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| 热电联产系统节能的最佳设备—汽轮机压力匹配器 | |
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随着我国国民经济的快速增长，热电事业迅猛发展，尤其在南方经济发达地区，一个城市乃至城镇有数个或数十个热电厂、热电站的情形屡见不鲜，热电联产在国民经济发展、人民生活改善方面有很大贡献。比起热电分产，热电联产在节约能源，改善环境乃至联合国共同签署的减排二氧化碳公约都有突出贡献。
今后热电事业发展的方向是努力提高技术水平，改进装备，提高运行效率，以适应市场的需要。
在发展热电联产中有一个问题始终没有得到很好的解决，那就是单一的背压或抽汽压力不能满足多种用汽压力的要求。按低压力的用户供汽，满足不了高压用户的要求，并减少了热负荷。按高压力用户的要求供汽，对低压用户产生节流损失降低了热经济性。还有不少企业由于汽轮机的背压或抽汽压力低于使用压力，造成汽轮机不能运行。
汽轮机压力匹配器就是为了提高热电厂运行效率而研制的节能设备（专利号96238580.8）。
工作原理及经构：
汽轮机压力匹配器的基本构造及原理见下图：它是以消耗高压蒸汽的能量来提高低压蒸汽的压力，利用高压（驱动）蒸汽通过喷咀超音速喷射，在喉部形成低压，将低压蒸汽吸入，再经混合扩压，达到将低压蒸汽升压的目的。
经过近十年的研制、推广和改进，汽轮机压力匹配器节能技术现已完全成熟，在多家热电厂投运，运行安全可靠，经济效益显著，为电厂获得多发电效益，供出满足用户需要的蒸汽。在此基础上还研制了多喷咀蒸汽压力匹配器，以适应用户蒸汽流量在大范围（＞100%）变化时对蒸汽提压的要求（中国专利200320105885.9）。
下面就汽轮机压力匹配器和抽汽机、背压机、后置机联合运行的方式和系统作一简单介绍：
一. 压力匹配器和抽汽式汽轮机的联合运行
某化工厂有一台C3—35/5抽汽式汽轮机，原生产用汽20t/h、0.5MPa，后上了一套新装置，用汽压力需0.8MPa，用汽量10t//h，原生产用汽减少10t/h。1.0MPa的生产用汽汽轮机抽汽不能满足，只好用锅炉新汽减温减压。后来选用汽轮机压力匹配器代替减温减压器，压力匹配器的引射系数为0.6，可引射0.5MPa的汽轮机抽汽3.75t/h，可多发电326kwh（汽耗按11.5kg/kw.h），年运行6000小时，每年增加热化发电量195.6万度，每度电利润按0.2元计算，每年增加经济收入39.1万元。而设备及安装费用为12万元，投资回收期为12/39≈0.3年。压力匹配器和抽汽机联合运行的系统图如图1：有关该系统的运行特性及调节方式下面结合其他系统一并进行说明。
二. 压力匹配器和背压机联合运行
某石化公司腈纶厂，生产需要1.6MPa、220℃的蒸汽16t/h。该厂自备电站背压机排汽压力1.0MPa、300℃，压力满足不了生产用汽的要求，用3.5MPa、435℃的新汽减压减温供给，后改用压力匹配器供汽。压力匹配器和背压式汽轮机联合运行的系统图如图2：该系统和上面的系统的区别是增加了一套减温装置。由压力匹配器输出的蒸汽温度比汽轮机排汽温度高，对使用饱和蒸汽用汽设备，需要装设减温装置。在该系统参数下压力匹配器的引射系数为0.4，在输出汽量16t/h时，可引射背压汽4.6t/h，可增加热化发电量317kwh（汽耗发14.5kg/kwh计），年运行6000小时，增加发电量190万度，每度电利润按0.2元计算，年创利润38万元。设备及安装费用15万元。投资回收期为15/38＝0.4年。
三. 压力匹配器和后置机的联合运行
某热电厂在背压机后安装后置机，背压机的排汽0.6MPa、300℃，后置机额定进汽压力1.3MPa、300℃、16t/h。背压机排汽直接进入后置机，进汽量仅5—6t/h，发电量300—400kwh。后加装汽轮机压力匹配器，用3.5MPa、435℃蒸汽引射0.6MPa、300℃的背压机排汽至1.0MPa，使后置机进汽量达到13t/h，发电量达到1300kw。进入后置机的蒸汽由3.5MPa、435℃蒸汽4.5 t/h经喷水0.5t/h加上背压机排汽8t/h，共13t/h。
