1 低壓飽和蒸汽的來源及傳統(tǒng)利用方式

工業(yè)企業(yè)中，低壓飽和蒸汽廣泛存在，大致有兩種來源：一是工業(yè)企業(yè)熱電站所產(chǎn)生工藝用高參數(shù)蒸汽經(jīng)過梯級利用后的輸出，如熱電廠汽輪發(fā)電機(jī)組抽汽、減溫減壓站等。二是以節(jié)能降耗為目的利用工藝介質(zhì)余熱而設(shè)置的廢熱鍋爐、蒸汽發(fā)生器的產(chǎn)出，如煉鋼廠高溫冶煉爐余熱煙道或其他冷卻件的蒸汽發(fā)生器、化工廠硝酸“三合一”裝置廢熱鍋爐、甲醇合成裝置廢熱鍋爐、石化企業(yè)滌綸氧化裝置蒸汽發(fā)生器等。

低壓飽和蒸汽壓力和溫度低，濕度大，長距離輸送流動阻力損失大，因濕度大對管道和設(shè)備沖蝕嚴(yán)重，能源的有效利用難度較高。

低壓飽和蒸汽的傳統(tǒng)利用方式主要有：作為鍋爐給水除氧、工廠低壓熱網(wǎng)的熱源、直接送至居民區(qū)采暖供熱和通過再熱變成過熱蒸汽再利用。

因傳統(tǒng)利用方式的局限性，大部分企業(yè)在沒有合理用途時大多選擇排空，既浪費(fèi)大量的能源，又造成對環(huán)境的熱污染，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排戰(zhàn)略急需解決的關(guān)鍵問題。

2 低壓飽和蒸汽利用方法

2.1 螺桿膨脹動力機(jī)技術(shù)

螺桿膨脹動力機(jī)在上世紀(jì)七十年代被美國率先研制，并成功地用于地?zé)崞畠上嗔鞯臒崮芑厥绽?，機(jī)組功率60KW，我國八五計劃將螺桿膨脹動力機(jī)技術(shù)列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，1990年研制出實(shí)用樣機(jī)，同年通過國家建材工業(yè)局組織的驗(yàn)收。目前，我國制造的螺桿膨脹機(jī)單機(jī)功率范圍約50-800KW。

螺桿膨脹動力機(jī)的主要機(jī)械部件為一對螺桿和鑄鋼外殼，利用流體在陰陽螺桿間膨脹作功,對陰陽螺桿加工精度要求極高（其嚙合間隙不得大于5μm）。

    螺桿膨脹動力機(jī)作為一種新型節(jié)能技術(shù)設(shè)備，提供了回收低品級能源的一種選擇。其優(yōu)點(diǎn)是可以使用汽體、液體和汽水混合物作為工作介質(zhì)；但是，當(dāng)出口壓力降低、膨脹比增加時，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)比較困難，因此排出壓力比較高，效率比較低，能量不能得到最大限度的回收利用。

2.2 特種工業(yè)汽輪機(jī)技術(shù)

利用汽輪機(jī)將低壓飽和蒸汽的低品位熱能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能是低品位能源的主要利用途徑。根據(jù)低壓飽和蒸汽產(chǎn)汽量和參數(shù)，利用方式可分為集中回收和分散利用。集中回收用于發(fā)電，分散利用既可發(fā)電，更多則替代電機(jī)拖動水泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)做功機(jī)械。

低溫余熱發(fā)電技術(shù)是通過回收鋼鐵、水泥、石化等企業(yè)幾乎每天都在持續(xù)不斷的向大氣環(huán)境中排放的中低溫廢蒸汽、煙氣所含的低品位的熱量進(jìn)行集中回收發(fā)電。可選擇帶蓄能器的飽和蒸汽發(fā)電或帶蓄能器的過熱蒸汽發(fā)電。
    （1） 帶蓄能器的飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)。系統(tǒng)將各工序低壓蒸汽匯集到蓄能器，通過蓄能器變成穩(wěn)定的低壓飽和蒸汽，然后再進(jìn)入特種工業(yè)汽輪機(jī)做功。作功后的蒸汽進(jìn)入凝汽器凝結(jié)成水，冷凝水由凝結(jié)水泵返回余熱回收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

