参数的选择与汽轮机内效率分析修订稿
参数的选择与汽轮机内
效率分析
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参数的选择对汽轮机内效率浅析
原创：孙维兵连云港碱厂22042
摘要：简要叙述电力和工业用汽轮机的内效率，以及蒸汽初、终参数选择对对全厂能耗的影响。
关键词：汽轮机内效率蒸汽参数能耗
一、汽轮机内效率
1、背压汽轮机数据模拟本表来源某碱厂6000kw背压机组，带下划线的为表计显示值。其他为计算或模拟值。
本机组型号B6－35 /5，设计蒸汽压力℃，排汽压力。设计内效率%。
由于蒸汽和喷管叶片的磨擦生热，被蒸汽吸收后汽温提高，在下一级得到利用，机组级数越多，利用次数越多，总内效率有所提高。热机内效率η＝
100％×实际焓降÷理想焓降，汽轮机的内效率表示的是设计的汽轮机组的完善程度，相当于存在的所有不可逆损失的大小，即实际利用的焓降与理论上能达到的焓降的比值。
严济慈说：“所费多于所当费，或所得少于所应得，都是一种浪费”。提高热机的热效率的方法有二种，一是提高高温热源的温度，二是降低低温热源即环境的温度；低温热源变化较小，因此提高蒸汽初温和初压就成为提高机组的热效率的途径。相对地，提高热机的内效率则基本上只有一种方法，即设计更完善的机组使汽机内部各种不可逆损失减少到最少。
从热力学第二定律上看，冷源损失是必不可少的，如果用背压抽汽供热机组，它是将冷源损失算到热用户上，导致所有背压热效率接近100%，但内效率差距仍然很大。
2、纯碱行业真空透平机、压缩透平机和背压汽轮机相对内效率比较
各个背压供热机组热效率都接近100%，但汽耗率分别为、、、 kg/kwh，即消耗同样多的蒸汽量发出的电能有大有小。小容量汽轮机的汽封间隙相对较大，漏汽损失较大，同时由于成本投资所限，汽轮机级数少，设计的叶型也属早期产品，所以容量小的机组内效率很低。目前电力系统主力机组亚临界压力汽轮机组都较大，总内效率高达90-92%，热力学级数达到27级；相比于发电用汽轮机，工业汽轮机级数少，内效率偏低，明显是不经济的。
3、喷咀和喷管。冲动式汽轮机的蒸汽在静止的喷咀中膨胀加速，冲击汽轮机叶片。对喷咀来说，存在临界压力和临界压力比。如渐缩喷管，流量达到最大值时，出口压力p2与进口压力p1之比βc约为，当背压p2下降低于βc ×p1时，实际流量和汽体的速度不再增加，相当于压力降白白损失了。反动式汽轮机内效率较高，但单级压降较冲动式更小。纯碱厂常用的压缩工业汽轮机有11级，但压力降能力较小，实际运行时内效率不高。真空岗位的工业汽轮机，只有一级双列速度级，单级压力降能力是有限的，如果选择的排汽参数太小，那么许多压力降是白白损失了，如上述真空透平机实际运行时内效率只有%，如果考虑机组的漏汽损失，内效率还会更低。在同样的进汽参数与排汽参数下，某国产真空工业汽轮机，冲动技术，厂家设计内效率只有%。
中压汽轮机为节省投资，最大限度地提高压力降，选用的第一级调节级为双列速度级，它的内效率也相对较低，为提高整个机组内效率，高压和超高压以上汽轮机组全部摒弃双列速度级只用普通的带反动度的压力级。同样的，当工业透平机的单级压力降太大时或排汽压力远远低于设计压力时，它的压力降不能得到有效的利用，级的内效率下降较快。由于纯碱厂的低压蒸汽管网运行压力远低于设计压力，远离设计参数，汽轮机、压缩汽轮机和真空机的内效率损失较大。
二、参数的选择
1、设计过程中存在的冗余。如DG140/59给水泵设计，内效率约在70-74%，所需轴功率为310-328千瓦(计算略)，选用电机400千瓦即可，设计院一般选用电机为440千瓦。同样DG140/59给水泵，设计压力为，实际运行时省煤器进口压力约在－，当给水泵出口压力在时，即可满足锅炉用水需要，如果设
计给水泵压力为，给水管道应选比正常值稍大如可选φ200左右，可节能16%左右。又如锅炉送风机风量，理论空气量已经满足燃烧要求，锅炉厂给出的送风量已经乘以的系数，如果设计院选风机时风量再乘以的系数，在选用配套电机时功率将变得更大。在锅炉与汽轮机配套设计中，锅炉以额定参数运行时，汽轮机入口压力将超过设计压力约，高压超高压机组汽轮机超过设计压力也较大。设计中存在的冗余对锅炉和汽轮机经济性影响较大，中压机组热效率影响可达到左右，国外的一些电力厂家设计的冗余较小，因而耗电量和发电标煤耗也相对较小。
2、蒸汽参数的选择工业用汽轮机排汽参数与发电用汽轮机抽汽或背压的参数与生产工艺需要有关。实际运行汽轮机排汽参数随用户的需要是可以进行调节的，但如前所述，汽轮机单级压力降不能太大，否则效率下降较大。举纯碱行业一个例子。蒸汽低压管网，设计压力，运行压力为 Mpa。实际上低压管网需要这样大的压力吗？答案是否定的。
