关于水蒸气及汽轮机的基本知识

关于水蒸气及汽轮机的基本知识
1，为什么利用水蒸汽来驱动汽轮机？
把燃料的热能转变为汽轮机的机械能的媒介物---水和水蒸汽------具有以下特性：
膨胀性、流动性、热容量、稳定性、安全性、对环境友好、价廉易获取。

因此水蒸汽是用来驱动汽轮机的理想工质。

2，什么是水或水蒸汽的饱和温度
在一定的压力条件下，低于此温度，介质将以液态方式存在，高于此温度，介质将以气态方式存在，此温度即为该压力下的饱和温度。

在该饱和温度下，介质可以是饱和水，也可以是水和蒸汽共存（即湿饱和蒸汽），也可以是纯蒸汽（即干饱和蒸汽）。

如，在一个大气压下，水的饱和温度是100℃；（水烧开的温度）
如，在西藏高原，大气压低于一个大气压，水的饱和温度只有80多度（水烧开的温度）, 这就是为什么在西藏鸡蛋难煮熟的原因；
在压力较高的高压锅中煮，可提高锅中的加热温度，即水的饱和温度可提高。

3，水或蒸汽的饱和压力和饱和温度的关系如何
水或蒸汽的饱和压力和饱和温度一一对应，压力增加，则对应的饱和温度升高；压力降低，对应的饱和温度也降低。

如，锅炉给水泵的出口压力一定，则锅炉只能产生的此压力下的饱和蒸汽，饱和蒸汽的温度也随之确定；如要提高蒸汽温度使之变成过热蒸汽，必须对蒸汽进行再加热。

过热器的作用就是用来加热蒸汽使之变成过热蒸汽。

4，什么是湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热度
混有饱和水的饱和蒸汽叫做湿饱和蒸汽；
处于饱和状态下的气态蒸汽叫做干饱和蒸汽；
过热蒸汽的温度超过其压力对应的饱和温度的部分称为过热度。

5，什么是蒸汽的品质
蒸汽的品质就是蒸汽中所含的热能转换为其他形式能量的能力，简单说就是做功能力。

低品质蒸汽就是些做功能力相对较弱的蒸汽，通常其温度较低，压力较低。

高品质蒸汽就是些做功能力相对较强的蒸汽，通常其温度较高，压力较高。

单从能量角度看，系统中能量损失最大的地方是冷凝器，约有50%的能量通过其冷却水散失到周围环境中，但这只是略高于环境温度的低品质能量。

炼厂采用减温减压阀将高温高压蒸汽用来加热低温的水或蒸汽，虽然从能量角度看没有损失，实际上浪费了高品质蒸汽宝贵的做功能力。

低品质蒸汽也可以用来驱动汽轮机，不过对于相同规格的汽轮机其功率，效率会降低。

6，蒸汽是如何产生的？
总的来说有两种途径：1）通过燃料燃烧加热锅炉产生蒸汽，如煤、油、天然气、植物桔杆；2）工艺流程化学反应的放热加热产生蒸汽。

如乙烯装置裂解炉产生的压力高达11MPa的副产蒸汽；中科费-托合成煤化工流程产生的大量约2MPa低压蒸汽。

为了更经济地生产蒸汽，炼厂往往要求锅炉内的蒸汽压力和温度按最大的工艺需求参数来选定。

对于其他较低的不同参数的蒸汽用途，可通过减温减压或直接采用调节阀来实现，但是最理想的方法是用汽轮机来减压，还可利用它发出的动力来驱动泵以降低操作费用。

7，汽轮机对蒸汽参数有何要求？
只要是有一定压力（低至2、3kg/cm2）的干饱和蒸汽或过热蒸汽，就可以用于汽轮机来产生功率。

湿饱和蒸汽（混有饱和水）必须在汽轮机入口处经汽液分离器分离出液体后方可用于汽轮机。

如果蒸汽的过热度过低或没有过热度，可能会对透平产生腐蚀、侵蚀或水割作用，降低透平的使用可靠性和使用寿命，同时对透平的功率、效率或最高适用转速等也会有不良影响。

在这种条件下使用需要关注透平的部分部件的选材。

8，如何计算采用汽轮机驱动获得得经济效益？
对于低品质蒸汽，原来是作为废气排放的，假如用汽轮机能产生200KW的功率替代电动机驱动，每年运行按8000小时，则每年可节省200×8000=160万度电，电价按0.5元/度计，则每年可节约80万人民币。

