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| 汽轮机压力匹配器的应用实践及热力性能的完善 | |
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摘要：汽轮机压力匹配器是1996年推向市场的专利产品，其应用喷射技术使高压高温和低压低温流体直接混合，具有独特的优点，一是增加汽轮机热化发电量；二是将不可调节抽汽变为可调节抽汽。广泛用于热电、石油化工等大量使用蒸汽的各行业，为企业创造丰厚的经济效益。在此成果工业化的实践过程中，针对用户生产中提出的新课题，如蒸汽流量变化大的情况，开发了多喷咀式压力匹配器，在汽机停运时以汽轮机压力匹配器代减压减温器的应用以及选择参数最佳组合提高运行效率等。
关键词：汽轮机压力匹配器 减压减温器 喷射技术 多喷咀
汽轮机压力匹配器是我单位的专利产品（专利号96238580.8 ），自从1996年推向市场以来，已在热电、石油化工、造纸、橡胶、食品等行业销售近50台，为企业直接创造年经济效益5000多万元。考虑质量、产量提高，环保改善等效益更十分可观。这是我们将科学技术转化成生产力的一项成功之作。
一、汽轮机压力匹配器技术理论基础
喷射技术在60年代已基本上完成其基本理论的研究。陆续在工业实践中应用。主要用于真空系统。作为热力压缩机应用还是最近20年的事[1]，在蒸汽动力系统中，喷射技术用于热力压缩具有着独特的优点。虽然喷射压缩由于存在高压高温和低压低温流体直接混合，增加了不可逆损失，这是机械压缩机中不存在的损失。但和机械式压缩机相比的优点是结构简单，价格便宜，维护费用少。其热能利用率可以和机械式压缩机相比美，在某些情况下，其热能利用率高于机械式压缩机。
蒸汽喷射式热压机的有效能利用率达到40~50%，机械式压缩机有两种拖动方式，一种利用蒸汽透平拖动压缩机；一种是电机拖动压缩机。对于蒸汽透平拖动的压缩机的热效率ηi=η汽×η压，η汽—蒸汽透平的效率；η压—压缩机的效率，对小型背压式蒸汽透平的效率为0.7左右，小型离心压缩机的效率为0.6~0.7左右。蒸汽透平拖动蒸汽压缩机的效率在0.42~0.49，和喷射式热力压缩机的效率基本相当。
电机拖动的蒸汽压缩机的热效率ηi=η电·η机·η压，η电—供电效率取0.35，η机—电机的机械效率取0.98，电机拖动压缩机的效率ηi=0.20~0.24，大大低于喷射式热力压缩机的效率。
由于喷射式热力压缩机的独特优点，因此它在回收乏汽，提高低压蒸汽压力方面获得了广泛利用[2]。特别是和供热式汽轮机联合运行，作为供热式汽轮机的压力匹配器使用，取得了可观的效益和良好的市场前景[3]。
二、应用实例
某化工厂自备热电厂有次高压锅炉一台，产汽压力5.0MPa，450℃，75t/h，配有一台C1.2-50/10汽轮机，生产用汽3.0MPa，250℃，40t/h。显然不能用汽轮机直接供汽。在汽机调节级后打孔抽汽，抽汽压力也只能达到2.5MPa。
用进汽压力匹配器解决了上述问题，用锅炉5.0MPa，450℃新汽作为驱动蒸汽，引射2.5MPa，350℃抽汽，输出3.0MPa，250℃（经喷水减温后）。输出40t/h，3.0MPa蒸汽供C1.2-50/10汽轮机，其中使用5.0MPa，450℃蒸汽14t/h，减温水6t/h，2.5MPa抽汽20t/h。利用压力匹配器比直接用减压减温器供热，汽轮机进汽量增加20t/h，增加热化发电量650KW。
某厂自备电站有2台35t/h中压锅炉，产汽3.8MPa，450℃，有2台汽机，1#机B3-35/10，2#机B1.5-24/5。由于锅炉压力高，不能直接进2#机，需经减压减温才能进2#机，又由于厂内水处理不除盐，软化水用作减温水，使汽机叶片结垢，不能长期运行，所以不能使3.8MPa，450℃的蒸汽用减温减压器降到2.4MPa，390℃进入2#机组。2#机长期停运。为此采用压力匹配器，以3.8MPa，435℃的蒸汽作驱动蒸汽，抽吸调节级后1.7MPa，360℃的蒸汽，输出2.4MPa，390℃的蒸汽进入2#机，使2#机安全运行，增加发电量1200KW。
某炼油厂全厂多数装置用汽压力在0.8MPa以下，只有某装置的塔底真空泵需要1.1MPa的蒸汽5t/h，为此厂内管网的压力需保持在1.1MPa以上。使用压力匹配器可使原1.1MPa管网的压力降到0.8MPa，以3.0MPa管网的蒸汽作为驱动蒸汽，抽吸0.8MPa管网的压力，输出1.1MPa蒸汽供塔底真空泵用。经改造后80t/h蒸汽的压力从1.1MPa降到0.8MPa，使汽轮机增加热化发电量1500kw。
