集中供热锅炉房之工业汽轮机拖动系统设计概述

第 1章 绪论

1.1 课题的研究背景
目前我国的工业发展进程在逐步加快，对于能源的需求量也在日益增长。我国作为世界第一大能源生产国，能源自给率始终保持在 90%左右，主要依靠自身力量发展能源。但是由于我国的人口基数较大，人均能源资源占有量在世界上处于较低水平，天然气、石油和煤炭的占有量仅为世界水平的 7.5%、5.4%和67%。可以说我国的能源从总体上看似充足，实际上却十分匮乏。虽然近年来我国能源消费日益加快，但现阶段人均能源消费水平仍处于较低水平，仅为发达国家平均水平的 1/3。但是，随着时间的推移和经济的发展，未来的能源需求将大幅度增长，我国的能源约束也将逐渐加剧。另外，煤炭、石油及天然气等这些化石燃料的开采会占用和破坏大量的耕地，在开采的过程中还有可能污染水资源。这些化石燃料的燃烧会产生大量的有害气体，如CO2，SO2，氮氧化物以及可吸入固体颗粒物等有害物质。可吸入的固体颗粒物会形成比沙尘暴危害更大的灰霾天气。当这些固体颗粒物被吸入人体后会随着呼吸进入支气管，干扰肺部的气体交换，不但会引发哮喘、支气管炎这样的呼吸道疾病，甚至能够引发心血管病等方面的疾病。而CO2，SO2等有害气体的排放会破坏臭氧层，形成酸雨，污染人类赖以生存的生态环境，对可持续发展政策造成不利的影响。然而，我国的能源储藏状况又决定了我国的能源消耗只能是以煤炭为主，煤炭燃烧产生的有害物质对环境和人体健康都带来巨大的危害。因此，节能减排是我国能源发展道路上所采取的必须手段。
在我国，大约有 70%的地区在冬季是需要采暖的，因此，供热工程是我国的能耗大户。在供热事业发展过程中，由于城市高速地发展，热力建设跟不上城市发展的步伐，并且缺少统一的规划，所以导致了锅炉供热自发、无序的发展，最终在“三北”地区各大、中城市形成了单台锅炉容量小，能耗高、污染大的众多分散小锅炉房占主导地位的被动局面。分散采暖锅炉的效率低，相对燃料消耗量就较高[2]。采暖消耗的能源又多为不可再生能源，既不能在短时间内恢复，又污染了环境。而集中供热区域锅炉房的热效率（燃油、燃气锅炉房除外）虽然不及热电厂的热能利用效率，但区域锅炉房中使用的大型燃煤锅炉的热效率也能达到80%以上，与分散的小型锅炉房的热效率（50%~60%）相比，也要高得多。此外，区域集中供热锅炉房与热电厂相比，其厂址选择容易，投资低，建设周期短。

1.2 国内外研究现状
据目前国内的情况来看，工业汽轮机拖动技术已经相当成熟，尤其是在发电厂内，工业汽轮机拖动给水泵的应用已经非常普遍。近年来我国的电力行业和热电联产项目大力发展，也使得全国的装机容量随之增长。在常规的燃煤火力发电机组中，锅炉房给水泵需要消耗一定量的机械功，是电厂辅助设备中最大耗功的设备，约占主机功率的 2%~4%。随着火电厂汽轮机发电机组的单机容量和蒸汽参数的提高，电厂的热经济性不仅依赖主机本身的效率，而且还依赖系统中辅机的配置和运行方式。因此，大机组的辅机拖动方式的选择变得尤为重要。在电厂机组辅机的拖动方案上，工业汽轮机的拖动有着众多的优点，不仅避免了厂用电的增加，不会减少机组的实际供电能力，而且还能够避免大型的电动机启动带来的较大的负荷变化，提高了电网的安全性。工业汽轮机拖动方式在热电厂中得到广泛的应用，但是，由于缺乏蒸汽源，在集中供热锅炉房中使用工业汽轮机拖动锅炉的水泵和风机的应用十分少见。随着集中供热在城市发展中占有越来越重要的地位，区域集中供热锅炉房的新建和扩建工程也随之增加，锅炉房中的大耗电量辅助设备如水泵及鼓、引风机的工作需要消耗大量的电能，为了节约能源，降低运行费用，集中供热锅炉房中工业汽轮机拖动的应用也开始崭头露角。另外，各较大的钢铁厂也都广泛使用蒸汽拖动代替电力拖动，以节约成本。采用蒸汽拖动可在很大程度上节约厂用电，蒸汽的做功能力也得到充分合理的应用，是一种比较优化的能源利用方式。
汽轮机拖动水泵代替电动机拖动水泵的技术，国内外很多热电厂已经在应用。实际上国外常以 300MW 为分界线，大于和等于 300MW 的火电大机组已采用工业汽轮机拖动锅炉给水泵的居多。国外约有 80%以上的火电机组采用工业汽轮机拖动锅炉给水泵的方式。随着时代的发展，这个比例还在不断增加。因为采用汽轮机拖动水泵的方式不仅能够比之前的电机拖动更加节省资金，带来更好的经济效益，还能够满足水泵各种情况的变速运转。在北美、西欧和日本，都不同程度地采用这项成熟的技术应用于热电厂工程中。新型的材料也被引入制作汽轮机的叶轮，使得汽轮机能够在更高的温度和压力下运转。另外，饱和蒸汽工业汽轮机也逐渐拥有成功运用的实例。德国 KKK 公司的 AFA系列汽轮机组，非常适合于余热利用系统。该机组不仅可以在过热蒸汽条件下使用，同时还适用于饱和蒸汽的条件。这种汽轮机的成功运用，降低了汽轮机工作工质的要求标准，扩大了可利用蒸汽参数的范围，为工业汽轮机拖动系统带来更大的发展空间。