通常一年或不到两年即可回收本体设备投资，还不考虑节能减排给环境带来的间接效益。

使用汽轮机的理由：
1）经济的蒸汽生产，往往要求锅炉内的蒸汽压力和温度必须大大超过全厂各种不同用途蒸汽的温度。

用汽轮机来减压，还可利用它发出的动力来驱动泵以降低操作费用。

2）利用汽轮机的调速系统或单独设置于汽轮机进口或进汽管上的控制阀，可以变速运行。

降速运行可能使汽轮机的效率下降，但耗汽量仍比用节流时少。

当汽轮机的负荷改变时（如转速不变），可开启或关闭汽轮机自带的手阀以增加减少喷嘴的有效面积，从而维持汽轮机的运行效率。

3）以汽轮机作为驱动机不受电源或配电系统的限制和停电断电的影响，可以维持被驱动设备的长期安全运行。

4）汽轮机也可用作泵的辅助动力装置，用来驱动独立的备用泵和事故泵等。

汽轮机作为第二驱动手段，当电源系统发生故障时可保证流程的连续生产。

5）汽轮机很容易适应由于泵流量增加而引起输出功率的增加，适应蒸汽初始温度和压力以及排汽压力的变化，比较能适应各种新的使用场合。

6）汽轮机具有大约为额定转矩150%到180%的起动转矩。

设计汽轮机时需考虑这部分附加的起动转矩所需要的蒸汽流量，可采用手阀不降低额定功率运行时的效率和不用加大汽轮机的尺寸。

7）汽轮机具有自动限制功率升高的特性。

汽轮机的最大输出功率取决于喷嘴环和调速阀的设计过流面积，不需要超载破坏的特殊保护装置。

8）就不同类型泵的驱动装置及其辅助系统而言，汽轮机在运行中振动小、噪音低，维修工作量也少。

使用汽轮机实现节能降耗
基本概念
1.节能减排已经成为国家的基本国策，保护环境、实现可持续发展、造福全人类是企业不
可推卸的社会责任。

2.炼油、石化企业节能潜力巨大，如提高能源利用率，提高用能设备的效率等都可以收到
节能效果。

利用好蒸汽资源也是非常重要的手段。

3.从能源转化的方式看：蒸汽—汽轮机—泵（压缩机）只经过二次转化；蒸汽—汽轮机—
发电机—电动机—泵（压缩机）则要经过四次转化，转化损失大，累积效率大大降低。

直接使用蒸汽动力可以提高能源利用率。

4.如果考虑到汽轮机可以调速运行，减少大马拉小车带来的效率损失，节能更加显著。

（电
机采用变频调速也可以实现优化运行，但是投资大，对电源有谐波污染）。

5.汽轮机可以在较高的转速下运行，可以减少离心泵的级数，特别适合高扬程的离心泵。

6.汽轮机可靠性高，炼油石化企业都有锅炉，蒸汽可靠稳定，所以重要场合（如大机组润
滑油站）一般要求一电一汽驱动方式。

相比之下，电力供应在某些工厂不够可靠。

7.（火用）分析：汽轮机可以充分利用蒸汽的做功的能力。

使用的能量其实占蒸汽总能量
很少一部分，用来做功基本上全部利用。

如果蒸汽是作为工艺、保温、采暖使用，则浪费了宝贵的蒸汽作为动力的能量。

即使通过减温减压增加了蒸汽的量，也是得不偿失的。

因此，应尽可能不用减温减压器。

例子
某装置进料泵，扬程2560m，额定转数5220 rpm，分别用背压汽轮机、电机驱动。

电机功率660 kW。

蒸汽参数：
进汽压力p1=3.5 MPaG；进汽温度t1=380℃；（焓值h1=3175 kJ/kg）
排汽压力p2=1.0 MPaG；（排汽温度t2=310℃）；（焓值h2=3075 kJ/kg）
实际焓降Δh=100 kJ/kg；（绝热焓降约300 kJ/kg，汽轮机蒸汽利用率~33%）
电机实际输出功率约600 kW：费用600 kWh×0.4元/ kWh=240元/h。

（电费按照0.4元/ kWh计）。

汽轮机：蒸汽消耗14t/h（相当于轴功率389 kW，由于转速下降，需要的轴功率降低），这部分中压蒸汽若通过减温减压器可转化为14×3175／3075＝14.5 t低压蒸汽，再考虑1t/h
的漏汽损失，相当于消耗蒸汽1.5 t/h，按照50元/吨计，价值1.5×50=75元/h。

可节省165元/h，每年按照运行8400小时，节约运行费用140万元。

运行表明，使用汽轮机转数在4600-4800 rpm，泵的运行状况大大改善。

某焦化进料泵也是如此，由于泵的扬程余量太大，电机驱动时泵出口压力可达4.0MPa，进加热炉只1.5MPa，节流损失很大，泵运行状况也不好。

使用汽轮机驱动，转速降到2270 rpm，节流损失基本消除，泵运行平稳可靠。

结论
综上所述，充分利用中压蒸汽资源，可以收到明显的节能效果，其实质在于充分利用了高能位的能量。

对整个系统，没有损失能量，只是减少了减温减压所增加的一点蒸汽。

过去炼油生产用的工艺蒸汽（一般是低压蒸汽）都是通过减温减压器获得的，使高温位的能量不能得到利用，其实是很大的浪费。

如果采用背压汽轮机，就可以充分利用这部分能量。

但是背压汽轮机的蒸汽去向应该优化，可以使用凝汽式汽轮机，也可以作为工艺蒸汽，还可以作为蒸发式制冷机组的动力。

电厂发电机组有的采用抽汽凝汽式，可以提供低压蒸汽，平衡蒸汽资源。

但是动力转化方式没有改变，能量利用水平没有提高。

小型工业汽轮机过去主要靠进口，这也限制了汽轮机的使用。

今后，随着国产化的加快，炼油、石化设备采用汽轮机驱动将会带来巨大的节能效果。

克拉玛依石化公司在这方面积累了一些经验。

在加氢进料泵、焦化进料泵、循环水泵、润滑油泵均使用了一汽一电的驱动方式，收到很好的效果
克拉玛依石化----梁总。