压力匹配器除了在热电厂获得了广泛利用外，还在化工厂的多效蒸发及多效闪蒸装置上得到了利用，都取得了可观的经济效益。
三、优点
应用汽轮机压力匹配器归纳起来有两项主要的优点：一是增加热化发电量，提高了能源利用率；二是将不可调节抽汽变为可调节抽汽。
增加热化发电量的效益是显著的，在适当的参数范围内，投资回收期一般不超过半年。压力匹配器适当的参数是低压抽汽的升压比不超过2.5，驱动蒸汽压力和低压抽汽的压力之比越大越好，但不得小于4。如果超过这个范围，经济效益就明显下降。
将不可调节抽汽改为可调节抽汽，在凝汽机组改为供热机组的条件下，有广泛的利用。凝汽机组改为供热机组一般是打孔抽汽，打孔抽汽的压力随供热用汽的改变而改变，随机组发电负荷的改变而改变。例如N12-35型汽机，在电负荷1万千瓦时，抽汽压力为1.0MPa，在电负荷6000KW时，抽汽压力只有0.6MPa。在汽机最大进汽量时抽汽量的变化，也改变机组的电负荷。因此不可调节抽汽使电热负荷不协调。
利用汽轮机压力匹配器可将不可调节抽汽变成调节抽汽。电、热负荷互不干扰，在最大抽汽量时，机组可以发满额定负荷。抽汽压力不随电负荷的变化而改变。
通过上述应用实践，取得了可观的经济效益，也为产品继续提高质量和性能提供了宝贵的经验。
四、在应用实践中热力性能的完善
1.多喷咀式压力匹配器的开发
蒸汽喷射装置在流量低于设计流量时，引射的低压蒸汽量明显下降，也就是效率降低。应用实践中很多工艺要求蒸汽流量变化，因而降低了汽轮机压力匹配器的使用效率。也有很多单位订货时考虑到发展而要求流量较大，在应用时发展负荷没上来，流量偏小，导致效率下降。
为了解决上述问题，我们发展了多喷咀式压力匹配器，和汽轮机进汽配汽方式相似，用一根阀杆通过 提板依次开启多个喷咀的针型调节阀。在小流量时打开一个喷咀，大流量时开启两个阀或三个阀。
多阀调节的工况图如下图所示：图中aB0为不加任何调节装置的特性线，aB段表示输出流量减小时，驱动蒸汽的流量不变，GP=const，B0段表示抽汽量GH=0，也就是抽汽系数u=0，ac0段表示单个喷咀，单个针型调节阀的特性线，ac表示随着输出流量的减小，驱动蒸汽的流量也逐渐减小，抽汽系数u也减小，在C点u=0。在多阀调节时，第Ⅰ阀逐渐打开，驱动蒸汽量逐渐增加，到CⅠ点开始抽低压汽，抽汽系数u 逐渐增大，到aⅠ点，Ⅰ阀全部打开。流量增加，Ⅱ阀继续打开，到aⅡ点阀Ⅱ全部打开。陆续打开Ⅲ阀，到a点，输出流量达到设计值。a0线表示抽汽系数u等于设计抽汽系数up。实际运行线愈靠近a0线效率愈高。三阀工况线acⅢaⅡcⅡaⅠcⅠ0比单阀工况线ac0大大靠近a0线，因而效率提高。采用多阀结构这样就解决了负荷变化大，压力匹配器效率下降的问题。
2.以压力匹配器代替备用的减压减温器
在应用压力匹配器时，汽轮机停运时，因为没有低压抽汽，压力匹配器供出的流量减小，满足不了热用户的要求。为了满足在停机时亦能供出额定参数、流量的蒸汽，热电厂还要装一台同流量的减温减压器备用。这样就违背了利用汽轮机压力匹配器的初衷，本来应用压力匹配器是为了代替减压减温器。
为了不装备用的减压减温器，就需要压力匹配器在汽机停运时，也能供出额定流量、额定参数的蒸汽。为了解决这个问题。我们在压力匹配器的吸汽管路上，和汽机抽汽管并联装有减压部套，使锅炉新汽通过减压部套，降到和汽机抽汽同压力的蒸汽，用以代替汽机抽汽。这股管路在汽机运行时关闭，汽机停运时开启。压力匹配器的管路连结系统如下图所示： 可代替减温减压器的压力匹配器系统图在汽机运行时阀A开，阀B闭，在汽机停运时阀B开，阀A闭。
3. 提高汽轮机压力匹配器的效率使之达到最佳运行状态
如何提高压力匹配器的效率，上面已经说明喷射式热力压缩机和机械式压缩机不同，发生高压蒸汽和低压蒸汽混合而产生的不可逆损失，这一损失是喷射式热力压缩机所固有的，它是和驱动蒸汽，吸入蒸汽和输出蒸汽的参数有关，在这三个参数可以自由选择的情况下，这三个参数存在一个最佳组合。压力匹配器在大多情况下出口温度高于要求的温度，需要喷水减温，喷水的位置可选在压力匹配器的出口向混合汽喷水，也可以在驱动蒸汽入口，或吸入蒸汽入口，分别向驱动蒸汽吸入蒸汽喷水。不同的喷水位置，压力匹配器的效率不同，根据不同的参数，可选出最佳的喷水位置，最佳喷水位置可以使压力匹配器的效率提高3~5%。
参考资料
[1]索可洛夫：喷射器，科学出版社 1977年
[2]王汝武：汽轮机压力匹配器在热电联产的应用 能源工程 2002，1 P46
[3]许华君，钏史明：供热工程中的蒸汽喷射式热泵 热电技术 2001，3
4/7/2008 | |
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