汽輪機熱力性能

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汽輪機熱力性能
steam turbine performance

   汽輪機裝置(包括汽輪機、凝汽器和給水加熱器等)的熱力性能，包括熱耗率和熱效率，主要與采用的熱力系統有關。
   熱力系統  圖1[300兆瓦汽輪機裝置熱力系統示意圖]為采用再熱的 300兆瓦凝汽式汽輪機裝置的熱力系統示意圖。來自鍋爐的蒸汽經蒸汽室進入高壓缸膨脹作功。高壓缸的排汽,除小部分通往給水加熱器加熱給水外,其余的通往再熱器。蒸汽在再熱器中再熱后，通往中壓缸繼續膨脹作功。中壓缸的排汽，除小部分流向驅動給水泵的小汽輪機和除氧器外，其余流入雙流結構的低壓缸作功。低壓缸的排汽和小汽輪機排汽一起進入凝汽器凝結成水。
   為了提高循環熱效率，從汽輪機中間級抽出一部分作過功的蒸汽，分別送入各給水加熱器逐步加熱凝結水。圖 [300兆瓦汽輪機裝置熱力系統示意圖]中除軸封加熱器外，共有8臺加熱器，其中1臺為除氧器，它是混合式加熱器，由抽汽將凝結水加熱到飽和溫度，以除去溶解在水中的氧，防止設備腐蝕；其余 7臺均為表面式加熱器。從凝結水泵出口到給水泵前這段管路上的加熱器承受低水壓，稱為低壓加熱器；給水泵后的加熱器承受高水壓，稱為高壓加熱器。給水泵將通過低壓加熱器的凝結水升壓，再經高壓加熱器將給水加熱后送往鍋爐；另有很小部分給水從給水泵出口直接送往鍋爐，用于噴水調節過熱蒸汽溫度。
   各高壓加熱器中抽汽的凝結水（疏水）從抽汽壓力較高的加熱器逐級排入壓力較低的加熱器，并在其中放出一部分熱量，最后排入除氧器。低壓加熱器也同樣逐級排出疏水，最后排入凝汽器。
   熱力性能  汽輪機裝置的熱力性能用熱耗率和熱效率表示。汽輪機裝置的熱耗率為每輸出單位機械功所耗的蒸汽熱量。熱效率是輸出機械功與所耗蒸汽熱量之比。電站汽輪機裝置的熱耗率和熱效率是按發電機輸出單位功計算的，已考慮了發電機效率。為了進行熱力性能計算，必須列出各部分的熱力系統熱平衡方程，因此熱力性能計算也稱熱平衡計算。
   以圖1 [300兆瓦汽輪機裝置熱力系統示意圖]中6號加熱器為例,每個加熱器的熱平衡計算方法如下流入加熱器管中的凝結水流量為，溫度為W,焓為H W。加熱后流出時溫度為W，焓為H W。流入加熱器并在管外流動的抽汽量為6，壓力為6，焓為H6。5號加熱器疏水流入6號加熱器的流量為[qms]5，焓為H S5,6號加熱器的疏水流量為[qms]6，焓為H S6 。相應的熱量平衡方程為
·(H W-H W)=6·H6+[qms]5·H S5-[qms]6·H S6 如果只有抽汽量6為未知值，即可解出
6=[·(H W-H W)-[qms]5·H S5+[qms]6·H S6]/H6
   如果分別對各加熱器列出類似的熱平衡方程，求解后即可得出各段抽汽量，從而可得出通過汽輪機各級的蒸汽流量和相應的功率，算出汽輪機的總功率。
   對于圖1[300兆瓦汽輪機裝置熱力系統示意圖]的循環，發出功率為額定功率 300兆瓦，汽輪機裝置熱耗率為8080.5焦／(瓦·時)，熱效率為44.5％。對于整個電站,還要考慮鍋爐效率和廠用電,因此電站熱耗率比單獨汽輪機裝置的熱耗率高。如果廠用電占輸出功率的 5％，鍋爐效率為90％，則相應電站熱耗率為8080.5/(0.95×0.9)=9450焦／（瓦·時），電站熱效率為 3600/9450=38.1％。
   影響熱效率的因素  汽輪機裝置的熱效率最高可達40％左右。提高汽輪機裝置熱效率的問題一直受到人們重視。熱效率的水平主要取決于理想循環熱效率（不考慮汽輪機損失）和汽輪機內效率。由熱力學第二定律已知，理想循環的熱效率決定于循環的平均吸熱溫度和平均放熱溫度。平均吸熱溫度越高,平均放熱溫度越低,則理想循環的熱效率越高。影響汽輪機裝置熱效率的主要因素有新蒸汽參數、排汽壓力、給水回熱和再熱循環。
