一、前言
伴随着经济水平和工业水平的快速发展，全球面临着越来越严峻的能源挑战和环境挑战。进入新世纪以来我国政府非常重视节能减排，在“十一五”期间国家把节能和减排确定为国民经济和社会发展的约束性指标，节能减排也是目前调整经济结构、加快转变经济发展方式的重要抓手和突破口。国务院 “十二五”控制温室气体排放工作方案中要求：到2015年全国万元国内生产总值二氧化碳排放为1.9吨左右，比2010年下降17%，并将单位国内生产总值二氧化碳排放下降指标作为约束性指标分解到地方。在今年8月份国务院印发的《节能减排“十二五”规划》中提出了万元GDP能耗下降16％达到0.869t标准煤的目标，要求钢铁、化工、建材、造纸等部分工业行业和大中型企业的节能指标达到世界先进水平，如钢综合能耗、原油加工综合能耗、乙烯综合能耗、合成氨综合能耗要分别由605kg标煤/t、99 kg标煤/t、886 kg标煤/t、1402 kg标煤/t下降到580kg标煤/t、86 kg标煤/t、857 kg标煤/t、1350 kg标煤/t，下降幅度分别为4.1％、13％、3.27％和3.7％。规划中还要求风机、泵、空压机等新增主要耗能设备能效指标达到国内或国际先进水平，并对各领域的余热、余能综合利用和能量系统优化提出了具体的技术措施[1]。这些目标和要求也意味着各工业领域、各家企业节能减排的任务更加艰巨、节能减排的形势更加迫切。
在钢铁、化工、建材、造纸等工业领域多设计配置蒸汽动力，即以蒸汽为介质通过汽轮机来实现发电或驱动工业装置主机设备；同时在这些领域也多采用汽轮机来实现余热、余能的综合利用。据粗略估计目前各工业领域的自备电站汽轮机和驱动用汽轮机容量分别达到7000万kW～8000万kW、3000～4000万kW左右。作为能量转换的主要设备，汽轮机的技术水平和效率对上述工业领域的节能减排有很大影响，本文就是从上述工业领域应用汽轮机的角度来探讨节能减排问题。
二、蒸汽动力设备技术的进展
随着科学技术的发展，汽轮机的设计、加工、制造手段和方法一直在不断地进步。从汽轮机气动热力设计理论与方法的发展示意图可以看出，汽轮机设计手段的发展经历了早期的一维设计、二维设计、上世纪九十年代的三维设计乃至近些年的复杂三维、四维非定常设计阶段，加之先进的加工制造工艺方法使得复杂曲面的合金钢零部件加工成本降低，最终使得汽轮机的性能得到了不断提升。
国内的汽轮机一维设计技术和二维设计技术主要是在50年代后中期到80年代初先后引进的前苏联及捷克、美国西屋及西门子的产品和技术。进入新世纪以后国内的几家汽轮机厂又陆续从国外知名汽轮机企业引进了更高参数等级、更高功率等级的汽轮机产品，国内汽轮机行业的汽轮机产能和制造加工质量得到大幅度提升。
汽轮机全三维设计技术诞生于二十世纪九十年代[2] [3]，蒋洪德院士团队于上世纪九十年代中期在国内率先推出了全三维汽轮机设计技术及体系并成功进行了工程应用与推广，与国内大型汽轮机厂进行了合作并得到广泛使用，三维设计技术的使用可以使得机组性能水平较之以前传统设计有较大幅度的提升。但采用三维设计方法进行汽轮机通流部分的设计依然停留在进行了一系列简化后的定常阶段，三维设计中静叶和动叶之间的交界面采用混合面法进行处理，前排叶片的尾迹被均匀化，无法反映出动静叶栅流动的相互干扰，偏离了真实的物理流动。为进一步提高汽轮机的性能就需要对三维定常设计中忽略的因素进行研究，发掘其中的潜力。
