工業(yè)汽輪機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及未來發(fā)展趨勢研究

伍賽特

引言

近幾十年來，隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)汽輪機(jī)的應(yīng)用正日益廣泛，同時(shí)使其在類型、品種及總裝機(jī)容量等方面均得到了長足發(fā)展，并在國民經(jīng)濟(jì)中起著不可忽視的作用[1]。工業(yè)汽輪機(jī)廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力和輕紡工業(yè)等領(lǐng)域，以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵和工藝流程設(shè)備。

1 工業(yè)汽輪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

工業(yè)汽輪機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，其技術(shù)優(yōu)勢主要如上[2-3]。

（1）較高的轉(zhuǎn)速。工業(yè)汽輪機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中，其轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r/min，單級的可達(dá)33000r/min。雖然體積較小，但其單機(jī)功率可達(dá)十幾萬千瓦，這是內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)等其他動(dòng)力機(jī)械所無法比擬的[4]。同時(shí)，工業(yè)汽輪機(jī)可與被驅(qū)動(dòng)機(jī)械直接聯(lián)接，無需采用齒輪增速機(jī)構(gòu)。不僅如此，汽輪機(jī)還可以平穩(wěn)、靈敏地與這些被驅(qū)動(dòng)機(jī)械（如壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和泵等）以相互協(xié)調(diào)地實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，同時(shí)適應(yīng)生產(chǎn)流程工況條件變化的需要[5-6]。

（2）就經(jīng)濟(jì)性方面而言，工業(yè)汽輪機(jī)提供了熱電聯(lián)產(chǎn)及廢熱綜合利用的方式，從而達(dá)到了充分節(jié)能的目的。因?yàn)楣I(yè)汽輪機(jī)在生產(chǎn)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(chǎn)流程系統(tǒng)提供蒸汽的同時(shí)，降低蒸汽中的汽化潛熱損失，從而以較高的熱轉(zhuǎn)換效率對蒸汽進(jìn)行充分利用。

（3）所具有的其他特性。工業(yè)汽輪機(jī)的起動(dòng)扭矩較大，起動(dòng)升速平穩(wěn)，磨損量小，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長，有完善的自動(dòng)調(diào)節(jié)和保護(hù)系統(tǒng)。此外，汽輪機(jī)更易滿足防爆、防火的要求，在電源發(fā)生事故時(shí)，因?yàn)橛幸欢ǖ恼羝麅洳粫?huì)像電機(jī)一樣突然停止運(yùn)行，使系統(tǒng)運(yùn)行的安全性得到了進(jìn)一步保障。

工業(yè)汽輪機(jī)的類型可分別按驅(qū)動(dòng)對象、驅(qū)動(dòng)方式和熱力系統(tǒng)原理等進(jìn)行劃分。

工業(yè)汽輪機(jī)按驅(qū)動(dòng)對象可分為:

（1）機(jī)械驅(qū)動(dòng)用，即驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵等工作機(jī)械用的工業(yè)汽輪機(jī)。

（2）自備電站用，即在工企業(yè)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的工業(yè)汽輪機(jī)。

工業(yè)汽輪機(jī)按驅(qū)動(dòng)方式可分為:

（1）直接驅(qū)動(dòng)式。用于中等以上功率的發(fā)電機(jī)、高速離心泵、離心式和軸流式鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)。

（2）間接驅(qū)動(dòng)式。即通過變速器驅(qū)動(dòng)，用于小功率發(fā)電機(jī)、低速泵、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和壓榨機(jī)等。

工業(yè)汽輪機(jī)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(jī)的蒸汽參數(shù)一般較低、功率較小，機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性明顯低于中心電站的大型汽輪機(jī)組，所以只有在特定的情況上使用。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(jià)能源時(shí)才加以利用。

（2）背壓式。為滿足生產(chǎn)流程用汽和節(jié)能需要，往往在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置兩級或三級不同壓力的蒸汽管路系統(tǒng)。此時(shí)，通常在每兩級管路之間裝備背壓式汽輪機(jī)，其進(jìn)汽取自較高壓力的管路，排汽進(jìn)入較低壓力的管路。

（3）抽汽式。蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)部作功過程中，從汽輪機(jī)中抽出一股或數(shù)股蒸汽進(jìn)入壓力較低的管路，其余蒸汽繼續(xù)在汽輪機(jī)中膨脹作功。

