工业汽轮机技术特点及未来发展趋势研究

2021-12-31伍赛特

科技创新与应用 2021年6期

伍赛特

引言

近几十年来，随着行业的不断发展，工业汽轮机的应用正日益广泛，同时使其在类型、品种及总装机容量等方面均得到了长足发展，并在国民经济中起着不可忽视的作用[1]。工业汽轮机广泛应用于石油、化工、冶金、电力和轻纺工业等领域，以驱动压缩机、风机、泵和工艺流程设备。

1 工业汽轮机的技术特点

工业汽轮机在现代工业中得到了广泛应用，其技术优势主要如上[2-3]。

（1）较高的转速。工业汽轮机在实际应用过程中，其转速可达20000r/min，单级的可达33000r/min。虽然体积较小，但其单机功率可达十几万千瓦，这是内燃机、电机等其他动力机械所无法比拟的[4]。同时，工业汽轮机可与被驱动机械直接联接，无需采用齿轮增速机构。不仅如此，汽轮机还可以平稳、灵敏地与这些被驱动机械（如压缩机、鼓风机和泵等）以相互协调地实现变速运行，同时适应生产流程工况条件变化的需要[5-6]。

（2）就经济性方面而言，工业汽轮机提供了热电联产及废热综合利用的方式，从而达到了充分节能的目的。因为工业汽轮机在生产流程中得到了合理配置[7]，不仅可充分利用余热，而且可以在向生产流程系统提供蒸汽的同时，降低蒸汽中的汽化潜热损失，从而以较高的热转换效率对蒸汽进行充分利用。

（3）所具有的其他特性。工业汽轮机的起动扭矩较大，起动升速平稳，磨损量小，连续运行时间长，有完善的自动调节和保护系统。此外，汽轮机更易满足防爆、防火的要求，在电源发生事故时，因为有一定的蒸汽储备不会像电机一样突然停止运行，使系统运行的安全性得到了进一步保障。

工业汽轮机的类型可分别按驱动对象、驱动方式和热力系统原理等进行划分。

工业汽轮机按驱动对象可分为:

（1）机械驱动用，即驱动压缩机、风机和泵等工作机械用的工业汽轮机。

（2）自备电站用，即在工企业内部驱动发电机的工业汽轮机。

工业汽轮机按驱动方式可分为:

（1）直接驱动式。用于中等以上功率的发电机、高速离心泵、离心式和轴流式鼓风机或压缩机。

（2）间接驱动式。即通过变速器驱动，用于小功率发电机、低速泵、鼓风机、压缩机和压榨机等。

工业汽轮机按热力系统原理可分为:

（1）凝汽式。由于工业用凝汽式汽轮机的蒸汽参数一般较低、功率较小，机组的热经济性明显低于中心电站的大型汽轮机组，所以只有在特定的情况上使用。例如，工作蒸汽利用流程中的余热，或不易从电网中获得电力，或就地可获得廉价能源时才加以利用。

（2）背压式。为满足生产流程用汽和节能需要，往往在系统设计时设置两级或三级不同压力的蒸汽管路系统。此时，通常在每两级管路之间装备背压式汽轮机，其进汽取自较高压力的管路，排汽进入较低压力的管路。

（3）抽汽式。蒸汽在汽轮机内部作功过程中，从汽轮机中抽出一股或数股蒸汽进入压力较低的管路，其余蒸汽继续在汽轮机中膨胀作功。

（4）多压式。利用生产流程中不同压力的余汽，将其送入汽轮机的相应压力处膨胀作功，这种多压汽源的汽轮机被称为多压式汽轮机。

2 工业汽轮机在工业中的实际应用

2.1 合成氢和甲醇厂驱动用工业汽轮机

一般合成氨厂中采用工业汽轮机数十台，其中合成氨压缩机、空气压缩机、氨压缩机和原料气压缩机均由工业汽轮机驱动，上述四大机组的功率约占总功率的80%其余为驱动泵和风机的小型工业汽轮机[8]。

2.2 乙烯厂驱动用工业汽轮机

在乙烯厂用于驱动压缩机的工业汽轮机为中速汽轮机。这类厂所采用的主要压缩机类型有:裂解气压缩机、丙烯冷冻压缩机、乙烯冷冻压缩机和原料气压缩机。丙烯冷冻压缩机用于乙烯净化过程的冷冻循环系统中，该压缩机对驱动汽轮机的起动要求很高，通常要求必须在几十分钟内完成从汽轮机冲转到额定转速（满负荷）的全过程，否则由于长时间低速暖机，会导致压缩机内气体温度升高，而产生不良后果。乙烯冷冻压缩机的驱动功率较小，但转速较高，为了有效利用工业流程中的蒸汽及提高汽轮机的效率，往往采用低压蒸汽作为该汽轮机的汽源。

2.3 液化天然气厂驱动用工业汽轮机

天然气液化需要用冷冻压缩机，其所使用的工业汽轮机属于大功率、中速、凝汽式汽轮机，一个液化天然气厂通常有几套串联机组，每套有三台大型压缩机，而且均采用转速和功率大致相同的凝汽式汽轮机。规模大的液化天然气厂要求工业汽轮机的单机功率超过40MW。为了减小末级叶片的长度和应力，通常末级采用分流结构。

