汽轮机与电动机应用对比

衣晓磊，王玉岭

（万华化学集团股份有限公司，山东 烟台 264000）

1 经济性分析

工业设备的运行经济性包括如下几点：工艺性能、生产安全性、环保达标及设备可靠性。

在常规生产中，作为驱动机械，电机和汽轮机功率范围互有重叠。大电机几百千瓦到若干兆瓦，小型电机几千瓦到几十千瓦；而透平小至几百千瓦，上至几十兆瓦。对普通工业生产来说，通过科学有效的管理，合理调整工况，完全可以依靠电机和汽轮机的合理配置达到节约能源、提高经济效益的目的。

1821年由法拉第根据奥斯特发现的电流磁效应发明第一台电动机后，最早的汽轮机也在 1883年由瑞典人德拉瓦尔发明。它利用高温高压蒸汽直接驱动叶轮转动。两类设备作为成熟、稳定的产品，经过长达百年的工业应用，充分证明了其使用安全性。电动机通过使用的电力作为动力，汽轮机使用的蒸汽作为动力。其中电力供应主要来源为火电、水电、核电、风电等，火电装机容量为电力总装机容量的73%左右，火力发电量占总发电量的比例超过80%；工业蒸汽多数通过火电厂蒸汽锅炉供给，本质上都来源于煤炭供能。但其中能量转化次数不同，能量利用率不同，故可认为环保性能相近。

能量转换路径及转换效率计算。

1.1 电动机

装置 锅炉 蒸汽发电透平发电机组电力传输变压转化变频控制同步电机效率 /%80 45 98．6 95 99 98．4 最高 98一般95备注 抽凝式

因电动机及汽轮机动力均来源于锅炉，故暂不考虑锅炉能量利用率。电动机最终使用过程能量损失率为45%×98．6%×95%×99%×98．4%=41．1%（以上参数值偏高配，且不考虑功率因数影响），如因不同工艺要求转速转换，变速箱还要损失1%～1．5%。

蒸汽发电透平，因无背压蒸汽，常规电厂采用抽凝式机组，背压式部分占比很小。50%以上的能耗是排汽后需冷凝的潜热，这部分能量如无特殊用途（如供热水）是无法再次利用的。即使向外输出热水，也远无法达到完全利用的程度。如果纯粹用冷却介质冷却，相当于燃料的热能的损失。所以这样的机组热效率很低。45%即为相当高的值。

1.2 汽轮机

装置 锅炉 蒸汽管网 汽轮机效率/% 80 98．5～99 45%～85备注 抽凝式/背压式

蒸汽输送损耗由于传输管网长短、保温状况差异，输送量大小等等因素差异很大，以某厂热电至生产装置输送40KS，压力4．140MPa温度369℃，距离2公里压降0．3MPa，温降10～15℃。压降与温降导致焓减约25～35kJ/kg，相对于3134kJ/kg总焓值，约1%的损失。汽轮机最终使用过程能量损失率为99%×45%=55．45%，99%×85%=84．15%（以上参数值偏高配，且不考虑功率因数影响）。

从能量利用效率讲，汽轮机（根据型式不同，抽凝/背压）能量利用率较电机高14．35%～43．05%。

2 运行数据分析

国内某化工厂项目有1台工艺气压缩机，工艺设计院原采用电动机驱动；单台压缩机轴功率约为980kW，需要选用1200kW高压电机。

2.1 一次性投资核算

如采用设计电动机方案，需要配备电机。以西门子电机为例，单台1200kW电机价格约为270万。

如采用设计汽轮机方案，需要配置汽轮机。以杭汽汽轮机（耗汽量5．4t/h）为例，投资约380万元。

因此，汽轮机方案比电动机方案投资高 380～270=110万元。

2.2 运行费用核算

如采用电动机方案，需要选用1200kW的电机，轴功率为983kW。常规年运行时间以8000h计，电价（估算峰谷平均）以0．8元/(kW·h)计。

单台电机年耗电量为0．8×983×8000=629．12万元。

如采用汽轮机方案，假设采用40bar蒸汽减压至4bar，根据ASPEN模拟，每吨40bar蒸汽需要添加196kg的脱盐水。年蒸汽耗气量为5．4×8000=43200吨，年耗水量为 5．4×8000×0．196=8917．2 吨。

以 工 艺 水 价 格 为 17．95元 /吨，40bar过 热 蒸汽120元/吨算。则年消耗蒸汽折算的运行费用为43200×120=518．4 万元。

年消耗工艺水折算的运行费用为8917．2X17．95=15．2 万元。

2.3 综合效益核算

按照运行1年计算，年运行费用与一次性投资比较，1台压缩机使用蒸汽共多花费14．48万元，冗余43200吨4bar饱和蒸汽（暂不计冗余蒸汽使用价值）。

（380+518．4+15．2）-（270+629．12）=14．48 万元。

按照运行3年计算，运行费用与一次性投资比较，1台压缩机共可节省费用176．59万元（暂不计冗余蒸汽使用价值）。

(270-3×629．12)-[380+3×（518+15．2）]=176．59万元。

综上分析，汽轮机一次投入成本较高，但随着使用时间的增加（超过1年），运行成本明显低于电动机运行。如采用背压式汽轮机，减压后的蒸汽仍有相当大的使用价值，运行成本低。

3 其他影响因素

由于汽轮机与电动机的机械构造及本身特性，在日常运行维护中有不同的特点，主要概括如表1。

表1

4 结语

我国工业面临高能耗和用电紧张的情况，通过各种先进技术降低能耗势在必行。汽轮机与电动机作为成熟的工业产品，在大型工业的驱动机中占据重要地位。汽轮机与电动机安装、运行具有不同的特点，在满足工艺需求的前提下，汽轮机能量利用效率明显高于电动机。从长期运行成本、节能减排、环境保护方面出发，合理利用汽轮机将带来较高的社会效益及经济效益。

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[4]When should an Electric Adjustable Speed Drivebe used instead of a Gas or Steam Turbine? Paul Blaiklock, Manish Verma, Stephan Bondy TMEIC Corporation Roanoke, VA, and Houston, TX．