蒸氨塔的耗汽量是氨碱厂能耗最大的部分，再加上淡液蒸馏塔消耗的蒸汽，蒸氨耗汽量特别大，吨碱可消耗低压过热蒸汽在－吨，较小的厂可能还要高一些。蒸氨塔的运行状况直接与全厂的能耗相关，如果蒸氨塔进汽绝对压力在170Kpa（绝对压力），塔底压力在165 Kpa，蒸氨后的废母液温度约114℃。蒸馏塔标准运行工况有四五种，进塔底的绝对蒸汽压力分别为165、145、115、74 Kpa，根据相图查不同压力下蒸馏塔DS吨碱氨理论损失为、、、千克，即蒸氨塔底压力越高，氨损失越大。索尔维公司蒸氨塔底压力为74Kpa，相当于负压27Kpa，运行时温度在89℃。
蒸氨塔的塔底压力与淡液蒸馏塔的塔运行压力密切相关，如果蒸氨塔真空度增加，蒸馏预热器以上的真空度要加大，淡液蒸馏塔的真空度也要变高。一闪后的蒸汽可以被淡液蒸馏塔和蒸馏预热器利用，整个蒸氨系统的能耗才能下降，吨碱氨耗才可能下降到千克以下(目前索尔维公司最先进水平在千克以下)。终点液体量也需严格控制，应严格控制母液膨胀，减少各处水量，控制在吨左右，如果达11-12吨，则能耗与氨耗上升较快。淡液塔的真空度应该是比较大的，可高达35kpa，在淡液塔底部的蒸馏废液才会产生较多蒸汽，废母液的温度可下降到88℃以下，如与不经过闪发器的直接投资排放的114℃废液比较，节能约34%，如与母液膨胀吨碱排放吨废液比较，则母液膨胀后能耗与较好状态下蒸氨塔能耗比的上升接近100%。蒸氨塔塔底运行压力太高，这是国内氨碱行业氨耗和能耗较高的主要原因。由于低压管网压力高，选用的工业汽轮机和发电汽轮机远离参数，效率也较低，许多压力降白白损耗了。同时低压管网压力高，造成蒸馏塔负压运行控制较为困难，这也是因为低压管网压力选择错误造成的。
选择工艺生产用蒸汽压力，同样存在设计冗余问题，常见的问题是压力选择太高，如有的生产厂家重灰煅烧蒸汽设计压力，实际上有的碱厂运行压力不到。按热网长度，一般认为选择10%-15%的压降比较适宜，压降较小时选择不宜小于。工艺蒸汽压力选择太高则在汽轮机内的压降变小，汽轮机在选型时可能选用级数较少的，经济性不好，发电量变少。对汽轮机来说，由于有一定的调节能力，选择时应注意化工设备需要压力温度与汽轮机排汽参数应基本相等，这样才能充分利用蒸汽的压力降，使机组能保持较高的内效率，多发电。
3、选用机组对纯碱行业来说，驱动压缩机和真空机这样的工业设备选用工业汽轮机还是电动机，是首先要考虑的。
当全厂生产蒸汽在30-50吨/时以上时，可选用中温中压背压或抽汽机组(3000-6000千瓦)。耗汽量较少如在30吨左右，由于只能使用中压低压发电机组的，而中压低压发电机机组内效率不是很高，且往往汽轮机级数较少，可采用工业用透平机带动设备。
蒸汽用量在100-150吨/时以上时，由于中温中压汽轮机内效率约78%，与高温高压汽轮机组的内效率约87%存在一定差距，可考虑选用高温高压发电机组。由于蒸汽消耗量大，高压汽轮发电机与中压工业汽轮机内效率差距变大，经济性差距更大，如蒸汽耗量为100吨高压背压发电机组与中压发电机组比较(排汽压力,功率相差约%约8200KW，与内效率低于60%的工业用透平机比相差更大；可考虑选用高压背压发电机组对生产工艺供汽，用电动机带动工艺设备，此时需要考虑电机与机械设备的转换与传动效率，大约有96-97%，转换中有相当一部分能源损失了，但总体上全厂的能耗还是有所下降的。
对耗汽量较大如每小时达300吨以上，超高压高压汽轮机机组与中压工业汽轮机效率差距较大与工业汽轮机差距更大，应选用超高压汽轮机组发电和供汽，此时不宜采用内效率低于70%的工业汽轮机。
2003年以来中国的能源逐渐趋于紧张，煤价上扬，增加动力设备投资，进行设备的升级改造降低能耗符合国家政策
根据技术经济计算公式：
R = S + K/t。
R为每年所有计算费用，S为年度运行费用，K为设备一次性投资，t为额定偿还年限(取5～10年)，煤价从160元左右上升到390元上升近150%，而设备费用上升约30-40%，总的说来，采用较先进的设备，适当增加投资是有利于控制年度总费用的。
由于电力制造业的进步，超高压锅炉汽轮机组九大锅炉厂和九大汽轮机厂都能生产。高压、超高压背压式汽轮机的内效率也是比较高的，约85-90%。工业用汽轮机内效率如前述，实际运行时内效率一般达不到65%，高耗汽量的大工业在新建、改扩建时再使用工业汽轮机驱动设备如驱动压缩机和真空机是不很经济的，应该选择电动机驱动，设备制造业也应该考虑到这一发展趋势，提供高性能的节能产品。采用高内效率的节能设备是后工业时代发展的必然趋势。
参考书目：《索尔维制碱》德国Z.兰特着
连云港碱厂
孙维兵
2005/10/5