馬明生 安智偉 郝玉明 林琳

摘要 本文基于廣泛的工程實(shí)踐和應(yīng)用案例，系統(tǒng)全面地闡述了應(yīng)用于油氣工業(yè)的一般用途汽輪機(jī)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用分布、發(fā)展沿革、技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)特征、工程實(shí)踐和計(jì)算選型等技術(shù)專題.重點(diǎn)對(duì)比、分析、匯總常見品牌和型號(hào)汽輪機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢和結(jié)構(gòu)特征.探討各項(xiàng)給定參數(shù)對(duì)汽輪機(jī)方案選擇的影響，而高性價(jià)比的汽輪機(jī)將有助于降低客戶的一次性采購成本，并有效降低運(yùn)行維護(hù)等二次成本.本文可用于國內(nèi)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、采購、項(xiàng)目管控或相關(guān)行業(yè)產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃的決策執(zhí)行參考.

關(guān)鍵詞 油氣工業(yè) 機(jī)械驅(qū)動(dòng) 汽輪機(jī) 結(jié)構(gòu)分析 選型

汽輪機(jī)（Steam turbine）作為一類應(yīng)用廣泛的工業(yè)動(dòng)力設(shè)備，其發(fā)展周期貫穿近現(xiàn)代工業(yè)文明進(jìn)程.工業(yè)用汽輪機(jī)具有單機(jī)輸出功率大，能源轉(zhuǎn)換率高，可調(diào)速范圍寬，工作穩(wěn)定好，設(shè)備壽命長，運(yùn)行維護(hù)相對(duì)簡單等獨(dú)特優(yōu)勢，多用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)，余熱發(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備.油氣能源工業(yè)作為現(xiàn)代工業(yè)體系的基礎(chǔ)，更是對(duì)機(jī)械驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)設(shè)備提出了系統(tǒng)、嚴(yán)格、規(guī)范的要求.

美國石油協(xié)會(huì)（API）標(biāo)準(zhǔn)體系由400多家北美科研機(jī)構(gòu)、工程公司、設(shè)備制造商等協(xié)作編制發(fā)布，包含500多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及工程實(shí)踐規(guī)范，覆蓋石油天然氣各個(gè)領(lǐng)域，是目前國際工程界公認(rèn)的權(quán)威行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).API 611標(biāo)準(zhǔn)全稱《石油、化工和氣體工業(yè)一般用途汽輪機(jī)》.一般用途（General-Purpose）定義為“通常應(yīng)用于備用或非苛刻條件，輸出功率相對(duì)（特殊用途）較小，入口蒸汽條件≯48barG@400℃，工作轉(zhuǎn)速≯6000 r/min.”.國內(nèi)也參照發(fā)布SH/T 3149《石油化工一般用途汽輪機(jī)工程技術(shù)規(guī)范》非等效標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)國情對(duì)API 611做出技術(shù)偏離處理和內(nèi)容取舍.根據(jù)轉(zhuǎn)子軸線與安裝平面的平行和垂直位置關(guān)系，一般用途汽輪機(jī)有臥式和立式兩種布置形式，而特殊用途汽輪機(jī)只能臥式布置.NEMA SM23是美國電氣制造商協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)全稱《機(jī)械驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)》，最初用于定義發(fā)電用汽輪機(jī)的通用技術(shù)要求，后被各行業(yè)廣泛引用，其中最權(quán)威的技術(shù)條款主要集中在調(diào)速控制定義基準(zhǔn)及允許的蒸汽管線載荷.API標(biāo)準(zhǔn)比NEMA嚴(yán)格，定義的細(xì)節(jié)更多，更能反映基于客戶的需求，覆蓋了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、管道標(biāo)準(zhǔn)、材料標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)測試和包裝發(fā)運(yùn)等諸多板塊.其內(nèi)容也包含了對(duì)油氣工業(yè)公用裝置（Utility）中動(dòng)力用空壓機(jī)和自備電廠或余熱發(fā)電等驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)的具體要求.嚴(yán)格執(zhí)行API標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品價(jià)格比執(zhí)行制造商企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同類型產(chǎn)品高出約5～50%不等.大多數(shù)非北美尤其是歐日制造商在提交技術(shù)標(biāo)書（Technology proposal）時(shí)均會(huì)附帶不同程度的API技術(shù)偏離表（Technology deviation data sheet）以期提升其產(chǎn)品的競爭力，印度、巴西等新興市場國家對(duì)API標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行要求嚴(yán)格.

