離心式壓縮機(jī)與汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)方式

韓亞東

摘 要：離心式壓縮機(jī)和汽輪機(jī)廣泛應(yīng)用于我們的生產(chǎn)生活中，汽輪機(jī)是將流體能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的原動(dòng)機(jī)，離心式壓縮機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成流體能量的工作機(jī)，而它們工作時(shí)的工況并不是恒定的，這就需要對其進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文分別介紹了這兩種不同類別流體機(jī)械在變工況下的調(diào)節(jié)方式，并將兩種流體機(jī)械的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行了對比，分析總結(jié)了它們的異同以及它們調(diào)節(jié)方式存在差異的原因。

關(guān)鍵詞：離心式壓縮機(jī)；汽輪機(jī)；調(diào)節(jié)方式；異同

流體機(jī)械是以流體為工質(zhì)進(jìn)行能量交換的機(jī)械[1]，包括把流體能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能而輸出軸功率的原動(dòng)機(jī)和將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成流體能量的工作機(jī)，在輕工行業(yè)、化工行業(yè)等多種行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用[2]。本文介紹了流體機(jī)械中的兩種透平機(jī)械的調(diào)節(jié)方式，分析這兩種流體機(jī)械調(diào)節(jié)方式的基礎(chǔ)是理解它們的本質(zhì)區(qū)別，即汽輪機(jī)屬于原動(dòng)機(jī)，離心式壓縮機(jī)屬于工作機(jī)。其次，離心式壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)指的是調(diào)節(jié)背壓或者流量從而使其在設(shè)計(jì)工況附近工作，汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)指的是調(diào)節(jié)進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量或者改變蒸汽在汽輪機(jī)中的焓降從而改變汽輪機(jī)的出力，使其與外界負(fù)荷相適應(yīng)。其中，利用管網(wǎng)與壓縮機(jī)的性能曲線圖分析離心式壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)，利用汽輪機(jī)的熱力過程線圖來分析汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)方式。

1 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)方式

汽輪機(jī)的功率方程如下：

pel=DΔHtηa，el[]3600（1）

其中：pel為汽輪機(jī)功率，D為蒸汽量，ηa，el為絕對電效率。

為了保證機(jī)組出力與用戶所需的功率相適應(yīng)，由汽輪機(jī)的功率方程可以看出，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量或者改變蒸汽在汽輪機(jī)中的焓降從而改變汽輪機(jī)的出力，或者同時(shí)采用這兩種方式。汽輪機(jī)常用的調(diào)節(jié)方式有節(jié)流調(diào)節(jié)、噴嘴調(diào)節(jié)、滑壓調(diào)節(jié)，還有一種較少使用的旁通調(diào)節(jié)。噴嘴調(diào)節(jié)和節(jié)流調(diào)節(jié)是目前汽輪機(jī)調(diào)節(jié)的主要方式[3]。節(jié)流調(diào)節(jié)指通過汽輪機(jī)前的調(diào)節(jié)汽門改變蒸汽流量和入口壓力，噴嘴調(diào)節(jié)指將調(diào)節(jié)級分為幾個(gè)噴嘴組，蒸汽通過全開的主汽門后通過依次啟閉的幾個(gè)調(diào)節(jié)汽門調(diào)節(jié)蒸汽流量。當(dāng)汽輪機(jī)在部分負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，噴嘴配汽比節(jié)流配汽的效率高，但在變工況下噴嘴配汽汽輪機(jī)高壓部分的金屬溫度變化較大，使調(diào)節(jié)級的汽缸壁產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，從而降低了機(jī)組迅速改變負(fù)荷的能力。因此，可發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，采用節(jié)流—噴嘴聯(lián)合調(diào)節(jié)。滑壓調(diào)節(jié)指將汽輪機(jī)所有調(diào)節(jié)閥全開，隨負(fù)荷的改變調(diào)整鍋爐的燃料量和給水量改變鍋爐出口蒸汽壓力以適應(yīng)汽輪機(jī)負(fù)荷，適合于較低負(fù)荷的機(jī)組，包括純滑壓調(diào)節(jié)、節(jié)流滑壓調(diào)節(jié)和復(fù)合滑壓調(diào)節(jié)[4]。

2 離心式壓縮機(jī)調(diào)節(jié)方式

離心壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)有兩種：一是等壓調(diào)節(jié)，即背壓不變調(diào)節(jié)流量，二是等流量調(diào)節(jié)，即流量不變調(diào)節(jié)背壓。原理上分為改變管網(wǎng)性能曲線和改變壓縮機(jī)性能曲線，改變管網(wǎng)性能曲線的調(diào)節(jié)方式有出口節(jié)流調(diào)節(jié)，即在機(jī)器出口安裝調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量；改變壓縮機(jī)性能曲線的調(diào)節(jié)方式有進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)，變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)壓器葉片調(diào)節(jié)。此外，可多種方式組合運(yùn)用，各調(diào)節(jié)方式經(jīng)濟(jì)性不同。