   ① 新蒸汽參數:在排汽壓力相同的情況下，不同的新蒸汽參數對理想循環熱效率的影響不同（圖2 [新蒸汽參數對理想循環熱效率的影響]）。當新蒸汽壓力0不變時,提高新蒸汽溫度0 會使平均吸熱溫度增高,使理想循環熱效率提高；同時由于進汽比容增大和排汽濕度減少,汽輪機的內效率也有所提高提高新蒸汽溫度受到耐熱鋼的性能和價格的限制，一般采用535～565℃。當新蒸汽溫度不變時，提高壓力也可提高理想循環熱效率,但是過分提高壓力反而會使理想循環熱效率降低;同時由于進汽比容減小和排汽濕度增大，汽輪機的內效率降低。壓力的提高還受汽輪機末級容許濕度(12～14％)的限制。在一定的蒸汽溫度下，通常有一個最佳的壓力，這時理想循環熱效率最高。
   ② 排汽壓力（背壓）:在新蒸汽參數相同的情況下，降低汽輪機的背壓會使平均放熱溫度降低，理想循環熱效率提高（圖3 [背壓對理想循環熱效率的影響]）。降低背壓一方面受到自然條件（如冷卻水源和水溫）的限制，另一方面將使排汽比容增大，汽輪機末級葉片和凝汽器的尺寸相應增大，增加投資。因此，合理的背壓必須根據技術經濟比較加以選用。凝汽式電站汽輪機的排汽壓力,在冷卻水溫為20℃時常用0.005～0.006兆帕,在冷卻水溫為 27℃時常用0.007～0.008兆帕。
   ③ 給水回熱:圖1[300兆瓦汽輪機裝置熱力系統示意圖]中的給水加熱方法稱為給水回熱。在新蒸汽參數、背壓和功率不變的條件下，給水回熱會使進汽量增加而排汽量減少，因而能減少凝汽器冷卻水帶走的熱量損失（冷源損失），提高理想循環熱效率。給水回熱的經濟性主要決定于給水的最終溫度和回熱級數（圖4 [給水溫度對理想循環熱效率的影響]）。圖[給水溫度對理想循環熱效率的影響]中橫坐標為給水溫升與最大可能溫升之比(給水溫升比)，縱坐標為理想循環采用回熱后熱耗的降低與最大可能降低值之比（熱耗降低相對值）。從圖中可以看出，對于給定的回熱級數，給水溫度有一最佳值。實際采用的給水溫度往往低于理論最佳值，因為提高給水溫度時鍋爐排煙溫度隨之提高，而鍋爐效率則降低。此外，隨著回熱級數增多,熱效率增加,其相對增益逐漸減小，加熱器設備投資和維護費用相應增加。因此，實際采用的給水溫度常為理論最佳值的0.65～0.75。常用的給水溫度、回熱級數和采用回熱后熱效率提高的相對值見表[常用的給水溫度、回熱級數和熱效率提高的相對值]。
   ④ 再熱循環:汽輪機的再熱循環可用以溫度T和熵S為坐標的T-S 圖表示（圖5[一次再熱循環-圖]-圖" class=image>）。為了便于分析，圖[一次再熱循環 -圖]-圖" class=image>中的汽輪機膨脹曲線用理想曲線表示。再熱循環可以看作是由基本循環1-2-3-4-5-1和再熱附加循環 1-2-2--1組成的復合循環。適當地選擇再熱壓力和溫度可以使再熱附加循環的平均吸熱溫度T大于基本循環的平均吸熱溫度T。因此，附加循環比基本循環有更高的熱效率，因而可提高再熱循環的熱效率。此外，采用中間再熱能減小汽輪機低壓部分的濕度，提高汽輪機的內效率，并減少葉片受濕汽的侵蝕。一般采用一次再熱可使機組的熱效率相對提高5％，采用二次再熱還可再相對提高2％。但是采用再熱會增加設備造價，因此一般火電站只有 100兆瓦以上的汽輪機才采用再熱，而且大都只采用一次再熱。再熱溫度常取與新蒸汽溫度相同，再熱壓力為新蒸汽壓力的18～26％。對于大功率核電站飽和蒸汽輪機，經常用新蒸汽對高壓缸排汽進行再熱，以減少低壓缸蒸汽的溫度。
   供熱式汽輪機在提供電或動力（用于驅動發電機或其他機械）的同時，也提供工業和生活用熱，將原來沒有利用的熱量加以利用，這對于節約能源很有意義。
　　　　　　　　　　　　　　　　　朱家駒