工業汽輪機技術特點及未來發展趨勢研究

伍賽特

引言

近幾十年來，隨著行業的不斷發展，工業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展，并在國民經濟中起著不可忽視的作用[1]。工業汽輪機廣泛應用于石油、化工、冶金、電力和輕紡工業等領域，以驅動壓縮機、風機、泵和工藝流程設備。

1 工業汽輪機的技術特點

工業汽輪機在現代工業中得到了廣泛應用，其技術優勢主要如上[2-3]。

（1）較高的轉速。工業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，工業汽輪機可與被驅動機械直接聯接，無需采用齒輪增速機構。不僅如此，汽輪機還可以平穩、靈敏地與這些被驅動機械（如壓縮機、鼓風機和泵等）以相互協調地實現變速運行，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，工業汽輪機提供了熱電聯產及廢熱綜合利用的方式，從而達到了充分節能的目的。因為工業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。工業汽輪機的起動扭矩較大，起動升速平穩，磨損量小，連續運行時間長，有完善的自動調節和保護系統。此外，汽輪機更易滿足防爆、防火的要求，在電源發生事故時，因為有一定的蒸汽儲備不會像電機一樣突然停止運行，使系統運行的安全性得到了進一步保障。

工業汽輪機的類型可分別按驅動對象、驅動方式和熱力系統原理等進行劃分。

工業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汽輪機。

（2）自備電站用，即在工企業內部驅動發電機的工業汽輪機。

工業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，用于小功率發電機、低速泵、鼓風機、壓縮機和壓榨機等。

工業汽輪機按熱力系統原理可分為:

（1）凝汽式。由于工業用凝汽式汽輪機的蒸汽參數一般較低、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上使用。例如，工作蒸汽利用流程中的余熱，或不易從電網中獲得電力，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能需要，往往在系統設計時設置兩級或三級不同壓力的蒸汽管路系統。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股蒸汽進入壓力較低的管路，其余蒸汽繼續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 工業汽輪機在工業中的實際應用

2.1 合成氫和甲醇廠驅動用工業汽輪機

一般合成氨廠中采用工業汽輪機數十臺，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汽輪機[8]。

2.2 乙烯廠驅動用工業汽輪機

在乙烯廠用于驅動壓縮機的工業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系統中，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汽輪機

天然氣液化需要用冷凍壓縮機，其所使用的工業汽輪機屬于大功率、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。規模大的液化天然氣廠要求工業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汽輪機

煤的氣化和液化以及合成燃料的開發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汽輪機的需求量將逐漸增加。這類工業汽輪機有背壓式和凝汽式，均屬中壓、中速機組。

2.5 冶金工業驅動用工業汽輪機

在冶金工業中，工業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、低速的變速凝汽式汽輪機。其功率可從數千千瓦到數萬千瓦。

2.6 其它驅動用工業汽輪機

該類工業汽輪機的使用領域極為廣泛，如各種工業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汽輪機，一般多為小型汽輪機。

3 工業汽輪機的技術發展趨勢

為適應各工業部門，無論是單級汽輪機還是多級汽輪機，均已形成了各種系列，每種系列包括數目繁多的品種，每一品種又包括各種參數和功率等級的型號產品。雖然工業汽輪機面臨著可控變速電機的挑戰，但其仍以能量轉換次數少，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勢而占據著廣泛市場。工業汽輪機的特點，決定了其發展方向，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運行三年；多級汽輪機則除了保證連續運行三年外，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 持續提升單機容量

近年來，工業汽輪機的最大單機容量不斷擴大，進汽參數與單機容量、工業流程的蒸汽參數相匹配隨著現代工業生產規模的不斷擴大，所需工業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%，而多級工業汽輪機的效率則達到70%～87%。

如上文所述，工業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汽輪機可達20000r/min，單級工業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 發展聯合循環和利用中、低品位能量的工業汽輪機

聯合循環、熱電聯產等是提高能源利用率的有效途徑。大多數燃氣-蒸汽聯合循環裝置的熱效率可達40%以上。如將該循環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展。

中、低品位能量的利用，是實現節能的又一重要途徑。因此，小型工業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汽輪機的應用也越來越多。各國對低沸點工質朗肯循環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有了較大發展。

3.5 提高調節部套的精度，采用計算機監控并提高機器的自動化程度

有關標準規定，工業汽輪機的調速范圍為最高連續轉速的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，由于工業生產中工藝流程的復雜化，除了需要對工業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。這樣，就要求將工業汽輪機的幾種專用調節部套組成多功能的調節系統，以滿足各種不同用途汽輪機特殊需要的調節系統，從而有效擴大了原有專用調節部套的使用范圍，并提升了調節系統的可靠性。

當前，電子計算機技術的發展為汽輪機的運行提供了更為完善的控制方法。可用微處理機控制汽輪機運行的重要參數并監控汽輪機的自啟停。所以，將汽輪機監控及自啟停系統配合使用，就實現了汽輪機運行的計算機控制。

3.6 設計與制造的現代化

電子計算機在工業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化設計。CAD和CAM是根據用戶提出的具體參數和規格，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，可用于規范并優化汽輪機的設計。

（2）計算機的繪圖系統，能根據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，可用來控制相應數控機械的生產制造，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，在現代化工業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能降耗的發展理念。