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抽汽凝汽式中小型电站汽轮机
中国长江动力公司（集团） 梅政文 丛靖 陶跃平

摘要
抽汽式汽轮机是热电联供式电站汽轮机的典型代表。抽汽式汽轮机以其电厂循环热效率高、运行方式灵活的特点，有了很大的市场空间。抽汽式汽轮机的抽汽量的提高可以很明显地提高汽轮机的循环热效率，又正是有了抽汽的存在，造成抽汽式汽轮机在设计上与凝汽式汽轮机有很大的不同，既要考虑电厂运行的热经济性，更需要从安全性的角度出发，慎重地选择汽轮机的最大抽汽量。
关键词：热电联供、热力系统、循环热效率、最大抽汽量、调节级、低压级组
一、 前言
热电联供机组在生产电力的同时向用户供热，不仅能够满足用户对电力的需求，而且能够满足供热的需要，市场适应性大大提高。更为重要的是，热电联供机组的净热耗率较同型式的凝汽式机组大为提高，顺应了国家提倡的“节约能源、重视环保”的政策大势，因而得到了广泛的应用，市场空间很大。
电站用热电联供式汽轮机品种、类别很多，通常可以简分为两大类：抽汽凝汽式汽轮机和背压式汽轮机。
背压式汽轮机是供热效果最好、经济性最高的一种机型。但由于其完全的“以热定电”运行方式，受到制约的条件较多，一般要与特定的工业生产线配套使用。
抽汽凝汽式汽轮机则不同，其供热量虽然有一定的限制，但是运行方式灵活，适应范围广，因此很受欢迎。本文主要研究抽汽凝汽式汽轮机在设计、制造方面的一些主要问题。
二、 热电联供式汽轮发电机组的循环热效率
汽轮发电机组是能的转换装置。如何有效地利用能源，最大限度地降低汽轮发电机组的净热耗率就成了汽轮发电机组的主要问题了。
决定热电联供式汽轮发电机组的净热耗率的因素，主要有两方面：
首先是热力系统的设计。而热力系统通常是由热电厂的工艺系统决定的，热电厂选用汽轮发电机组时，一般都是根据电厂的热用户情况来确定其工艺系统的，虽然汽轮发电机组的循环效率也是其考虑的主要因素之一，但是其考虑的主要问题还是如何适应其热用户的需要。可以这样说，一台发电容量确定了的汽轮发电机组到底要抽什么压力等级的汽，抽多少汽，实际上不是由汽轮机制造厂家根据汽轮机的实际抽汽能力和如何更好地提高循环热效率来确定的，因此汽轮机制造厂只能在满足用户需要的前提下进行合理的选择。
其次是提高汽轮机的相对内效率。在热电厂的工艺系统确定之后，如何根据系统要求进行汽轮机设计，如何在保证汽轮机安全稳定运行的前提下，提高汽轮机相对内效率，是抽汽凝汽式汽轮机设计、制造的核心任务。
前面提到过，热电联供式汽轮发电机组的净热耗率首先取决于热力系统的设计。下面以中国长江动力公司（集团）生产的最具代表性的50MW高温、高压单抽汽式汽轮机（C50-8.83/0.98）为例，分析热电联供式汽轮发电机组在不同抽汽量工况下净热耗率、电厂循环热效率、电厂发电煤耗等的变化规律。
机组型号： C50-8.83/0.98
进汽压力/温度： 8.83MPa(a)/535℃
为方便比较，将下列影响汽轮机汽耗率、热耗率及机组循环热效率的参数全部统一起来：
汽轮机机械损失： 2%
发电机效率： 97%
排汽背压： 0.0050MPa
锅炉给水温度： 200℃
锅炉效率： 91%
表1： C50-8.83/0.98型抽汽凝汽式汽轮机各工况性能指标一览表
项目
单位
抽汽量 t/h
0
20
50
62
69
100
150
进汽量
t/h
185.43
204.6
217.5
225.3
230.0
250.65
285.4
排汽量
t/h
136.2
120.1
109.6
103.3
99.8
84.0
59.8
汽耗率
kg/kWh
3.708
4.091
4.350
4.506
4.599
5.013
5.708
净热耗率
kJ/kWh
9703.8
8948.0
8456.6
8167.3
8003.0
7283.2
6197.5
机组循环热效率
%
33.76
45.54
52.17
55.75
57.71