北京全四维公司的技术团队于2004年在国内率先提出汽轮机四维设计概念并推出了全四维精确汽轮机设计技术及体系，从2005年这一先进设计技术与体系逐步在各功率、参数等级机型上得到工程验证。该设计技术及体系在气动热力设计上率先考虑了以前未曾考虑的非定常效应、真实结构的多部件和多物理场耦合效应，并将全过程优化概念和技术纳入到设计体系中，使汽轮机的效率得到进一步提高；该体系还将先进的结构设计分析技术－三维有限元纳入到设计体系中，对叶片、转子、隔板、汽缸、阀门、轴承及轴系等汽轮机关键部件进行全尺寸、全结构地的应力、变形、振动、疲劳及蠕变等有限元分析，以确保产品运行的安全、可靠和灵活性。2004年以来，四维设计技术已成功应用于国内在运汽轮机机组的技术改造和新机组的设计，累积应用装机容量已超过5500万kW，取得显著成效，引起国际知名汽轮机厂商的关注并向多家国际知名厂商提供了相关的技术服务。
三、目前钢铁、化工等工业领域蒸汽动力存在的主要问题
1.汽轮机在各工业领域发电及拖动方面的应用还有很大的提升空间
一方面是现在各工业领域都非常注重余热、余能的综合利用，国家也对这方面提出了目标和要求。据国家发改委能源所的统计，到2010年，钢铁、水泥、玻璃、合成氨、烧碱、电石、硫酸七个工业行业余热发电装机总容量近1200万千瓦，到“十二五”末，这七个工业行业余热发电装机总量将达到2600万千瓦，汽轮机在工业余热利用方面的发展潜力很大。
另一方面，在钢铁、化工等领域，在泵、风机、压缩机等高耗能旋转设备驱动方面还有非常大的比例仍然采用大功率电机拖动。从企业能源综合利用和经济效益提升的角度来看应当提高汽轮机拖动高耗能旋转设备的比例；尤其在当前越来越多的区域出现企业自备电站与公用电厂上网负荷竞争加剧的情况下，采用汽轮机拖动高耗能旋转设备不失为二次能源综合利用的更优选择。
2.不少在运及新上汽轮机的设计技术及性能水平与先进水平还有相当大的差距
目前钢铁、化工等领域自备电站汽轮机的功率等级普遍偏低，虽然近年有一些企业自备电站采用了亚临界300MW等级、超高压150MW等级的机组，但在自备电站中应用较多的还是50MW及其以下等级的机组；在参数上主要是高温高压、中温中压和低温低压参数；这些机组多由国内的中小型汽轮机厂供货。在拖动方面应用较多的汽轮机也是蒸汽参数不高、功率不大的机型。
这些机组中有不少是上世纪80年代前后引进的国外产品或是由当时引进的模块组合设计而来的；有一些机组是由供货商采用具有上世纪80、90年代水平的设计技术自主设计的；也有一些机组是由供货商对80年代某些进口机组的测仿而来；还有一些机组是由一些供货商利用国内企业普遍存在的知识产权保护不力的漏洞按照其他企业的老旧产品图纸或是稍加修改进行生产的。这些情况均表明：目前在钢铁、化工等工业领域应用的不少自备电站汽轮机与拖动汽轮机在设计技术水平和效率水平与同类机组的先进水平还有相当大的差距。主要体现在以下几点：
（1）某些机组还在使用上世纪80年代以前的汽轮机叶片型线
除西门子三系列叶片型线外，目前在某些机组上使用的型线还有上世纪80年代以前的西屋型线（内背弧由简单的两个圆弧和两条直线组成）、莫斯科动力学院50年代推出的МЭЙ型线、机械部汽轮机锅炉研究所1982年推出的基于МЭЙ型线改进的国产红旗HQ型线及当时对进口机组的测仿型线。
（2）90年代已被认定的落后设计仍在采用
1）阶梯型通流子午面。阶梯型通流子午面不仅降低了通流效率还影响叶片的安全可靠性。
A、铆接围带动叶片设计。叶顶漏汽严重，并存在围带脱落、成组叶片数量受限等缺陷，不利于提高转速和效率。
B、带拉筋甚至多道拉筋的叶片
C、无锁口叶片或锁口短叶片设计
D、无围带或减震阻尼结构的叶片设计
（3）高转速大功率高端机型的落后设计方案凸显高端机组设计能力的不足
