科普 汽轮机的性能

汽轮机，到底能达到什么效率呢？

1汽轮机常识

将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。又称蒸汽透平。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。

汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械，是蒸汽动力装置的主要设备之一。

汽轮机是能将蒸汽热能转化为机械功的外燃回转式机械，来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后，依次经过一系列环形配置的喷嘴和动叶，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能。蒸汽在汽轮机中，以不同方式进行能量转换，便构成了不同工作原理的汽轮机。

按工作原理分类

有蒸汽主要在各级喷嘴(或静叶)中膨胀的冲动式汽轮机；蒸汽在静叶和动叶中都膨胀的反动式汽轮机；以及蒸汽在喷嘴中膨胀后的动能在几列动叶上加以利用的速度级汽轮机。

按热力特性分类

有凝汽式、供热式、背压式、抽汽式和饱和蒸汽汽轮机等类型。凝汽式汽轮机排出的蒸汽流入凝汽器，排汽压力低于大气压力，因此具有良好的热力性能，是最为常用的一种汽轮机；供热式汽轮机既提供动力驱动发电机或其他机械，又提供生产或生活用热，具有较高的热能利用率；背压式汽轮机的排汽压力大于大气压力的汽轮机；抽汽式汽轮机是能从中间级抽出蒸汽供热的汽轮机；饱和蒸汽轮机是以饱和状态的蒸汽作为新蒸汽的汽轮机。

按汽轮机的用途分

•电站汽轮机：用来发电或热电联产的汽轮机

•工业汽轮机：用来带动水泵、油泵、鼓风机等的汽轮机

•船用汽轮机：作为船舶的动力装置，用以推动螺旋桨

按进气压力分

•低压气轮机：新蒸汽压力 1.2—1.5MPa

•中压汽轮机：新蒸汽压力 2—4MPa

•次高压汽轮机：新蒸汽压力 5—6MPa

•高压汽轮机：新蒸汽压力 6—10MPa

•超高压汽轮机：新蒸汽压力 12—14MPa

•亚临界汽轮机：新蒸汽压力 16—18MPa

•超亚临界汽轮机：新蒸汽压力大于22.17MPa

根据热力学原理，新蒸汽参数越高，热力循环的热效率也越高。早期汽轮机所用新蒸汽压力和温度都较低，热效率低于20％。随着单机功率的提高，30年代初新蒸汽压力已提高到3～4兆帕，温度为400～450℃。随着高温材料的不断改进，蒸汽温度逐步提高到535℃，压力也提高到6～12.5兆帕，个别的已达16兆帕，热效率达30％以上。50年代初，已有采用新蒸汽温度为600℃的汽轮机。以后又有新蒸汽温度为650℃的汽轮机。

现代大型汽轮机通常采用新汽压力24兆帕，新汽温度和再热温度为535～565℃的超临界参数,或新汽压力为16.5兆帕、新汽温度和再热温度为535℃的亚临界参数。使用这些汽轮机的电站热效率约为40％。

另外，汽轮机的排汽压力越低，蒸汽循环的热效率就越高。不过排汽压力主要取决于冷却水的温度，如果采用过低的排汽压力，就需要增大冷却水流量或增大凝汽器冷却面积，同时末级叶片也较长。凝汽式汽轮机常用的排汽压力为0.005～0.008兆帕。船用汽轮机组为了减轻重量，减小尺寸,常用0.006～0.01兆帕的排汽压力。

2汽轮机性能的计算

鉴于汽轮机是最原始的动力机械,螺杆膨胀机在推广过程中不免要与其对比,以下对几种典型工况做计算,以正视听。

前提：水蒸汽1t/h，汽轮机效率不等。

还应强调的是，汽轮机运转所需消耗未减去，所以效率还要打折的。

2.1 背压式运行

可见如此好的过热蒸汽条件并未达到40%等熵效率。

2.2凝汽式运行

可见如此好的过热蒸汽条件并未达到40%等熵效率，最高25%。

2.3凝汽式运行

按照汽轮机教材介绍，汽轮机等熵效率60%。

查表格，低压侧对应饱和蒸汽焓2576.2，可见排气未进入湿区，上表是可以实现的。可见如此好的过热蒸汽条件并未达到40%等熵效率，最高21%。

2.4总结汽轮机

在即使所谓的超临界条件下，热效率进达到20%，远未达到人们普遍认为的40%。

2.5其他低压水蒸汽条件下汽轮机性能

在余热利用范围内，普遍遇到的是低压废蒸汽，那么这是的性能如何，才是余热企业应该关注的。

饱和水蒸气，无法使用直接膨胀，建议使用ORC系统。

只有过热的达到一定要求后，才可以先使用蒸汽直接膨胀，然后废气再利用ORC发电。

从上图可见，

过热蒸汽，首先利用压力直接发电，然后使用ORC发电，发电功率最大，大

于凝汽式汽轮机；

过热蒸汽背压式膨胀，发电功率小于背压式，这符合常理；

温度越高，发电功率越高；

从上图可见，

过热蒸汽，首先利用压力直接发电，然后使用ORC发电，热效率最大，大于凝汽式汽轮机；

过热蒸汽背压式膨胀，发电功率小于背压式，这符合常理；

温度越高，发电功率越高；

汽轮机热效率低于20%。

3ORC螺杆膨胀发电站使用100度水蒸汽的性能

为了和汽轮机比出高低，这里也仅讨论水蒸汽，而且局限于低压水蒸汽。

同时强调，发电功率为净功率，去除了系统运转所需消耗。

以100℃水蒸汽为例，1t/h。因为无法直接膨胀发电，ORC系统是唯一选择。

可见，100℃水蒸汽，汽轮机无法使用，也不能使用。

随着冷凝温度的不同，发电功率、热效率都不同；

降低冷却水温度、提高热源温度，对提高性能有力；

热效率普遍大于8%。

4ORC螺杆膨胀发电站使用138度水蒸汽的性能

以具有普遍性的138℃饱和水蒸气为例，

以138℃水蒸汽为例，1t/h。因为无法直接膨胀发电，ORC系统是唯一选择。

可见，

随着冷凝温度的不同，发电功率、热效率都不同；

降低冷却水温度、提高热源温度，对提高性能有力；

限于目前的工质、热源条件，热效率普遍大于11%，最该可达到15%。

5ORC螺杆膨胀发电站优势明显

从以上对比可见，汽轮机被高估了性能，实际情况是不尽如人意。

螺杆膨胀机是新产品，无教科书可查，所以很多人不了解。

使用经验和计算表明，螺杆膨胀机性能优于汽轮机，而且使用范围更广泛，操作简单，更能体现节能环保。

唯一的缺点是：无法做到汽轮机一样的气量，在大功率范围还只好忍受汽轮机。