（4）多壓式。利用生產(chǎn)流程中不同壓力的余汽，將其送入汽輪機(jī)的相應(yīng)壓力處膨脹作功，這種多壓汽源的汽輪機(jī)被稱為多壓式汽輪機(jī)。

2 工業(yè)汽輪機(jī)在工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 合成氫和甲醇廠驅(qū)動(dòng)用工業(yè)汽輪機(jī)

一般合成氨廠中采用工業(yè)汽輪機(jī)數(shù)十臺，其中合成氨壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)、氨壓縮機(jī)和原料氣壓縮機(jī)均由工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，上述四大機(jī)組的功率約占總功率的80%其余為驅(qū)動(dòng)泵和風(fēng)機(jī)的小型工業(yè)汽輪機(jī)[8]。

2.2 乙烯廠驅(qū)動(dòng)用工業(yè)汽輪機(jī)

在乙烯廠用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的工業(yè)汽輪機(jī)為中速汽輪機(jī)。這類廠所采用的主要壓縮機(jī)類型有:裂解氣壓縮機(jī)、丙烯冷凍壓縮機(jī)、乙烯冷凍壓縮機(jī)和原料氣壓縮機(jī)。丙烯冷凍壓縮機(jī)用于乙烯凈化過程的冷凍循環(huán)系統(tǒng)中，該壓縮機(jī)對驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的起動(dòng)要求很高，通常要求必須在幾十分鐘內(nèi)完成從汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速（滿負(fù)荷）的全過程，否則由于長時(shí)間低速暖機(jī)，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)氣體溫度升高，而產(chǎn)生不良后果。乙烯冷凍壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率較小，但轉(zhuǎn)速較高，為了有效利用工業(yè)流程中的蒸汽及提高汽輪機(jī)的效率，往往采用低壓蒸汽作為該汽輪機(jī)的汽源。

2.3 液化天然氣廠驅(qū)動(dòng)用工業(yè)汽輪機(jī)

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

2.4 合成料廠驅(qū)動(dòng)用工業(yè)汽輪機(jī)

煤的氣化和液化以及合成燃料的開發(fā)是世界各國所關(guān)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(jī)的需求量將逐漸增加。這類工業(yè)汽輪機(jī)有背壓式和凝汽式，均屬中壓、中速機(jī)組。

2.5 冶金工業(yè)驅(qū)動(dòng)用工業(yè)汽輪機(jī)

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

2.6 其它驅(qū)動(dòng)用工業(yè)汽輪機(jī)

該類工業(yè)汽輪機(jī)的使用領(lǐng)域極為廣泛，如各種工業(yè)鍋爐用的鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)、造紙廠的造紙機(jī)以及各類泵等。鍋爐鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)采用工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)后，可以提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，這類汽輪機(jī)一般為凝汽式或背壓式。

驅(qū)動(dòng)造紙廠的工業(yè)汽輪機(jī)，多為單級汽輪機(jī)。由于此類汽輪機(jī)既提供動(dòng)力又供給蒸汽，整個(gè)系統(tǒng)的熱能利用率較高，最高可達(dá)80%。驅(qū)動(dòng)其他各類工廠的泵與風(fēng)機(jī)用工業(yè)汽輪機(jī)，一般多為小型汽輪機(jī)。

3 工業(yè)汽輪機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢

為適應(yīng)各工業(yè)部門，無論是單級汽輪機(jī)還是多級汽輪機(jī)，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(chǎn)品。雖然工業(yè)汽輪機(jī)面臨著可控變速電機(jī)的挑戰(zhàn)，但其仍以能量轉(zhuǎn)換次數(shù)少，可利用工藝流程中副產(chǎn)熱能或向工藝流程提供副產(chǎn)熱能等優(yōu)勢而占據(jù)著廣泛市場。工業(yè)汽輪機(jī)的特點(diǎn)，決定了其發(fā)展方向，其方向仍是向著提高轉(zhuǎn)速、效率和可靠性三大目標(biāo)等方向邁進(jìn)。

3.1 繼續(xù)提高產(chǎn)品的可靠性

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

3.2 持續(xù)提升單機(jī)容量

近年來，工業(yè)汽輪機(jī)的最大單機(jī)容量不斷擴(kuò)大，進(jìn)汽參數(shù)與單機(jī)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(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，所需工業(yè)汽輪機(jī)的單機(jī)功率相應(yīng)增大。

