談工業(yè)汽輪機技術特點及發(fā)展趨勢

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摘要：介紹了工業(yè)汽輪機的技術特點及相關分類方式，并詳盡闡述了其在工業(yè)領域中的實際應用，同時對其未來發(fā)展趨勢進行了研究。與內燃機及電機等動力機械相比，工業(yè)汽輪機的可靠性更高，且有著更寬廣的轉速及功率范圍，由此具有不可替代的優(yōu)勢，從而在工業(yè)生產領域中得以廣泛應用。

關鍵詞：汽輪機；工業(yè)汽輪機；可靠性；內燃機；電機

引言

近幾十年來，隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)汽輪機的應用正日益廣泛，同時使其在類型、品種及總裝機容量等方面均得到了長足發(fā)展，并在國民經濟中起著不可忽視的作用[1]。工業(yè)汽輪機廣泛應用于石油、化工、冶金、電力和輕紡工業(yè)等領域，以驅動壓縮機、風機、泵和工藝流程設備。

1工業(yè)汽輪機的技術特點

工業(yè)汽輪機在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛應用，其技術優(yōu)勢主要如下[2-3]。（1）較高的轉速。工業(yè)汽輪機在實際應用過程中，其轉速可達20000r/min，單級的可達33000r/min。雖然體積較小，但其單機功率可達十幾萬千瓦，這是內燃機、電機等其他動力機械所無法比擬的[4]。同時，工業(yè)汽輪機可與被驅動機械直接聯(lián)接，無需采用齒輪增速機構。不僅如此，汽輪機還可以平穩(wěn)、靈敏地與這些被驅動機械（如壓縮機、鼓風機和泵等）以相互協(xié)調地實現(xiàn)變速運行，同時適應生產流程工況條件變化的需要[5-6]。（2）就經濟性方面而言，工業(yè)汽輪機提供了熱電聯(lián)產及廢熱綜合利用的方式，從而達到了充分節(jié)能的目的。因為工業(yè)汽輪機在生產流程中得到了合理配置[7]，不僅可充分利用余熱，而且可以在向生產流程系統(tǒng)提供蒸汽的同時，降低蒸汽中的汽化潛熱損失，從而以較高的熱轉換效率對蒸汽進行充分利用。（3）所具有的其他特性。工業(yè)汽輪機的起動扭矩較大，起動升速平穩(wěn)，磨損量小，連續(xù)運行時間長，有完善的自動調節(jié)和保護系統(tǒng)。此外，汽輪機更易滿足防爆、防火的要求，在電源發(fā)生事故時，因為有一定的蒸汽儲備不會像電機一樣突然停止運行，使系統(tǒng)運行的安全性得到了進一步保障。工業(yè)汽輪機的類型可分別按驅動對象、驅動方式和熱力系統(tǒng)原理等進行劃分。工業(yè)汽輪機按驅動對象可分為：（1）機械驅動用，即驅動壓縮機、風機和泵等工作機械用的工業(yè)汽輪機。（2）自備電站用，即在工企業(yè)內部驅動發(fā)電機的工業(yè)汽輪機。工業(yè)汽輪機按驅動方式可分為：（1）直接驅動式。用于中等以上功率的發(fā)電機、高速離心泵、離心式和軸流式鼓風機或壓縮機。（2）間接驅動式。即通過變速器驅動，用于小功率發(fā)電機、低速泵、鼓風機、壓縮機和壓榨機等。工業(yè)汽輪機按熱力系統(tǒng)原理可分為：（1）凝汽式。由于工業(yè)用凝汽式汽輪機的蒸汽參數(shù)一般較低、功率較小，機組的熱經濟性明顯低于中心電站的大型汽輪機組，所以只有在特定的情況下使用。例如，工作蒸汽利用流程中的余熱，或不易從電網(wǎng)中獲得電力，或就地可獲得廉價能源時才加以利用。（2）背壓式。為滿足生產流程用汽和節(jié)能需要，往往在系統(tǒng)設計時設置兩級或三級不同壓力的蒸汽管路系統(tǒng)。此時，通常在每兩級管路之間裝備背壓式汽輪機，其進汽取自較高壓力的管路，排汽進入較低壓力的管路。（3）抽汽式。蒸汽在汽輪機內部作功過程中，從汽輪機中抽出一股或數(shù)股蒸汽進入壓力較低的管路，其余蒸汽繼續(xù)在汽輪機中膨脹作功。（4）多壓式。利用生產流程中不同壓力的余汽，將其送入汽輪機的相應壓力處膨脹作功，這種多壓汽源的汽輪機被稱為多壓式汽輪機。

