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低压饱和蒸汽汽轮机的应用及其发展前景 谢业平 湖南湘东化工机械有限公司，株洲 412300 摘要：节能减排是是实现可持续发展的重要途径，在化工、石油、冶金、轻工、建材、环保、纺织、造纸等工业企业存在大量的低品位能源——低压饱和蒸汽，这些低品位能源除少量回收利用外，大量排空，造成极大的能源浪费和环境污染，开发研制低品位能量的回收利用方法具有重要的学术意义和工程应用价值。论文对低品位热能的回收利用方法和关键技术进行了系统的分析，对低压饱和蒸汽特种工业汽轮机技术进行了介绍，所做工作对于工业企业节能降耗具有重要的参考价值。 关键词：节能减排；低压饱和蒸汽；特种工业汽轮机 Low saturation steam turbine and the application prospect of development XieYe – Ping (Hunan Xiangdong Chemical Machinery Co., Ltd. 412300 Abstract: Saving is the important way to realize the sustainable development in chemical, petroleum, metallurgy, light industry, building material, environmental protection, textile, paper and other industrial enterprises in the presence of large amounts of low grade energy - low-pressure saturated steam, these low grade energy recycling outside, with the exception of a few large emptying, causing tremendous energy loss and environmental pollution, and develop low grade energy recycling method has important academic value and engineering application value. Papers on low-grade heat of recycling methods and key technologies of the system the research, low saturation steam special industrial turbine technology are introduced, their work for the industrial enterprise energy consumption has important reference value. Keywords: Saturated steam pressure, Industrial steam turbines, saving 工业企业中，低压饱和蒸汽广泛存在，大致有两种来源：一是工业企业热电站所产生工艺用高参数蒸汽经过梯级利用后的输出，如热电厂汽轮发电机组抽汽、减温减压站等。二是以节能降耗为目的利用工艺介质余热而设置的废热锅炉、蒸汽发生器的产出，如炼钢厂高温冶炼炉余热烟道或其他冷却件的蒸汽发生器、化工厂硝酸“三合一”装置废热锅炉、甲醇合成装置废热锅炉、石化企业涤纶氧化装置蒸汽发生器等。 低压饱和蒸汽压力和温度低，湿度大，长距离输送流动阻力损失大，因湿度大对管道和设备冲蚀严重，能源的有效利用难度较高。 