一、前言


　　伴隨著經(jīng)濟水平和工業(yè)水平的快速發(fā)展，全球面臨著越來越嚴峻的能源挑戰(zhàn)和環(huán)境挑戰(zhàn)。進入新世紀以來我國政府非常重視節(jié)能減排，在“十一五”期間國家把節(jié)能和減排確定為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的約束性指標，節(jié)能減排也是目前調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式的重要抓手和突破口。國務(wù)院 “十二五”控制溫室氣體排放工作方案中要求：到2015年全國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放為1.9噸左右，比2010年下降17%，并將單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放下降指標作為約束性指標分解到地方。在今年8月份國務(wù)院印發(fā)的《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》中提出了萬元GDP能耗下降16％達到0.869t標準煤的目標，要求鋼鐵、化工、建材、造紙等部分工業(yè)行業(yè)和大中型企業(yè)的節(jié)能指標達到世界先進水平，如鋼綜合能耗、原油加工綜合能耗、乙烯綜合能耗、合成氨綜合能耗要分別由605kg標煤/t、99 kg標煤/t、886 kg標煤/t、1402 kg標煤/t下降到580kg標煤/t、86 kg標煤/t、857 kg標煤/t、1350 kg標煤/t，下降幅度分別為4.1％、13％、3.27％和3.7％。規(guī)劃中還要求風機、泵、空壓機等新增主要耗能設(shè)備能效指標達到國內(nèi)或國際先進水平，并對各領(lǐng)域的余熱、余能綜合利用和能量系統(tǒng)優(yōu)化提出了具體的技術(shù)措施[1]。這些目標和要求也意味著各工業(yè)領(lǐng)域、各家企業(yè)節(jié)能減排的任務(wù)更加艱巨、節(jié)能減排的形勢更加迫切。


　　在鋼鐵、化工、建材、造紙等工業(yè)領(lǐng)域多設(shè)計配置蒸汽動力，即以蒸汽為介質(zhì)通過汽輪機來實現(xiàn)發(fā)電或驅(qū)動工業(yè)裝置主機設(shè)備；同時在這些領(lǐng)域也多采用汽輪機來實現(xiàn)余熱、余能的綜合利用。據(jù)粗略估計目前各工業(yè)領(lǐng)域的自備電站汽輪機和驅(qū)動用汽輪機容量分別達到7000萬kW～8000萬kW、3000～4000萬kW左右。作為能量轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備，汽輪機的技術(shù)水平和效率對上述工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能減排有很大影響，本文就是從上述工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用汽輪機的角度來探討節(jié)能減排問題。


　　二、蒸汽動力設(shè)備技術(shù)的進展


　　隨著科學技術(shù)的發(fā)展，汽輪機的設(shè)計、加工、制造手段和方法一直在不斷地進步。從汽輪機氣動熱力設(shè)計理論與方法的發(fā)展示意圖可以看出，汽輪機設(shè)計手段的發(fā)展經(jīng)歷了早期的一維設(shè)計、二維設(shè)計、上世紀九十年代的三維設(shè)計乃至近些年的復雜三維、四維非定常設(shè)計階段，加之先進的加工制造工藝方法使得復雜曲面的合金鋼零部件加工成本降低，最終使得汽輪機的性能得到了不斷提升。

 


　　
　　國內(nèi)的汽輪機一維設(shè)計技術(shù)和二維設(shè)計技術(shù)主要是在50年代后中期到80年代初先后引進的前蘇聯(lián)及捷克、美國西屋及西門子的產(chǎn)品和技術(shù)。進入新世紀以后國內(nèi)的幾家汽輪機廠又陸續(xù)從國外知名汽輪機企業(yè)引進了更高參數(shù)等級、更高功率等級的汽輪機產(chǎn)品，國內(nèi)汽輪機行業(yè)的汽輪機產(chǎn)能和制造加工質(zhì)量得到大幅度提升。


　　汽輪機全三維設(shè)計技術(shù)誕生于二十世紀九十年代[2] [3]，蔣洪德院士團隊于上世紀九十年代中期在國內(nèi)率先推出了全三維汽輪機設(shè)計技術(shù)及體系并成功進行了工程應(yīng)用與推廣，與國內(nèi)大型汽輪機廠進行了合作并得到廣泛使用，三維設(shè)計技術(shù)的使用可以使得機組性能水平較之以前傳統(tǒng)設(shè)計有較大幅度的提升。但采用三維設(shè)計方法進行汽輪機通流部分的設(shè)計依然停留在進行了一系列簡化后的定常階段，三維設(shè)計中靜葉和動葉之間的交界面采用混合面法進行處理，前排葉片的尾跡被均勻化，無法反映出動靜葉柵流動的相互干擾，偏離了真實的物理流動。為進一步提高汽輪機的性能就需要對三維定常設(shè)計中忽略的因素進行研究，發(fā)掘其中的潛力。


