油气工业一般用途汽轮机技术原理和应用指南

马明生 安智伟 郝玉明 林琳

摘要 本文基于广泛的工程实践和应用案例，系统全面地阐述了应用于油气工业的一般用途汽轮机的执行标准、应用分布、发展沿革、技术原理、结构特征、工程实践和计算选型等技术专题.重点对比、分析、汇总常见品牌和型号汽轮机的技术优势和结构特征.探讨各项给定参数对汽轮机方案选择的影响，而高性价比的汽轮机将有助于降低客户的一次性采购成本，并有效降低运行维护等二次成本.本文可用于国内工程项目的设计、采购、项目管控或相關行业产品发展规划的决策执行参考.

关键词 油气工业 机械驱动 汽轮机 结构分析 选型

汽轮机（Steam turbine）作为一类应用广泛的工业动力设备，其发展周期贯穿近现代工业文明进程.工业用汽轮机具有单机输出功率大，能源转换率高，可调速范围宽，工作稳定好，设备寿命长，运行维护相对简单等独特优势，多用于驱动压缩机，鼓风机，余热发电机等旋转动设备.油气能源工业作为现代工业体系的基础，更是对机械驱动用汽轮机设备提出了系统、严格、规范的要求.

美国石油协会（API）标准体系由400多家北美科研机构、工程公司、设备制造商等协作编制发布，包含500多个行业标准及工程实践规范，覆盖石油天然气各个领域，是目前国际工程界公认的权威行业标准.API 611标准全称《石油、化工和气体工业一般用途汽轮机》.一般用途（General-Purpose）定义为“通常应用于备用或非苛刻条件，输出功率相对（特殊用途）较小，入口蒸汽条件≯48barG@400℃，工作转速≯6000 r/min.”.国内也参照发布SH/T 3149《石油化工一般用途汽轮机工程技术规范》非等效标准，根据国情对API 611做出技术偏离处理和内容取舍.根据转子轴线与安装平面的平行和垂直位置关系，一般用途汽轮机有卧式和立式两种布置形式，而特殊用途汽轮机只能卧式布置.NEMA SM23是美国电气制造商协会标准全称《机械驱动用汽轮机》，最初用于定义发电用汽轮机的通用技术要求，后被各行业广泛引用，其中最权威的技术条款主要集中在调速控制定义基准及允许的蒸汽管线载荷.API标准比NEMA严格，定义的细节更多，更能反映基于客户的需求，覆盖了转子动力学、管道标准、材料标准、试验测试和包装发运等诸多板块.其内容也包含了对油气工业公用装置（Utility）中动力用空压机和自备电厂或余热发电等驱动用汽轮机的具体要求.严格执行API标准设计制造的产品价格比执行制造商企业标准的同类型产品高出约5～50%不等.大多数非北美尤其是欧日制造商在提交技术标书（Technology proposal）时均会附带不同程度的API技术偏离表（Technology deviation data sheet）以期提升其产品的竞争力，印度、巴西等新兴市场国家对API标准执行要求严格.

行业内一般用途汽轮机俗称“小透平”，以示与特殊用途汽轮机“主透平”（Main Turbine）区分，见图1左图.小透平技术和产品线已经通过商业资本运作被高度集中、整合在SIEMENS、EBARA等企业旗下，初步形成优质系列产品的行业垄断.在蒸汽资源丰富的烯烃装置（Facility）中，小透平几乎被作为首选驱动方案，用于通风机、原料泵、锅炉给水泵、凝结水泵、润滑油泵等一般用途设备的机械驱动.也可以与电机驱动方案并联设置、互为主备，实现多种工况状态下的快速切换，小透平驱动离心泵是油气工业中的最常见方案，不完全统计世界范围内累计装机量超过15万套.

小透平也用于油气工业工艺流程设计，实现蒸汽的流量和压力平衡，蒸汽通过对小透平做功降低焓值后排入中或低压管网，这时的小透平同时具备压力控制阀（这里的阀只是一种功能类比，当蒸汽流量很大时，一个或几个阀门难以实现其减压控制的功能和精度）和能量回收利用的双重作用.

基于输出功率的需求所限，小透平多为单级或多级背压式结构，这种结构在工业革命的早期即被发明进而不断改进.小透平的级通常使用冲动式，蒸汽压降大部分在喷嘴处产生.冲动式级主要有Curtis级和Rateau级.前者为双列旋转叶片结构，后者是单列旋转叶片.Curtis级在低速比（蒸汽动叶片间流速与喷嘴出口处流速比值）区（0.06～0.24）效率较高（44 %～63 %），Rateau级在高速比区（0.24～0.67）效率较高（63 %～80 %）.多级小透平的第一级为Curtis级，串联多个Rateau级，热效率约为60～70%.Curtis级又称复速级，蒸汽通流时有两次的速度降.两列动叶片一列静叶栅共同组成汽轮机的一个级.复速级做功能力强大，热效率较低，是单级小透平常见结构，工程实践效率范围约为30～60 %.复速级能在一级内承担较大的比焓降，见图1右图.

右图 Elliott turbo®AYRT小透平拆解图，Curtis stage结构是其最显著的技术特征.