行業(yè)內(nèi)一般用途汽輪機(jī)俗稱“小透平”，以示與特殊用途汽輪機(jī)“主透平”（Main Turbine）區(qū)分，見圖1左圖.小透平技術(shù)和產(chǎn)品線已經(jīng)通過商業(yè)資本運(yùn)作被高度集中、整合在SIEMENS、EBARA等企業(yè)旗下，初步形成優(yōu)質(zhì)系列產(chǎn)品的行業(yè)壟斷.在蒸汽資源豐富的烯烴裝置（Facility）中，小透平幾乎被作為首選驅(qū)動(dòng)方案，用于通風(fēng)機(jī)、原料泵、鍋爐給水泵、凝結(jié)水泵、潤滑油泵等一般用途設(shè)備的機(jī)械驅(qū)動(dòng).也可以與電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案并聯(lián)設(shè)置、互為主備，實(shí)現(xiàn)多種工況狀態(tài)下的快速切換，小透平驅(qū)動(dòng)離心泵是油氣工業(yè)中的最常見方案，不完全統(tǒng)計(jì)世界范圍內(nèi)累計(jì)裝機(jī)量超過15萬套.

小透平也用于油氣工業(yè)工藝流程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)蒸汽的流量和壓力平衡，蒸汽通過對(duì)小透平做功降低焓值后排入中或低壓管網(wǎng)，這時(shí)的小透平同時(shí)具備壓力控制閥（這里的閥只是一種功能類比，當(dāng)蒸汽流量很大時(shí)，一個(gè)或幾個(gè)閥門難以實(shí)現(xiàn)其減壓控制的功能和精度）和能量回收利用的雙重作用.

基于輸出功率的需求所限，小透平多為單級(jí)或多級(jí)背壓式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在工業(yè)革命的早期即被發(fā)明進(jìn)而不斷改進(jìn).小透平的級(jí)通常使用沖動(dòng)式，蒸汽壓降大部分在噴嘴處產(chǎn)生.沖動(dòng)式級(jí)主要有Curtis級(jí)和Rateau級(jí).前者為雙列旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)構(gòu)，后者是單列旋轉(zhuǎn)葉片.Curtis級(jí)在低速比（蒸汽動(dòng)葉片間流速與噴嘴出口處流速比值）區(qū)（0.06～0.24）效率較高（44 %～63 %），Rateau級(jí)在高速比區(qū)（0.24～0.67）效率較高（63 %～80 %）.多級(jí)小透平的第一級(jí)為Curtis級(jí)，串聯(lián)多個(gè)Rateau級(jí)，熱效率約為60～70%.Curtis級(jí)又稱復(fù)速級(jí)，蒸汽通流時(shí)有兩次的速度降.兩列動(dòng)葉片一列靜葉柵共同組成汽輪機(jī)的一個(gè)級(jí).復(fù)速級(jí)做功能力強(qiáng)大，熱效率較低，是單級(jí)小透平常見結(jié)構(gòu)，工程實(shí)踐效率范圍約為30～60 %.復(fù)速級(jí)能在一級(jí)內(nèi)承擔(dān)較大的比焓降，見圖1右圖.

右圖 Elliott turbo?AYRT小透平拆解圖，Curtis stage結(jié)構(gòu)是其最顯著的技術(shù)特征.

