全背压汽轮机在大型纯碱企业热电联产中的应用

李红卫，马少波

（内蒙古兰太实业股份有限公司，内蒙古 阿拉善盟 750300）

中盐青海昆仑碱业有限公司于2009年开工建设了100万t／a纯碱项目，同时配套建设了装机容量为3×240t／h高温高压循环流化床锅炉，1×15 MW抽汽背压式汽轮发电机组和1×25MW背压式汽轮发电机组的热电联产装置。本套装置中使用的全背压式汽轮机是热电联产设备中经济性较高的机型，在设计工况下运行，其发电煤耗仅为凝汽式机组的一半左右，在满足生产用汽的同时可获得大量的电能，基本实现电量自给，并有一部分富余电量可外供。

碱业公司100万t／a纯碱项目，由于其特殊的生产工艺，需要提供与之配套的热电系统，给化工线提供足够蒸汽和电力。因此建立热电联产装置，才能使化工（纯碱）生产线连续稳定的运行。公司还依托“以大带小”的设计原则将100万t装置中多余的蒸汽及电力供给老厂使用；因此，是能源综合利用、保护环境、提高经济效益的有利保障措施。

1 大型纯碱企业中热电联产装置情况

纯碱厂是用汽耗能大户，做好汽电平衡及蒸汽多级利用直接关系到碱厂的能量合理利用和生产成本的降低。目前大型纯碱企业大多采用热电联产原则进行配套热电设计；随着国家电网的不断发展，国家逐渐限制了企业的小型发电机组以及小企业凝汽式发电机组的使用，并且限制并网送电，这就是使纯碱厂的汽电平衡、以热定电、能量多级利用形成了矛盾，迫使纯碱厂找出更好的节能途径降低生产成本，以求得企业的生存与发展。

氨碱厂使用蒸汽的主要目的有两个：一是作动力用，驱动二氧化碳压缩机及真空机的汽轮机，二是作为热源用于蒸汽煅烧炉、重灰煅烧炉、母液蒸馏、淡液蒸馏；其压力等级分别为3.7MPa、3.2MPa、1.4MPa、0.4MPa。以往氨碱厂一般只能采用抽凝机组配套发电，抽汽送往碱厂供生产使用，采用凝汽机组调节发电，以保证生产中汽与电的平衡运行，但其热能利用率低，最高只有40%左右。在目前新建的纯碱装置中，采用了抽背式汽轮机，背压蒸汽送往碱厂生产装置，发出的电供给生产用，没有凝汽系统等辅助设备，节省投资，配置符合国家的产业政策，配置简单，热利用率高达80%左右；但也大大增加了汽电平衡的操作难度。

2 我公司全背压汽轮机组节能技术的特点

中盐青海昆仑碱业有限公司100万t／a纯碱工程为合理利用热源，在进行蒸汽平衡的过程中，拟定了热电站的工况参数，采用高温高压循环流化床锅炉，并配置汽轮机，先做功、后供热，实现热电联产。由此可净得38 507kW的发电量，对于全厂38 734.06kW的用电负荷，满负荷操作时，可以达到电力自给，并略有富余。由此可见，此热电联产单项节能效果十分显著。

配套的热电联产工程装机容量为3×240t／h高温高压循环流化床锅炉（UG－240／9.81型）和1×15MW 抽汽背压式汽轮发电机组（CB15－8.83／1.67／0.58型）和1×25MW 背压式汽轮发电机组（B25－8.83／4.02型），产汽量460t／h，发电量约25 200kW／h（热电站用电11 750.8kW／h，化工生产用电16 667.8kW／h），整个生产系统用电量28 000kW／h，还将15MW 汽机（抽汽量50t／h）的抽汽系统投入运行，汽电达到基本平衡。

