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提高汽轮机压力匹配器效率新技术
1. 概述
汽轮机压力匹配器用来改造凝汽机组为供热机组已被广泛应用。 数十台大型凝汽机组已成功改造为供热机组，其中包括135MW，200MW，600MW机组，并取得了很好的经济效益。
压力匹配器的优点是结构简单，不改变汽机本体便能实现供热的要求。但汽轮机压力匹配器存在变工况性能差，在汽机的工况发生变化时出现抽吸低压蒸汽量急剧减少等现象。再一个缺点是效率低，压力匹配器的基本原理是喷射器原理，高压蒸汽和低压蒸汽混合，两种能量品能不同汽体的混合，产生不可逆损失，占喷射器总损失的60%【1】，这种损失是喷射器所固有的。由于喷射器这种固有的损失，给提高喷射器效率带来困难。由不少研究工作者从改善喷射器内部流动来提高效率【2】，但效果不明显。
笔者认为提高压力匹配器的效率的有效措施是完善压力匹配器的运行控制及改进压力匹配器运行的热力系统。下面介绍这两方面技术的新发展。
2. 安装工况调节器
1） 利用工况调节器提高压力匹配器效率的理论技术依据
压力匹配器的通流部分有两个重要参数，对压力匹配器的性能影响较大，一个是
喷嘴的喉部面积，一个是混合的面积。
喷嘴的喉部面积的大小是由驱动蒸汽的临界流量决定的。在驱动蒸汽的流量确定以后，该值是唯一的。压力匹配器混合管的面积则是多种因素决定的，它受到驱动蒸汽参数,吸入蒸汽参数以及出口蒸汽参数的影响，还受到压力匹配器极限工况的影响。对于某一工况混合管的面积存在一个最佳值。混合管和喷咀喉部面积比：
=，而 ，因而是和的隐函数，可能有多个解。在给出附加条件后，可以确定的最佳值（这时）。在给定、、、、后，有一最佳值，这时引射系数为最大值，但是在变工况以后，上述参数变化，而不变，远离最佳值，使引射系数下降。如果能使随工况变化，则可以提升压力匹配器的经济性。我们通过计算，将不变和变化后的压力匹配器的热性线进行对比：计算的参数为驱动蒸汽3.0Mpa 400℃，吸入蒸汽0.3Mpa 380℃。

图1为曲线

从图看出，随工况变化，引射系数可以大幅度提高，同时扩展了压力匹配器的工作范围。在保持定值时最大引射系数为0.6，在出口压力为0.65Mpa时引射系数为零。使用工况调节器改变时，引射系数可达0.96以上。出口压力为0.75Mpa时引射系数为0.4。
2)安装工况调节器—新一代压力匹配器的试验结果（图2）
安装了工况调节器的新一代压力匹配器的模型在公司产品开发实验室进行了实验，在不同及的数值下改变测试值的变化，得到了下面的曲线：

＝试验曲线 实线为不安工况调节器 虚线为安装工况调节器实验曲线
=7.6 □=14.2 =21.6
图2：工况调节器性能实验曲线
新一代压力匹配器通过加装工况调节器，随工况改变混合管和喷咀的喉部面积比，使压力匹配器处在最佳工况下，也就是在蒸汽的驱动压力，吸入蒸汽的压力，输出压力及输出蒸汽流量变化时都能使压力匹配器最佳工况状态。
由于安装工况调节器，使压力匹配器总处在最佳状态下运行，消除了多喷嘴压力匹配器在流量变化时，喷嘴开度小于50%时不抽汽现象。因此提高了压力匹配器的运行效率。这种情况可在压力匹配器的特性线图上清楚看到。图中划阴影线的面积即为工况调节器少用的驱动蒸汽。
3. 安装蒸汽冷却器

1） 技术背景

在压力匹配器的供热系统中，高、低压蒸汽的比例是由输出蒸汽的压力决定的。高、低压蒸汽的比例决定以后，输出蒸汽的温度也就决定了。该温度一般高于热用户需求的温度，需要喷水减温。喷水减温造成不可逆损失，使热能利用率下降。
提高热能利用率，设想将吸入蒸汽冷却，特别是再热机组，作为压力匹配器吸入蒸汽的中压缸排汽温度高于高压缸排汽，过热度高达190℃如果将该蒸汽冷却到需要的温度，则可提高压力匹配器的引射系数u，因为u正比于,由于Th降低了，因而增加，u也增加。吸入蒸汽的冷却介质为主凝结水，主凝结水温度提高，减少了汽轮机的回热抽汽，增加了无煤耗发电量。
经计算分析，装与不装蒸汽冷却器的压力匹配器供热系统比较，可提高节能效益20%左右。

在压力匹配器供热系统中，加装“吸入蒸汽冷却器“，降低吸入蒸汽温度，使压力匹配器的效率提高。这是应用热力学理论在热电厂供汽领域中的新发展。
吸入蒸汽冷却器的冷却介质利用主凝结水，减少了汽轮机回热系统的抽汽量，使汽轮机增加无煤耗发电量（在不增加锅炉燃料量的情况下增加的发电量），这是将供热系统和回热系统相结合，是今后提高电厂效率，改造热力系统的措施之一。
吸入蒸汽冷却器的冷却介质—主凝结水，是部分凝结水，和参数相近的回热加热器并联或串联，视改造机组的安装空间而定。在运行中吸入蒸汽的量随工况的变化而变化。为了保持冷却介质—主凝结水的出口温度不变，在主凝结水到冷却器进口安装调节阀。
吸入蒸汽冷却器的冷却介质，也可以是减温水。两种冷却介质的连结系统图表示在图4和图5。

