论文部分内容阅读
摘要：本文介绍了透平式流体机械中离心式压缩机和汽轮机的工作原理，并说明了它们各自的调节方式，分析了各种调节方式采用的原理以及它们各自的优缺点，通过将这两种不同种类别流体机械的调节方式进行对比，发现它们的相同之处在于离心式压缩机和汽轮机均可采用入口节流调节，而其它调节方式则因它们工作原理和结构的不同而存在差异。
离心式压缩机和汽轮机广泛应用于我們的生产生活中，汽轮机是将流体能量转换为机械能的原动机，离心式压缩机是将机械能转变成流体能量的工作机，而它们工作时的工况并不是恒定的，这就需要对其进行调节。本文分别介绍了这两种不同类别流体机械在变工况下的调节方式，并将两种流体机械的调节方式进行了对比，分析总结了它们的异同以及它们调节方式存在差异的原因。
关键词：离心式压缩机；汽轮机；调节方式；异同
流体机械是以流体为工质进行能量交换的机械，包括把流体能量转换为机械能而输出轴功率的原动机和将机械能转变成流体能量的工作机，在轻工行业、化工行业等多种行业都得到广泛应用。本文介紹了流体机械中的两种透平机械的调节方式，分析这两种流体机械调节方式的基础是理解它们的本质区别，即汽轮机属于原动机，离心式压缩机属于工作机。其次，离心式压缩机的调节指的是调节背压或者流量从而使其在设计工况附近工作，汽轮机的调节指的是调节进入汽轮机的蒸汽量或者改变蒸汽在汽轮机中的焓降从而改变汽轮机的出力，使其与外界负荷相适应。
1、汽轮机调节方式
汽轮机的功率方程如下：
pel=DΔHtηa，el[]3600（1）
其中：pel为汽轮机功率，D为蒸汽量，ηa，el为绝对电效率。
为了保证机组出力与用户所需的功率相适应，由汽轮机的功率方程可以看出，通过调节进入汽轮机的蒸汽量或者改变蒸汽在汽轮机中的焓降从而改变汽轮机的出力，或者同时采用这两种方式。汽轮机常用的调节方式有节流调节、喷嘴调节、滑压调节，还有一种较少使用的旁通调节。喷嘴调节和节流调节是目前汽轮机调节的主要方式[3]。节流调节指通过汽轮机前的调节汽门改变蒸汽流量和入口压力，喷嘴调节指将调节级分为几个喷嘴组，蒸汽通过全开的主汽门后通过依次启闭的几个调节汽门调节蒸汽流量。当汽轮机在部分负荷下运行时，喷嘴配汽比节流配汽的效率高，但在变工况下喷嘴配汽汽轮机高压部分的金属温度变化较大，使调节级的汽缸壁产生较大热应力，从而降低了机组迅速改变负荷的能力。因此，可发挥各自优点，采用节流—喷嘴联合调节。滑压调节指将汽轮机所有调节阀全开，随负荷的改变调整锅炉的燃料量和给水量改变锅炉出口蒸汽压力以适应汽轮机负荷，适合于较低负荷的机组，包括纯滑压调节、节流滑压调节和复合滑压调节[4]。
2、离心式压缩机调节方式
离心压缩机的调节有两种：一是等压调节，即背压不变调节流量，二是等流量调节，即流量不变调节背压。原理上分为改变管网性能曲线和改变压缩机性能曲线，改变管网性能曲线的调节方式有出口节流调节，即在机器出口安装调节阀调节流量；改变压缩机性能曲线的调节方式有进口节流调节，变转速调节，转动进口导叶调节和转动扩压器叶片调节。此外，可多种方式组合运用，各调节方式经济性不同。
3、对比分析
由于离心式压缩机和汽轮机的结构、工作原理等不同，调节方式存在差异，但又存在相似性。
3.1 相似性分析
离心式压缩机和汽轮机均可采用在进口处设置调节机构，从而改变进口处的压力和机器的流量。进口节流调节的进口压力降低，是因为产生了节流损失，无论是对离心式压缩机还是汽轮机，都会对效率有较大的影响。
3.2 不同之处分析
（1）喷嘴调节：由于汽轮机和离心式压缩机工作原理的差异，汽轮机中存在喷嘴，蒸汽在喷嘴中膨胀加速，推动动叶旋转，因而可以采用喷嘴配汽调节，提高部分负荷时机组的效率，而离心式压缩机不需要喷嘴，从而无法采用喷嘴调节。
（2）滑压调节：汽轮机可调整锅炉的燃料量和给水量调节出口蒸汽压力，离心式压缩机的工质是空气、乙烯等气体，不需再经锅炉加热，因而不能采用滑压调节。