65.45
75.17
热电比
%
0
48.83
81.27
100.69
111.99
162.06
242.73
发电煤耗
g/kWh
363.85
335.51
317.08
306.24
300.00
273.09
232.38
上表列出了在目前的国家能源政策下，事关汽轮机能否投产运行的几个重要数据：
1. 机组循环热效率是汽轮发电机组最为重要的数据，国家规定其不得低于45%，从上表可清楚地看到，只要汽轮机抽汽量达到了20t/h，机组循环热效率就达到了45.54%；
2. 汽轮机热电比：当汽轮机抽汽量达到62t/h时，汽轮机热电比为100.69%，符合国家要求的热电比为100%以上的要求；
3. 汽轮机发电煤耗：当汽轮机抽汽量达到69t/h时，汽轮机的发电煤耗为300g/kWh，达到国家规定的新上机组发电煤耗不得超过300g/kWh的标准。300g/kWh的煤耗标准，相当于一台150MW、超高压、一次中间再热凝汽式汽轮发电机组的效率标准。
从上面的分析可以看出，抽汽对提高热电联供式汽轮发电机组的效率的意义是十分巨大的。凝汽式汽轮机的循环热效率仅为30%~40%，在过去的几十年中，任由怎样提高汽轮机通流部分设计技术与制造工艺，其效率的提高也没有超过5%。而从上表可以看出，该型汽轮机，抽汽量每增加10t/h，机组的循环热效率就提高了3%以上。
造成这一现象的主要原因在于，在电站锅炉---汽轮机发电机组的热循环系统中，汽轮机端的冷源损失是最大的损失源。
以本机为例，在凝汽工况时：
汽轮机进汽焓： 3475.0kJ/kg
汽轮机排汽焓： 2340.4kJ/kg
蒸汽在汽轮机内的总有效焓降仅为： 3475.0-2340.4=1134.6kJ/kg
占蒸汽总焓的： 1134.6/3475.0=32.65%
由此可以看出：如果汽轮机循环为最原始的卡诺循环，则循环热效率永远不会超过33%！抽汽凝汽式汽轮机循环热效率大大提高的主要原因就在于：由于抽汽的存在，致使排入汽轮机凝汽器的蒸汽量大幅降低，从而有效地降低了冷源损失，提高了机组的循环热效率。

三、 抽汽凝汽式电站汽轮机设计要点
抽汽凝汽式电站汽轮机由于有了抽汽，可以大幅提高汽轮机循环热效率，其优点是不言自明的。同时，也正是有了抽汽的存在，使得抽汽凝汽式汽轮机在设计方面与凝汽式汽轮机相比，有了很大的不同。
众所周知，抽汽凝汽式汽轮机一般都是在同容量的凝汽式汽轮机的基础上改型设计而来的。
通常的设计方式是：在凝汽式汽轮机的基础上，在额定工况下，选定一个级前压力与所要求的抽汽压力相近的级，将其进行改型设计，变为抽汽调节级；其后的压力级组可以定义为低压级组，与原凝汽机一致，不作改动；其前的压力级组定义为高压级组，由于最大抽汽量决定了汽轮机的最大进汽量，因此高压级组的通流面积要与汽轮机最大进汽量匹配，通常均需进行重新设计；最后是进汽调节级的设计。
由于有了抽汽的存在，抽汽式汽轮机与凝汽式汽轮机相比，在设计中要考虑的因素更多，总结起来有如下几个方面：
3.1 进汽调节级的设计
通常的凝汽式汽轮机，进汽调节级一般选定为单列调节级，主要取其级效率较高的优点。但是，单列调节级也有其自身的缺点：单列调节级仅在比较窄的流量区段内保持较高的通流效率，当进汽流量低于额定流量时，其通流效率下降得非常剧烈，并且由于调节级流量的变化，造成调节级焓降变化增大，当焓降增加到一定程度（一般为150kJ）时，会造成单列调节级出现安全性问题。
与凝汽式汽轮机相比，抽汽式汽轮机进汽量在不同的工况变化非常大，从表1可以看出，抽汽式汽轮机额定凝汽工况的进汽量为185.43t/h，而在抽汽150t/h工况时，其进汽量为285.4t/h，进汽量提高了53.91%。这还是单抽汽式汽轮机，对于双抽汽式汽轮机来说，提高的幅度更大，有的提高了100%以上。这样大的提高幅度，要求汽轮机进汽调节级不但要在不同的进汽量时均保持较高的级效率，更要求它能够安全运行。因此，在大部分情况下，双列调节级是唯一的选择。