2）安装系统
装有“吸入蒸汽冷却器”的压力匹配器供热系统图如下图所示。高压蒸汽（驱动蒸汽）首先进入减温器，经喷水减温后进入压力匹配器，通过喷嘴形成高速汽流，将低压蒸气（被吸入蒸汽）吸入混合，升压达到热用户所需要的压力。低压蒸汽（吸入蒸汽）先经过“吸入蒸汽冷却器”，降温到需要的温度（最低为饱和温度），进入压力匹配器的吸入口。在压力匹配器吸入口管道要装有止回阀和截止阀。吸入蒸汽冷却器的冷却介质为汽轮机主凝结水。从主凝结水管道上分流一部分进入蒸汽冷却器。蒸汽冷却器和参数相近的回热加热器并联，在蒸汽冷却器的冷介质进口管道上装有调节阀，调节冷却介质水量，使出口蒸汽温度稳定。压力匹配器出口装有压力和温度变送器，将实测压力和温度值转换成4-20A的电流讯号传到DCS系统或电控箱，经PID调节程序运算，发出讯号给电动执行器9，开大或关小多芯针型调节阀3和减温水调节阀2，以保持压力匹配器出口蒸汽压力和温度稳定。图中的减温器1，要根据系统的热平衡计算，决定是否需要，有时可能不需要减温器。

吸入蒸汽进口安装蒸汽过热度冷却器，冷却介质是主凝结水及减温水的系统图见图4和图5。
3）安装蒸汽冷却器后效益分析：
假定安装与不安装蒸汽冷却器汽轮机进汽量相同，外供热量相同，我们对几个利用压力匹配器改供热的机组的例子，计算了加装蒸汽冷却器的效益。
一，某电厂，驱动蒸汽13.24MPa 535℃ ，
吸入蒸汽1.275MPa 428.3℃
输出蒸汽1.5MPa 280℃ 流量125t/h
减温水17.6MPa 180℃
不装蒸汽冷却器，供125t/h 17.6MPa 180℃蒸汽需驱动蒸汽26t/h，吸入蒸汽80.7t/h，减温水18.3t/h 。
装蒸汽冷却器，用减温水将吸入蒸汽从428.3℃冷却到200℃，这时供125t/h 1.275MPa 280℃蒸汽，需驱动蒸汽19.3t/h，吸入蒸汽。。。，减温水16.75t/h，加冷却器和不加冷却器方案相比，少用驱动蒸汽7.7t/h，多抽低压汽10t/h。
二， 某电厂汽轮机压力匹配器
驱动蒸汽 3.1MPa 315℃ ，吸入蒸汽0.85MPa 360℃
输出蒸汽 1.3MPa 260℃ 70t/h，减温水12MPa 186℃
供1.3 MPa 260℃ 70t/h蒸汽，需驱动蒸汽47.3t/h，吸入蒸汽18.9t/h，减温水3.8t/h。加装蒸汽冷却器，将吸入蒸汽冷却到180℃。减少回热抽汽3.5t/h。这时供70t/h 1.3MPa 260℃蒸汽，需驱动蒸汽43.6t/h，吸入蒸汽22.3t/h，减温水4.13t/h。

4， 用3G压力匹配器更换一，二代压力匹配器
鉴于3G压力匹配器的优点和一，二代压力匹配器的不足之处，如果用3G压力匹配器代替一，二代压力匹配器可以提高效率10—30%。用3G压力匹配器代替一，二代压力匹配器有下面几种方式：
1） 全部更换：将原有的压力匹配器拆除，用新制造的3G压力匹配器代替。原有的接口尺寸和安装位置基本上不变，原有的电动执行器和压力和温度变送器都可以使用。需新装PLc控制器，或在DCS系统新装软件，并在吸入蒸汽进口安装蒸汽冷却器。
2） 单装工况调节器
如果原有的压力匹配器是单喷嘴的，并且运行中流量变化较大，原有的压力匹配器基本上不动，加装工况调节器及PLC调节器，可以大幅度提高压力匹配器的运行范围。提高低压蒸汽抽汽量。
3） 单装吸入蒸汽冷却器
根据上节所述安装吸入蒸汽冷却器，原有的压力匹配器和自控系统基本上保持不变，只需在蒸汽管道安装汽—水换热器，将减温水加热。根据减温水的压力和温度情况，决定是否再增加其他设备。
结论
根据理论分析及实验结果，证明安装了工况调节器的新一代压力匹配器大大提高了压力匹配器的工作范围，特别适合于大型凝汽机组改造成供热机组。大型凝汽式机组没有专门的供热抽汽口，用压力匹配器不同抽汽口的蒸汽混合，匹配压力是改为供热机组比较实用的方法。由于大型凝汽机组的电负荷变化使各抽汽口的参数变化常使压力匹配器效率下降。加装工况调节器以后，可使压力匹配器在汽轮机变工况运行时保证在最佳效率状态。比不装工况调节器，可使压力匹配器运行效率提高10~30%。
近日安装工况调节器的压力匹配器即将投放市场，为节能减排做出贡献。
在用压力匹配器供热系统中，吸入蒸汽是过热蒸汽时，应考虑加装蒸汽冷却器。冷却介质是利用主凝结水，还是减温水？要通过技术经济分折确定。

参考文献
[1] 宋之平等 节能原理 水利电力出版社 1985年
[2] 东方汽轮机有限公司 王喜华等 蒸汽喷射器数值计算及实验研究 大机组供热改造与优化运行技术2012年会论文集
[3] 王汝武 中国石化勘探设计协会热工专工会2012年会论文集 新一代压力匹配器（3G压力匹配器）