低压饱和蒸汽的传统利用方式主要有：作为锅炉给水除氧、工厂低压热网的热源、直接送至居民区采暖供热和通过再热变成过热蒸汽再利用。 因传统利用方式的局限性，大部分企业在没有合理用途时大多选择排空，既浪费大量的能源，又造成对环境的热污染，是实现节能减排战略急需解决的关键问题。 2 低压饱和蒸汽利用方法 2.1 螺杆膨胀动力机技术 螺杆膨胀动力机在上世纪七十年代被美国率先研制，并成功地用于地热汽水两相流的热能回收利用，机组功率60KW，我国八五计划将螺杆膨胀动力机技术列为重点攻关项目，1990年研制出实用样机，同年通过国家建材工业局组织的验收。目前，我国制造的螺杆膨胀机单机功率范围约50-800KW。 螺杆膨胀动力机的主要机械部件为一对螺杆和铸钢外壳，利用流体在阴阳螺杆间膨胀作功,对阴阳螺杆加工精度要求极高（其啮合间隙不得大于5μm）。 螺杆膨胀动力机作为一种新型节能技术设备，提供了回收低品级能源的一种选择。其优点是可以使用汽体、液体和汽水混合物作为工作介质；但是，当出口压力降低、膨胀比增加时，结构实现比较困难，因此排出压力比较高，效率比较低，能量不能得到最大限度的回收利用。 2.2 特种工业汽轮机技术 利用汽轮机将低压饱和蒸汽的低品位热能转化为旋转机械能是低品位能源的主要利用途径。根据低压饱和蒸汽产汽量和参数，利用方式可分为集中回收和分散利用。集中回收用于发电，分散利用既可发电，更多则替代电机拖动水泵、压缩机、风机等旋转做功机械。 低温余热发电技术是通过回收钢铁、水泥、石化等企业几乎每天都在持续不断的向大气环境中排放的中低温废蒸汽、烟气所含的低品位的热量进行集中回收发电。可选择带蓄能器的饱和蒸汽发电或带蓄能器的过热蒸汽发电。 （2） 带蓄能器的过热蒸汽发电技术。蓄能器出来的饱和蒸汽经过过热器变为过热蒸汽，再进入特种工业汽轮机做功。需较高品位能源加热，系统比上述方案复杂，需仔细评价其技术经济合理性。 3 低压饱和蒸汽汽轮机系统及其关键技术 低压饱和蒸汽汽轮机特指新蒸汽压力范围为0.35～2.50MPa，功率范围为100～6000KW,新蒸汽温度为相应压力下的饱和温度，转速为300—18000转/分。其基本结构特征可描述为：冲动式原理，单缸，单级或多级，喷嘴配汽，整锻刚性或挠性转子，可倾瓦径向滑动轴承，整体机座，成套快装供货。最常见机组型式有：背压式、冷凝式两种。图 1为两种型式汽轮机在热-电-动力系统中使用示意图，二者的对比见表1。 表1 背压式与凝汽式汽轮机对比
采用汽轮机与电动机拖动比较（见表2）： 1) 汽轮机机组能很好地满足防爆、防火要求；一般可连续运行二年不用检修； 2) 汽轮机使用性能好，表现在起动升速平稳、可变转速运行、可直接与被驱动机械相连等； 3) 电动机一次投资小，系统配置简单，不受工质波动影响。 表2 汽轮机与电动机拖动对比
采用汽轮机拖动与螺杆膨胀动力机拖动相比： 1) 汽轮机适应功率和转速范围大。螺杆膨胀动力机目前只适用于小功率、低转速的场合。 2) 汽轮机工质必须为蒸汽，螺杆膨胀动力机工质可为蒸汽、热水及其混合物； 3) 相对而言，在排汽压力比较高时螺杆膨胀动力机内效率理论上比汽轮机高。 3.1 低压饱和蒸汽汽轮机的关键技术 3.1.1叶片的水蚀问题 与常规电站汽轮机不同，低压饱和蒸汽汽轮机的进口蒸汽处于饱和状态，在多数场合还弥散一定量的游离水。在不进行中间再热的情况下，机组的排汽湿度可能达到15％，这样机组低压部分叶片的水蚀非常严重，并且机组的效率低。为控制叶片的水蚀问题，同时提高机组的效率，要求将机组的排汽湿度降低到10％以内。 减少叶片水蚀，目前采用的预防措施主要有： 中间再热式 利用中间再热单元去湿，此方法需高位能，机组复杂； 强制疏水式 将湿蒸汽在流动过程中形成的水滴有效排出汽轮机，如空心静叶抽吸除湿技术的应用。