抽汽凝汽式汽轮机进汽调节级的设计涉及到热力、强度计算的方方面面，在此不作深入的讨论。
3.2 轴向推力
汽轮机运行过程中，汽轮机转子各部分受沿汽流方向的蒸汽力作用，构成转子上的轴向推力。
作用在推力轴承上的轴向推力随着汽轮机的工况变化而变化，因为此时各级的压力分配和动叶的反动度发生变化。对于凝汽式汽轮机，轴向推力与流量成正比，最大工况时，轴向推力达到最大。
表2：典型凝汽式汽轮机额定工况轴向推力一览表

N6-3.43/435
N12-3.43/435
N25-3.43/435
N30-8.83/535
N50-3.43/535
推力值 t
5.5
8.3
13.6
15.8
17.5
凝汽式汽轮机在部分负荷工况时，轴向推力与进汽流量成近似线性比例变化，规律清晰，对于汽轮机设计来说，选定合适的推力轴承是一件不算困难的事。
抽汽式汽轮机则不然，在大部分情况下，由于其轴向推力变化较大，往往成为抽汽式汽轮机的设计重点。
对于抽汽式汽轮机，在抽汽工况下存在以下情况：
抽汽点后的几级流量减小，导致这几级的轴向推力减小，抽汽量越大，减小的幅度越大；
调节级后压力增大，抽汽点前的几级压力差减小，故抽汽点前几级的轴向推力也减小；
调节级后压力增大，平衡活塞两侧压力差增大，从而增强了平衡活塞的平衡能力。
由此可见，抽汽式汽轮机在抽汽工况下正向推力减小，负向推力增大，导致计算出最大抽汽工况下总的轴向推力很小或为零。另外，通流部分在制造中出现的允许偏差，会使设计的反动度发生变化。而且这个变化值足以造成较大的正向或反向推力。由此可能产生负推力。为了避免这一现象的发生，通常要保证抽汽式汽轮机最大抽汽工况下的轴向推力不小于5吨。
因此，在额定凝汽工况下，通常要将抽汽式汽轮机的轴向推力值取得更大一点，以保证汽轮机在最大抽汽工况下有足够的正推力。
由于凝汽工况的最大正推力不能无限大，受汽轮机推力盘结构等因素的影响，一般最大值不可超过23t，否则会因轴向推力过大，引起推力瓦温过高。
实践证明，即使如此，在很多情况下，还是无法保证抽汽式汽轮机在抽汽工况下转子的轴向推力不出现负值。图3.1是某汽轮机前汽封处轴向推力平衡活塞示意图，图中：P1为汽轮机调节级后的压力，P2为该汽封漏汽所接至的压力容器的压力值，一般为汽轮机末级低加。
当汽轮机在最大抽汽量工况运行时，进汽量达到最大，P1达到最大；由于抽汽量达到最大，汽轮机抽汽调节级后流量达到最小，所以，P2达到最小，这样平衡活塞的平衡能力达到最大，因而汽轮机转子的轴向推力达到最低。以C50-8.83/0.98型抽汽式汽轮机为例：
活塞外径为dx=Φ640mm，活塞前轴径d1=Φ438mm，活塞后调节级轴径封直径d2=Φ590mm
在最大抽汽量150t/h抽汽工况时，P1=6.3MPa，P2=0.0166MPa，这样，
该活塞绝对正向推力为：P2*π*（dx2-d12）/4/10000=0.27t
该活塞绝对后向推力为：P1*π*（dx2-d22）/4/10000=24.13t
该活塞产生的反向推力为24.13-0.27=23.86t。
此时，如果改变P2的压力源，例如，将它从末级低加改接至除氧器前的低加处，则P2=0.3104MPa。
则该活塞的绝对正向推力为：P2*π*（dx2-d12）/4/10000=4.98t
该活塞所产生的反向推力降低了：4.98-0.27=4.71t，由此可见整个转子的正向推力增加了4.71t，从而解决了汽轮机在大抽汽量工况下轴向推力过小的问题。
3.3 抽汽凝汽式汽轮机低压级组与汽轮机的最大抽汽量问题
通常为使抽汽凝汽式汽轮机在凝汽工况下能够达到额定出力，甚至超出力，一般低压级组完全借用凝汽式汽轮机的低压级组。包括汽轮机后汽缸、后汽封、凝汽器等相关部套也都沿用了凝汽式汽轮机的全部部套，这也是目前业内抽汽式汽轮机设计的最大特色之一。
汽轮机低压级组的这种设计，其最大的优点是能够保证抽汽式汽轮机在所有抽汽停止时，仍然能够发出额定功率。在很多北方地区，抽汽压力在0.118~0.98MPa之间的抽汽一般都是用于冬季采暖抽汽，这些汽轮机在夏季都是纯冷凝运行，因此目前抽汽凝汽式汽轮机低压级组（包括凝汽器、低压加热器等）均借用同容量凝汽式汽轮机的通用部套。