3.3 不斷提高效率和轉(zhuǎn)速

工業(yè)汽輪機(jī)的單機(jī)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(shè)計(jì)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(jī)的效率已達(dá)到70%～75%，而多級工業(yè)汽輪機(jī)的效率則達(dá)到70%～87%。

如上文所述，工業(yè)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速較高的如多級工業(yè)汽輪機(jī)可達(dá)20000r/min，單級工業(yè)汽輪機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)33000r/min。提高汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速可使機(jī)組小型化，以此可降低工廠的投資成本；機(jī)組易于維修；同時(shí)也可提高被驅(qū)動(dòng)機(jī)械（如離心式壓縮機(jī)）的效率，降低機(jī)組制造及運(yùn)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(jī)

聯(lián)合循環(huán)、熱電聯(lián)產(chǎn)等是提高能源利用率的有效途徑。大多數(shù)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置的熱效率可達(dá)40%以上。如將該循環(huán)中汽輪機(jī)的排汽用于供熱，則裝置的總熱能利用率可達(dá)85%以上。這類裝置已在許多國家應(yīng)用，預(yù)計(jì)今后將會(huì)得到較大的發(fā)展。

中、低品位能量的利用，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的又一重要途徑。因此，小型工業(yè)汽輪機(jī)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(jìn)汽的工業(yè)汽輪機(jī)的應(yīng)用也越來越多。各國對低沸點(diǎn)工質(zhì)朗肯循環(huán)透平裝置的研究和應(yīng)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(diào)節(jié)部套的精度，采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控并提高機(jī)器的自動(dòng)化程度

有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，工業(yè)汽輪機(jī)的調(diào)速范圍為最高連續(xù)轉(zhuǎn)速的30%，其轉(zhuǎn)速變化范圍較大，這就要求調(diào)速器能在較大范圍內(nèi)保持線性關(guān)系，從而對調(diào)速器提出了更高的要求。此外，由于工業(yè)生產(chǎn)中工藝流程的復(fù)雜化，除了需要對工業(yè)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和進(jìn)汽進(jìn)行控制外，有時(shí)還要求對補(bǔ)汽、抽汽和背壓等進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣，就要求將工業(yè)汽輪機(jī)的幾種專用調(diào)節(jié)部套組成多功能的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以滿足各種不同用途汽輪機(jī)特殊需要的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而有效擴(kuò)大了原有專用調(diào)節(jié)部套的使用范圍，并提升了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性。

當(dāng)前，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為汽輪機(jī)的運(yùn)行提供了更為完善的控制方法。可用微處理機(jī)控制汽輪機(jī)運(yùn)行的重要參數(shù)并監(jiān)控汽輪機(jī)的自啟停。所以，將汽輪機(jī)監(jiān)控及自啟停系統(tǒng)配合使用，就實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)運(yùn)行的計(jì)算機(jī)控制。

3.6 設(shè)計(jì)與制造的現(xiàn)代化

電子計(jì)算機(jī)在工業(yè)汽輪機(jī)制造廠的應(yīng)用，主要指計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)（CAM）和計(jì)算機(jī)生產(chǎn)管理，包括產(chǎn)品采用積木化和優(yōu)化設(shè)計(jì)。CAD和CAM是根據(jù)用戶提出的具體參數(shù)和規(guī)格，通過計(jì)算機(jī)的參與，采用標(biāo)準(zhǔn)“積木塊”設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出滿足用戶所要求的汽輪機(jī)。CAD主要由三部分組成:

（1）計(jì)算機(jī)的工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可用于規(guī)范并優(yōu)化汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)。

（2）計(jì)算機(jī)的繪圖系統(tǒng)，能根據(jù)設(shè)計(jì)的幾何資料自動(dòng)地繪出汽輪機(jī)的各種圖形。

（3）計(jì)算機(jī)控制的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，可用來控制相應(yīng)數(shù)控機(jī)械的生產(chǎn)制造，從而減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。此外，其還可以對車間中材料的調(diào)配進(jìn)行控制。通過采用CAD和CAM后，不僅能節(jié)省生產(chǎn)費(fèi)用和提高汽輪機(jī)的質(zhì)量，而且還能縮短生產(chǎn)周期。

4 結(jié)束語

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