2工業(yè)汽輪機在工業(yè)中的實際應用

2.1合成氫和甲醇廠驅動用工業(yè)汽輪機

一般合成氨廠中采用工業(yè)汽輪機數(shù)十臺，其中合成氨壓縮機、空氣壓縮機、氨壓縮機和原料氣壓縮機均由工業(yè)汽輪機驅動，上述四大機組的功率約占總功率的80%其余為驅動泵和風機的小型工業(yè)汽輪機[8]。

2.2乙烯廠驅動用工業(yè)汽輪機

在乙烯廠用于驅動壓縮機的工業(yè)汽輪機為中速汽輪機。這類廠所采用的主要壓縮機類型有：裂解氣壓縮機、丙烯冷凍壓縮機、乙烯冷凍壓縮機和原料氣壓縮機。丙烯冷凍壓縮機用于乙烯凈化過程的冷凍循環(huán)系統(tǒng)中，該壓縮機對驅動汽輪機的起動要求很高，通常要求必須在幾十分鐘內完成從汽輪機沖轉到額定轉速（滿負荷）的全過程，否則由于長時間低速暖機，會導致壓縮機內氣體溫度升高，而產生不良后果。乙烯冷凍壓縮機的驅動功率較小，但轉速較高，為了有效利用工業(yè)流程中的蒸汽及提高汽輪機的效率，往往采用低壓蒸汽作為該汽輪機的汽源。

2.3液化天然氣廠驅動用工業(yè)汽輪機

天然氣液化需要用冷凍壓縮機，其所使用的工業(yè)汽輪機屬于大功率、中速、凝汽式汽輪機，一個液化天然氣廠通常有幾套串聯(lián)機組，每套有三臺大型壓縮機，而且均采用轉速和功率大致相同的凝汽式汽輪機。規(guī)模大的液化天然氣廠要求工業(yè)汽輪機的單機功率超過40MW。為了減小末級葉片的長度和應力，通常末級采用分流結構。

2.4合成料廠驅動用工業(yè)汽輪機

煤的氣化和液化以及合成燃料的開發(fā)是世界各國所關心的能源綜合利用課題之一，所以對合成燃料廠使用的工業(yè)汽輪機的需求量將逐漸增加。這類工業(yè)汽輪機有背壓式和凝汽式，均屬中壓、中速機組。

2.5冶金工業(yè)驅動用工業(yè)汽輪機

在冶金工業(yè)中，工業(yè)汽輪機主要用于驅動高效鼓風機。這類汽輪機一般為中等參數(shù)、低速的變速凝汽式汽輪機。其功率可從數(shù)千千瓦到數(shù)萬千瓦。

2.6其它驅動用工業(yè)汽輪機

該類工業(yè)汽輪機的使用領域極為廣泛，如各種工業(yè)鍋爐用的鼓風機和引風機、造紙廠的造紙機以及各類泵等。鍋爐鼓風機和引風機采用工業(yè)汽輪機驅動后，可以提高風機運行的經濟性，這類汽輪機一般為凝汽式或背壓式。驅動造紙廠的工業(yè)汽輪機，多為單級汽輪機。由于此類汽輪機既提供動力又供給蒸汽，整個系統(tǒng)的熱能利用率較高，最高可達80%。驅動其他各類工廠的泵與風機用工業(yè)汽輪機，一般多為小型汽輪機。

3工業(yè)汽輪機的技術發(fā)展趨勢

為適應各工業(yè)部門，無論是單級汽輪機還是多級汽輪機，均已形成了各種系列，每種系列包括數(shù)目繁多的品種，每一品種又包括各種參數(shù)和功率等級的型號產品。雖然工業(yè)汽輪機面臨著可控變速電機的挑戰(zhàn)，但其仍以能量轉換次數(shù)少，可利用工藝流程中副產熱能或向工藝流程提供副產熱能等優(yōu)勢而占據(jù)著廣泛市場。工業(yè)汽輪機的特點，決定了其發(fā)展方向，其方向仍是向著提高轉速、效率和可靠性三大目標等方向邁進。

3.1繼續(xù)提高產品的可靠性

可靠性是產品賴以生存的基本質量指標。工業(yè)汽輪機不但面臨著與大型電站汽輪機所具有的相同問題，而且它還有要求運行范圍廣、轉速高、變轉速以及無備用機組等特殊問題。例如小型汽輪機通常能連續(xù)運行三年；多級汽輪機則除了保證連續(xù)運行三年外，還必須保證使用壽命達20年及以上，設備的年強迫停機率不大于0.2%～0.3%，年有效利用率（指運行時間）達96.0%～98.5%。

3.2持續(xù)提升單機容量

近年來，工業(yè)汽輪機的最大單機容量不斷擴大，進汽參數(shù)與單機容量、工業(yè)流程的蒸汽參數(shù)相匹配隨著現(xiàn)代工業(yè)生產規(guī)模的不斷擴大，所需工業(yè)汽輪機的單機功率相應增大。

