| 单词 | 工业汽轮机的现状和发展动向 |
| 释义 | 【工业汽轮机的现状和发展动向】 国外工业汽轮机的发展动向，是向着提高转速、效率和可靠性三大目标迈进，但对驱动用汽轮机和发电用工业汽轮机各有其特殊的内容。 1．机械驱动用汽轮机。驱动用工业汽轮机的发展是和被驱动机械(主要指离心式压缩机)紧密相连的。国外认为驱动用汽轮机高速化有以下优点：(1)机组可小型化，以降低工厂的建设成本；(2)机组易于维修；(3)可提高离心式压缩机和汽轮机的效率；(4)可降低制造成本；(5)使机组易于运行。提高转速是在需要和条件许可的情况下实现的。例如日本的驱动用汽轮机的转速向着25000r／min以上发展，美国则向20000r／min发展，在中国可见到的最大为12500r／min(山西化肥厂的EHNK32／28／36+NK25／28／12．5工业汽轮机，用于驱动合成气压缩机)，前苏联的高速汽轮机转速可达10000r／min左右，美国Dresser－Rand公司的高效汽轮机转速可达20000r／min；前联邦德国KKK公司的径流式小型工业汽轮机转速已高达14000～23000r／min(1988)。为了实现工业汽轮机的高速化，相应地采取了以下措施：(1)在高速的凝汽式汽轮机中，末级扭转叶片的研制是很关键的课题。由于末叶片的顶部约在最大为100000g的离心力场中运转，因而叶片的静、动强度设计都是一个难题。对此日本三菱重工公司当以往使用的13Cr系不锈钢在离心强度不足时，应用12Cr系时效硬化不锈钢制造叶片。为了确保高效率，应尽可能将动叶的排汽损失(余速损失)减至最小，充分利用排汽环形面积。为此也可在12Cr系不锈钢基础上再进一步使用钛合金制造末级动叶。钛合金的强度重量比(或称比强度)为13Cr。系不锈钢的2．4倍，适宜作长叶片材料。中间级动叶，当离心强度难解决时，可在整体转子上加工出叶片。日本用12Cr系的HL－12钢制造转子，通过电解或机械加工法从转子直接加工出叶片。驱动压缩机用的汽轮机，由于转速范围广，不可能避开叶片的全部共振点，故需设计耐共振的叶片。尤其是钛合金动叶片，因其材料的衰减率与13Cr钢相比只有后者的1／10左右，故在共振时，其振动应力很大。为了降低叶片的振动应力，将所有动叶用围带联接起来的方法证明是有效的。此法利用动叶在运转中的扭转恢复现象，使其在动叶围带之间产生压力，将所有动叶机械地联接在一起。这种结构可提高衰减能力。(2)随着汽轮机转速的提高，轴系振动的允许值变小。由于结构上的限制，轴承刚性的制约，临界转速的避开裕度也变小了。因而要求更正确地计算临界转速，研究其振动响应特性(灵敏度)。日本为了汽轮机高速化提出了一个转子动力学体系；采用“Q因子设计法”进行高可靠性的转子－轴承系统的设计，不仅要达到工作转速相对于临界转速的避开裕量，而且还要附加考虑倍频共振问题。(3)作为高速汽轮机用的轴承，要求稳定性好，承载能力大，具有充分的衰减效果，功率损失小等。最近在高速汽轮机中多采用直接润滑的可倾瓦轴承，如日本三菱重工等公司。又如前联邦德国西门子公司在转速大于10000r／min的汽轮机上改用直接供油润滑的五瓦可倾瓦径向轴承。近年来液体轴承、气体轴承等不使用润滑油的轴承也开始应用到高速汽轮机上。例如日本近年生产的一台15000r／min、3000kW的背压式汽轮机首次使用了磁气体轴承，实现了汽轮机轴承的无油化。(4)由于高速汽轮机通过齿轮传动调节器，容易发生调节器机械零件磨损等故障，而采用非接触式调节器则可解决此问题。并且由于汽轮机高速化、小型化使转子惯性矩变小，要求提高调节器的灵敏度，为此电子调节器得到更多的应用。例如日本三菱公司为此研制了模拟式的“Turbo-ACE”电子调节器和16位数字式电子调节器“DASH－58”。它具有2级抽汽压力调节、自动诊断等高功能。此外还有8位数字式电子调节器将在小型驱动汽轮机上得到广泛应用。又如美国的Trisen公司和Woodward公司都研制成功容错式电子调节器，并已得到广泛应用。据报道，Woodward公司的电子调节器其可用率可过99．9999%，可使用于关键性汽轮机，但价格较高；而美国GE公司则有第3代的带有微机的MTAC调节系统，具有很多的高功能。