（3）变转速调节：转速调节系统是保证压缩机组正常安全运行的的重要组成部分[5]，离心式压缩机通过调节转速改变压缩机性能曲线，从而调节工作点。但是在汽轮机调节中，转速应维持恒定。在使用汽轮机驱动发电机发电时，汽轮机与发电机相连，转速相同，故汽轮机的转速由电网频率来决定，为维持电网频率稳定，汽轮机应保持恒定转速，为3000rpm。因此，不能通过调节转速来调节汽轮机的功率。工业汽轮机的额定转速是由负载的额定出力决定，因此转速取决于负载。另外，汽轮机的调速系统用来维持转速的稳定。
（4）出口节流调节：在离心式压缩机出口处安装调节阀，改变背压，从而达到调节工况的目的，经济性低，常用于风机和小型鼓风机。对于汽轮机，若采用出口节流调节，则背压变化时，可认为蒸汽流量不变。当调节阀开度增大，背压升高，焓降减小，功率减小，但会引起排汽部分的法兰、螺栓应力增大，排汽温度升高，排汽室的膨胀量过大，可能会引起机组振动，同时引起凝汽器内排汽饱和温度升高，可能会导致铜管的热膨胀过大损坏胀口而泄漏，影响凝结水品质。当调节阀开度减小，则汽轮机末级焓降增大，若末级处于超临界状态，则会产生膨胀不足损失，不经济；若末级处于亚临界状态，则焓降增大将使末级过负荷，同时排汽速度增加，在凝汽器内流动损失增大。因此，汽轮机若采用出口节流调节，产生较大损失，且安全性差，因此不采用出口节流调节。
由于结构差异，汽轮机无法采用转动进口导叶调节和转动扩压器叶片调节。
4、结束语
离心式压缩机和汽轮机广泛应用于我們的生产生活中，汽轮机是将流体能量转换为机械能的原动机，离心式压缩机是将机械能转变成流体能量的工作机，而它们工作时的工况并不是恒定的，这就需要对其进行调节。本文分别介绍了这两种不同类别流体机械在变工况下的调节方式，并将两种流体机械的调节方式进行了对比，分析总结了它们的异同以及它们调节方式存在差异的原因。
参考文献：
[1]张湘亚，陈弘.石油化工流体机械.
[2]姜新春，曾劲松，黄煌.CFD技术在流体机械中的应用与发展[J].轻工机械，2014，（03）：108111.
[3]石淑莲，余红兵.百万等级超超临界汽轮机进汽调节方式分析[J].节能技术，2011，（03）：268271.
[4]黄保海，白玉，牛卫东.汽轮机原理与构造.北京：中国电力出版社，2002.
[5]张虎，刘慧敏，程普.化工用离心式压缩机的转速调节[J].河北化工，2011，（03）：6566+80.
（作者单位：中国石油化工股份有限公司天津分公司化工部）
离心式压缩机和汽轮机广泛应用于我們的生产生活中，汽轮机是将流体能量转换为机械能的原动机，离心式压缩机是将机械能转变成流体能量的工作机，而它们工作时的工况并不是恒定的，这就需要对其进行调节。本文分别介绍了这两种不同类别流体机械在变工况下的调节方式，并将两种流体机械的调节方式进行了对比，分析总结了它们的异同以及它们调节方式存在差异的原因。
关键词：离心式压缩机；汽轮机；调节方式；异同
流体机械是以流体为工质进行能量交换的机械，包括把流体能量转换为机械能而输出轴功率的原动机和将机械能转变成流体能量的工作机，在轻工行业、化工行业等多种行业都得到广泛应用。本文介紹了流体机械中的两种透平机械的调节方式，分析这两种流体机械调节方式的基础是理解它们的本质区别，即汽轮机属于原动机，离心式压缩机属于工作机。其次，离心式压缩机的调节指的是调节背压或者流量从而使其在设计工况附近工作，汽轮机的调节指的是调节进入汽轮机的蒸汽量或者改变蒸汽在汽轮机中的焓降从而改变汽轮机的出力，使其与外界负荷相适应。
1、汽轮机调节方式
汽轮机的功率方程如下：
pel=DΔHtηa，el[]3600（1）
其中：pel为汽轮机功率，D为蒸汽量，ηa，el为绝对电效率。
为了保证机组出力与用户所需的功率相适应，由汽轮机的功率方程可以看出，通过调节进入汽轮机的蒸汽量或者改变蒸汽在汽轮机中的焓降从而改变汽轮机的出力，或者同时采用这两种方式。汽轮机常用的调节方式有节流调节、喷嘴调节、滑压调节，还有一种较少使用的旁通调节。喷嘴调节和节流调节是目前汽轮机调节的主要方式[3]。节流调节指通过汽轮机前的调节汽门改变蒸汽流量和入口压力，喷嘴调节指将调节级分为几个喷嘴组，蒸汽通过全开的主汽门后通过依次启闭的几个调节汽门调节蒸汽流量。当汽轮机在部分负荷下运行时，喷嘴配汽比节流配汽的效率高，但在变工况下喷嘴配汽汽轮机高压部分的金属温度变化较大，使调节级的汽缸壁产生较大热应力，从而降低了机组迅速改变负荷的能力。因此，可发挥各自优点，采用节流—喷嘴联合调节。滑压调节指将汽轮机所有调节阀全开，随负荷的改变调整锅炉的燃料量和给水量改变锅炉出口蒸汽压力以适应汽轮机负荷，适合于较低负荷的机组，包括纯滑压调节、节流滑压调节和复合滑压调节[4]。