锅炉产生的9.8MPa，540℃的蒸汽进入汽轮机发电机组，1×25MW背压式汽轮机背压出来4.02MPa的蒸汽送到二氧化碳螺杆压缩机，作为该机的驱动用汽，压缩机汽轮机的0.15～0.25MPa排汽用于蒸氨工序的热源；1×15MW抽汽背压式汽轮的1.67MPa抽汽用于重灰煅烧和热电自身用汽，0.58MPa蒸汽用于热电自用汽和化工系统的生产低压蒸汽。当化工生产热负荷较小时，根据生产热负荷减小汽轮机进汽量，电负荷不足部分由电网补充；化工生产负荷较大时，锅炉负荷及汽机进汽量均增加，汽轮机组发电也随之增大，满足生产用电量。

碱业公司的汽轮机发电机机组与电网并网运行，热负荷全部由汽轮机供给；汽轮机不正常时，由锅炉减温减压系统供给。另外，为了降低生产成本，生产用电量尽量采用自发电，大大减少了外购电用量。背压式汽轮机发电热电联产热效用高达70%以上，而一样寻常单机容量200MW以上的冷凝电厂的热效用仅为35%～40%。如200MW凝汽机组的发电煤耗为350gce／kWh，而容量各异的供热机组的发电煤耗一样寻常均在300gce／kWh以下，国内有些小型凝汽发电的发电煤耗在310～450gce／kWh，本套装置采用的背压机发电煤耗为147gce／kWh，与凝汽式汽轮机相比，显示出了特别的优势。

图1 蒸汽系统平衡示意图

3 全背压汽轮机组的主要技术参数

3.1 B25－8.83／4.02汽轮机

汽轮机型号 B25－8.83／4.02

汽轮机型式 单缸、单轴、冲动、背压式

额定功率 25 000kW

额定转速 3 000r／min

电网额定功率 50Hz

主汽门前额定蒸汽压力 8.83MPa

主汽门前额定蒸汽温度 535℃

额定工况进汽量 503t／h

最大进汽量 516t／h

额定排汽量 495t／h

最大排汽量 508t／h

排汽压力 4.02（3.8～4.2）MPa

排汽温度

（新汽参数额定时） 434℃

转子旋转方向 面向机头看为顺时针

财务杠杠是经营杠杠的“堂兄弟”，它会产生两种作用：销售额必须补偿固定成本的增额，而一旦达到平衡，利润将随销售额的增加而较快的增长。因而，财务杠杠作用的增大也有两种：需要有较多的经营收益来补偿固定的筹资成本，不过一旦获得平衡，利润将随经营收入的增加而较快的增长[6]。

转子临界转速 －4 700r／min

汽轮机外形尺寸

（长×宽×高） 7 960×3 250×4 144mm

3.2 CB15－8.83／1.67／0.58汽轮机

汽轮机型号 CB15－8.83／1.67／0.58

汽轮机型式 单缸、单轴、冲动、抽汽背压式

额定功率 15 000kW／16 562kW

电网额定功率 50Hz

主汽门前额定蒸汽压力 8.83MPa

主汽门前额定蒸汽温度 535℃

额定进汽量／抽汽量／排汽量 127／50／74.2t／h

最大进汽量／抽汽量／排汽量 137／55／100.7t／h

纯背压工况进汽量／排汽量103.5／100.7t／h

抽汽压力（范围） 1.67（1.47～1.87）MPa

排汽压力 （范围） 0.58（0.46～0.78）MPa

额定抽汽工况排汽温度 241.4℃

转子旋转方向 面向机头看为顺时针

转自临界转速 －3 700r／min

汽轮机外形尺寸

（长×宽×高） 6 402×3 495×4 200mm

3.3 汽轮机型式

B25－8.83／4.02型汽轮机为高压冲动背压式，CB15－8.83／1.67／0.58型汽轮机为高压冲动抽汽背压式，均由单缸、单轴组成。两汽轮机通过刚性联轴器直接带动发电机。均属于热电两用机组。

