一种多级供热背压式汽轮机、热力系统及其供热方法与流程

本发明属于热电联产设备领域，具体而言，涉及一种多级供热背压式汽轮机、热力系统及其供热方法，其适用于园区的工业供热及采暖供热综合节能项目，较为典型的是同时带高参数工业热负荷和采暖热负荷的工程，一台该类型背压机即可实现采暖季带工业、采暖热负荷运行；非采暖季只带工业热负荷持续运行，无传统背压机因排汽端热负荷切除后无法消纳排汽而需停用的问题，拓展了背压机的应用，极大地提高了设备利用率并节省了工程投资。

背景技术：

热电联产汽轮机可有效地实现能量梯级利用，是公认的节能减排最有效技术之一。其中的背压式汽轮机因无能源损失，经济性更优，有利于二氧化碳减排等环保目标的实现，目前国家大力倡导发展。国家能源局发布的《热电联产管理办法》(能源局【2016】617号)第十七条明确指出，对于城区常住人口50万以下的城市，采暖型热电联产项目原则上采用单机5万千瓦及以下背压热电联产机组；第十八条提到，对于城市常住人口50万及以上的城市，采暖型热电联产项目优先采用5万千瓦及以上背压热电联产机组。《能源发展“十三五”规划》中提出“实施多能互补集成优化工程”，在既有工业园区等用能区域，推进能源综合梯级利用改造，推广应用“热、电、冷、气等能源生产耦合集成和互补利用”的供能模式，加强余热余压、工业副产品、生活垃圾等能源资源回收及综合利用。

现有带两级或以上不同供热参数的背压式汽轮机，当排汽端末级供热需求不连续时，背压机无法持续运行；针对此类问题，常规方式是配置几台不同类型的背压式汽轮机，以满足各种工况的需求。

目前的背压式汽轮机主要分工业供热与采暖供热两大类，机组选型设计需根据不同的供热参数确定排汽压力，背压机的设计及应用受工程条件局限较多。而抽凝式热电联产机组热电比低，热电解耦能力有限，致使运行灵活性受限。热电联产汽轮机的进一步发展主要受以下几个方面的制约：

(1)采暖背压式汽轮机排汽通往采暖热网，仅可在采暖季运行，非采暖季停运造成设备利用率低下。国内采暖期较长的东北三省、新疆等地的采暖时间约5～6个月，其它地区的采暖季约3～4个月，低设备利用率造成工程投资回收期较长，一定程度上影响了采暖背压式汽轮机的进一步推广。工业供热背压式汽轮机在热用户成熟的地区有较多应用。但许多工业园区规划筹建时，大部分用汽企业要求热电联产机组具备供热能力时才愿意投资建设。而背压式汽轮机需要在热网达到一定负荷要求时才能运行；若热用户不落实，则存在建成后设备闲置的巨大风险。用汽企业与热电联产项目投资方都希望将风险降至最低，供需衔接困难造成了背压式汽轮机发展迟缓。目前已有的背压式汽轮机组多数为各企业自备形式，专业的电力企业投资积极性仍未充分调动，不利于工业园等新增功能区域新建终端一体化集成供能工程。

(2)抽凝式热电联产机组运行虽然不受季节限制，但其热电比较低，供热量受机组负荷限制(热电解耦范围小)，采暖季较高负荷运行势必抢占风能等可再生能源的发电份额，与国家的能源发展方向不符。以“三北采暖地区”为例，传统的大型抽凝机组占比过大，以至采暖季出现大规模的“弃风”情况。目前的抽凝机组灵活性改造(低压缸零功率改造)，一定程度上解决了“热电解耦”的问题，但低压末级动叶存在着水蚀等较大运行风险，其安全可靠性还需通过长期运行检验；且仍有一定量的冷却蒸汽排向凝汽器，存在冷端损失。抽凝机改为低压双转子的高背压供热，则存在更换转子期间的发电量损失。

(3)目前常规的采暖背压式汽轮机不具备在非采暖季运行能力(抽凝机或凝汽式机组改高背压供热不属此类)。若以较高的工业供热参数作为背压式汽轮机排汽参数进行设计，则参数较低的供热蒸汽(或采暖蒸汽)需在背压式汽轮机外通过减温减压获得，或者与采暖热网存在很大的换热温差，势必造成较大的有效能损失，不符合能量梯级利用的初衷。该类工程通常采用不同排汽参数的多种背压式汽轮机搭配使用，其设备、厂房等投资较高。