3.3不斷提高效率和轉速

工業(yè)汽輪機的單機功率一般較小，而其排汽常在工藝流程中加以利用。因此，傳統(tǒng)的設計概念往往只注重保證可靠，便于制造，降低成本，而忽視提高效率，而現(xiàn)在則對效率提出了更高的要求。目前，小型汽輪機的效率已達到70%～75%，而多級工業(yè)汽輪機的效率則達到70%～87%。如上文所述，工業(yè)汽輪機的轉速隨其型式及用途不同，變化范圍極廣，最低僅為1000r/min左右，轉速較高的如多級工業(yè)汽輪機可達20000r/min，單級工業(yè)汽輪機的最高轉速可達33000r/min。提高汽輪機的轉速可使機組小型化，以此可降低工廠的投資成本；機組易于維修；同時也可提高被驅動機械（如離心式壓縮機）的效率，降低機組制造及運行成本。

3.4發(fā)展聯(lián)合循環(huán)和利用中、低品位能量的工業(yè)汽輪機

聯(lián)合循環(huán)、熱電聯(lián)產等是提高能源利用率的有效途徑。大多數(shù)燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置的熱效率可達40%以上。如將該循環(huán)中汽輪機的排汽用于供熱，則裝置的總熱能利用率可達85%以上。這類裝置已在許多國家應用，預計今后將會得到較大的發(fā)展。中、低品位能量的利用，是實現(xiàn)節(jié)能的又一重要途徑。因此，小型工業(yè)汽輪機用于余熱回收、剩余蒸汽利用、減壓能量回收等方面越來越廣泛，各種混壓進汽的工業(yè)汽輪機的應用也越來越多。各國對低沸點工質朗肯循環(huán)透平裝置的研究和應用正方興未艾，并已取得了一定成果，從而使中、低溫余熱利用和低溫能源的開發(fā)有了較大發(fā)展。

3.5提高調節(jié)部套的精度，采用計算機監(jiān)控并提高機器的自動化程度

有關標準規(guī)定，工業(yè)汽輪機的調速范圍為最高連續(xù)轉速的30%，其轉速變化范圍較大，這就要求調速器能在較大范圍內保持線性關系，從而對調速器提出了更高的要求。此外，由于工業(yè)生產中工藝流程的復雜化，除了需要對工業(yè)汽輪機的轉速和進汽進行控制外，有時還要求對補汽、抽汽和背壓等進行調節(jié)。這樣，就要求將工業(yè)汽輪機的幾種專用調節(jié)部套組成多功能的調節(jié)系統(tǒng)，以滿足各種不同用途汽輪機特殊需要的調節(jié)系統(tǒng)，從而有效擴大了原有專用調節(jié)部套的使用范圍，并提升了調節(jié)系統(tǒng)的可靠性。當前，電子計算機技術的發(fā)展為汽輪機的運行提供了更為完善的控制方法?？捎梦⑻幚頇C控制汽輪機運行的重要參數(shù)并監(jiān)控汽輪機的自啟停。所以，將汽輪機監(jiān)控及自啟停系統(tǒng)配合使用，就實現(xiàn)了汽輪機運行的計算機控制。

3.6設計與制造的現(xiàn)代化

電子計算機在工業(yè)汽輪機制造廠的應用，主要指計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助生產（CAM）和計算機生產管理，包括產品采用積木化和優(yōu)化設計。CAD和CAM是根據(jù)用戶提出的具體參數(shù)和規(guī)格，通過計算機的參與，采用標準“積木塊”設計并生產出滿足用戶所要求的汽輪機。CAD主要由三部分組成：（1）計算機的工程設計系統(tǒng)，可用于規(guī)范并優(yōu)化汽輪機的設計。（2）計算機的繪圖系統(tǒng)，能根據(jù)設計的幾何資料自動地繪出汽輪機的各種圖形。（3）計算機控制的生產制造系統(tǒng)，可用來控制相應數(shù)控機械的生產制造，從而減輕了工人的勞動強度。此外，其還可以對車間中材料的調配進行控制。通過采用CAD和CAM后，不僅能節(jié)省生產費用和提高汽輪機的質量，而且還能縮短生產周期。

4結束語

工業(yè)汽輪機以其較高的可靠性，以及寬廣的轉速及功率范圍，在現(xiàn)代化工業(yè)生產進程中起著重要作用。目前，其正向著高轉速、高功率、高效率、高可靠性、高精度、高自動化程度的方向不斷發(fā)展，同時對其中、低能量品位排汽的梯級利用也能有效滿足當前節(jié)能降耗的發(fā)展理念。

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作者：伍賽特 單位：上海汽車集團股份有限公司