由于汽轮机叶片特别是末叶片强度结构设计能力的瓶颈问题，导致高效率的高转速大功率汽轮机开发技术难度很大。当前工业装置规模均向大容量方向发展，压缩机功率、转速均在提高，而针对这类产品，国产机组往往采用双缸双转子设计、大于16kPa的高背压、末级双分流等比较落后的设计方案以解决高速机组的带来的一系列问题，无法真正针对客户需求完全定制化设计。末叶片开发能力的缺失导致汽轮机排汽面积不足，进而使得整机能效偏低。
3.汽轮机背压偏高，使得机组效率和性能进一步恶化
钢铁、化工等领域自备电站汽轮机及拖动汽轮机背压普遍偏高，背压每升高1kPa，机组性能下降1％左右，背压对机组效率和能耗有非常大的影响。究其原因除钢铁、化工企业具体的循环冷却水自身条件外，还有下列原因：一是系统参数的设计及汽轮机末叶片选型还有待优化；二是凝汽器设计冷却面积有待调整；三是凝汽器设计技术落后换热效果有待改善；四是凝汽器运行中过高的堵管率。
在当前在运的中小功率汽轮机机组中，冷凝器的设计技术进步更加缓慢，很多设计沿用了20、30年以前的管束布置方式和水室设计结构。换热管束排列不佳致使换热效果差、水室结构上存在的流动死区导致水室结垢管程堵塞、铜管引起的泄露等普遍存在的问题。
4.汽轮机性能评价指标不科学
对钢铁、化工等工业领域用户，极少按照ASME标准来考核汽轮机性能，一般情况下只是看进多少吨汽能拖动压缩机组运行或发多少电，在设计上注重汽耗率这一性能评价指标。一些汽轮机供货商往往采用降低锅炉给水温度的方法来降低汽耗值，这样从汽轮机中抽汽回热的蒸汽量少了，同样进汽流量下的汽轮机出力就增加了，同样的发电量或出力却需要消耗更多的煤气或余热。按ASME考核标准，热耗率更能科学、准确地反应整个蒸汽动力系统的能效，而工业领域用户很少采用此项指标来评价和考核机组。
5.低端机组市场无序价格竞争阻碍了汽轮机产品性能的提升和先进技术的应用
对于工业领域广泛采用的小功率发电与驱动用低端汽轮机设备，用户往往重点考虑设备的可用性和一次采购价格，而设备的运行效率和先进性则经常被忽视。这部分机组虽然单机功率不大，但整个保有量却非常可观，往往占工业企业能源消耗不小的比例，如果只考虑当前利益，采用低成本但技术水平及性能落后的蒸汽动力设备，在其寿命期内运行的代价将是非常高昂的，其能源浪费和污染物排放的增加也是非常惊人的。
过去十年是国内工业领域发展的黄金时期，自备电站汽轮机和驱动用汽轮机的装机容量高速发展，市场的快速发展与规模的扩大在某些产品领域并没有带来技术的进步，反而出现“劣币”驱逐“良币”的反常现象，忽视技术性能水平的价格恶性竞争一方面影响了企业自主创新发展的能力，另一方面也造成了巨大的能源浪费和严重增加了环境污染。
四、钢铁、化工等工业领域蒸汽动力节能减排的解决方案
在钢铁、化工等工业领域用来自备发电和驱动主机设备的汽轮机总装机容量还是非常大的，粗略估计约为1.0亿kW～1.2亿kW，如此大容量的汽轮机装机每年的能量消耗初步估算要在2亿吨标准煤以上；若按平均效率水平提高3％计算，则每年的节能量将达到600万t标准煤以上，减排二氧化碳将达1620万t以上，节能减排效果巨大。而且随着经济的发展，这部分汽轮机装机容量还会进一步增加。因此对钢铁、化工等工业领域蒸汽动力的节能减排也存在“增量”和“存量”的问题，所谓增量就是未来在工业领域用于自备发电和拖动要增加、要新上的汽轮机容量；存量就是指目前在工业领域用于自备发电和拖动已经在运的汽轮机容量。
1.针对增量机组的解决方案
1）结合工业领域余热、余能的综合利用加大高耗能旋转设备采用汽轮机拖动的比例。
2）在汽轮机选型及招标中将汽轮机的技术水平和性能水平放在首要位置，鼓励先进设计技术和技术措施的应用，摒弃过度追求价格与应用业绩的非科学做法，否则将严重阻碍汽轮机技术与性能水平的提升并易形成垄断。
3）对系统设计与参数选择进行优化，尽可能提高机汽轮机的运行性能。