    （2） 帶蓄能器的過熱蒸汽發(fā)電技術(shù)。蓄能器出來的飽和蒸汽經(jīng)過過熱器變?yōu)檫^熱蒸汽，再進(jìn)入特種工業(yè)汽輪機(jī)做功。需較高品位能源加熱，系統(tǒng)比上述方案復(fù)雜，需仔細(xì)評價其技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性。
    對不適于集中回收的場合，可應(yīng)用特種工業(yè)汽輪機(jī)（低壓飽和蒸汽汽輪機(jī)）作為原動機(jī)就地轉(zhuǎn)換，用于發(fā)電、拖動壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等。

3   低壓飽和蒸汽汽輪機(jī)系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)

低壓飽和蒸汽汽輪機(jī)特指新蒸汽壓力范圍為0.35～2.50MPa，功率范圍為100～6000KW,新蒸汽溫度為相應(yīng)壓力下的飽和溫度，轉(zhuǎn)速為300—18000轉(zhuǎn)/分。其基本結(jié)構(gòu)特征可描述為：沖動式原理，單缸，單級或多級，噴嘴配汽，整鍛剛性或撓性轉(zhuǎn)子，可傾瓦徑向滑動軸承，整體機(jī)座，成套快裝供貨。最常見機(jī)組型式有：背壓式、冷凝式兩種。圖 1為兩種型式汽輪機(jī)在熱-電-動力系統(tǒng)中使用示意圖，二者的對比見表1。

表1       背壓式與凝汽式汽輪機(jī)對比           

采用汽輪機(jī)與電動機(jī)拖動比較（見表2）：

1) 汽輪機(jī)機(jī)組能很好地滿足防爆、防火要求；一般可連續(xù)運(yùn)行二年不用檢修；

2) 汽輪機(jī)使用性能好，表現(xiàn)在起動升速平穩(wěn)、可變轉(zhuǎn)速運(yùn)行、可直接與被驅(qū)動機(jī)械相連等；

3) 電動機(jī)一次投資小，系統(tǒng)配置簡單，不受工質(zhì)波動影響。

表2       汽輪機(jī)與電動機(jī)拖動對比

采用汽輪機(jī)拖動與螺桿膨脹動力機(jī)拖動相比：

1) 汽輪機(jī)適應(yīng)功率和轉(zhuǎn)速范圍大。螺桿膨脹動力機(jī)目前只適用于小功率、低轉(zhuǎn)速的場合。

2) 汽輪機(jī)工質(zhì)必須為蒸汽，螺桿膨脹動力機(jī)工質(zhì)可為蒸汽、熱水及其混合物；

3) 相對而言，在排汽壓力比較高時螺桿膨脹動力機(jī)內(nèi)效率理論上比汽輪機(jī)高。

3.1 低壓飽和蒸汽汽輪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1葉片的水蝕問題

    與常規(guī)電站汽輪機(jī)不同，低壓飽和蒸汽汽輪機(jī)的進(jìn)口蒸汽處于飽和狀態(tài)，在多數(shù)場合還彌散一定量的游離水。在不進(jìn)行中間再熱的情況下，機(jī)組的排汽濕度可能達(dá)到15％，這樣機(jī)組低壓部分葉片的水蝕非常嚴(yán)重，并且機(jī)組的效率低。為控制葉片的水蝕問題，同時提高機(jī)組的效率，要求將機(jī)組的排汽濕度降低到10％以內(nèi)。

減少葉片水蝕，目前采用的預(yù)防措施主要有：

中間再熱式  利用中間再熱單元去濕，此方法需高位能，機(jī)組復(fù)雜；

強(qiáng)制疏水式  將濕蒸汽在流動過程中形成的水滴有效排出汽輪機(jī)，如空心靜葉抽吸除濕技術(shù)的應(yīng)用。在低壓部分采用空心靜葉，利用靜葉表面與低壓部分（一般為凝汽器）之間的壓力差，通過差壓控制器的控制作用，保證在不同的工況之下，靜葉表面與內(nèi)部空腔之間確定的壓力差，將靜葉表面存積的水膜抽出，降低通流部分的濕度和水蝕，提高流動效率。