背压机排汽增加2t/h，增加热化发电量200kwh（汽耗按10kg/kwh），凝汽发电量增加900kw。热化发电量利润以0.2元/kwh计算，凝汽发电量按0.1元/kwh计算，每年运行6000小时，年利润78万元，设备及安装费用总投资20万元。投资回收期20/78＝0.26年＝3个月。压力匹配器和后置机联合运行的系统图如图3：该系统把减温器放在压力匹配器之前是为了降低进入压力匹配器的温度，改善压力匹配的工作条件。减温器放在压力匹配器前或后，要根据吸入蒸汽是否需要降温而定。需要降温，则把减温器放在压力匹配器后，否则放在压力匹配器前。
四. 压力匹配器的特性及适应范围
压力匹配器的热力学过程表示在焓熵图上如图4所示：图中PP表示驱动蒸汽压力，PC表示输出蒸汽压力，PH表示吸入蒸汽压力。A点表示驱动蒸汽（高压蒸汽）的状态点，B点表示喷嘴出口理想状态点，C点表示喷嘴的实际状态点，D点表示吸入蒸汽的状态点。
在运行时驱动蒸汽通过喷嘴从A点膨胀到C点，吸入蒸汽从D点膨胀到H点。两股汽流通混合室混合升压到E点，然后通过扩压段，升压到PC，出口状态点为K。
从焓熵图上可以看出，吸入蒸汽的升压是以驱动蒸汽的降压为动力的。因此两种蒸汽的混合过程要满足动量方程。根据有关文献分析，两种蒸汽的混合比是ΔhP/Δh2的函数，ΔhP为驱动蒸汽从A点等熵膨胀到B点的理想焓降。Δh2为吸入蒸汽从D点等熵压缩到E点的理想焓升。
引射系数（两种蒸汽的混合比）u＝吸入蒸汽量GH/驱动蒸汽量GP u=f (ΔhP/Δh2)……⑴
理论和实践都证实，当ΔhP/Δh2≤1.5时，u＝0随着ΔhP/Δh2的增大，u有一最大值umax。当ΔhP/Δh2达到某一数值时，混合管出口处达到音速，出口压力PC再降低（即Δh2减小），通过混合管的流量也不增加。将压力匹配器的热效率定义为：
η＝uΔh2/(ΔhP－Δh2)……⑵
将⑴式代入⑵式，并将⑵式求极值，令dn/d (ΔhP/Δh2 )=0，可求出ΔhP/Δh2的最佳值。
经大量分析计算，得出ΔhP/Δh2＝2—6时，匹配器的可用能效率较高。因此选用压力匹配器应在此范围内。
根据压力匹配器的特性，可将其特性曲线表示如图5：随着出口流量的增加，出口压力下降。运行时，匹配器的出口压力是由管道阻力决定的。在设计工况下，流量为G1，出口压力为PD，这时匹配器的特性线A和管道阻力曲线相交于1点。假若流量从G1减少到G2，喷射喉部面积不变。流量的减小是通过增加管道阻力或降低喷嘴前压力来实现的（关小阀门），在管道阻力增加时，管道阻力曲线和特性线A交于2点，这时匹配器出口压力比设计压力高ΔP，ΔP就是关小阀门的阻力损失。喷嘴前蒸汽压力的下降也是通过阀门节流来实现的。
关小匹配器的出口阀门减小流量时，通过喷嘴的驱动蒸汽流量不变，减小的流量都是吸入蒸汽的流量，因此这种方式效率低。
通过降低喷嘴前蒸汽压力减少流量，通过喷嘴的驱动蒸汽流量减少，吸入蒸汽的流量也减少，但比减小出口阀门的方式其减少吸入蒸汽流量的程度要小。
理想的调节方式是喷嘴的面积随着输出流量的减小而减少，驱动蒸汽流量随之减少，这样就减少了关小阀门产生的压力损失。通常减小喷嘴面积是利用针型阀，针型阀的型线按一定规律设计，保证调节的稳定性。在出口压力要求稳定的系统，应配有自动调节系统，在输出管道上装有压力传感器，将压力讯号传给PID调节器。调节器控制电动执行器，带动针型线上下移动，增大或关小喷嘴面积。装有针型阀的量调节系统可以保证流量从10—100%变化范围内出口压力稳定。
从上述可以看出，汽轮机压力匹配器在热电联产供热系统中应用经济效益显著，配有自动调节针型阀的压力匹配器可以在蒸汽流量大幅度变化时，保持出口压力稳定，满足了生产和生活供热系统的要求。
4/7/2008 | |
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