(4)目前部分联合循环热电联产汽轮机在中压模块与低压模块间设置自动同步离合器，通常称之为“凝—抽—背汽轮机”。“凝—抽—背汽轮机”在非采暖季自动同步离合器啮合，低压模块投入运行，按纯凝模式运行；采暖季最大供热工况下自动同步离合器脱开，按背压模式运行。该类机组虽然运行模式灵活，但增设自动同步离合器致使机组长度增加，设备成本也较高；且大部分运行期存在冷端损失。

技术实现要素：

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种多级供热背压式汽轮机、热力系统及其供热方法以达到同时提供多级不同参数的供热，当无背压机排汽供热负荷时，该机组仍能连续运行；且各级供热蒸汽在背压机中膨胀做功后按需求分别抽出，能实现更高效、更合理的参数匹配。

本发明所采用的技术方案为：一种多级供热背压式汽轮机，包括背压式汽轮机本体和设于该背压式汽轮机本体上的进汽端和排汽端，在所述进汽端与排汽端之间的通流级次内设有至少一个抽汽调节装置，抽汽调节装置与进汽端之间、相邻两抽汽调节装置之间分别设置有各级供热抽汽口且以排汽端为末级供热抽汽口，并通过各个抽汽调节装置调整对应供热抽汽口的蒸汽压力和流量；各级供热抽汽口的供热抽汽是在背压式汽轮机本体内部膨胀做功后依次抽出，而不采用外部减压方式来满足工程所需。

进一步地，各级供热抽汽口设为工业供热抽汽口，末级供热抽汽口设为采暖供热抽汽口，可解决采暖背压机非采暖季不能运行的问题，也可在工业热用户无负荷需求时暂作为采暖背压机用，避免设备闲置，降低工程风险，满足《能源发展“十三五”规划》提出“能源生产耦合集成和互补利用”的要求。也可将末级供热抽汽口设为低参数的工业抽汽口，当其供汽不连续时，不影响机组持续运行。

在本发明中还提供了一种多级供热背压式汽轮机热力系统，该系统包括可变式回热系统和如上所述的多级供热背压式汽轮机，该多级供热背压式汽轮机的末几级通流所需的冷却流量被可变式回热系统消纳；所述可变式回热系统包括至少一级加热器，各级所述加热器通过回热管路与多级供热背压式汽轮机连接。当该热力系统中其中任一级供热切除后，尤其是末级供热负荷(如背压式汽轮机的排汽端直供热网的采暖负荷)切除后，末几级通流所需的冷却流量完全可被可变式回热系统消纳，并通过可变式回热系统调节机组推力及各级回热加热器的负荷分配等，使得该背压式汽轮机可连续安全运行。以带高参数工业热负荷和采暖负荷的背压机为例，所述抽汽调节装置前的工业抽汽口提供高参数工业抽汽，排汽端的末级供热抽汽口供采暖蒸汽。背压机以采暖季带额定工业热负荷及采暖负荷为设计工况；非采暖季切除采暖负荷后，机组滑压运行，抽汽调节装置参与工业抽汽流量及压力的调节，可变式回热系统调节机组推力及各级回热加热器的负荷分配，并消纳末几级所需的冷却流量。可解决带采暖背压机非采暖季不能运行的问题，也可在工业热用户无负荷需求期间暂作为采暖背压机用，避免设备闲置，降低工程风险，且能满足《能源发展“十三五”规划》提出“能源生产耦合集成和互补利用”的要求。

进一步地，所述加热器设为一级，加热器通过回热管路与所述多级供热背压式汽轮机的排汽端相连接且该回热管路上设有调节阀，调节阀以控制排汽端压力不至下降过多，并通过调节阀的节流度变化，改变相邻两级回热抽汽量及加热器温升。末级加热器的负荷降低，排汽端压力升高，邻近的回热抽汽量势必增加，对应抽汽点处通流压力下降，从而达到推力调节的作用。

进一步地，所述加热器设为两级或两级以上时，各级加热器分别通过回热管路连接于所述多级供热背压式汽轮机上且各级加热器通过给水管路串联连接，并根据所述多级供热背压式汽轮机在变工况时各级回热抽汽流量变化的大小，确定是否在各个回热管路上设置调节阀。同一级加热器可采用单体设计，也可采用两个及以上的加热器并联布置。通过各回热管道上的调节阀，控制回热蒸汽流量的大小；或在并联连接的两个或以上的加热器中切除个别加热器以改变换热面积，从而调节加热器负荷。通过对加热器负荷的调节，调整相邻加热器的温升分配，调节背压式汽轮机主通流流量，控制各回热抽汽点处的通流压力，借以调节多级供热背压式汽轮机的轴向推力，确保机组可安全连续运行。

