辽宁飞鸿达蒸汽节能设备有限公司 王汝武 【13909887090@163.com】
提要：随着可再生能源发电技术的推广，传统的热力发电（通过热能转化成电能）规模逐渐缩小，但热力发电有其他发电方式不可代替的有点——实现热电联产。
如何实现各种参数的供热要求，是汽轮机设计制造的一个难题。通过汽轮机和压力匹配器的联合运行，可实现各种供热参数的全覆盖。本文介绍了从高参数（10Mpa 550℃）到低参数（0.07 Mpa 饱和蒸汽）各种供热方式的系统和经济性。
关键词：热力发电、压力匹配器、热电联产、动力蒸汽、工业加热用汽、采暖生活用汽。
一．概述：联合国气候保护巴黎会议以后，世界各国加速了减排温室气体的步伐。在发电领域用风电及太阳能发电有了飞速的发展，随着可再生能源发电技术的推广，传统的热力发电（通过热能转化成电能）的规模逐渐缩小，但热力发电有其他发电方式不可替代的有点——实现热电联产。热电联产是目前一次能源向二次能源转换效率较高的方式。目前世界上最现好的发电装置能量利用效率为45%左右，而热电联产的效率可达到80-90%。可大规模地减少能源消耗。
目前社会利用的能量最终多数以电能及热能的形式消耗的。只生产电能，也需要将部分电能转化后再利用，但这样大大降低了能源利用效率。
热力发电的一个固有的优点是可以实现热电联产，先发电后供热，也就是高品位的热能用于发电，低品位的热量用于供热，实现了热能的梯级利用，最大限度地提高了能源利用率。
热力发电的一次能源大多是矿物质燃料（煤、石油及天然气），少数是核燃料。根据热力学第二定律（卡诺循环）热能转变成机械能（电能），热能的温度越高，效率越高。因此现代的热力发电站都是大容量、高参数，汽轮发电机的单机容量达到1000MW以上，蒸汽参数为超超临界24 Mpa 600℃。这种电站的能源利用率及环保水平都高于原有的亚临界机组，原有的小于300MW的机组，都将逐渐被淘汰。这些小于300MW的机组，有的是企业自备电站（钢铁、石化、造纸等行业），也有区域热电站。因此这些电站的电负荷和热负荷，也要由超临界机组承担。热电机组的供热范围大大扩大了。
根据目前热负荷的需要，热电厂供热的蒸汽，大致可分为三个种类：
a.动力蒸汽：如上所述，随着企业自备电厂的关闭，原有的拖动风机、压缩机、水泵的汽机就没有了汽源。这部分拖动汽轮机的用汽参数，有的高达10MPa 540℃的，这部分拖动汽机的用汽，就需要热电厂供应。
动力用蒸汽的压力在3.0-10.0 MPa 400-550℃。
b.工业加热用蒸汽：很多工业的生产工艺需要用蒸汽加热，比如石化工业的炼油厂、化工厂（乙烯、化肥、腈纶等）、造纸厂、印染厂等。这类工业用热蒸汽的压力为0.5-2.0 MPa 180-300℃。
c.采暖及生活用汽：采暖及生活一般需要低压蒸汽0.07-0.5 Mpa, 65-180℃的蒸汽。
我国三北地区大多用燃煤小锅炉及小型热电厂的蒸汽采暖，由于燃煤除尘设备的不健全造成了严重的环境污染。雾霾加剧，影响了人们的健康。为了改善环境，需要实现大规模集中供热。大型热力发电厂也是最合适的热源。为了提高热能利用率，还可以利用热电厂排出的废热。
采暖及生活用热最终都以热水为媒体。蒸汽加热水的加热器一般放在电厂。不存在蒸汽长距离输送的阻力，这为采暖负荷利用低压蒸汽及汽机的排汽创造了条件。
二．实现各类供热的压力匹配器方案：
1.动力蒸汽的供热方案
由于动力蒸汽的参数较高，3.0-10MPa 400-550℃，一般使用压力匹配器的供热方案是利用新蒸汽抽吸热再蒸汽。在供热蒸汽温度低于500℃时，供热蒸汽压力低于5 Mpa时，该方案是可以实现的，并有较好经济效益. 但随着供热蒸汽压力的提高,新蒸汽的膨胀比逐渐缩小，而热再蒸汽的升压比逐渐增大，抽吸热再蒸汽的量逐渐减少。随着热再蒸汽抽吸量的逐渐减少，输出蒸汽的焓值逐渐下降，在要求的某一压力、达到某一温度, 有时不能满足供热的要求。由于新蒸汽的焓值低于热再蒸汽的焓值，因此用新蒸汽减压，也达不到供热蒸汽的要求。在此情况下，可将温度低于供热蒸汽要求的混合蒸汽引到锅炉再热器，将混合蒸汽加热到供热蒸汽的温度。压力匹配器供动力蒸的系统图如图2-1所示. 图2-1压力匹配器动力蒸汽供热系统图,a温度可以满足;b通过再热器达到供热温度。
