汽压力只能提高到30 ～60 kPa，对应的饱和温度为 69． 1 ～ 85． 45 ℃，在实际运行中为了保证机组的长期安全运行，排汽温度控制在65 ℃ 以下比较合适。由于凝汽器存在传热端差，实际运行中冷凝器循环水的出口温度为55 ℃左右，可以满足非最冷月的供热要求。为了保证机组的安全运行，排汽压力不能过高，以达到供热要求为宜。还可以增大后轴承进油缩孔直径，增加进油量，以保证后轴承的冷却。若由于某种原因致使排汽缸温度过高时，可考虑在末级后加装喷水装置，沿轴向方向向后喷水，以降低排汽过热度。

3． 2 轴向推力的变化

汽轮机在低真空运行过程中轴向推力要发生变化，通常认为其轴向推力会增加。有些电厂未经过正确的热力计算，就盲目的对汽轮机原轴封进行了改造，将汽轮机前汽封漏汽由原送入高压加热器改送至低压加热器，以便平衡因汽轮机低真空供热所造成的轴向推力的增加。但与汽轮机厂家结合后，由汽轮机厂家利用改进的变工况势力计算方法及反动度解析式对汽轮机低真空供热时的轴向推力和最末级的反动度进行了计算，结果表明只要背压在0． 03 kPa以下，汽轮机的轴向推力不但不增加反而会减小，即使增加也不大，仍然在机组推力轴承安全运行的范围内，并且也得到了实际运行结果证明。

因此，在具体应用中，不宜盲目的对汽轮机组进行改造，就根据机组的具体情况采取相应的措施［2］。

3． 3 汽轮机发电功率

凝汽式汽轮机组发电功率同蒸汽流量和理想焓降成正比。低真空运行时，由于真空降低，背压升高使得理想焓降减少。在汽轮机进汽量和机械效率不变的情况下，发电机的发电功率会减小。对冲动式汽轮机而言，真空降低将引起中间各级的级前压力提高。对于复速级，由于级后压力提高，使该级焓降减少相对内效率下降，对于中间各级，虽然级前、级后压力匀发生改变，但压比和焓比却变化不大，因而相对内效率变化不大，功率变化也不太大; 对于末级和次末级，真空降低使焓降大幅降低，甚至变为负值，以致造成蒸汽流速急剧降低，蒸汽不但不做功，反而有可能对转子旋转产生阻尼作用，使发电机功率降低。因此，汽轮机改为低真空运行后，在进汽量不变的前提下，必须以损失发电量做为低真空供热的前提。而通过包钢 4#发电机的经济效益分析可以看出，这种通过损失发电量供热的方式是一种更为经济的运行方式。

3． 4 负荷调节

机组在低真空供热方式运行时，汽轮机处于以热定电的运行状态。当热用户的供暖负荷发生变化时，应采取相应措施来调节机组热负荷的大小，汽轮机组的发电功率也随之改变． 在循环水量和供热面积的一定的条件下，当需要较低的供热水温时，可以减少汽轮机的电负荷，从而减少汽轮机的进汽量，也就减少了排汽量，真空也相应升高，循环水温度降低; 当循环水达到一定温度要求而保持不变时，保持电负荷不变，真空保持不变。当需要较高的供热水温时，在保证排汽温度低于 70 ℃时，可适当增加汽轮机的电负荷，真空相应降低。为了满足尖峰期最冷月供热负荷的需要，可以在系统中设置尖峰加热器，在尖峰负荷时通过尖峰加热器对循环水进行二次加热，以满足尖峰期最冷月供热负荷的要求。在电力供应紧张的地区，也有可能出现供热需求不变，而用电量发生变化的情况。这样，就不能再以热定电，而应在供热量不变的情况下，对电负荷进行调节。当需要较大的电负荷时，可增大汽轮机进汽量，发电功率变大。此时排汽潜热增大，热网供水温度升高，如果仅一部分循环水就可满足供热需求时，可将剩下的循环水引至冷却塔冷却; 当需要较低的电负荷时，可减少汽轮机进汽量，发电功率变少。此时热网水温降低，可用尖峰加热器对其进行二次加热，以满足供热需求。

4 结束语

汽轮机低真空循环水供暖技术可以实现 能源的梯级利用，明显提高电厂能源的综合利用效率，具有显著的节能和环保效益。经过多年的工程实践和实际运行表明，低真空循环水供暖技术已比较成熟。该技术为提高我国广大的中小型热电企业的综合利用效率和和水平开辟了新途径，具有良好的推广应用价值和发展前景。

参 考 文 献

［1］ 杨谢军． 汽轮发电机低真空循环水供暖系统的改造［J］． 冶金动力，2009，( 4) :69 －71．

［2］ 杨卫华． 浅谈小型凝汽式汽轮机低真空供热［J］． 节能，2001，( 2) :31 －32．