小透平根據(jù)客戶定義的參數(shù)范圍選擇最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，在保證安全性、可靠性、供貨周期等基本因素同時(shí)兼顧性價(jià)比、一次性投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本、節(jié)能指標(biāo)、操作便捷性、售后服務(wù)質(zhì)量、升級(jí)空間等諸多技術(shù)、環(huán)境和工程實(shí)踐因素.例如高效率結(jié)構(gòu)的報(bào)價(jià)方案在節(jié)能指標(biāo)方面優(yōu)勢明顯但同時(shí)定價(jià)也明顯偏高，需要客戶做出理性的決策.

API 611要求小透平額定（Rating）輸出功率至少高于驅(qū)動(dòng)機(jī)需求最大功率10 %，最大功率應(yīng)包含客戶裝置內(nèi)設(shè)備和管道附屬安全閥開啟時(shí)狀態(tài).客戶給定入口蒸汽“壓力@溫度”的范圍值，同時(shí)定義排出蒸汽的壓力范圍.

客戶定義的軸功率不應(yīng)含有過大的安全余量，入口蒸汽條件的閾值不應(yīng)過寬（應(yīng)確認(rèn)邊界條件的發(fā)生概率），尤其應(yīng)聲明進(jìn)、排蒸汽管道的設(shè)計(jì)條件.否則會(huì)導(dǎo)致小透平計(jì)算方案過大，增加客戶成本.最低進(jìn)汽壓力@最低進(jìn)汽溫度、最高排汽壓力條件下的計(jì)算方案可做為校核選型方案的參考.

小透平輸出功率計(jì)算公式P=（G×ΔHs×η/3600）-Hloss，其中：

P表示功率，單位kw.

G表示蒸汽流量，單位kg/h.

ΔHs表示等熵焓降（Isentropic enthalpy drop），單位kJ/kg.

η表示效率.

Hloss表示外功率損失總值，單位kw.

P是輸入條件，客戶定義值，G是計(jì)算輸出值，直接決定客戶的運(yùn)行成本.

等熵焓降ΔHs值可以查詢蒸汽表和焓熵圖（Steam Tables And Moiller Diagrams）得到.

效率值η的計(jì)算、測試及其修正是制造商范圍的重要基礎(chǔ)工作之一.行業(yè)通行的做法是，制造商針對(duì)某一計(jì)算最優(yōu)化確認(rèn)的定型方案進(jìn)行理論計(jì)算，繪制出不同蒸汽條件下的效率-速比曲線圖譜，并結(jié)合熱工實(shí)驗(yàn)的多次測試結(jié)果，考慮各種客觀因素的影響（這些因素包括蒸汽室、速關(guān)閥、調(diào)速閥內(nèi)部的節(jié)流損失蒸汽流通的阻力損失，機(jī)殼內(nèi)流道短路，軸承區(qū)外泄露，轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)的摩擦損失等），對(duì)理論曲線進(jìn)行修正，給定合適的正裕度空間（例如修正系數(shù)），并應(yīng)用數(shù)學(xué)工具將曲線回歸生成數(shù)學(xué)公式（一般是多項(xiàng)式結(jié)構(gòu)），數(shù)學(xué)公式通過編程語言（常用Fortran、Pascal語言）被整合到計(jì)算軟件系統(tǒng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)程序化計(jì)算.多種產(chǎn)品的測試數(shù)據(jù)組成制造商的基礎(chǔ)型號(hào)數(shù)據(jù)庫，這種工程實(shí)踐方法和過程是整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，也構(gòu)成了制造商知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果體系的最核心部分.

小透平外功率損失總值Hloss為多個(gè)損失值疊加結(jié)果，例如聯(lián)軸器微振動(dòng)，軸伸摩擦發(fā)熱等，其分析、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算的思路方法與上述過程類似.