　　北京全四維公司的技術(shù)團隊于2004年在國內(nèi)率先提出汽輪機四維設(shè)計概念并推出了全四維精確汽輪機設(shè)計技術(shù)及體系，從2005年這一先進設(shè)計技術(shù)與體系逐步在各功率、參數(shù)等級機型上得到工程驗證。該設(shè)計技術(shù)及體系在氣動熱力設(shè)計上率先考慮了以前未曾考慮的非定常效應(yīng)、真實結(jié)構(gòu)的多部件和多物理場耦合效應(yīng)，并將全過程優(yōu)化概念和技術(shù)納入到設(shè)計體系中，使汽輪機的效率得到進一步提高；該體系還將先進的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析技術(shù)－三維有限元納入到設(shè)計體系中，對葉片、轉(zhuǎn)子、隔板、汽缸、閥門、軸承及軸系等汽輪機關(guān)鍵部件進行全尺寸、全結(jié)構(gòu)地的應(yīng)力、變形、振動、疲勞及蠕變等有限元分析，以確保產(chǎn)品運行的安全、可靠和靈活性。2004年以來，四維設(shè)計技術(shù)已成功應(yīng)用于國內(nèi)在運汽輪機機組的技術(shù)改造和新機組的設(shè)計，累積應(yīng)用裝機容量已超過5500萬kW，取得顯著成效，引起國際知名汽輪機廠商的關(guān)注并向多家國際知名廠商提供了相關(guān)的技術(shù)服務(wù)。


　　三、目前鋼鐵、化工等工業(yè)領(lǐng)域蒸汽動力存在的主要問題


　　1.汽輪機在各工業(yè)領(lǐng)域發(fā)電及拖動方面的應(yīng)用還有很大的提升空間


　　一方面是現(xiàn)在各工業(yè)領(lǐng)域都非常注重余熱、余能的綜合利用，國家也對這方面提出了目標和要求。據(jù)國家發(fā)改委能源所的統(tǒng)計，到2010年，鋼鐵、水泥、玻璃、合成氨、燒堿、電石、硫酸七個工業(yè)行業(yè)余熱發(fā)電裝機總?cè)萘拷?200萬千瓦，到“十二五”末，這七個工業(yè)行業(yè)余熱發(fā)電裝機總量將達到2600萬千瓦，汽輪機在工業(yè)余熱利用方面的發(fā)展?jié)摿艽蟆?br />

　　另一方面，在鋼鐵、化工等領(lǐng)域，在泵、風機、壓縮機等高耗能旋轉(zhuǎn)設(shè)備驅(qū)動方面還有非常大的比例仍然采用大功率電機拖動。從企業(yè)能源綜合利用和經(jīng)濟效益提升的角度來看應(yīng)當提高汽輪機拖動高耗能旋轉(zhuǎn)設(shè)備的比例；尤其在當前越來越多的區(qū)域出現(xiàn)企業(yè)自備電站與公用電廠上網(wǎng)負荷競爭加劇的情況下，采用汽輪機拖動高耗能旋轉(zhuǎn)設(shè)備不失為二次能源綜合利用的更優(yōu)選擇。


　　2.不少在運及新上汽輪機的設(shè)計技術(shù)及性能水平與先進水平還有相當大的差距


　　目前鋼鐵、化工等領(lǐng)域自備電站汽輪機的功率等級普遍偏低，雖然近年有一些企業(yè)自備電站采用了亞臨界300MW等級、超高壓150MW等級的機組，但在自備電站中應(yīng)用較多的還是50MW及其以下等級的機組；在參數(shù)上主要是高溫高壓、中溫中壓和低溫低壓參數(shù)；這些機組多由國內(nèi)的中小型汽輪機廠供貨。在拖動方面應(yīng)用較多的汽輪機也是蒸汽參數(shù)不高、功率不大的機型。