4 热电联产中常见汽轮机的特点比较

4.1 背压式汽轮机

蒸汽在汽轮机内做功后，以高于大气压力被排入排汽室或集汽箱，以供热用户或工业用户用汽。这种汽轮机在热力系统中只有给水加热器，没有凝汽器，因而不存在冷源损失，热能利用率高。当它的排汽用于供热时，热能可得到充足使用，但这种汽轮机的功率与供热所需蒸汽量直接联系，因此这种机组生产的热、电是互相制约而不能单独调节的。因而机组在热负荷变化时，电负荷波动较大，且当流量偏离设计值较多时，机组的相对内效率显著下降，作功能力损失大。这种机组的主要优点是额定工况下的经济性好，节能效果显著。其次，它的构造简单，投资省，运行可靠。主要缺点是发电量取决于供热量，不能独立调节来同时满足热用户和电用户的需要。

4.2 抽汽背压式汽轮机

从汽轮机的中间级抽取局部蒸汽，供需要较高压力品级的热用户，同时保留了背压的排汽，供需要较低压力品级的热用户。这种机组的经济性与背压式机组相似，额定工况下的经济性较好，但对负荷改变的适应性差。

4.3 抽汽凝汽式汽轮机

抽凝式机组是从汽轮机中间级抽出部分蒸汽供热用户使用的凝汽式机组，这种机组的热负荷和电负荷有一定的调整范围，也就是说热和电在一定范围内是自由负荷，当热用户所需的蒸汽负荷猛然下降时，多余蒸汽可以通过汽轮机抽汽点以后的级持续膨胀发电。这种机组的长处是灵敏性较大，能在较大范围内同时满足热负荷和电负荷的需要。它的缺点是热经济性比背压式机组的差，并且辅机较多，价钱较贵，编制也较庞杂。

背压式汽轮机是国家推荐的节能型机组，热效率高达65%～70%，是一般机组不能相比的。主要是将发过电的低压蒸汽全部排出，供给热用户，而抽凝式汽轮机有很大部分低压蒸汽进入凝结器进行冷却，冷却后的蒸汽变成水再循环使用，大量的热能在冷却过程中浪费，热效率低仅为25%～35%。采用背压式汽轮机的热电联产是当前几种热力循环方式中最经济的一种。在热力发电厂中的凝汽式汽轮机组即使采用了高参数蒸汽和低压排汽凝结以及回热、再热等措施，其循环的热效率仍很低，一般很少超过42% 。

因此，热电联产是节能和改善环境的有效途径，而背压式汽轮机是热电联产设备中经济性较高的机型，在设计工况下运行，其发电煤耗仅为凝汽式机组的一半左右。从投资方面，凝汽机的投资比较高，要设置配套的空气冷却器、冷凝器、抽汽器等系列设施，自身有较大的动力消耗。

5 全背压汽轮机技术的社会效益和经济效益

由于背压式汽轮机将发过电的蒸汽全部排出，进入热网系统供给热用户，而抽凝式汽轮机有一部分低压蒸汽是冷却后进入除氧器再循环利用，热能在冷却中浪费，所以背压式汽轮机的节能效果显著，节能体现在蒸汽、水、电三个方面。根据相关数据计算分析，昆仑碱业公司的发电煤耗背压式机组在147gce／kWh，比一般凝汽发电机组的310gce／kWh降低了163gce／kWh，如果同样发电6 000 kWh比抽凝机节约蒸汽用煤0.978t，全年节煤7 824t，节省煤耗费用近300万元以上。背压式机组在工艺中取消了冷却程序、取消了凝结器，循环水泵和冷却塔改小，操作成本降低，节能降耗的效果良好。

由于历史原因，我国大容量锅炉和全背压汽轮机技术在高海拔地区还没有成功运行的先例，高原地区的空气特性对锅炉内燃料的燃烧和烟气的传热等会产生一定的影响。锅炉和汽轮机需作特殊设计才能满足性能要求。昆仑碱业公司100万t／a纯碱热电联产符合国家节能减排政策，该工程项目为热电联产，采用全背压汽轮机组，能量利用率高，在满足生产用汽的同时又获得了大量的电能，节省投资，降低成本，保护环境，带来巨大的社会效益和经济效益。经过昆仑碱业的生产操作，可实现稳定运行，降低了燃煤的消耗。