浅析中小型热电联产汽轮机的优化设计

刘超

摘 要：在热力发电厂中，热电联产汽轮机发挥着重要作用，对其进行必要的优化设计可以促进热电联产事业的进一步发展。本首先对热电联产的相关概念做了阐述，对热电联产汽轮机进行了分类，根据相应的衡量指标和优化原则，对汽轮机的容量和参数进行适当优化，并总结了优化过程中应考虑的问题。

关键词：热电联产；汽轮机；优化设计

引言

面对自然资源不断匮乏的当今，要想对有限资源更经济高效的利用，就燃料来说，热电联产的方式被视为人们的首选，作为梯级利用的方式之一，它成功的做到了能质匹配，对于提高电厂的能源转换效率来说有巨大贡献。热电联产之所以能够对资源实现高效利用，原因之一是相比于纯冷凝汽轮机，它使用的汽轮机热耗率更低；另一个原因是抽汽、排汽供热只需消耗更少的能源；同时，热电联产的除尘效果好，是一项环境友好型生产项目。为了实现热电联产的健康发展，合理利用地球上的有限资源，要对系统进行必要的优化处理，本文以中小型热电联产汽轮机为对象进行研究。

1 热电联产技术简介及机组类型

热电联产将一次能源初次利用后的余热进行合理利用，实现供电和供热，对热电联产的技术特点进行分析，相比于热电分产，热电联产利用能源的效率更高，因为它是由汽轮机中的蒸汽提供热负荷的，不仅提高了热电厂的综合利用效率，在热负荷供应的质量上也有较为可靠的保证。在未来，热电联产技术将会有更加广泛的应用，当下，世界各国都在大力发展这种供能方式，我国国家纪委也出台了相应的纲领性文件，不断促进热电联产的发展；热电联产汽轮机组的装机容量越来越大，机组也朝着大型化的方向发展，这样一来将会更加节省能源和有利于环境保护[1]。

图1给出了中小型热电联产汽轮机主要类型分类。依据给热负荷提供蒸汽的不同来源，可以将热电联产汽轮机分为三种形式：背压式、抽汽凝汽式以及抽汽背压式[2]，其中，第一种汽轮机所排出的蒸汽全部用于给用户供热，其电功率的大小由热负荷来决定，所以对于这一类机组来说，电负荷是不固定的，其较为适用的场合是具有稳定热负荷的企业自备电厂。抽汽凝汽式汽轮机是我国使用最为广泛的一种热电联产汽轮机型，它是根据热负荷的不同要求，基于凝汽式汽轮机抽取已经用于做功的蒸汽，将这些蒸汽用于用户的供热。

2 中小型热电联产汽轮机组运行的各类指标参数

热电联产装置的热效率或燃料利用率高于纯发电用汽轮机装置，纯发电用凝汽式机组的热效率约在40%的水平，热电联产后，热电比增大，其热效率在40%～85%之间。本文优化的对象是小于100MW机组，属于中小型热电联产汽轮机。国家大力推广热电联产产业的同时也对其机组的相应指标做了规定，对于供热式汽轮发电机组来说：

（1）当汽轮机组输出的蒸汽既用于发电又用于供热时，要保证热总效率年平均值在45%以上。

（2）在热电比方面，容量在50WM以下的机组年平均值应该保持在100%以上，容量在50-200MW的机组年平均值应该保持在50%以上，容量在200MW以上的两用机组在采暖期的热电比应该大于50%。

热耗率和汽耗率是衡量汽轮机经济性的重要指标，例如对于背压式汽轮机来说，热耗率的计算公式为：

q=m*（i0-i2）/N（1）

其中，q表示汽轮机的热耗率，单位为kJ/kWh；m为蒸汽流量，单位为kg/h；i0表示初焓；单位为kJ/kg；i2表示排汽焓，单位为kJ/kg；N表示汽轮机的功率，单位为kW。经过计算背压式汽轮机热耗率近似为3600kJ/kWh，显然这是一常数，通过热耗率无法对其经济性进行判断，只有通过汽耗率来判断汽轮机的经济性。就汽耗率来说，汽轮机组的汽耗率越高，其占有的供热份额也就越大，热效率相应提高。实际的设计经验表明，汽耗率最高的机型是背压式汽轮机，最低的是冷凝式汽轮机[3]。

3 中小型热电联产汽轮机优化原则

进行汽轮机组的优化时，要坚持可靠原则，应该集中于成熟可靠的设备，对于那些需要试制的设备，在购买时要十分谨慎；在确定汽轮机组的额定功率时，要做到机组、炉膛以及电耗相匹配，实现标准化设置。优化工作要实行洋为中用，将西方先进的优化方法与我国汽轮机组目前的实际状况相结合，对于那些可以优化也可以不优化的项目不能轻易修改，防止工作管理中出现混乱的局面。在机组、炉膛以及电耗相匹配的原则上，汽轮机组应该是考虑的重点，因为就工艺流程来说，汽轮机组处于中心位置，应将其工况作为匹配的基础。

4 中小型热电联产汽轮机优化设计

4.1 要尽量加大抽汽式汽轮机抽汽量的作用，当抽汽压力不变时，加大抽汽量的同时也增加了机组的供热负荷，如果此时保持新汽量为原有值，机组的发电量就会相应减少，导致热电比的增加，热耗率降低；如果此时保持发电量为原有值，新汽量就会相应的得到增加，导致热效率增加。

4.2 采用喷嘴配汽的方式。当汽轮机组的工况变化较大时，相比于节流配汽，在可调抽汽口的后面使用喷嘴配汽效果更佳，更能提高机组的内效率，降低汽耗率和热耗率。

4.3 在供热方式上，尽量使用非调抽汽方式。当汽轮机组的发电量和抽汽压力等的变化情况都在允许的条件下，应该尽量选用非调抽汽方式，可以在汽轮机上设计前后两个非调抽汽口，这样，前一个承受的压力是工况允许的最大供热压力，后一个承受的压力为工况允许的最小供热压力，通过抽汽阀的切换，对供热抽汽的位置进行相应的改变，使得在工况变化范围较大的情况下也能够满足用户的供热要求

4.4 供暖时，可以采用汽轮机排汽。在冬季气温低下的北方地区，需要的供暖热水量十分庞大，采用抽汽冷凝式汽轮机可以有效降低真空度，使得汽轮机的冷凝压力处于适当的程度，供暖热源通过排汽来实现。

4.5 对回热系统进行合理设置。汽轮机组的回热系统是通过锅炉给水来实现的，热源的主要来源形式是汽轮机的非调抽汽，进行相应压力以及抽汽级数的合理设置可以有效提高机组的热效率。

5 结束语

作为一种能源利用的有效手段，热电联产已经具备有非常广泛的市场。根据实际的市场需求对热电联产汽轮机组的设计进行优化具有十分重要的现实意义。本文首先对热电联产的相关概念做了阐述，对热电联产汽轮机进行了分类，根据相应的衡量指标和优化原则，对汽轮机的容量和参数进行适当优化，并总结了优化过程中应考虑的问题，以期给同行以参考。

参考文献

[1]刘正海.火电厂节能与指标管理技术手册[M].北京：中国电力科技出版社，2006.

[2]中国动力工程学会.火力发电设备技术手册[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]唐家裕，付林，狄洪发.不同类型供热机组热电负荷优化分配的研究[J].沈阳工程学院学报，2007（7）.