热水余热饱和蒸汽汽轮机的初终参数选择

王晓峰

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046）

1 引言

地热热水、工业生产过程产生的热水，相对于周围环境具有一定的温度差，就有了可以利用的能量。这些热水是具有一定压力的不饱和水，通过在扩容器里减压闪蒸，蒸发出压力较低的饱和蒸汽，可以推动汽轮机做功。这一类的汽轮机称为饱和蒸汽汽轮机。它有别于各种类型高温蒸汽汽轮机，也不同于核电汽轮机。随着节能减排观念的增强，开发利用地热及各种热水余热的项目越来越多，饱和汽轮机的需求越来越大。本文主要介绍对于不同温度的热水，如何选择汽轮机的初终参数，以更好地利用能源。

2 决定初温和终温参数的因素

奠定了热力学第二定律基础的卡诺循环指出，循环的热效率ηk=1-T2/T1，即热效率与初温T1和终温T2有关。初温越高，终温越低，效率越高。

对于终温，所有的汽轮机都一样，决定于循环水温、循环水量、汽轮机末叶片长度及排汽湿度。循环水温是大自然赋予我们的条件，很难改变。循环水量、汽轮机末叶片长度及排汽湿度是技术和制造、运行成本问题。经过冷端优化、技术经济比较，一般大机组会选择较大循环水量和较长的叶片，得到较低的终温，获得较高的效率；而小机组为了降低成本，会牺牲一点效率，选择较高的背压和终温。饱和汽轮机一般功率较小，循环水多是闭式循环，水温较高，一般选取较高背压。

提高初温，受限于汽轮机所使用的材料，是技术问题。研制更耐高温的材料，提高初温，是发电行业永远的追求。目前，汽轮机初温已达到600℃，燃气轮机已达到1300℃以上。当然，使用多高的初温，还需要进行技术经济比较。一般来说，大机组使用较高的初温，而小机组仍使用较低的初温。

3 合理选择初温和终温参数的方法

对于使用饱和蒸汽的汽轮机的初温的确定，不是决定于材料，而是受到热水温度和汽轮机排汽湿度的限制。

利用热水余热的饱和蒸汽汽轮机的工作蒸汽是热水在扩容器内闪蒸出来的蒸汽，很显然，它的温度总是低于热水温度。热水在扩容器内闪蒸出来一部分饱和蒸汽，疏走一部分饱合水。而且，闪蒸出来的蒸汽量与扩容器的压力有关。

蒸汽流量=（热水流量×热水焓-疏水流量×疏水焓）/饱和蒸汽焓。

蒸汽焓是该压力下的饱和蒸汽焓，疏水焓是该压力下的饱和水焓。可见压力越高，闪蒸蒸汽的温度和焓值越高，同时，疏水焓也高，则蒸汽量越少。汽轮机的做功能力与蒸汽流量和可用焓值成正比。所以，如何确定蒸汽温度是至关重要的。

再来讨论排汽湿度问题。汽轮机的进汽接近干饱和蒸汽。其进汽压力是其温度的饱和压力。随着蒸汽在汽轮机内的各级膨胀做功，压力越来越低，湿度越来越大，蒸汽内的水滴越来越多越来越大，对叶片的冲刷越来越厉害，到了一定的压力，湿度太大，会使叶片受损，不能正常工作。受到湿度的限制，不能膨胀到更低的压力，即不能达到更低的环境所能允许的冷端温度。而且，进汽压力越高，出现不能允许的湿度的压力越高，排汽压力就会越高。在焓熵图上，饱和蒸汽线和湿蒸汽的干度线在2MPa以下基本上是平行的。在2MPa以下，不同的进汽压力（与饱和温度相对应），膨胀到相同的干度线的可用理想焓降大致上是相等的，也就是说，不同的进汽压力的做功能力是大致相等的。而蒸发压力越低，得到的蒸汽量越大，发电越多。所以选取较低的进汽压力和温度，得到的发电量较大。

表1

4 理论验证

依据热水温度和环境条件，选择合适的蒸汽温度，才能得到较大的蒸汽量和合理的可用理想焓降，使汽轮机有较高的效率和功率。下面通过具体计算，来求证对于一个热水温度的合适的蒸汽温度。假定热水温度200℃，1000t/h，汽轮机效率78%，最低排汽湿度12%，无汽水损失。见表1。

由表1可见，随着主汽压力降低，背压可以降低，功率直线增加。但是，受环境温度的限制，受汽轮机成本和循环水系统成本的制约，不可能把背压降到太低。工程实践中，要根据环境条件、热水量的大小和温度，选择主汽压力和背压。

如果热水的温度比较高，可以做成两级扩容系统。按照前述原则，合理地选择一次、二次蒸发压力，可以得到更多的电功率、更大的效益。

5 结论

综上所述，热水发电工程要根据热水参数、环境条件、投资和运行成本合理地选择汽轮机进汽压力和背压，一般应尽可能地选择较低的主汽压力和背压，以期得到更大的效益。