影響小透平方案選擇的結(jié)構(gòu)性因素也需考慮，管徑應(yīng)限制入口蒸汽流速≯53.34 m/s，出口蒸汽流速≯76.2m/s.每種型號(hào)對(duì)應(yīng)的軸伸尺寸為固定值，在給定轉(zhuǎn)速下，輸出的扭矩為定值.蒸汽溫度、流量和流速?zèng)Q定葉片載荷，制造商應(yīng)選擇合適的葉片材料、結(jié)構(gòu)、布局和制造工藝.多級(jí)小透平需考慮蒸汽流動(dòng)誘發(fā)葉片共振問題.轉(zhuǎn)子推力對(duì)軸承的影響也應(yīng)考慮，當(dāng)球軸承不能滿足工況要求時(shí)應(yīng)調(diào)整為雙作用自平衡推力軸承.

配置齒輪箱時(shí)用于平衡小透平輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系，齒輪箱多承擔(dān)減速功能，保證工作轉(zhuǎn)速在客戶定義范圍內(nèi)，見圖6.小透平工作轉(zhuǎn)速大于等于3000 rpm時(shí)，撓性轉(zhuǎn)子與連接側(cè)的半聯(lián)軸器應(yīng)按運(yùn)行速度進(jìn)行高速動(dòng)平衡測試，這是很多客戶在修復(fù)或改造轉(zhuǎn)子時(shí)容易忽視的問題.

客戶或工程設(shè)計(jì)方應(yīng)保證進(jìn)出口的蒸汽管線對(duì)小透平管口力和力矩小于NEMA SM23標(biāo)準(zhǔn)值，或客戶與制造商之間商定的其他基準(zhǔn)數(shù)值.

客戶應(yīng)保證入口蒸汽為飽和狀態(tài)，避免蒸汽含水，尤其在小透平開機(jī)啟動(dòng)和調(diào)試期間.

相對(duì)于多級(jí)結(jié)構(gòu)，單級(jí)小透平是優(yōu)先的選項(xiàng).例如某特定型號(hào)的小透平，入口蒸汽條件可達(dá)62 barG@482℃，轉(zhuǎn)子直徑范圍300～700 mm，轉(zhuǎn)速5770 rpm，輸出功率2600 kw，這些基本參數(shù)能夠覆蓋常見項(xiàng)目需求.

多級(jí)小透平的優(yōu)勢是輸出功率和效率均較高，在功能上可以理解為多個(gè)單級(jí)的串聯(lián)疊加，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格約為前者的15～20倍.應(yīng)用多級(jí)小透平的必要性一般基于：流程裝置設(shè)計(jì)對(duì)效率和出口蒸汽條件有詳細(xì)和嚴(yán)格要求，部分設(shè)計(jì)工況點(diǎn)在單級(jí)小透平的性能范圍上邊界值邊緣，單級(jí)葉片承載安全余量不足.

脈沖式轉(zhuǎn)速表（Pulse tachometer）通常是必備的狀態(tài)監(jiān)測儀表，量程范圍應(yīng)覆蓋最高連續(xù)轉(zhuǎn)速的125 %，測量精度不低于±1 %.當(dāng)客戶定義供貨范圍時(shí)，小透平還可以集成測振（Vibration measurement）、軸位移（Shaft displacement）、溫度、壓力儀表傳感器系統(tǒng)和報(bào)警閥（Whistle valve）、絕熱層和防護(hù)罩等報(bào)警、安全隔離裝置，還可能提供出口蒸汽管線、放空、導(dǎo)淋管線或減溫器系統(tǒng)，其上附帶蒸汽安全閥、放空消音器、疏水閥、旁通閥、隔離閥、膨脹節(jié)等功能組件.對(duì)客戶只需提供最少數(shù)量的機(jī)械和能源、安裝接口，構(gòu)成一套完整的汽輪機(jī)成套裝置，見圖7.

特殊聲明 Dresser-Rand & RLA & SST、Elliott Turbo & AYRT分別是SIEMENS、EBARA公司的商用注冊(cè)信息.