为了提高驱动汽轮机的效率以改善经济性，国外采取了以下各项措施：改进叶型，降低高压级的漏汽损失，如采用沿叶高变叶型的导叶和动叶等。改善低压级长叶片的流型设计，特别是凝汽式机组，为了减小其排汽损失，采用长叶片对提高效率是有效的。降低低压级的湿汽损失，如采用先进的分离和去湿装置。提高转速，特别对小型工业汽轮机提高转速即可提高效率。改善部分负荷工况下的汽机效率，用全周进汽代替部分进汽，以减小汽流损失。在成套装置中对汽轮机的选用和布置进行优化，如利用抽汽凝汽式汽轮机等来代替背压式汽轮机，以实现能量有效平衡。各级速比达到最佳，同时采用轻型缩放通道的喷嘴与动叶相配，当理论出口汽流速度在M1．2以上时，可改善超音速区的叶栅性能，使效率有所提高。根据主蒸汽平衡的变化，将汽轮机由历来的转速调节改为蒸汽压力调节等。最近，中国外发电用工业汽轮机的技术发展动向如下所述：(1)高速化。其优越性是采用小节圆直径，减小了二次损失；因增加叶高而提高了级效率；机组小型化；发电机可采用4极结构。发电用工业汽轮机的转速根据需要可提高到5000～12000r／min，机组功率可达20MW。进汽参数向高温、超高压方向发展：日本10～20MW级的机组，其进汽参数也达11MPa／530℃，美国Dresser-Rand公司的机组则可达12．41MPa／524℃。(2)增大单机容量。有些工厂需要较大容量的自备电厂汽轮机，可提高电厂效率。(3)提高机组的效率和可靠性。通过不断改进零部件结构设计，以适应老机组的改造和更新的需要。GE公司研制了新的末级长叶片，在现有机组上换装这种叶片可使效率提高0．8%，在新机组装上这种新叶片可使效率提高1．2%。西门子公司对三系列汽轮机的叶型、导叶持环、转鼓级叶片结构、汽封、轴承等均作了改进，对积木块进行了扩充，使汽轮机效率提高了1%～1．5%，并提高了可靠性。从工业汽轮机的类型和品种规格来说，除杭州汽轮机厂按引进的西门子技术设计生产三系列汽轮机型谱中的一部分类型和品种的反动式汽轮机外，其余5家中、小型汽轮机厂均自行设计、生产单级或多级冲动式工业汽轮机，包括自行设计的驱动用汽轮机、热电联产汽轮机(供热式汽轮机)和热水扩容式汽轮机等3大类，其类型(系列)和品种(规格)繁多。其中大部分机组用于热电联产、发电、余热发电、低品位热能利用等，能较好地满足国内各种需求。武汉汽轮电机厂生产以单机6～25MW为主的工业汽轮机，参数有高压、次高压和中压，除现有的凝汽式3个品种、抽汽凝汽式5个品种、背压式9个品种、抽汽背压式3个品种外，又开发了6～12MW次高压机组，同时进行了包括次高压参数在内的供热式汽轮机系列化设计规划，并已逐步加以开发。南汽厂目前生产3～25MW的机组，参数有低压、次中压、中压、次高压和高压之分，也开发了几种3MW次高压机组；其中3种背压式机组用得较多。青汽厂目前生产的汽轮机有6个系列(类型)68个品种，功率为12MW以下，个别达25MW。广汽厂目前生产高、中、低压蒸汽参数的工业汽轮机，也生产地热用凝汽式汽轮机，共有30余品种。杭州汽轮机厂目前生产的工业汽轮机有单级小型背压式汽轮机计6个类型31个品种，其中生产较多的是1C62型；中压以下参数，功率为500～1500kW；1975年后开发的悬臂式汽轮机计4类型20余品种，最大功率为6000kW，最高转速15000r／min。用于热电联产、余热发电的主要有B40XC，B40X等型号。杭汽厂1980年3月制造了第1台按引进技术设计的3000kW工业汽轮机，目前已生产的有NK、ENK、NG、ENG、HG及EHNG等6种基型的几十个品种。事实表明，目前以现有“标准流程”合成氨装置和尿素装置为代表的石化装置中所需配套的工业汽轮机，原则上完全可以用国产工业汽轮机顶替进口；证明了中国工业汽轮机行业完全有能力设计制造难度较大的各型工业汽轮机，以满足石化工业和各种行业的需求。值得指出的是：北重、南汽、青汽3家厂，已设计、生产了4种参数的次高压热电联产机组，其进汽参数为4．9MPa／435℃；4．9MPa／470℃，5．9MPa／435℃；5．9MPa／470℃；功率为3～12MW。