　　這些機組中有不少是上世紀80年代前后引進的國外產(chǎn)品或是由當時引進的模塊組合設(shè)計而來的；有一些機組是由供貨商采用具有上世紀80、90年代水平的設(shè)計技術(shù)自主設(shè)計的；也有一些機組是由供貨商對80年代某些進口機組的測仿而來；還有一些機組是由一些供貨商利用國內(nèi)企業(yè)普遍存在的知識產(chǎn)權(quán)保護不力的漏洞按照其他企業(yè)的老舊產(chǎn)品圖紙或是稍加修改進行生產(chǎn)的。這些情況均表明：目前在鋼鐵、化工等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的不少自備電站汽輪機與拖動汽輪機在設(shè)計技術(shù)水平和效率水平與同類機組的先進水平還有相當大的差距。主要體現(xiàn)在以下幾點：


　?。?）某些機組還在使用上世紀80年代以前的汽輪機葉片型線


　　除西門子三系列葉片型線外，目前在某些機組上使用的型線還有上世紀80年代以前的西屋型線（內(nèi)背弧由簡單的兩個圓弧和兩條直線組成）、莫斯科動力學院50年代推出的МЭЙ型線、機械部汽輪機鍋爐研究所1982年推出的基于МЭЙ型線改進的國產(chǎn)紅旗HQ型線及當時對進口機組的測仿型線。


　?。?）90年代已被認定的落后設(shè)計仍在采用


　　1）階梯型通流子午面。階梯型通流子午面不僅降低了通流效率還影響葉片的安全可靠性。

 


　　
　　A、鉚接圍帶動葉片設(shè)計。葉頂漏汽嚴重，并存在圍帶脫落、成組葉片數(shù)量受限等缺陷，不利于提高轉(zhuǎn)速和效率。


　　B、帶拉筋甚至多道拉筋的葉片


　　C、無鎖口葉片或鎖口短葉片設(shè)計


　　D、無圍帶或減震阻尼結(jié)構(gòu)的葉片設(shè)計

 

 

 


　


　?。?）高轉(zhuǎn)速大功率高端機型的落后設(shè)計方案凸顯高端機組設(shè)計能力的不足


　　由于汽輪機葉片特別是末葉片強度結(jié)構(gòu)設(shè)計能力的瓶頸問題，導致高效率的高轉(zhuǎn)速大功率汽輪機開發(fā)技術(shù)難度很大。當前工業(yè)裝置規(guī)模均向大容量方向發(fā)展，壓縮機功率、轉(zhuǎn)速均在提高，而針對這類產(chǎn)品，國產(chǎn)機組往往采用雙缸雙轉(zhuǎn)子設(shè)計、大于16kPa的高背壓、末級雙分流等比較落后的設(shè)計方案以解決高速機組的帶來的一系列問題，無法真正針對客戶需求完全定制化設(shè)計。末葉片開發(fā)能力的缺失導致汽輪機排汽面積不足，進而使得整機能效偏低。


　　3.汽輪機背壓偏高，使得機組效率和性能進一步惡化


　　鋼鐵、化工等領(lǐng)域自備電站汽輪機及拖動汽輪機背壓普遍偏高，背壓每升高1kPa，機組性能下降1％左右，背壓對機組效率和能耗有非常大的影響。究其原因除鋼鐵、化工企業(yè)具體的循環(huán)冷卻水自身條件外，還有下列原因：一是系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計及汽輪機末葉片選型還有待優(yōu)化；二是凝汽器設(shè)計冷卻面積有待調(diào)整；三是凝汽器設(shè)計技術(shù)落后換熱效果有待改善；四是凝汽器運行中過高的堵管率。


　　在當前在運的中小功率汽輪機機組中，冷凝器的設(shè)計技術(shù)進步更加緩慢，很多設(shè)計沿用了20、30年以前的管束布置方式和水室設(shè)計結(jié)構(gòu)。換熱管束排列不佳致使換熱效果差、水室結(jié)構(gòu)上存在的流動死區(qū)導致水室結(jié)垢管程堵塞、銅管引起的泄露等普遍存在的問題。


　　4.汽輪機性能評價指標不科學


　　對鋼鐵、化工等工業(yè)領(lǐng)域用戶，極少按照ASME標準來考核汽輪機性能，一般情況下只是看進多少噸汽能拖動壓縮機組運行或發(fā)多少電，在設(shè)計上注重汽耗率這一性能評價指標。一些汽輪機供貨商往往采用降低鍋爐給水溫度的方法來降低汽耗值，這樣從汽輪機中抽汽回熱的蒸汽量少了，同樣進汽流量下的汽輪機出力就增加了，同樣的發(fā)電量或出力卻需要消耗更多的煤氣或余熱。按ASME考核標準，熱耗率更能科學、準確地反應(yīng)整個蒸汽動力系統(tǒng)的能效，而工業(yè)領(lǐng)域用戶很少采用此項指標來評價和考核機組。


