汽輪機與電動機應用對比

衣曉磊，王玉嶺

（萬華化學集團股份有限公司，山東 煙臺 264000）

1 經濟性分析

工業設備的運行經濟性包括如下幾點：工藝性能、生產安全性、環保達標及設備可靠性。

在常規生產中，作為驅動機械，電機和汽輪機功率范圍互有重疊。大電機幾百千瓦到若干兆瓦，小型電機幾千瓦到幾十千瓦；而透平小至幾百千瓦，上至幾十兆瓦。對普通工業生產來說，通過科學有效的管理，合理調整工況，完全可以依靠電機和汽輪機的合理配置達到節約能源、提高經濟效益的目的。

1821年由法拉第根據奧斯特發現的電流磁效應發明第一臺電動機后，最早的汽輪機也在 1883年由瑞典人德拉瓦爾發明。它利用高溫高壓蒸汽直接驅動葉輪轉動。兩類設備作為成熟、穩定的產品，經過長達百年的工業應用，充分證明了其使用安全性。電動機通過使用的電力作為動力，汽輪機使用的蒸汽作為動力。其中電力供應主要來源為火電、水電、核電、風電等，火電裝機容量為電力總裝機容量的73%左右，火力發電量占總發電量的比例超過80%；工業蒸汽多數通過火電廠蒸汽鍋爐供給，本質上都來源于煤炭供能。但其中能量轉化次數不同，能量利用率不同，故可認為環保性能相近。

能量轉換路徑及轉換效率計算。

1.1 電動機

裝置 鍋爐 蒸汽發電透平發電機組電力傳輸變壓轉化變頻控制同步電機效率 /%80 45 98．6 95 99 98．4 最高 98一般95備注 抽凝式

因電動機及汽輪機動力均來源于鍋爐，故暫不考慮鍋爐能量利用率。電動機最終使用過程能量損失率為45%×98．6%×95%×99%×98．4%=41．1%（以上參數值偏高配，且不考慮功率因數影響），如因不同工藝要求轉速轉換，變速箱還要損失1%～1．5%。

蒸汽發電透平，因無背壓蒸汽，常規電廠采用抽凝式機組，背壓式部分占比很小。50%以上的能耗是排汽后需冷凝的潛熱，這部分能量如無特殊用途（如供熱水）是無法再次利用的。即使向外輸出熱水，也遠無法達到完全利用的程度。如果純粹用冷卻介質冷卻，相當于燃料的熱能的損失。所以這樣的機組熱效率很低。45%即為相當高的值。

1.2 汽輪機

裝置 鍋爐 蒸汽管網 汽輪機效率/% 80 98．5～99 45%～85備注 抽凝式/背壓式

蒸汽輸送損耗由于傳輸管網長短、保溫狀況差異，輸送量大小等等因素差異很大，以某廠熱電至生產裝置輸送40KS，壓力4．140MPa溫度369℃，距離2公里壓降0．3MPa，溫降10～15℃。壓降與溫降導致焓減約25～35kJ/kg，相對于3134kJ/kg總焓值，約1%的損失。汽輪機最終使用過程能量損失率為99%×45%=55．45%，99%×85%=84．15%（以上參數值偏高配，且不考慮功率因數影響）。

從能量利用效率講，汽輪機（根據型式不同，抽凝/背壓）能量利用率較電機高14．35%～43．05%。

2 運行數據分析

國內某化工廠項目有1臺工藝氣壓縮機，工藝設計院原采用電動機驅動；單臺壓縮機軸功率約為980kW，需要選用1200kW高壓電機。

2.1 一次性投資核算

如采用設計電動機方案，需要配備電機。以西門子電機為例，單臺1200kW電機價格約為270萬。

如采用設計汽輪機方案，需要配置汽輪機。以杭汽汽輪機（耗汽量5．4t/h）為例，投資約380萬元。

因此，汽輪機方案比電動機方案投資高 380～270=110萬元。

2.2 運行費用核算

如采用電動機方案，需要選用1200kW的電機，軸功率為983kW。常規年運行時間以8000h計，電價（估算峰谷平均）以0．8元/(kW·h)計。

單臺電機年耗電量為0．8×983×8000=629．12萬元。

如采用汽輪機方案，假設采用40bar蒸汽減壓至4bar，根據ASPEN模擬，每噸40bar蒸汽需要添加196kg的脫鹽水。年蒸汽耗氣量為5．4×8000=43200噸，年耗水量為 5．4×8000×0．196=8917．2 噸。

以 工 藝 水 價 格 為 17．95元 /噸，40bar過 熱 蒸汽120元/噸算。則年消耗蒸汽折算的運行費用為43200×120=518．4 萬元。

年消耗工藝水折算的運行費用為8917．2X17．95=15．2 萬元。

2.3 綜合效益核算

按照運行1年計算，年運行費用與一次性投資比較，1臺壓縮機使用蒸汽共多花費14．48萬元，冗余43200噸4bar飽和蒸汽（暫不計冗余蒸汽使用價值）。

（380+518．4+15．2）-（270+629．12）=14．48 萬元。

按照運行3年計算，運行費用與一次性投資比較，1臺壓縮機共可節省費用176．59萬元（暫不計冗余蒸汽使用價值）。

(270-3×629．12)-[380+3×（518+15．2）]=176．59萬元。

綜上分析，汽輪機一次投入成本較高，但隨著使用時間的增加（超過1年），運行成本明顯低于電動機運行。如采用背壓式汽輪機，減壓后的蒸汽仍有相當大的使用價值，運行成本低。

3 其他影響因素

由于汽輪機與電動機的機械構造及本身特性，在日常運行維護中有不同的特點，主要概括如表1。

表1

4 結語

我國工業面臨高能耗和用電緊張的情況，通過各種先進技術降低能耗勢在必行。汽輪機與電動機作為成熟的工業產品，在大型工業的驅動機中占據重要地位。汽輪機與電動機安裝、運行具有不同的特點，在滿足工藝需求的前提下，汽輪機能量利用效率明顯高于電動機。從長期運行成本、節能減排、環境保護方面出發，合理利用汽輪機將帶來較高的社會效益及經濟效益。

[1]劉立濤．2050年中國能源消費的情景預測沈鐳，2015,3-0361-13．

[2]楊勇平，楊志平．中國火力發電能耗狀況及展望,2013,23-0001-11．

[3]杜亞榮，張明智．給水泵汽輪機效率計算方法的分析．2006,8-0022-03．

[4]When should an Electric Adjustable Speed Drivebe used instead of a Gas or Steam Turbine? Paul Blaiklock, Manish Verma, Stephan Bondy TMEIC Corporation Roanoke, VA, and Houston, TX．