在低压部分采用空心静叶，利用静叶表面与低压部分（一般为凝汽器）之间的压力差，通过差压控制器的控制作用，保证在不同的工况之下，静叶表面与内部空腔之间确定的压力差，将静叶表面存积的水膜抽出，降低通流部分的湿度和水蚀，提高流动效率。 节流调节式 将新汽经过一定的节流之后引入汽轮机中做功。由于节流过程是一个等焓降压过程，压力的降低，对应饱和温度降低，因此饱和蒸汽变为过热蒸汽，这样可控制膨胀到排汽点时，湿度在允许的范围之内，这是非常有效的降低水蚀的途径，但节流过程须付出能量损失的代价。 抗蚀增强式 增强静叶、动叶材料的抗冲蚀性能，在水滴冲刷严重处镶嵌硬质合金或者进行表面硬化处理。 实际机组开发设计时，是上述措施的综合。 3.1.2机组效率问题 低压饱和蒸汽汽轮机固有的效率较低的问题长期困扰着汽轮机行业的研发人员。采用多级高效率汽轮机，使汽轮机在最佳运行点工作，改进通流部分的气动特性等是提高机组效率的有效措施。 ⑴ 减少漏汽损失 漏汽损失是制约汽轮机效率提高的最主要因素。研究表明动叶叶顶漏汽损失对机组性能影响很大，据统计，在汽轮机级的各项损失中，漏汽损失占总损失的29%，而动叶顶部漏汽损失则占总漏汽损失的80%[1]。 合理控制动静间隙，是减少漏汽损失的有效手段。 动静间隙对机组的效率影响比较大，据汽轮机低压缸实测计算，间隙每增加 开发更高效的级间汽封，如双齿汽封，阶梯型或高—低齿型汽封、可调式汽封等，可明显降低漏汽量，提高机组效率1-2%。 也有研究表明：具有适当小间隙的叶栅往往可以获得比无间隙叶栅更高的效率；而在相同的切向泄漏面积下，沿流向渐扩型间隙的叶栅可以获得更高的效率[3] ⑵ 降低流动损失。 优化零部件结构设计.汽封结构、阀门、管道与进排汽蜗壳内的流动也都有强烈的全三维特征。目前国际上不少汽轮机制造厂家都以计算流体力学方法为主，对这些部件进行优化设计，以提高其气动性能。如GE 公司新设计的主蒸汽阀门的总压损失比老产品降低30%。 ⑶ 改进排汽缸结构 通过去除内部支撑梁和提供较大面积的特型流道改善流动特性，从而减少凝汽式汽轮机的紊流，设计良好的排汽缸可使缸效率提高1%以上。 ⑷ 叶型设计。采用三元流设计技术以减少叶型损失；采用自带围带叶片、阻尼型叶片，末级叶片采用马刀型静叶，提高根部的反动度，次末级叶片采用蜂窝汽封，加强去湿效果，减少对叶片的水蚀； ⑸ 单级或多级的第一级进汽由轴流改为径流式。 双列级最佳的叶片圆周速度与蒸汽速度比为0.23时，理论的最高效率68%，可尝试通过采用特殊加工的可调式喷嘴与叶片精确对准，借鉴涡流式发动机径流技术来达到提高效率的目的。 实践表明，机组优化设计后效率可望提高4%左右。 3.1.3关键零部件材料开发与应用 因为饱和蒸汽汽轮机的进汽参数降低，同等功率条件下，机组的进汽流量大大增加，排汽容积流量比常规同等功率机组增加几倍，尤其是次末级叶片往往在接近Wilson线的湿蒸汽区运行，而很多时候造成应力腐蚀裂纹（SCC）的原因就是干湿蒸汽工况的交替出现。因此，开发研制相应高性能叶片的材料是低压饱和蒸汽汽轮机的关键之一。 3.2 产品系列化的构思[4] [5] 3.2.1 用户对低压饱和汽轮机的一般要求： ⑴ 使用可靠，寿命长。能连续运行2-3年。 ⑵ 操作简单，维修方便。 ⑶ 效率较高，能在不同汽源、功率、转速下选到合适的机组。 ⑷ 造价低，交货期短。一般要求6-8个月内交货。 ⑸ 能满足其他特殊要求，如适应各种布置方式（包括露天布置），机组能快速启动等。 3.2.2 产品型式和蒸汽参数： 根据低压饱和蒸汽的特点和对应用情况的统计分析，如前所述，机组型式分为背压式和冷凝式。进汽参数可分为三档：允许最高进汽参数1.0 MPa/ 3.2.3 产品系列化方法 按国内外工业汽轮机厂商的做法，按主结构尺寸来安排工业汽轮机的系列。系列内的每种尺寸基型在变换少量零部件下，便能适应一定性能参数（蒸汽参数、功率、转速等）范围的需要。