節(jié)流調(diào)節(jié)式  將新汽經(jīng)過一定的節(jié)流之后引入汽輪機(jī)中做功。由于節(jié)流過程是一個等焓降壓過程，壓力的降低，對應(yīng)飽和溫度降低，因此飽和蒸汽變?yōu)檫^熱蒸汽，這樣可控制膨脹到排汽點(diǎn)時，濕度在允許的范圍之內(nèi)，這是非常有效的降低水蝕的途徑，但節(jié)流過程須付出能量損失的代價。

抗蝕增強(qiáng)式  增強(qiáng)靜葉、動葉材料的抗沖蝕性能，在水滴沖刷嚴(yán)重處鑲嵌硬質(zhì)合金或者進(jìn)行表面硬化處理。

實(shí)際機(jī)組開發(fā)設(shè)計時，是上述措施的綜合。

3.1.2機(jī)組效率問題

低壓飽和蒸汽汽輪機(jī)固有的效率較低的問題長期困擾著汽輪機(jī)行業(yè)的研發(fā)人員。采用多級高效率汽輪機(jī)，使汽輪機(jī)在最佳運(yùn)行點(diǎn)工作，改進(jìn)通流部分的氣動特性等是提高機(jī)組效率的有效措施。

⑴ 減少漏汽損失

漏汽損失是制約汽輪機(jī)效率提高的最主要因素。研究表明動葉葉頂漏汽損失對機(jī)組性能影響很大，據(jù)統(tǒng)計，在汽輪機(jī)級的各項(xiàng)損失中，漏汽損失占總損失的29%，而動葉頂部漏汽損失則占總漏汽損失的80%^[1]。

合理控制動靜間隙，是減少漏汽損失的有效手段。

動靜間隙對機(jī)組的效率影響比較大，據(jù)汽輪機(jī)低壓缸實(shí)測計算，間隙每增加0.1mm,機(jī)組效率約下降1%^[2]。                   

開發(fā)更高效的級間汽封，如雙齒汽封，階梯型或高—低齒型汽封、可調(diào)式汽封等，可明顯降低漏汽量，提高機(jī)組效率1-2%。

也有研究表明：具有適當(dāng)小間隙的葉柵往往可以獲得比無間隙葉柵更高的效率；而在相同的切向泄漏面積下，沿流向漸擴(kuò)型間隙的葉柵可以獲得更高的效率^[3]

⑵ 降低流動損失。

優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計.汽封結(jié)構(gòu)、閥門、管道與進(jìn)排汽蝸殼內(nèi)的流動也都有強(qiáng)烈的全三維特征。目前國際上不少汽輪機(jī)制造廠家都以計算流體力學(xué)方法為主，對這些部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以提高其氣動性能。如GE 公司新設(shè)計的主蒸汽閥門的總壓損失比老產(chǎn)品降低30%。

⑶ 改進(jìn)排汽缸結(jié)構(gòu)

通過去除內(nèi)部支撐梁和提供較大面積的特型流道改善流動特性，從而減少凝汽式汽輪機(jī)的紊流，設(shè)計良好的排汽缸可使缸效率提高1%以上。

⑷ 葉型設(shè)計。采用三元流設(shè)計技術(shù)以減少葉型損失；采用自帶圍帶葉片、阻尼型葉片，末級葉片采用馬刀型靜葉，提高根部的反動度，次末級葉片采用蜂窩汽封，加強(qiáng)去濕效果，減少對葉片的水蝕；

⑸ 單級或多級的第一級進(jìn)汽由軸流改為徑流式。

雙列級最佳的葉片圓周速度與蒸汽速度比為0.23時，理論的最高效率68%，可嘗試通過采用特殊加工的可調(diào)式噴嘴與葉片精確對準(zhǔn)，借鑒渦流式發(fā)動機(jī)徑流技術(shù)來達(dá)到提高效率的目的。