　　5.低端機組市場無序價格競爭阻礙了汽輪機產(chǎn)品性能的提升和先進技術(shù)的應(yīng)用


　　對于工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的小功率發(fā)電與驅(qū)動用低端汽輪機設(shè)備，用戶往往重點考慮設(shè)備的可用性和一次采購價格，而設(shè)備的運行效率和先進性則經(jīng)常被忽視。這部分機組雖然單機功率不大，但整個保有量卻非?？捎^，往往占工業(yè)企業(yè)能源消耗不小的比例，如果只考慮當前利益，采用低成本但技術(shù)水平及性能落后的蒸汽動力設(shè)備，在其壽命期內(nèi)運行的代價將是非常高昂的，其能源浪費和污染物排放的增加也是非常驚人的。


　　過去十年是國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的黃金時期，自備電站汽輪機和驅(qū)動用汽輪機的裝機容量高速發(fā)展，市場的快速發(fā)展與規(guī)模的擴大在某些產(chǎn)品領(lǐng)域并沒有帶來技術(shù)的進步，反而出現(xiàn)“劣幣”驅(qū)逐“良幣”的反?，F(xiàn)象，忽視技術(shù)性能水平的價格惡性競爭一方面影響了企業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展的能力，另一方面也造成了巨大的能源浪費和嚴重增加了環(huán)境污染。


　　四、鋼鐵、化工等工業(yè)領(lǐng)域蒸汽動力節(jié)能減排的解決方案


　　在鋼鐵、化工等工業(yè)領(lǐng)域用來自備發(fā)電和驅(qū)動主機設(shè)備的汽輪機總裝機容量還是非常大的，粗略估計約為1.0億kW～1.2億kW，如此大容量的汽輪機裝機每年的能量消耗初步估算要在2億噸標準煤以上；若按平均效率水平提高3％計算，則每年的節(jié)能量將達到600萬t標準煤以上，減排二氧化碳將達1620萬t以上，節(jié)能減排效果巨大。而且隨著經(jīng)濟的發(fā)展，這部分汽輪機裝機容量還會進一步增加。因此對鋼鐵、化工等工業(yè)領(lǐng)域蒸汽動力的節(jié)能減排也存在“增量”和“存量”的問題，所謂增量就是未來在工業(yè)領(lǐng)域用于自備發(fā)電和拖動要增加、要新上的汽輪機容量；存量就是指目前在工業(yè)領(lǐng)域用于自備發(fā)電和拖動已經(jīng)在運的汽輪機容量。


　　1.針對增量機組的解決方案


　　1）結(jié)合工業(yè)領(lǐng)域余熱、余能的綜合利用加大高耗能旋轉(zhuǎn)設(shè)備采用汽輪機拖動的比例。


　　2）在汽輪機選型及招標中將汽輪機的技術(shù)水平和性能水平放在首要位置，鼓勵先進設(shè)計技術(shù)和技術(shù)措施的應(yīng)用，摒棄過度追求價格與應(yīng)用業(yè)績的非科學做法，否則將嚴重阻礙汽輪機技術(shù)與性能水平的提升并易形成壟斷。


　　3）對系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)選擇進行優(yōu)化，盡可能提高機汽輪機的運行性能。


