汽轮机在中低压能量梯级利用（减温减压）场景中的使用及效益分析

汽轮机是一种以蒸汽为动力，并将蒸汽的热能转化为机械能的旋转机械，是现代火力发电厂的主要设备，在工业上有比较广泛的应用。

依据我们国家对于蒸汽压力等级的划分，初参数低于6Mpa，450℃的蒸汽为中低压蒸汽。可以开展余压回收的工业蒸汽也大部分在这个参数范围之内。一般热电厂（含垃圾电厂）汽轮机抽汽或排汽参数采用4.0Mpa/400℃，0.981Mpa/300℃，0.49Mpa/200℃等几个典型参数，而下游工业用户对蒸汽参数需求往往是多种多样的。例如某热电厂向工业供热母管供汽参数为0.981 Mpa， 300℃的蒸汽，而该母管上某蒸汽用户生产只需要0.5Mpa 的低压蒸汽，常规方法是在母管下口安装减温减压装置，将0.981 Mpa的工业蒸汽减温减压至0.5 Mpa的蒸汽，以满足生产需求。而在此过程中，蒸汽的（㶲）值没有得到有效利用，被白白释放掉。此外，在化工、钢铁、水泥、造纸、有色金属加工、食品、医药等行业，蒸汽节流减压的情况也很普遍，可以加以回收利用的总量非常可观。因此，采用一种更高效的蒸汽余压回收汽轮机十分重要。

径向式汽轮机是汽轮机的一个门类，在国外已经有比较广泛的应用。然而目前国内市场上销售和使用的都是轴流式汽轮机，径向式汽轮机还基本上是空白。

径向式汽轮机（也称为径向式透平）在气动设计方面与轴流式汽轮机有较大差异。图1是一个径向式透平的剖面图。如图中箭头所示，汽流沿转子径向进入流道，经90°转弯后沿转子轴向流出。径向式汽轮机主要由进汽蜗壳、喷嘴、向心叶轮和排汽扩压器构成。进汽蜗壳一般为铸件或焊接结构，蜗壳中通常装有喷嘴环，以保证蒸汽进入叶轮的速度大小和方向。叶片直接在叶轮上铣削成形。径向式汽轮机叶轮通常只有一级，单个叶轮输出功率一般在100kW～5000kW。

在工业蒸汽余压回收利用方面，径向式汽轮机在内效率以及应用的灵活性方面尤其独有的技术优势。图2中的曲线显示的是在不同的工况下，径向式和轴流式汽轮机所能达到的最佳效率。图2中的纵坐标表示汽轮机所能达到的最大效率，横坐标表示特征速度。从图中可以看出，径向式和轴流汽轮机具有不同的理想工作范围，在蒸汽中小压比、小流量时，径向式汽轮机具有更大的性能优势。

径向式汽轮机在运行的灵活性，对蒸汽参数的适应性方面也有其技术优势，具体如下表所示。

在某些工业场景，蒸汽存在频繁波动，甚至停止的情况，径向式汽轮机在运行中对蒸汽波动的响应速度明显优于常规汽轮机组。

案例一：

A公司现有蒸汽条件：

A公司的日常生产间歇使用蒸汽（饱和蒸汽、每天部分时间起停一次），采用减温减压装置降低蒸汽压力。由于蒸汽不连续，常规汽轮机组不能正常运行，以至这部分压力无法得到有效回收利用。通过与业主沟通，径向式汽轮机厂商提出了一套可行的方案，在得到业主的认可并在后期得以实施。原有的减温减压装置作为备用得以保留，并联在蒸汽管线上（如图3所示）。在运行过程，径向汽轮机随蒸汽波动变化输出功率，当蒸汽停止时，机组自动停机，并在蒸汽恢复正常后启动。当汽轮发电机组处于检修或故障状态时，减温减压装置可以作为应急使用，不影响工厂正常生产用汽。

该系统配套一台1.3MW背压式汽轮机及1.5MW发电机，将4.0Mpa-252℃-24t/h的中压蒸汽送至汽轮机，作为背压式汽轮发电机组的主蒸汽做功，带动发电机发电，做功后产生0.7Mpa-170℃的蒸汽，通过管网送至厂区管网，供业主进一步利用。

这种工艺的布置方式，即避免了企业所担心系统的稳定性问题，也为企业创造了经济效益。

该项目的的经济性如下表所示:

案例二：

B公司有以下蒸汽条件：

该项目将0.981Mpa-300℃-30t/h的蒸汽送至汽轮机，背压式汽轮机带动发电机发电，做功后产生0.49Mpa-的蒸汽,再喷水减温至200℃后，送至厂区管网，供业主进一步利用。

该蒸汽条件下，径向式汽轮机输出功率为1050kW，而常规轴流式汽轮机输出功率仅为750kW。两者相比，径向式汽轮机有明显的效率优势。采用径向式汽轮机每年净收益比普通汽轮机多76万元。

其经济性对比如下表所示：

通过上述案例的对比可以看出，在工业蒸汽余压回收的应用场景中，与普通汽轮机相比，径向式汽轮机往往表现出更高发电效率，更强的蒸汽参数适应性，这也使其蒸汽余压回收的经济性更加明显。同时减少了水资源的使用和排空的次数，达到了节能减排、降耗增效的初衷，也为中低压热电联产和资源综合利用的发展积累了更好的经验，值得推广。