油氣工業一般用途汽輪機技術原理和應用指南

馬明生 安智偉 郝玉明 林琳

摘要 本文基于廣泛的工程實踐和應用案例，系統全面地闡述了應用于油氣工業的一般用途汽輪機的執行標準、應用分布、發展沿革、技術原理、結構特征、工程實踐和計算選型等技術專題.重點對比、分析、匯總常見品牌和型號汽輪機的技術優勢和結構特征.探討各項給定參數對汽輪機方案選擇的影響，而高性價比的汽輪機將有助于降低客戶的一次性采購成本，并有效降低運行維護等二次成本.本文可用于國內工程項目的設計、采購、項目管控或相關行業產品發展規劃的決策執行參考.

關鍵詞 油氣工業 機械驅動 汽輪機 結構分析 選型

汽輪機（Steam turbine）作為一類應用廣泛的工業動力設備，其發展周期貫穿近現代工業文明進程.工業用汽輪機具有單機輸出功率大，能源轉換率高，可調速范圍寬，工作穩定好，設備壽命長，運行維護相對簡單等獨特優勢，多用于驅動壓縮機，鼓風機，余熱發電機等旋轉動設備.油氣能源工業作為現代工業體系的基礎，更是對機械驅動用汽輪機設備提出了系統、嚴格、規范的要求.

美國石油協會（API）標準體系由400多家北美科研機構、工程公司、設備制造商等協作編制發布，包含500多個行業標準及工程實踐規范，覆蓋石油天然氣各個領域，是目前國際工程界公認的權威行業標準.API 611標準全稱《石油、化工和氣體工業一般用途汽輪機》.一般用途（General-Purpose）定義為“通常應用于備用或非苛刻條件，輸出功率相對（特殊用途）較小，入口蒸汽條件≯48barG@400℃，工作轉速≯6000 r/min.”.國內也參照發布SH/T 3149《石油化工一般用途汽輪機工程技術規范》非等效標準，根據國情對API 611做出技術偏離處理和內容取舍.根據轉子軸線與安裝平面的平行和垂直位置關系，一般用途汽輪機有臥式和立式兩種布置形式，而特殊用途汽輪機只能臥式布置.NEMA SM23是美國電氣制造商協會標準全稱《機械驅動用汽輪機》，最初用于定義發電用汽輪機的通用技術要求，后被各行業廣泛引用，其中最權威的技術條款主要集中在調速控制定義基準及允許的蒸汽管線載荷.API標準比NEMA嚴格，定義的細節更多，更能反映基于客戶的需求，覆蓋了轉子動力學、管道標準、材料標準、試驗測試和包裝發運等諸多板塊.其內容也包含了對油氣工業公用裝置（Utility）中動力用空壓機和自備電廠或余熱發電等驅動用汽輪機的具體要求.嚴格執行API標準設計制造的產品價格比執行制造商企業標準的同類型產品高出約5～50%不等.大多數非北美尤其是歐日制造商在提交技術標書（Technology proposal）時均會附帶不同程度的API技術偏離表（Technology deviation data sheet）以期提升其產品的競爭力，印度、巴西等新興市場國家對API標準執行要求嚴格.

行業內一般用途汽輪機俗稱“小透平”，以示與特殊用途汽輪機“主透平”（Main Turbine）區分，見圖1左圖.小透平技術和產品線已經通過商業資本運作被高度集中、整合在SIEMENS、EBARA等企業旗下，初步形成優質系列產品的行業壟斷.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動方案，用于通風機、原料泵、鍋爐給水泵、凝結水泵、潤滑油泵等一般用途設備的機械驅動.也可以與電機驅動方案并聯設置、互為主備，實現多種工況狀態下的快速切換，小透平驅動離心泵是油氣工業中的最常見方案，不完全統計世界范圍內累計裝機量超過15萬套.

小透平也用于油氣工業工藝流程設計，實現蒸汽的流量和壓力平衡，蒸汽通過對小透平做功降低焓值后排入中或低壓管網，這時的小透平同時具備壓力控制閥（這里的閥只是一種功能類比，當蒸汽流量很大時，一個或幾個閥門難以實現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，小透平多為單級或多級背壓式結構，這種結構在工業革命的早期即被發明進而不斷改進.小透平的級通常使用沖動式，蒸汽壓降大部分在噴嘴處產生.沖動式級主要有Curtis級和Rateau級.前者為雙列旋轉葉片結構，后者是單列旋轉葉片.Curtis級在低速比（蒸汽動葉片間流速與噴嘴出口處流速比值）區（0.06～0.24）效率較高（44 %～63 %），Rateau級在高速比區（0.24～0.67）效率較高（63 %～80 %）.多級小透平的第一級為Curtis級，串聯多個Rateau級，熱效率約為60～70%.Curtis級又稱復速級，蒸汽通流時有兩次的速度降.兩列動葉片一列靜葉柵共同組成汽輪機的一個級.復速級做功能力強大，熱效率較低，是單級小透平常見結構，工程實踐效率范圍約為30～60 %.復速級能在一級內承擔較大的比焓降，見圖1右圖.