在本发明中还提供了一种多级供热背压式汽轮机热力系统的供热方法，该供热方法应用于如上述的多级供热背压式汽轮机热力系统，该供热方法包括：

通过多级供热背压式汽轮机的主汽调节阀控制机组进汽量及供热总量；

通过改变各个抽汽调节装置的开度大小以调节各级供热抽汽口的蒸汽压力和流量，以提供多级参数不同的供汽；

各级供热抽汽口通过在多级供热背压式汽轮机的内部膨胀做功后抽出，实现高效率参数匹配，不采用外部减压方式来满足工程所需；以多级供热背压式汽轮机的排汽端作为末级供热抽汽口并对外提供低参数工业抽汽或采暖抽汽。

本发明的有益效果为：

1.采用本发明所公开的多级供热背压式汽轮机、热力系统及其供热方法，通过对背压式汽轮机自身以及相应热力系统的新设计，其能够同时满足多级不同参数的供热需求，且无排汽端的末级供热负荷时，该背压式汽轮机仍能连续运行；并可在相应的通流级上设置抽汽调节装置，以使单台背压式汽轮机能够满足多级供热的需求，不需设置外部减压装置，可实现能源高效梯级利用；整个方案具有运行效率高、设备利用率高等特点，尤其对于同时具有工业供热及采暖供热的区域，可有效解决采暖背压式汽轮机运行时间短、投资回报率低下的问题，有利于清洁供暖工作的推进。

2.采用本发明所公开的多级供热背压式汽轮机、热力系统及其供热方法，符合国家能源发展需要，拓宽了背压式汽轮机的推广应用范围，符合《能源发展“十三五”规划》中提出的“实施多能互补集成优化工程”的指导思想，适用于新建工业园等新增功能区域实施终端一体化集成供能工程。与多台传统背压式汽轮机搭配使用满足不同参数供热需求的方案相比，其设备、厂房等工程投资势必大幅减少，投资风险也相应降低。

附图说明

图1是本发明所提供的多级供热背压式汽轮机热力系统在实施例1中的系统结构示意图；

图2是本发明所提供的多级供热背压式汽轮机热力系统在实施例2中的系统结构示意图；

附图标记说明如下：

1-背压式汽轮机，2-抽汽调节装置，3-调节阀ⅰ，4-调节阀ⅱ，5-低压加热器ⅰ，6-低压加热器ⅱ，7-除氧器，8-一级高压加热器，9-二级高压加热器，10-调节阀ⅲ，11-低压加热器ⅲ。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

目前带多级不同供热参数(如工业供热及采暖供热)的背压式汽轮机，当末级供热不连续时，机组无法持续运行。为解决此类问题，常需配置多台不同的背压机，而在本实施例中具体提供了一种多级供热背压式汽轮机及其热力系统，该设计方案并非简单地以高参数供热作为背压式汽轮机排汽设计参数的依据，通过在机组外部减温、减压等传统方法满足各档供热需求；而是各级供热蒸汽在背压机中膨胀做功后按需求分别抽出，能实现更高效、更合理的参数匹配，且当末级供热负荷不连续时，机组仍可运行。

在本实施例中，如图1所示，以供高参数工业供热和采暖供热的两级供热背压式汽轮机及其热力系统为例，包括多级供热背压式汽轮机和可变式回热系统，所述多级供热背压式汽轮机包括背压式汽轮机本体和设于该背压式汽轮机本体上的进汽端和排汽端，经进汽端连通来自锅炉的蒸汽，以排汽端作为低参数采暖供热的抽汽口并以该采暖供热参数作为背压式汽轮机的排汽参数设计依据，在所述进汽端与排汽端之间的通流内设有抽汽调节装置。优选的，该抽汽调节装置可以是旋转隔板或座缸阀等，但不限于上述举例。在该抽汽调节装置与进汽端之间设置有一级供热抽汽口，作为高参数的工业供热抽汽口并通过该抽汽调节装置调节一级供热抽汽口的蒸汽压力和流量；以背压式汽轮机的排汽端为末级供热抽汽口。由于本实施例以高参数工业供热及低参数采暖供热机型为例，在采暖季同时对外提供工业及采暖抽汽；非采暖季运行时，则切除采暖供热抽汽口的供热负荷，关小主汽调节阀或滑压运行，主汽量随之减少，内置工业抽汽调节装置处于最小开度，工业抽汽点至排汽端的蒸汽流量仅需大于末几级叶片所需的最小冷却流量即可；该部分流量通过排汽端进入回热系统进行回收利用，由于工业供热时所需补水量较大，且背压式汽轮机末叶较短，所需冷却流量相对较小，排汽端蒸汽完全被可变式回热系统消纳。该类型机组可确保安全连续运行，且无冷源损失，系统热效率高。