　　4）采用科學的考核評價指標加強汽輪機的性能考核，加大指標違約處罰力度，力求做到以“良幣”驅(qū)逐“劣幣”。


　　2.針對存量機組的解決方案


　?。?)汽輪機通流改造


　　從上世紀90年代中期開始，國內(nèi)電力行業(yè)開始采用先進的汽輪機設(shè)計技術(shù)進行在運的200MW及其以下老機組的通流改造工作；在2004年以后隨著汽輪機技術(shù)的發(fā)展又開始了采用最新技術(shù)進行300MW等級在運汽輪機的通流改造。所謂通流改造就是采用先進的設(shè)計技術(shù)對汽輪機的關(guān)鍵部件如動、靜葉片等進行重新設(shè)計制造和更換，通過對汽輪機進行通流改造，不僅可以提升汽輪機的效率6%~8%，使在運汽輪機的技術(shù)水平和性能達到當前的先進水平從而實現(xiàn)大幅度的節(jié)能減排；而且還可通過改造增加汽輪機組的銘牌出力一般可增加10%左右，大大提高做功能力。同時利用通流改造還可以解決機組存在的安全可靠性問題，提高機組的可用性和安全可靠性。汽輪機通流改造還具有改造成本相對較低、供貨及施工工期短等特點。到目前為止國內(nèi)已造過的汽輪機超過400余臺，通流改造機組的容量等級涉及12MW～600MW。老機組的通流技術(shù)改造產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，已成為電力行業(yè)技術(shù)進步、節(jié)能減排的一項重要技術(shù)措施和手段。同樣汽輪機通流改造也非常適用于工業(yè)領(lǐng)域在運的不少自備電站汽輪機和驅(qū)動用工業(yè)汽輪機，因其技術(shù)水平和性能水平更低，通過通流改造可使汽輪機的效率提升達到10％左右。


　?。?）凝汽器優(yōu)化改


　　純凝機組或抽凝機組降低背壓的節(jié)能效果非常明顯。針對不少電站汽輪發(fā)電機組凝汽器存在的換熱管束排列不佳致使換熱效果差、水室流動死區(qū)導致的水室結(jié)垢管程堵塞及銅管引起的泄露等問題，可采用先進的設(shè)計技術(shù)對凝汽器管束排列、水室結(jié)構(gòu)和凝汽器喉部進行優(yōu)化設(shè)計和改造，并采用高性能不銹鋼焊管解決原凝汽器銅管的泄露問題和高濃度氯離子腐蝕問題。


　　通過對凝汽器實施優(yōu)化技術(shù)改造可使在運自備電站汽輪機和拖動汽輪機運行背壓降低2.0kPa以上，提高汽輪機實際運行性能2％以上，實現(xiàn)機組經(jīng)濟性的提升和大幅度的節(jié)能減排。


　　五、結(jié)語


　　北京全四維動力科技有限公司作為國內(nèi)專業(yè)從事汽輪機及其相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品開發(fā)的專業(yè)性高科技公司。利用自主開發(fā)的全四維汽輪機設(shè)計技術(shù)設(shè)計開發(fā)有350MW及其以下純凝、背壓、抽汽、濕冷、空冷等多種類型上百種汽輪機產(chǎn)品，并可按用戶要求快速“定制”，能滿足火力發(fā)電、聯(lián)合循環(huán)、工業(yè)/民用抽汽、工業(yè)余熱利用等領(lǐng)域的用戶需求。汽輪機通流改造涉及了超臨界350MW及其以下各個容量等級30多個機型；目前國內(nèi)市場占有率第一。在驅(qū)動用工業(yè)汽輪機方面，與戰(zhàn)略合作伙伴－南京汽輪電機（集團）公司聯(lián)合對引進的GE公司Fitchburg系列的工業(yè)汽輪機產(chǎn)品模塊與技術(shù)進行消化、吸收和改進，可根據(jù)鋼鐵、化工等領(lǐng)域各工業(yè)流程所用風機、壓縮機、泵的要求，提供符合API612標準、安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效的工業(yè)汽輪機產(chǎn)品與服務(wù)，目前多臺工業(yè)驅(qū)動汽輪機產(chǎn)品已成功投運。在汽輪機凝汽器開發(fā)方面，我們自主開發(fā)了凝汽器設(shè)計分析優(yōu)化技術(shù)，現(xiàn)在多臺300MW等級凝汽器改造項目上獲得工程驗證，取得了非常好的改造效果。


　　目前我國仍處于工業(yè)化快速發(fā)展過程中，鋼鐵、化工等工業(yè)領(lǐng)域的自備電站用和驅(qū)動用汽輪機裝機發(fā)展迅速，未來一段時間還將保持一定的發(fā)展速度，由于市場中的這一產(chǎn)品類別技術(shù)水平和性能相差較大，不少機組的技術(shù)水平和性能與先進水平有相當大的差距，節(jié)能減排面臨很大壓力，須從增量和存量兩個角度來解決工業(yè)領(lǐng)域蒸汽動力設(shè)備所面臨的節(jié)能減排問題。我們相信四維公司在汽輪機及其相關(guān)產(chǎn)品所做的技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用工作將有助于鋼鐵、化工等工業(yè)領(lǐng)域蒸汽動力的節(jié)能減排工作，并會進一步推動我國汽輪機及其相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)的向前發(fā)展。