實(shí)踐表明，機(jī)組優(yōu)化設(shè)計后效率可望提高4%左右。

3.1.3關(guān)鍵零部件材料開發(fā)與應(yīng)用

因?yàn)轱柡驼羝啓C(jī)的進(jìn)汽參數(shù)降低，同等功率條件下，機(jī)組的進(jìn)汽流量大大增加，排汽容積流量比常規(guī)同等功率機(jī)組增加幾倍，尤其是次末級葉片往往在接近Wilson線的濕蒸汽區(qū)運(yùn)行，而很多時候造成應(yīng)力腐蝕裂紋（SCC）的原因就是干濕蒸汽工況的交替出現(xiàn)。因此，開發(fā)研制相應(yīng)高性能葉片的材料是低壓飽和蒸汽汽輪機(jī)的關(guān)鍵之一。

3.2 產(chǎn)品系列化的構(gòu)思^{[4] [5]}　

3.2.1　用戶對低壓飽和汽輪機(jī)的一般要求：

⑴ 使用可靠，壽命長。能連續(xù)運(yùn)行2-3年。

⑵ 操作簡單，維修方便。

⑶ 效率較高，能在不同汽源、功率、轉(zhuǎn)速下選到合適的機(jī)組。

⑷ 造價低，交貨期短。一般要求6-8個月內(nèi)交貨。

⑸ 能滿足其他特殊要求，如適應(yīng)各種布置方式（包括露天布置），機(jī)組能快速啟動等?！　?span lang=EN-US>

3.2.2 產(chǎn)品型式和蒸汽參數(shù)：

根據(jù)低壓飽和蒸汽的特點(diǎn)和對應(yīng)用情況的統(tǒng)計分析，如前所述，機(jī)組型式分為背壓式和冷凝式。進(jìn)汽參數(shù)可分為三檔：允許最高進(jìn)汽參數(shù)1.0 MPa/380℃，1.6 MPa/420℃，2.5 MPa/450℃。

3.2.3 產(chǎn)品系列化方法

按國內(nèi)外工業(yè)汽輪機(jī)廠商的做法，按主結(jié)構(gòu)尺寸來安排工業(yè)汽輪機(jī)的系列。系列內(nèi)的每種尺寸基型在變換少量零部件下，便能適應(yīng)一定性能參數(shù)（蒸汽參數(shù)、功率、轉(zhuǎn)速等）范圍的需要。把汽輪機(jī)的零部件分為三大類：基型固定不變的基本件—汽缸、蒸汽室、轉(zhuǎn)子、調(diào)節(jié)連桿等，標(biāo)準(zhǔn)部件—主汽門、調(diào)速器、軸承座、軸承、汽封、末二級葉片等，按具體熱力參數(shù)確定的隨機(jī)件—汽閥、噴嘴、動靜葉片等，這樣，對每種尺寸基型，只改變隨機(jī)件就可適應(yīng)一定區(qū)間的性能參數(shù)范圍的需要。

為減少基本件的品種可采用“積木塊”原理，把產(chǎn)品再分段，然后按公比1.25優(yōu)先數(shù)系（如進(jìn)汽缸直徑可為250、320、400、500、…）安排這些分段的結(jié)構(gòu)尺寸系列，最后用這些區(qū)段，組合成各種類型的尺寸基型，各種的區(qū)段（積木塊）加以排列組合，則可得到上百種尺寸的機(jī)型機(jī)組。

4  低壓飽和蒸汽汽輪機(jī)應(yīng)用前景分析

4.1 低壓飽和蒸汽來源

從理論上來說，如果國家規(guī)定150℃以上的工業(yè)余熱都以產(chǎn)汽方式回收并實(shí)現(xiàn)蒸汽零排放，則我國各行業(yè)隨處可見飽和蒸汽潛在來源。