对于背压式汽轮机的进汽端至抽汽调节装置之间的通流容量设计如下：通流容量为一级供热抽汽口工业供热流量、末级供热抽汽口采暖供热流量、回热系统用汽量、轴封漏汽等系统损耗以及设计裕量之和。设计裕量通常取额定计算流量的3％-5％。

对于背压式汽轮机的排汽端至抽汽调节装置之间的通流容量设计如下：通流容量应当为末级供热抽汽口供热流量、加热器流量以及设计裕量之和，设计裕量通常取额定计算流量的3％-5％。

在多级供热背压式汽轮机中，各通流级的动、静叶型线选用变工况适应性好、攻角不敏感的进行设计；汽缸、阀壳、各级通流部件强度按照最高工作温度、最大压差工况进行设计；以使多级供热背压式汽轮机能满足额定工况及各变工况的安全运行要求。

为确保多级供热背压式汽轮机能在各变工况运行下安全、高效运行，回热系统抽汽量、机组推力等处于许用范围，配置了可变式回热系统。可变式回热系统的必要性及设计要点在于：既要满足各级加热器的温升要求，又要将对机组轴向推力影响大的回热级次抽汽量及对应抽汽口的通流压力控制在合理范围，以保证转子推力在各工况都处于许用范围。

如图1所示，可变式回热系统设置有两个并联的低压加热器，两个低压加热器分别为低压加热器ⅰ和低压加热器ⅱ，低压加热器ⅰ按照末级供热切除工况设计；而低压加热器ⅱ按同时带两级抽汽供热工况下增加的负荷进行设计，并按照设计规范考虑裕量。低压加热器ⅰ和低压加热器ⅱ通过回热管路分别连接于所述多级供热背压式汽轮机的末级抽汽口上且各个回热管路上分别设有调节阀ⅰ和调节阀ⅱ。当机组在末级热负荷切除，即切除采暖供热抽汽口负荷时，主蒸汽流量、回水的流量相应减小，切除低压加热器ⅱ后仍能保证将回水加热至所需温度；通过两只调节阀配合使用，还可调节低压加热器ⅰ和低压加热器ⅱ的负荷以适应其它变工况的需求。根据变工况运行时机组推力及各级加热器负荷变化情况，不局限于将排汽端的低压加热器设计为并联形式，也不局限于在排汽端的回热管道上加调节阀，需根据变工况时回热抽汽流量的变化大小决定是否在对应的回热管路上设置调节阀。

所述可变式回热系统还包括除氧器等其它级次的回热加热器。除氧器经蒸汽管道与所述多级供热背压式汽轮机连接，所述低压加热器通过回水管路与除氧器连接，将背压式汽轮机的补水及回水通过低压加热器加热后进入到除氧器中。除氧器是通过加热的方式将水中的氧含量降低到允许的含量；除氧器的另一端经给水管路串联有一级高压加热器和二级高压加热器，一级高压加热器和二级高压加热器通过蒸汽管路分别与所述多级供热背压式汽轮机连接。一级高压加热器和二级高压加热器与除氧器串连布置，各级高压加热器的疏水逐级自流至除氧器，由并联的低压加热器ⅰ和低压加热器ⅱ、除氧器、一级高压加热器以及二级高压加热器串联构成多级加热器。

基于上述所提供的多级供热背压式汽轮机热力系统的供热方法，其供热方法包括以下：

以工业供热和采暖供热的两级供热需求为例，根据抽汽参数需求在背压式汽轮机的通流内设置抽汽调节装置；抽汽调节装置为座缸阀或旋转隔板等，如2.0mpa工业抽汽，则在中压段设置座缸阀；如1.0mpa的工业抽汽，则在中压段设置旋转隔板。在抽汽调节装置与进汽端之间设置有高参数的工业供热抽汽口，以排汽端作为低参数的末级供热抽汽口；通过主汽调节阀控制进汽量及供热总量，并通过调节抽汽调节装置的开度大小以满足一级供热抽汽口的蒸汽压力和流量需求。