2、离心式压缩机调节方式
离心压缩机的调节有两种：一是等压调节，即背压不变调节流量，二是等流量调节，即流量不变调节背压。原理上分为改变管网性能曲线和改变压缩机性能曲线，改变管网性能曲线的调节方式有出口节流调节，即在机器出口安装调节阀调节流量；改变压缩机性能曲线的调节方式有进口节流调节，变转速调节，转动进口导叶调节和转动扩压器叶片调节。此外，可多种方式组合运用，各调节方式经济性不同。
3、对比分析
由于离心式压缩机和汽轮机的结构、工作原理等不同，调节方式存在差异，但又存在相似性。
3.1 相似性分析
离心式压缩机和汽轮机均可采用在进口处设置调节机构，从而改变进口处的压力和机器的流量。进口节流调节的进口压力降低，是因为产生了节流损失，无论是对离心式压缩机还是汽轮机，都会对效率有较大的影响。
3.2 不同之处分析
（1）喷嘴调节：由于汽轮机和离心式压缩机工作原理的差异，汽轮机中存在喷嘴，蒸汽在喷嘴中膨胀加速，推动动叶旋转，因而可以采用喷嘴配汽调节，提高部分负荷时机组的效率，而离心式压缩机不需要喷嘴，从而无法采用喷嘴调节。
（2）滑压调节：汽轮机可调整锅炉的燃料量和给水量调节出口蒸汽压力，离心式压缩机的工质是空气、乙烯等气体，不需再经锅炉加热，因而不能采用滑压调节。
（3）变转速调节：转速调节系统是保证压缩机组正常安全运行的的重要组成部分[5]，离心式压缩机通过调节转速改变压缩机性能曲线，从而调节工作点。但是在汽轮机调节中，转速应维持恒定。在使用汽轮机驱动发电机发电时，汽轮机与发电机相连，转速相同，故汽轮机的转速由电网频率来决定，为维持电网频率稳定，汽轮机应保持恒定转速，为3000rpm。因此，不能通过调节转速来调节汽轮机的功率。工业汽轮机的额定转速是由负载的额定出力决定，因此转速取决于负载。另外，汽轮机的调速系统用来维持转速的稳定。
（4）出口节流调节：在离心式压缩机出口处安装调节阀，改变背压，从而达到调节工况的目的，经济性低，常用于风机和小型鼓风机。对于汽轮机，若采用出口节流调节，则背压变化时，可认为蒸汽流量不变。当调节阀开度增大，背压升高，焓降减小，功率减小，但会引起排汽部分的法兰、螺栓应力增大，排汽温度升高，排汽室的膨胀量过大，可能会引起机组振动，同时引起凝汽器内排汽饱和温度升高，可能会导致铜管的热膨胀过大损坏胀口而泄漏，影响凝结水品质。当调节阀开度减小，则汽轮机末级焓降增大，若末级处于超临界状态，则会产生膨胀不足损失，不经济；若末级处于亚临界状态，则焓降增大将使末级过负荷，同时排汽速度增加，在凝汽器内流动损失增大。因此，汽轮机若采用出口节流调节，产生较大损失，且安全性差，因此不采用出口节流调节。
由于结构差异，汽轮机无法采用转动进口导叶调节和转动扩压器叶片调节。
4、结束语
离心式压缩机和汽轮机广泛应用于我們的生产生活中，汽轮机是将流体能量转换为机械能的原动机，离心式压缩机是将机械能转变成流体能量的工作机，而它们工作时的工况并不是恒定的，这就需要对其进行调节。本文分别介绍了这两种不同类别流体机械在变工况下的调节方式，并将两种流体机械的调节方式进行了对比，分析总结了它们的异同以及它们调节方式存在差异的原因。
参考文献：
[1]张湘亚，陈弘.石油化工流体机械.
[2]姜新春，曾劲松，黄煌.CFD技术在流体机械中的应用与发展[J].轻工机械，2014，（03）：108111.
[3]石淑莲，余红兵.百万等级超超临界汽轮机进汽调节方式分析[J].节能技术，2011，（03）：268271.
[4]黄保海，白玉，牛卫东.汽轮机原理与构造.北京：中国电力出版社，2002.
[5]张虎，刘慧敏，程普.化工用离心式压缩机的转速调节[J].河北化工，2011，（03）：6566+80.
（作者单位：中国石油化工股份有限公司天津分公司化工部）