⑴ 鋼鐵工業(yè) 如燒結(jié)礦冷卻機(jī)、轉(zhuǎn)爐、均熱爐、高爐、熱風(fēng)爐和焦?fàn)t余熱等的煙氣余熱能

源。目前我國大中型鋼鐵企業(yè)具有各種不同規(guī)格的焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐、電熔爐等成千上萬座。
    ⑵ 水泥工業(yè) 如回轉(zhuǎn)窯、熟料冷卻機(jī)的煙氣余熱能源。目前全國水泥企業(yè)中2500-5000噸/日水泥窯生產(chǎn)線成百上千座。

⑶ 石油煉化工業(yè)的精餾塔、反應(yīng)塔、加熱爐等的余熱能源；

⑷ 有色冶煉工業(yè)的電爐煙氣、爐體散熱等的余熱能源，

⑸ 玻璃工業(yè)的熔化窯等的煙氣余熱能源等。
4.2 收益成本分析^[6]

以湖南湘東化工機(jī)械有限公司2003年為四川瀘天化綠源醇業(yè)公司制造的低壓凝汽式汽輪機(jī)驅(qū)動循環(huán)水泵為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。其進(jìn)汽參數(shù)0.45MPa，220℃，功率1500KW，排氣0.01MPa，轉(zhuǎn)速5600r/min。

4.2.1投資成本

低壓蒸汽汽輪機(jī)全套機(jī)組共投資320萬元。

選用電動機(jī)拖動需一臺10KV，1500KW的高壓電動機(jī)及相應(yīng)的調(diào)速裝置需投資120萬元。

4.2.2 運(yùn)行成本

若用電動機(jī)驅(qū)動，功率1500KW，工業(yè)電價0.50元/度，按一年運(yùn)行7000小時計算，每年電費(fèi)525萬元。

4.2.3 節(jié)能效益

功率1500KW驅(qū)動循環(huán)水泵用低壓蒸汽汽輪機(jī)，全年運(yùn)行7000小時，用蒸汽1500×8.69×7000=91245噸/年，每年可節(jié)約標(biāo)煤11405噸。

電動機(jī)驅(qū)動年耗電量為 1050.00萬KWh,使用汽輪機(jī)節(jié)約標(biāo)煤4242噸。

因此，低壓飽和蒸汽汽輪機(jī)的使用每年可節(jié)約標(biāo)煤15647噸，減少CO₂排放4.5萬噸，按照每噸煤600元計算，年節(jié)約928萬元。具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4.2.4技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價

結(jié)合表2綜合分析，汽輪機(jī)拖動一次投資要比使用變頻調(diào)速電動機(jī)高，但運(yùn)行成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者；使用汽輪機(jī)拖動的運(yùn)行費(fèi)用約是280元/小時，電動機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用約是750元/小時，每小時就可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用470元，一年（運(yùn)行7000小時）為企業(yè)直接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益525-196=329萬元，投資汽輪機(jī)的320萬元，不到一年便可收回。社會效益更為可觀，一年可節(jié)約標(biāo)煤15647噸，減少CO₂排放4.5萬噸。

5   結(jié)語

低壓飽和蒸汽為工質(zhì)的特種工業(yè)汽輪機(jī)可以用于回收工業(yè)余熱，相對于電機(jī)驅(qū)動，具有效率高、工作運(yùn)行可靠、變工況適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。一臺1500KW飽和蒸汽汽輪機(jī)利用生產(chǎn)線產(chǎn)生的排空蒸汽替代電機(jī)驅(qū)動循環(huán)水泵時，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤15647噸，減少CO₂排放4.5萬噸，年節(jié)約928萬元。具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。有著廣闊的發(fā)展前景。

6   致謝

本文寫作過程得到西安交通大學(xué)戴義平教授、湖南湘東化工機(jī)械有限公司徐元?dú)J副總經(jīng)理、湖南湘東化工機(jī)械有限公司研究院劉湘鄂工程師等同志的幫助，在此一并致謝。

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作者簡介：謝業(yè)平（1962-），男，高級工程師，主要從事壓力容器（A1\A2\A3\C1）和工業(yè)汽輪機(jī)設(shè)計開發(fā)和管理工作，通訊地址：412300 湖南株洲市湖南湘東化工機(jī)械有限公司，E-mail: xyp@xdcm.com 。