小透平根据客户定义的参数范围选择最优化的设计方案，在保证安全性、可靠性、供货周期等基本因素同时兼顾性价比、一次性投资成本、运行维护成本、节能指标、操作便捷性、售后服务质量、升级空间等诸多技术、环境和工程实践因素.例如高效率结构的报价方案在节能指标方面优势明显但同时定价也明显偏高，需要客户做出理性的决策.

API 611要求小透平额定（Rating）输出功率至少高于驱动机需求最大功率10 %，最大功率应包含客户装置内设备和管道附属安全阀开启时状态.客户给定入口蒸汽“压力@温度”的范围值，同时定义排出蒸汽的压力范围.

客户定义的轴功率不应含有过大的安全余量，入口蒸汽条件的阈值不应过宽（应确认边界条件的发生概率），尤其应声明进、排蒸汽管道的设计条件.否则会导致小透平计算方案过大，增加客户成本.最低进汽压力@最低进汽温度、最高排汽压力条件下的计算方案可做为校核选型方案的参考.

小透平输出功率计算公式P=（G×ΔHs×η/3600）-Hloss，其中：

P表示功率，单位kw.

G表示蒸汽流量，单位kg/h.

ΔHs表示等熵焓降（Isentropic enthalpy drop），单位kJ/kg.

η表示效率.

Hloss表示外功率损失总值，单位kw.

P是输入条件，客户定义值，G是计算输出值，直接决定客户的运行成本.

等熵焓降ΔHs值可以查询蒸汽表和焓熵图（Steam Tables And Moiller Diagrams）得到.

效率值η的计算、测试及其修正是制造商范围的重要基础工作之一.行业通行的做法是，制造商针对某一计算最优化确认的定型方案进行理论计算，绘制出不同蒸汽条件下的效率-速比曲线图谱，并结合热工实验的多次测试结果，考虑各种客观因素的影响（这些因素包括蒸汽室、速关阀、调速阀内部的节流损失蒸汽流通的阻力损失，机壳内流道短路，轴承区外泄露，转子机械运动的摩擦损失等），对理论曲线进行修正，给定合适的正裕度空间（例如修正系数），并应用数学工具将曲线回归生成数学公式（一般是多项式结构），数学公式通过编程语言（常用Fortran、Pascal语言）被整合到计算软件系统进而实现程序化计算.多种产品的测试数据组成制造商的基础型号数据库，这种工程实践方法和过程是整个产品设计的重要环节，也构成了制造商知识产权成果体系的最核心部分.

小透平外功率损失总值Hloss为多个损失值叠加结果，例如联轴器微振动，轴伸摩擦发热等，其分析、统计和计算的思路方法与上述过程类似.

影响小透平方案选择的结构性因素也需考虑，管径应限制入口蒸汽流速≯53.34 m/s，出口蒸汽流速≯76.2m/s.每种型号对应的轴伸尺寸为固定值，在给定转速下，输出的扭矩为定值.蒸汽温度、流量和流速决定叶片载荷，制造商应选择合适的叶片材料、结构、布局和制造工艺.多级小透平需考虑蒸汽流动诱发叶片共振问题.转子推力对轴承的影响也应考虑，当球轴承不能满足工况要求时应调整为双作用自平衡推力轴承.

配置齿轮箱时用于平衡小透平输出的扭矩和转速关系，齿轮箱多承担减速功能，保证工作转速在客户定义范围内，见图6.小透平工作转速大于等于3000 rpm时，挠性转子与连接侧的半联轴器应按运行速度进行高速动平衡测试，这是很多客户在修复或改造转子时容易忽视的问题.

客户或工程设计方应保证进出口的蒸汽管线对小透平管口力和力矩小于NEMA SM23标准值，或客户与制造商之间商定的其他基准数值.

客户应保证入口蒸汽为饱和状态，避免蒸汽含水，尤其在小透平开机启动和调试期间.

相对于多级结构，单级小透平是优先的选项.例如某特定型号的小透平，入口蒸汽条件可达62 barG@482℃，转子直径范围300～700 mm，转速5770 rpm，输出功率2600 kw，这些基本参数能够覆盖常见项目需求.

多级小透平的优势是输出功率和效率均较高，在功能上可以理解为多个单级的串聯叠加，结构复杂，价格约为前者的15～20倍.应用多级小透平的必要性一般基于：流程装置设计对效率和出口蒸汽条件有详细和严格要求，部分设计工况点在单级小透平的性能范围上边界值边缘，单级叶片承载安全余量不足.

脉冲式转速表（Pulse tachometer）通常是必备的状态监测仪表，量程范围应覆盖最高连续转速的125 %，测量精度不低于±1 %.当客户定义供货范围时，小透平还可以集成测振（Vibration measurement）、轴位移（Shaft displacement）、温度、压力仪表传感器系统和报警阀（Whistle valve）、绝热层和防护罩等报警、安全隔离装置，还可能提供出口蒸汽管线、放空、导淋管线或减温器系统，其上附带蒸汽安全阀、放空消音器、疏水阀、旁通阀、隔离阀、膨胀节等功能组件.对客户只需提供最少数量的机械和能源、安装接口，构成一套完整的汽轮机成套装置，见图7.

特殊声明 Dresser-Rand & RLA & SST、Elliott Turbo & AYRT分别是SIEMENS、EBARA公司的商用注册信息.