2.4 合成料厂驱动用工业汽轮机

煤的气化和液化以及合成燃料的开发是世界各国所关心的能源综合利用课题之一，所以对合成燃料厂使用的工业汽轮机的需求量将逐渐增加。这类工业汽轮机有背压式和凝汽式，均属中压、中速机组。

2.5 冶金工业驱动用工业汽轮机

在冶金工业中，工业汽轮机主要用于驱动高效鼓风机。这类汽轮机一般为中等参数、低速的变速凝汽式汽轮机。其功率可从数千千瓦到数万千瓦。

2.6 其它驱动用工业汽轮机

该类工业汽轮机的使用领域极为广泛，如各种工业锅炉用的鼓风机和引风机、造纸厂的造纸机以及各类泵等。锅炉鼓风机和引风机采用工业汽轮机驱动后，可以提高风机运行的经济性，这类汽轮机一般为凝汽式或背压式。

驱动造纸厂的工业汽轮机，多为单级汽轮机。由于此类汽轮机既提供动力又供给蒸汽，整个系统的热能利用率较高，最高可达80%。驱动其他各类工厂的泵与风机用工业汽轮机，一般多为小型汽轮机。

3 工业汽轮机的技术发展趋势

为适应各工业部门，无论是单级汽轮机还是多级汽轮机，均已形成了各种系列，每种系列包括数目繁多的品种，每一品种又包括各种参数和功率等级的型号产品。虽然工业汽轮机面临着可控变速电机的挑战，但其仍以能量转换次数少，可利用工艺流程中副产热能或向工艺流程提供副产热能等优势而占据着广泛市场。工业汽轮机的特点，决定了其发展方向，其方向仍是向着提高转速、效率和可靠性三大目标等方向迈进。

3.1 继续提高产品的可靠性

可靠性是产品赖以生存的基本质量指标。工业汽轮机不但面临着与大型电站汽轮机所具有的相同问题，而且它还有要求运行范围广、转速高、变转速以及无备用机组等特殊问题。例如小型汽轮机通常能连续运行三年；多级汽轮机则除了保证连续运行三年外，还必须保证使用寿命达20年及以上，设备的年强迫停机率不大于0.2%～0.3%，年有效利用率（指运行时间）达96.0%～98.5%。

3.2 持续提升单机容量

近年来，工业汽轮机的最大单机容量不断扩大，进汽参数与单机容量、工业流程的蒸汽参数相匹配随着现代工业生产规模的不断扩大，所需工业汽轮机的单机功率相应增大。

3.3 不断提高效率和转速

工业汽轮机的单机功率一般较小，而其排汽常在工艺流程中加以利用。因此，传统的设计概念往往只注重保证可靠，便于制造，降低成本，而忽视提高效率，而现在则对效率提出了更高的要求。目前，小型汽轮机的效率已达到70%～75%，而多级工业汽轮机的效率则达到70%～87%。

如上文所述，工业汽轮机的转速随其型式及用途不同，变化范围极广，最低仅为1000r/min左右，转速较高的如多级工业汽轮机可达20000r/min，单级工业汽轮机的最高转速可达33000r/min。提高汽轮机的转速可使机组小型化，以此可降低工厂的投资成本；机组易于维修；同时也可提高被驱动机械（如离心式压缩机）的效率，降低机组制造及运行成本。

3.4 发展联合循环和利用中、低品位能量的工业汽轮机

联合循环、热电联产等是提高能源利用率的有效途径。大多数燃气-蒸汽联合循环装置的热效率可达40%以上。如将该循环中汽轮机的排汽用于供热，则装置的总热能利用率可达85%以上。这类装置已在许多国家应用，预计今后将会得到较大的发展。

中、低品位能量的利用，是实现节能的又一重要途径。因此，小型工业汽轮机用于余热回收、剩余蒸汽利用、减压能量回收等方面越来越广泛，各种混压进汽的工业汽轮机的应用也越来越多。各国对低沸点工质朗肯循环透平装置的研究和应用正方兴未艾，并已取得了一定成果，从而使中、低温余热利用和低温能源的开发有了较大发展。

3.5 提高调节部套的精度，采用计算机监控并提高机器的自动化程度

有关标准规定，工业汽轮机的调速范围为最高连续转速的30%，其转速变化范围较大，这就要求调速器能在较大范围内保持线性关系，从而对调速器提出了更高的要求。此外，由于工业生产中工艺流程的复杂化，除了需要对工业汽轮机的转速和进汽进行控制外，有时还要求对补汽、抽汽和背压等进行调节。这样，就要求将工业汽轮机的几种专用调节部套组成多功能的调节系统，以满足各种不同用途汽轮机特殊需要的调节系统，从而有效扩大了原有专用调节部套的使用范围，并提升了调节系统的可靠性。

当前，电子计算机技术的发展为汽轮机的运行提供了更为完善的控制方法。可用微处理机控制汽轮机运行的重要参数并监控汽轮机的自启停。所以，将汽轮机监控及自启停系统配合使用，就实现了汽轮机运行的计算机控制。