第 2章 集中供热锅炉房

2.1 供热介质和参数的选择
集中供热的热媒有蒸汽和热水两种。
在工矿企业中，大多采用蒸汽作为供热介质，因为在企业对热媒选择的过程中，符合生产工艺热负荷的需求是重要的抉择条件。蒸汽采暖系统的热媒温度高，散热器表面温度也高，系统所需的散热面积少，由于蒸汽密度小，所以本身产生的净压力也小。系统中的蒸汽不需外界提供压力，依靠本身压力即可克服系统阻力向前流动。另外，蒸汽采暖的热惰性小，供热时热得快，停气时冷的也快，非常适合用于间歇供热的用户。但是，实践运行经验表明，蒸汽供热系统的设备不易管理，维修不善会造成整个系统的跑、冒、滴、漏，凝结水回收率低，运行费用高。蒸汽锅炉在运行时需要连续排污和定期排污，会造成工质和热量损失。蒸汽供暖管道的漏汽损失较大，据资料介绍，有的可达15％~20％，另外，蒸汽供暖受管道阻力限制，供热半径较小，一般仅为 2~3km。对于热用户来说，蒸汽供热的管道和散热器表面温度高，灰尘易积聚后产生异味而污染室内空气，卫生条件差，易烫伤人。室内较干燥，热舒适性不好，室温随着供暖的间歇波动性较大，骤冷骤热也使得管道和散热器连接处容易泄漏，从而造成能量的损失并带来一定的维修费用。
热水供热系统使用热水作为供热介质，温度较蒸汽低，散热器面积也会增加，并且还增加了循环泵和补水设备，因此初投资较大。但是采用热水作为热媒用于供暖系统时，可以通过改变供水温度进行质调节，减少热网的热损失。热水供热系统的蓄热能力高，由于系统中水的比热较大，在水力工况和热力工况短时间失调时，也不会引起供暖状况的很大波动，这使得热负荷均匀，热舒适性好。而且供暖水温与环境温差较小，所以，热水供热较蒸汽供热节约燃料。热水锅炉在运行时只需要少量的定期排污，不会对工质和热量造成较大的损失，锅炉产生的热水压力和温度也较蒸汽的低很多，因此对锅炉钢材的抗压能力和厚度要求较低，相同容量的热水锅炉所耗钢材量也较少。热水供热管道的管径较小，散热面也较小，因此散热损失小。而且供热管道不允许出现严重漏泄，否则影响运行，因而漏泄损失小。另外，热水管网的供热半径可达几十公里，运行安全可靠，管理、维修方便。