3 對比分析

由于離心式壓縮機(jī)和汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理等不同，調(diào)節(jié)方式存在差異，但又存在相似性。

3.1 相似性分析

離心式壓縮機(jī)和汽輪機(jī)均可采用在進(jìn)口處設(shè)置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而改變進(jìn)口處的壓力和機(jī)器的流量。進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)的進(jìn)口壓力降低，是因?yàn)楫a(chǎn)生了節(jié)流損失，無論是對離心式壓縮機(jī)還是汽輪機(jī)，都會對效率有較大的影響。

3.2 不同之處分析

（1）噴嘴調(diào)節(jié)：由于汽輪機(jī)和離心式壓縮機(jī)工作原理的差異，汽輪機(jī)中存在噴嘴，蒸汽在噴嘴中膨脹加速，推動(dòng)動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)，因而可以采用噴嘴配汽調(diào)節(jié)，提高部分負(fù)荷時(shí)機(jī)組的效率，而離心式壓縮機(jī)不需要噴嘴，從而無法采用噴嘴調(diào)節(jié)。

（2）滑壓調(diào)節(jié)：汽輪機(jī)可調(diào)整鍋爐的燃料量和給水量調(diào)節(jié)出口蒸汽壓力，離心式壓縮機(jī)的工質(zhì)是空氣、乙烯等氣體，不需再經(jīng)鍋爐加熱，因而不能采用滑壓調(diào)節(jié)。

（3）變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)是保證壓縮機(jī)組正常安全運(yùn)行的的重要組成部分[5]，離心式壓縮機(jī)通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速改變壓縮機(jī)性能曲線，從而調(diào)節(jié)工作點(diǎn)。但是在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)中，轉(zhuǎn)速應(yīng)維持恒定。在使用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)，汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)相連，轉(zhuǎn)速相同，故汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)頻率來決定，為維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，汽輪機(jī)應(yīng)保持恒定轉(zhuǎn)速，為3000rpm。因此，不能通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的功率。工業(yè)汽輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是由負(fù)載的額定出力決定，因此轉(zhuǎn)速取決于負(fù)載。另外，汽輪機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)用來維持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。

（4）出口節(jié)流調(diào)節(jié)：在離心式壓縮機(jī)出口處安裝調(diào)節(jié)閥，改變背壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)工況的目的，經(jīng)濟(jì)性低，常用于風(fēng)機(jī)和小型鼓風(fēng)機(jī)。對于汽輪機(jī)，若采用出口節(jié)流調(diào)節(jié)，則背壓變化時(shí)，可認(rèn)為蒸汽流量不變。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大，背壓升高，焓降減小，功率減小，但會引起排汽部分的法蘭、螺栓應(yīng)力增大，排汽溫度升高，排汽室的膨脹量過大，可能會引起機(jī)組振動(dòng)，同時(shí)引起凝汽器內(nèi)排汽飽和溫度升高，可能會導(dǎo)致銅管的熱膨脹過大損壞脹口而泄漏，影響凝結(jié)水品質(zhì)。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度減小，則汽輪機(jī)末級焓降增大，若末級處于超臨界狀態(tài)，則會產(chǎn)生膨脹不足損失，不經(jīng)濟(jì)；若末級處于亞臨界狀態(tài)，則焓降增大將使末級過負(fù)荷，同時(shí)排汽速度增加，在凝汽器內(nèi)流動(dòng)損失增大。因此，汽輪機(jī)若采用出口節(jié)流調(diào)節(jié)，產(chǎn)生較大損失，且安全性差，因此不采用出口節(jié)流調(diào)節(jié)。

由于結(jié)構(gòu)差異，汽輪機(jī)無法采用轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)壓器葉片調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

本文介紹了透平式流體機(jī)械中離心式壓縮機(jī)和汽輪機(jī)的工作原理，并說明了它們各自的調(diào)節(jié)方式，分析了各種調(diào)節(jié)方式采用的原理以及它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，通過將這兩種不同種類別流體機(jī)械的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)它們的相同之處在于離心式壓縮機(jī)和汽輪機(jī)均可采用入口節(jié)流調(diào)節(jié)，而其它調(diào)節(jié)方式則因它們工作原理和結(jié)構(gòu)的不同而存在差異。

參考文獻(xiàn)：

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[2]姜新春，曾勁松，黃煌.CFD技術(shù)在流體機(jī)械中的應(yīng)用與發(fā)展[J].輕工機(jī)械，2014，（03）：108111.

[3]石淑蓮，余紅兵.百萬等級超超臨界汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)方式分析[J].節(jié)能技術(shù)，2011，（03）：268271.

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[5]張虎，劉慧敏，程普.化工用離心式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)[J].河北化工，2011，（03）：6566+80.