右圖 Elliott turbo?AYRT小透平拆解圖，Curtis stage結構是其最顯著的技術特征.

小透平根據客戶定義的參數范圍選擇最優化的設計方案，在保證安全性、可靠性、供貨周期等基本因素同時兼顧性價比、一次性投資成本、運行維護成本、節能指標、操作便捷性、售后服務質量、升級空間等諸多技術、環境和工程實踐因素.例如高效率結構的報價方案在節能指標方面優勢明顯但同時定價也明顯偏高，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動機需求最大功率10 %，最大功率應包含客戶裝置內設備和管道附屬安全閥開啟時狀態.客戶給定入口蒸汽“壓力@溫度”的范圍值，同時定義排出蒸汽的壓力范圍.

客戶定義的軸功率不應含有過大的安全余量，入口蒸汽條件的閾值不應過寬（應確認邊界條件的發生概率），尤其應聲明進、排蒸汽管道的設計條件.否則會導致小透平計算方案過大，增加客戶成本.最低進汽壓力@最低進汽溫度、最高排汽壓力條件下的計算方案可做為校核選型方案的參考.

小透平輸出功率計算公式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是計算輸出值，直接決定客戶的運行成本.

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的計算、測試及其修正是制造商范圍的重要基礎工作之一.行業通行的做法是，制造商針對某一計算最優化確認的定型方案進行理論計算，繪制出不同蒸汽條件下的效率-速比曲線圖譜，并結合熱工實驗的多次測試結果，考慮各種客觀因素的影響（這些因素包括蒸汽室、速關閥、調速閥內部的節流損失蒸汽流通的阻力損失，機殼內流道短路，軸承區外泄露，轉子機械運動的摩擦損失等），對理論曲線進行修正，給定合適的正裕度空間（例如修正系數），并應用數學工具將曲線回歸生成數學公式（一般是多項式結構），數學公式通過編程語言（常用Fortran、Pascal語言）被整合到計算軟件系統進而實現程序化計算.多種產品的測試數據組成制造商的基礎型號數據庫，這種工程實踐方法和過程是整個產品設計的重要環節，也構成了制造商知識產權成果體系的最核心部分.

小透平外功率損失總值Hloss為多個損失值疊加結果，例如聯軸器微振動，軸伸摩擦發熱等，其分析、統計和計算的思路方法與上述過程類似.

影響小透平方案選擇的結構性因素也需考慮，管徑應限制入口蒸汽流速≯53.34 m/s，出口蒸汽流速≯76.2m/s.每種型號對應的軸伸尺寸為固定值，在給定轉速下，輸出的扭矩為定值.蒸汽溫度、流量和流速決定葉片載荷，制造商應選擇合適的葉片材料、結構、布局和制造工藝.多級小透平需考慮蒸汽流動誘發葉片共振問題.轉子推力對軸承的影響也應考慮，當球軸承不能滿足工況要求時應調整為雙作用自平衡推力軸承.

配置齒輪箱時用于平衡小透平輸出的扭矩和轉速關系，齒輪箱多承擔減速功能，保證工作轉速在客戶定義范圍內，見圖6.小透平工作轉速大于等于3000 rpm時，撓性轉子與連接側的半聯軸器應按運行速度進行高速動平衡測試，這是很多客戶在修復或改造轉子時容易忽視的問題.

客戶或工程設計方應保證進出口的蒸汽管線對小透平管口力和力矩小于NEMA SM23標準值，或客戶與制造商之間商定的其他基準數值.

客戶應保證入口蒸汽為飽和狀態，避免蒸汽含水，尤其在小透平開機啟動和調試期間.

相對于多級結構，單級小透平是優先的選項.例如某特定型號的小透平，入口蒸汽條件可達62 barG@482℃，轉子直徑范圍300～700 mm，轉速5770 rpm，輸出功率2600 kw，這些基本參數能夠覆蓋常見項目需求.

多級小透平的優勢是輸出功率和效率均較高，在功能上可以理解為多個單級的串聯疊加，結構復雜，價格約為前者的15～20倍.應用多級小透平的必要性一般基于：流程裝置設計對效率和出口蒸汽條件有詳細和嚴格要求，部分設計工況點在單級小透平的性能范圍上邊界值邊緣，單級葉片承載安全余量不足.

脈沖式轉速表（Pulse tachometer）通常是必備的狀態監測儀表，量程范圍應覆蓋最高連續轉速的125 %，測量精度不低于±1 %.當客戶定義供貨范圍時，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和報警閥（Whistle valve）、絕熱層和防護罩等報警、安全隔離裝置，還可能提供出口蒸汽管線、放空、導淋管線或減溫器系統，其上附帶蒸汽安全閥、放空消音器、疏水閥、旁通閥、隔離閥、膨脹節等功能組件.對客戶只需提供最少數量的機械和能源、安裝接口，構成一套完整的汽輪機成套裝置，見圖7.

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