这一措施就解决了热电站供不了高压高温蒸汽的问题。
2.工业加热蒸汽的压力匹配器供热方案
工业加热用蒸汽一般在0.5-2 Mpa，温度180-300℃.能用该参数的压力匹配器方案，一般是用冷排蒸汽抽吸中压缸排汽。在个别工况下，也可以通过高排或中压缸直供。供工业加热蒸汽的压力匹配器系统图如图2-2所示。
3.采暖及民用蒸汽压力匹配器的供热方案
采暖蒸汽的范围为0.07-0.5 MPa 65-180℃蒸汽。
0.07MPa 65℃的低压蒸汽是指凝汽机组低真空运行的参数。
0.5MPa 180℃是在电站供130-150℃高温水时供热参数。
由于采暖用汽需要低压蒸汽，这就为回收汽轮机的冷源损失提供了回收的机会。在目前利用汽机冷源损失采暖的方案很多，有低背压式（包含双转子式），低真空加抽汽以及溴化锂吸收热泵。
低背压运行要将原凝汽机组压于转子去掉后面几级，背压0.3 Mpa，考虑到非采暖期运行，要求搞成双转子，在采暖期和非采暖期更换。该方案有两个缺点，一是要以热定电，限制了机组运行的灵活性，二是更换转子带来的工作量。
低真空运行加抽汽，是将凝汽器的压力，根据汽机末级片强度的许可条件，提高到某一压力，例如0.012-0.03Mpa末级叶片长度大允许的压力低。如果能提高到0.03 Mpa，可能将采暖回水加热到62℃左右，如果低真空运行压力为0.012 Mpa ,不能将采暖回水加热。这给采暖利用发电废热带来了困难，如果利用蒸汽喷射器，用0.3-0.5 Mpa低压抽汽将部分汽机排汽，升压到0.03 Mpa则可以将回水加热到62℃左右，这样就利用了部分或全部利用汽机排汽用于采暖，并提高了机组的效益和运行灵活性。
冷却吸入蒸汽的冷媒适用主凝结水。对于冷却再热蒸汽的冷媒，选用在末级回加热器前抽出部分主凝水，进入吸入蒸汽冷却器，将吸入蒸汽温度降到饱和温度，这样可以最大限度降低传热温差，减少末级高压的抽汽量，增加发电量。该措施一举两得，既增加了压力匹配器的抽汽量，又减少高压抽汽量，可以使机组效率大幅度提高。吸入蒸汽冷却器的热力系统图2-4所示：
三.3G压力匹配器
上面叙述了压力匹配器在各种供热参数下的应用系统，为了提高压力匹配器的运行效率，压力匹配器有不同的结构，有单喷咀及多喷咀结构，输出流量变化不大适用单喷咀压力匹配器。在输出流量变化较大时，适用多喷咀压力匹配器。决定压力匹配器运行效率的工况参数，除了流量的变化还有驱动及吸入蒸汽参数的变化，这在热力发电厂是经常发生的。
随着汽机的电负荷的变化，各级抽汽参数都发生变化。在流量和压力、温度都发生变化时，压力匹配器的效率会急剧下降，直到不吸入低压蒸汽。在这种情况下应适用3G压力匹配器。
影响压力匹配器效率的最主要结构参数是喷咀喉部和混合管的面积比，对应不同的压力和温度，最佳面积比是不同的，为了随着蒸汽参数变化，保持最佳面积比，喷咀喉部及混合管面积都做成可变的。相对于单喷咀，多喷咀压力匹配器，面积比可变的压力匹配器是第三代了，所以称之为3G压力匹配器。3G压力匹配器可适用于最复杂的运行工况。流量和压力、温度都变化较大的工况。
一般来讲，输出蒸汽流量,驱动及吸入蒸汽参数都变化不大的情况下，可适用单喷咀压力匹配器，输出蒸汽流量变化较大, 而驱动及吸入蒸汽压力和温度变化不大（不超过20%）可适用多喷咀压力匹配器，在所有参数都变化较大时，应选用3G压力匹配器。
小结：通过上诉分析，用压力匹配器可以实现从高压蒸汽（10 MPa , 550℃）到低压蒸汽（0.03 Mpa饱和汽）供热的全覆盖，并具有较好的热效率。
参考文献：
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【4】周学光：关于双功能（抽凝式与背压式）汽轮机运行和经济性分析
【5】王汝武：新一代压力匹配器【3G压力匹配器】全国化工热工设计技术中心站2012年会文集