我公司在近十余年来，设计了功率等级从6MW~150MW、进汽压力从0.98MPa~13.24MPa、抽汽压力从0.118~6.4MPa的各种单抽、双抽式汽轮机，其中最为普遍的一个共性问题就是最大抽汽量问题。从使用者的角度出发，总是希望抽汽量越大越好，并且很多用户甚至片面地认为，抽汽量越大的汽轮机，肯定是性能更为优越的汽轮机。其实，这里面存在很大的误区。下面从两方面分析汽轮机最大抽汽量问题。
3.3.1 汽轮机最大抽汽量时的安全性问题
影响汽轮机最大抽汽量的最为主要的问题就是低压级组的冷却流量问题。前面说过，抽汽式汽轮机的低压级组借用了凝汽式汽轮机的最后几级，当汽轮机抽汽量大到一定程度的时候，就会出现所谓的小容积流量工况，这与汽轮机负荷大幅度下降（包括带厂用电运行及空载）以及为利用汽轮机排汽供热而提高其背压运行时所出现的小容积流量工况的原理是一致的。
当汽轮机在小容积流量下运行时，会出现叶片振动应力升高，转子和静子被加热，末级动叶出口力受到水珠冲蚀，级的有效功率可能是负值等现象，这将影响到汽轮机的安全性与经济性。
通过我们的分析计算，为保证汽轮机在最大抽汽量工况下安全运行，抽汽式汽轮机的最大抽汽量的确定跟汽轮机的功率等级、抽汽压力大小、循环水温度的高低等密切相关，总结起来，有以下几条定性的规律：
1. 功率越大的汽轮机，可能的抽汽量越大。这是因为汽轮机的抽汽量与进汽流量之间存在某种比例关系，功率越大的汽轮机，其总进汽量也越大，因而其抽汽量也就越大；
2. 抽汽压力越高的汽轮机，抽汽量也越大。抽汽压力高，说明所抽出的这部分蒸汽在汽轮机内作功也越小，抽汽量的增大，对汽轮机功率的影响较小；如果汽轮机抽汽压力低，则由于抽汽比容的关系，有时抽汽口会特别大，甚至受到汽缸结构的原因而无法抽出；
3. 在其它参级都确定的情况下，汽轮机循环水的进水温度对抽汽量的影响也比较大，当循环水温度较高时，汽轮机排汽压力也比较高，从而排汽比容小，引起小容积流量工况，限制了抽汽量的进一步加大。
3.3.2 汽轮机最大抽汽量的经济性问题
汽轮机用户确定汽轮机最大抽汽量的依据往往是根据对热用户的预测，或者仅仅是为了留有余地。因此在大部分情况下，用户确定的最大进汽量均超过了实际需要，也就是说，抽汽式汽轮机实际运行工况往往都偏离了最大抽汽量工况。这样带来了很大的热损失。
很显然，当汽轮机的抽汽量越大时，汽轮机的最大进汽量也越大。为适应最大进汽量，汽轮机抽汽级前的压力级组与进汽调节级均需按最大进汽量工况进行设计。一旦汽轮机偏离了最大抽汽量，则整个高压级组均偏离了最佳流量工况，造成级效率的降低；同时，由于高压级组进汽流量的减少，造成进汽调节级的焓降急剧增大，而进汽调节级的级效率是整个汽轮机级中效率最低的一级。使整机循环热效率大大降低。汽轮机制造厂在与用户洽谈技术协议时，有义务与用户解释最大抽汽量与汽轮机经济性的辩证关系，片面地认为抽汽量越大，汽轮机性能越优良是有违汽轮机基本原理的。
四、 结论
抽汽凝汽式汽轮机以其经济性好、运行方式灵活的优点，获得了很大的市场空间。中国长江动力公司（集团）多年来致力于抽汽凝汽式汽轮机的开发与设计工作，在抽汽凝汽式汽轮机的电功率、进汽参数、抽汽量，以及进汽调节级、抽汽调节级、高压级组、低压级组等方面领域积累了许多经验，使得其设计制造的抽汽凝汽式汽轮机获得了较多的市场份额，取得了不错的成绩。当然，抽汽凝汽式电站汽轮机在许多方面，如：调节控制系统、低压级组的设计、进汽调节级与抽汽调节级等尚有很多值得深入研究的地方。这也是我们不断努力、继续创新的不竭动力。

参考文件
1. 重庆大学、西安交通大学等主编，《汽轮机原理》，水利电力出版社，1991
2. [瑞士]特劳佩尔著，《热力透平机》第一卷，张洪瀛等译，水利电力出版社，1985
3. 中国长江动力公司（集团），供热汽轮机研究所，《汽轮机热力计算书》