2.2 热网循环水泵
热网循环水泵是供热系统输送热量的关键设备，热网循环水泵的型式特点跟它的工作需要紧密相关。在热网循环水泵输送热水的过程中要求达到平稳、连续地运行。所选择的水泵不仅应该满足系统所需的最大流量和扬程，而且同时要处于热网循环水泵的最佳工况点，尽可能接近系统实际的工作点，且能长期在高效区运行，以提高热网循环水泵长期运行的经济性。热网循环水泵的流量-扬程特性曲线（G-H 线），在水泵工作点附近应比较平缓，以便当网路水力工况发生变化时，热网循环水泵的扬程也不会有很大变化。一般单级水泵特性曲线比较平缓，宜选用单级水泵作为热网循环水泵。另外，热网循环水泵的承压和耐温能力应与热网的设计参数相适应，如果安装在热网供水管上，必须采用 R 型热水循环水泵。
热网循环水泵的调节方式有多种，集中质调节，分阶段改变流量的质调节，量调节。针对电机拖动系统和工业汽轮机拖动系统，主要是对热网循环水泵的量调节和给水泵的流量调节。水泵的量调节主要有节流调节，旁通调节，变速调节等方式。由于变速调节不会增大系统的阻力造成阀门的磨损，也不会有工质的浪费，所以通常采用变速调节这种方式。在电机拖动的情况下，可以使用定速电机和液力耦合器来进行变速调节，也可以使用变速电机进行变频调节。在工业汽轮机拖动的情况下，可直接使用汽轮机进行变速调节。

第3章 工业拖动汽轮机.................8
3.1 工业汽轮机的结构及工作原理....................8
3.2 工业汽轮机类型......................8
第4章 工业拖动汽轮机蒸汽源.................12
4.1 压力等级..................12
第 5章 热水锅炉及蒸汽锅炉的匹配..........17
5.1 设备功率的调研统计.....................17

第 6章 四平市集中供热锅炉房中工业汽轮机拖动系统的设计

6.1 工程项目概况
根据四平市发展总体规划及供热规划，结合城市发展速度及四平市每年开发面积，确定本工程供热范围。现有供热面积为 300万 m2，预计未来5年，四平市新增总面积约 500万 m2。本工程建成以后热负荷按800万m2进行设计。
参考国家《城镇供热管网设计规范》中所推荐的各类建筑的耗热指标（见表5-15），并结合供热区总体规划情况，考虑热源距负荷区远近等因素，分别确定各类建筑的耗热指标，通过计算求得本工程的综合热指标为 q=52.5W/m2 。


第 7章 结论与展望

随着集中供热锅炉房的逐渐增多，锅炉房中热网循环泵、鼓引风机的拖动方式也有所改善。本文围绕集中供热锅炉房中工业汽轮机拖动系统的设计这一课题着重分析了不同容量的层燃炉和循环流化床锅炉在工业汽轮机拖动方式下参数的计算及相应工业汽轮机的匹配设计。通过建立多个型号锅炉的物理模型，进行工业汽轮机拖动系统的设计，确定所使用的工业汽轮机进汽排汽参数，工业汽轮机的型号。基于以上的物理模型和计算方法，选取国内一个具有典型代表意义的例子，以四平市集中供热锅炉房为例，进行工业汽轮机拖动系统的设计。最后通过经济、节能、环保三个方面对工业汽轮机的拖动方式和电拖动的方式进行了比较。

7.1 本文完成的主要工作
（1）分析对比了工业汽轮机拖动和电拖动的优缺点
分析了工业汽轮机拖动方式和电拖动方式的优缺点，并通过对比，看出汽轮机拖动方式明显的优越性，从而确定集中供热锅炉房中水泵、风机的拖动方式。
（2）建立了不同型号和型式的锅炉的辅助设备用汽轮机拖动方式的物理模型
根据常用的层燃热水炉和循环流化床热水炉的型号，建立这两种不同型式锅炉的辅助设备汽拖动的方案的物理模型，并且这两种不同型式的锅炉，具体再划分为不同的型号，分别建立物理模型。
（3）在不同蒸汽参数下进行了工业汽轮机拖动系统的设计
分别在饱和蒸汽和过热蒸汽的参数下进行工业汽轮机拖动系统的设计，为层燃热水炉和循环流化床热水炉的水泵和风机匹配适合的工业汽轮机。
（4）进行典型集中供热锅炉房案例的计算和设计
选取四平市集中供热锅炉房的工程作为典型的工程实例，根据已经建立的锅炉物理模型，选取 116MW循环流化床热水锅炉和 75t/h 的蒸汽锅炉进行具体的匹配计算，设计工业汽轮机拖动系统。并以此案例做出经济性、环保性、节能性分析。
参考文献（略）