类型有背压式9个品种，单抽汽背压式3个品种。近年来武汽厂正在加速开发次高压机组，其中C12－50／10单抽汽凝汽式机组(其额定汽耗为7．33kg／kWh)和B12－50／10，B12－50／5背压机(其额定内效率分别为74．5%和77．3%)已接近完成。杭汽厂也正在开发新型的次高压12MW机组，以适应形势的发展。同时组成了6～12MW的凝汽、抽凝、背压、抽背系列，可适应于次高压和次高压以下参数，以满足不同用户的需求。中国工业汽轮机的发展自20世纪50、60年代起，已在产品的品种和产量上有了较快的增长，但与国外先进水平相比，还有相当大的差距。目前无论是单级汽轮机还是多级汽轮机，就产品本身所具有的质量等级来说还是低水平的，气动、结构、强度等方面的设计较陈旧。因此，机组效率低，经济性差，可靠性也成问题，仪表和调节系统落后，产品未形成统一的完整的系列。通过70年代中期引进的西门子技术设计生产的三系列反动式汽轮机，其本身的质量等级较高，具有特殊的地位。但目前国产三系列机组与西门子公司的产品也尚有一些差距，且只生产过12种基型中的6种，其余6种基型尚待开发，尤其是超高压(14MPa)的各基型(HNG，HNK，EHNG，EHNK等)。为了提高国产工业汽轮机的技术水平，缩小与国外先进水平的差距，进而达到国外先进水平，有如下发展对策。1．系列化。各厂自行设计的冲动式汽轮机要有计划分步骤地进行系列化工作，可以在各厂现有系列的基础上，加以充实、补充，使之完善而形成完整系列。第一步根据现有国标规定的标准参数系列齐次并进行必要补充。第二步应结合工业汽轮机的特点及节能要求，实现参数可变(非标准)，形成具有标准参数和非标准参数的完整的工业汽轮机系列。2．设计现代化。包括“积木化”，计算机辅助设计(CAD)和优化设计方法等。事实证明，“积木化”设计可将多品种的单台设计转变为某种程度的定型设计，可利用较少的积木块设计出一定范围的各种各样的汽轮机，因而可大大缩短设计周期，提高设计质量和设计效率。而CAD也是现代化的设计方法之一，由于应用了电子计算机而使现代化的设计方法达到一个新的阶段，这对提高设计水平和设计效率都极为有利。国内杭州汽轮机厂也成功地对三系列汽轮机按“积木块”原理进行设计，并实现了CAD和一定范围的CAM，目前正在开发交互式CAD系统积工业汽轮机方案设计与报价的专家系统，在工业汽轮机计算应用智能化方面跨出了可喜的一步。但还需开发冲动式汽轮机的CAD，进一步发展CAD／CAM一体化。3．热电化。大部分工业汽轮机用于热电联产、余热发电和余压发电，即称为发电用工业汽轮机，它既可用于自备电站，也可扩大用于公用电站。这类热电联产汽轮机(供热式汽轮机)，其供电煤耗可低达200～250g／kWh，具有明显的经济效益。尤其是次高压参数的热电联产汽轮机(6～12MW)更值得推广。4．提高机组可靠性。主要从可用率、大修间隔期、无事故累计运行时间、使用寿命等4个方面来衡量。同时在机组投运时就应建立系统的可靠性管理。例如对国产已投运的工业汽轮机建立机组和整个系统的运行可靠性管理制度，其中包括建立可靠性数据记录、整理和处理制度。对引进机组亦应如此对待，以便掌握国外工业汽轮机的实际可靠性水平，进一步采取措施以逐步提高国产工业汽轮机的运行可靠性。5．自控化。国产工业汽轮机在控制系统和监控装置仪表等方面与国外先进水平差距更大，自控设备质量低，机组可控性差，因而可用率较低。因此适当提高机组的自控化，提高国产自控系统、监控装置及仪表的设计、制造质量是刻不容缓的事，也是需长期努力的对策之一。6．提高机组效率。提高机组转速，这是国外工业汽轮机的主要发展趋势，中国也应将科研机构和工厂结合起来，开展卓有成效的科研工作，将工业汽轮机的效率提高一大步。7．应用成组技术和计算机辅助制造(CAM)。实践证明，成组技术和计算机辅助制造对生产组织能发挥巨大作用。尤其是成组技术应进一步加以应用。同时也需创造条件实现CAM，使中国工业汽轮机的生产组织提高一大步，以提高产品质量，缩短生产周期，降低成本。(杭州工业汽轮机研究所王中森撰) 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