4）采用科学的考核评价指标加强汽轮机的性能考核，加大指标违约处罚力度，力求做到以“良币”驱逐“劣币”。
2.针对存量机组的解决方案
（1)汽轮机通流改造
从上世纪90年代中期开始，国内电力行业开始采用先进的汽轮机设计技术进行在运的200MW及其以下老机组的通流改造工作；在2004年以后随着汽轮机技术的发展又开始了采用最新技术进行300MW等级在运汽轮机的通流改造。所谓通流改造就是采用先进的设计技术对汽轮机的关键部件如动、静叶片等进行重新设计制造和更换，通过对汽轮机进行通流改造，不仅可以提升汽轮机的效率6%~8%，使在运汽轮机的技术水平和性能达到当前的先进水平从而实现大幅度的节能减排；而且还可通过改造增加汽轮机组的铭牌出力一般可增加10%左右，大大提高做功能力。同时利用通流改造还可以解决机组存在的安全可靠性问题，提高机组的可用性和安全可靠性。汽轮机通流改造还具有改造成本相对较低、供货及施工工期短等特点。到目前为止国内已造过的汽轮机超过400余台，通流改造机组的容量等级涉及12MW～600MW。老机组的通流技术改造产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为电力行业技术进步、节能减排的一项重要技术措施和手段。同样汽轮机通流改造也非常适用于工业领域在运的不少自备电站汽轮机和驱动用工业汽轮机，因其技术水平和性能水平更低，通过通流改造可使汽轮机的效率提升达到10％左右。
（2）凝汽器优化改
纯凝机组或抽凝机组降低背压的节能效果非常明显。针对不少电站汽轮发电机组凝汽器存在的换热管束排列不佳致使换热效果差、水室流动死区导致的水室结垢管程堵塞及铜管引起的泄露等问题，可采用先进的设计技术对凝汽器管束排列、水室结构和凝汽器喉部进行优化设计和改造，并采用高性能不锈钢焊管解决原凝汽器铜管的泄露问题和高浓度氯离子腐蚀问题。
通过对凝汽器实施优化技术改造可使在运自备电站汽轮机和拖动汽轮机运行背压降低2.0kPa以上，提高汽轮机实际运行性能2％以上，实现机组经济性的提升和大幅度的节能减排。
五、结语
北京全四维动力科技有限公司作为国内专业从事汽轮机及其相关产品设计技术研发、产品开发的专业性高科技公司。利用自主开发的全四维汽轮机设计技术设计开发有350MW及其以下纯凝、背压、抽汽、湿冷、空冷等多种类型上百种汽轮机产品，并可按用户要求快速“定制”，能满足火力发电、联合循环、工业/民用抽汽、工业余热利用等领域的用户需求。汽轮机通流改造涉及了超临界350MW及其以下各个容量等级30多个机型；目前国内市场占有率第一。在驱动用工业汽轮机方面，与战略合作伙伴－南京汽轮电机（集团）公司联合对引进的GE公司Fitchburg系列的工业汽轮机产品模块与技术进行消化、吸收和改进，可根据钢铁、化工等领域各工业流程所用风机、压缩机、泵的要求，提供符合API612标准、安全可靠、优质高效的工业汽轮机产品与服务，目前多台工业驱动汽轮机产品已成功投运。在汽轮机凝汽器开发方面，我们自主开发了凝汽器设计分析优化技术，现在多台300MW等级凝汽器改造项目上获得工程验证，取得了非常好的改造效果。
目前我国仍处于工业化快速发展过程中，钢铁、化工等工业领域的自备电站用和驱动用汽轮机装机发展迅速，未来一段时间还将保持一定的发展速度，由于市场中的这一产品类别技术水平和性能相差较大，不少机组的技术水平和性能与先进水平有相当大的差距，节能减排面临很大压力，须从增量和存量两个角度来解决工业领域蒸汽动力设备所面临的节能减排问题。我们相信四维公司在汽轮机及其相关产品所做的技术开发与应用工作将有助于钢铁、化工等工业领域蒸汽动力的节能减排工作，并会进一步推动我国汽轮机及其相关产品设计技术的向前发展。