上述供热方法在实际运用时，为提高采暖季与非采暖季机组运行的经济性，可适当提高进汽端的初参数(如亚临界16.67mpa/535℃及以上)。当进汽压力提升，工业抽汽的温度与所需压力匹配不合理时，机组可考虑选择带一次再热或适当调整温度与压力的匹配(如12.7mpa/565℃)，以达到同时满足各级抽汽温度和压力的需求。

以某工程需求为例：非再热背压式汽轮机，采暖季额定供热工况进汽参数为：12.7mpa/565℃，工业抽汽压力1.0mpa、流量250t/h，采暖蒸汽压力0.4mpa、流量350t/h；非采暖季滑压运行，初参数降至6.0mpa/485℃，旋转隔板关至最小开度，保证工业抽汽压力1.0mpa、流量250t/h，此时末级低压加热器所需流量约60t/h，满足末级动叶片所需的最小安全流量，该流量可被末级低压加热器回收利用，背压式汽轮机完全可在非采暖季安全运行。

以带再热背压式汽轮机为例，采暖季额定供热工况进汽参数为：16.7mpa/538℃/538℃，工业抽汽压力1.0mpa、流量250t/h，采暖蒸汽压力0.4mpa、流量250t/h；非采暖季滑压运行，初参数降至11.0mpa/530℃/520℃，旋转隔板关至最小开度，保证工业抽汽压力1.0mpa、流量250t/h，末级低压加热器所需流量约70t/h，满足末叶所需冷却流量，也完全可在非采暖季安全运行。

在实际应用中，结合工业园区的具体需求，合理选择参数及通流容量，该多级供热背压式汽轮机热力系统中各设备(部件)按最高参数校核强度，完全可实现同时提供多级参数不同热负荷，且当末级供热切除后，多级供热背压式汽轮机仍可持续安全运行的目标。

实施例2

如图2所示，在实施例1中所配置的可变式回热系统也可采用以下方式进行设计：所述可变式回热系统包括一个低压加热器ⅲ，所述低压加热器ⅲ通过回热管路与所述多级供热背压式汽轮机的末级抽汽口连接，且该回热管路上设有调节阀ⅲ，以控制排汽端压力不至下降过多，通过调节阀ⅲ的节流度变化，调节相邻两级回热抽汽量及加热器温升。低压加热器ⅲ的负荷降低，排汽端压力升高，邻近的回热抽汽量势必增加，对应抽汽点处通流压力下降，从而达到推力调节的作用。其中任一级供热切除后，尤其是末级供热负荷(如背压式汽轮机排汽直供热网的采暖负荷)切除后，末几级通流所需的冷却流量完全可被可变式回热系统消纳，该背压式汽轮机可连续安全运行。

以带一级高参数工业热负荷和采暖负荷的背压式汽轮机为例，其热力系统如图2所示，设背压式汽轮机采暖季额定入口流量为q01，入口压力为p01，工业抽汽压力为p工，工业抽汽调节装置后的通流流量为q02，各级加热器及除氧器的抽汽量按压力从高到低依次为qb1、qb2、qb3、qb4，采暖供热量为q采，工业抽汽量为q工。不考虑轴封漏汽损耗等因素时，各流量间的简单关系表示如下：

q01＝q02+q工+qb1

q02＝q采+qb2+qb3+qb4

在变工况下，背压式汽轮机入口流量为q1，入口压力为p1，抽汽调节装置后通流流量为q2，抽汽调节装置后通流压力为p2，采暖供热量为q采。抽汽调节装置之前的加热器抽汽量qb1与工业抽汽量q工之比为μ1，各工况下抽汽调节装置后三个加热器抽汽量与采暖供热量q采的比值分别为μ2、μ3、μ4。抽汽调节装置后的通流流量为：

q1＝q采×(1+μ2+μ3+μ4)+q工×(1+μ1)

根据弗留格尔公式，可得到：

当p工＜＜p1时，上式变成：

在排汽端末级供热切除的工况运行时，由于工业供热通常无回水，系统需大量的补水，背压式汽轮机末级动叶片所需的冷却流量小于回热抽汽量qb4，此时背压式汽轮机排汽被可变式回热系统所消纳，故背压式汽轮机具备在各工况都可运行的前提条件。

在实施例1和实施例2中的可变式回热系统中其末级低压加热器也可采用大气式除氧器进行替代，此处不再赘述。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。