把汽轮机的零部件分为三大类：基型固定不变的基本件—汽缸、蒸汽室、转子、调节连杆等，标准部件—主汽门、调速器、轴承座、轴承、汽封、末二级叶片等，按具体热力参数确定的随机件—汽阀、喷嘴、动静叶片等，这样，对每种尺寸基型，只改变随机件就可适应一定区间的性能参数范围的需要。 为减少基本件的品种可采用“积木块”原理，把产品再分段，然后按公比1.25优先数系（如进汽缸直径可为250、320、400、500、…）安排这些分段的结构尺寸系列，最后用这些区段，组合成各种类型的尺寸基型，各种的区段（积木块）加以排列组合，则可得到上百种尺寸的机型机组。 4 低压饱和蒸汽汽轮机应用前景分析 4.1 低压饱和蒸汽来源 从理论上来说，如果国家规定 ⑴ 钢铁工业 如烧结矿冷却机、转炉、均热炉、高炉、热风炉和焦炉余热等的烟气余热能 源。目前我国大中型钢铁企业具有各种不同规格的焦炉、转炉、电熔炉等成千上万座。 ⑶ 石油炼化工业的精馏塔、反应塔、加热炉等的余热能源； ⑷ 有色冶炼工业的电炉烟气、炉体散热等的余热能源， ⑸ 玻璃工业的熔化窑等的烟气余热能源等。 以湖南湘东化工机械有限公司2003年为四川泸天化绿源醇业公司制造的低压凝汽式汽轮机驱动循环水泵为例进行经济性分析。其进汽参数0.45MPa， 4.2.1投资成本 低压蒸汽汽轮机全套机组共投资320万元。 选用电动机拖动需一台10KV，1500KW的高压电动机及相应的调速装置需投资120万元。 4.2.2 运行成本 若用电动机驱动，功率1500KW，工业电价0.50元/度，按一年运行7000小时计算，每年电费525万元。 4.2.3 节能效益 功率1500KW驱动循环水泵用低压蒸汽汽轮机，全年运行7000小时，用蒸汽1500×8.69×7000=91245吨/年，每年可节约标煤11405吨。 电动机驱动年耗电量为 1050.00万KWh,使用汽轮机节约标煤4242吨。 因此，低压饱和蒸汽汽轮机的使用每年可节约标煤15647吨，减少CO2排放4.5万吨，按照每吨煤600元计算，年节约928万元。具有显著的经济效益和社会效益。 4.2.4技术经济评价 结合表2综合分析，汽轮机拖动一次投资要比使用变频调速电动机高，但运行成本远远低于后者；使用汽轮机拖动的运行费用约是280元/小时，电动机的运行费用约是750元/小时，每小时就可节约运行费用470元，一年（运行7000小时）为企业直接创造经济效益525-196=329万元，投资汽轮机的320万元，不到一年便可收回。社会效益更为可观，一年可节约标煤15647吨，减少CO2排放4.5万吨。 5 结语 低压饱和蒸汽为工质的特种工业汽轮机可以用于回收工业余热，相对于电机驱动，具有效率高、工作运行可靠、变工况适应性强的特点。一台1500KW饱和蒸汽汽轮机利用生产线产生的排空蒸汽替代电机驱动循环水泵时，年节约标准煤15647吨，减少CO2排放4.5万吨，年节约928万元。具有显著的经济效益和社会效益。有着广阔的发展前景。 6 致谢 本文写作过程得到西安交通大学 参考文献 [2] 张艾萍，暴丽，叶荣学，等.汽轮机动静间隙对经济性与安全性的影响[J],汽轮机技术,2003，45(1). [3] 贾希诚，王正明，蔡睿贤，等.叶轮机械中叶顶间隙形态对气动性能影响的数值研究[J], [J].工程热物理学报,2001，22(4):431-434. [4] 杭州工业汽轮机研究所.工业汽轮机文集[M].杭州：杭州汽轮机厂技术情报室，1987. [6] 湖南湘东化工机械有限公司汽轮机公司，内部资料[J],2007，（3）：1-6 作者简介：谢业平（1962-），男，高级工程师，主要从事压力容器（A1\A2\A3\C1）和工业汽轮机设计开发和管理工作，通讯地址：412300 湖南株洲市湖南湘东化工机械有限公司，E-mail: xyp@xdcm.com 。 |
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