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摘要：50MW以下的小型汽轮机组的汽轮机使用高转速设计有着其独特的优势，包括汽轮机内效率高，现场安装快捷，运行灵活等。在环保意识在不断提高，追求机组运行效益的今天，高转速设计的汽轮机组将成为50MW以下的小型汽轮机组市场的主流产品。
关键词：小型汽轮机组；高转速；内效率高；安装快捷；运行灵活
1、前言：
在一般燃煤的中心发电站中，汽轮机的装机容量较大，其设计转速为3000rpm。而对于50MW以下的小型汽轮机组来说（下文简称为小型机组），则可以选择更高的转速进行设计（下文简称高转速机组）。这是因为对于小型机组来说，使用高转速设计有着天然的优势：汽轮机效率高，体积小，现场安装快，运行灵活等。
一般情况下，50MW以下的小型机组用于以下情况：
a、作为工业汽轮机驱动工业旋转机械，如糖厂中的撕解机，钢厂中的鼓风机等
b、公共事业电站，这些电站涉及供热、处理垃圾等民生和环保问题，由于主要目的不是用于供电，或受限于燃料的量和热值等因素，其装机容量一般都在50MW以下，如用于供热机组，垃圾发电站和生物质发电站等。
c、化工、造纸或钢铁等行业中在满足各种工艺用汽要求的同時，也供少量电量。
在国际上，小型机组使用高转速汽轮机已是共识，一些大型知名的汽轮机生产厂家都有其高转速汽轮机模块，而且随着装机容量越小，其设计转速越高。如捷克斯柯达的7MW以下模块，设计转速高达12000rpm。
本文将通过效率，安装和运行等方面来阐述高转速小型汽轮机组的优势。
2、高转速小型汽轮机组汽轮机内效率高：
1）蒸汽流动损失小
一般情况下，高转速汽轮机和一般机组级数相当，在进排汽参数、级数以及级的反动度Ω都一样的前提下，每级承担的理想焓降ΔH基本一样，而级理想焓降ΔH和喷嘴出口理想速度c1之间存在以下关系：
φ?（1-Ω）ΔH=1/2×c1?
其中，φ为代表流动效率的系数，其值可认为是常数。
即φ、Ω和ΔH均为，那么上述式子可表达为
1/2×c1?=const（常数）
即c1为常数。
而在多级汽轮机的设计上，理想速比（u/c1）一般在一定范围内选取，其值选取与设计转速并无必然关系，那么存在以下关系：
u/c1=const（常数）
其中u为圆周速度，在c1为常数的条件下，u为常数，可写成以下表达式：
u=πdn/60=const（常数）
其中π为圆周率，d为级的直径，n为转速。
可得出结论：d与n成反比，即从理论上讲，提高汽轮机的设计转速可按比例降低转子各级的直径。
而为了发出给定的功率，任何一级所需的通流面积不会减少，所以随着转子各级直径的减少，叶片高度必须增大，这使得：
a、在需要使用部分进汽的级中，使用高转速设计可提高部分进汽度，甚至可以采用全周进汽，减少了或可完全避免部分进汽损失。
b、在全周进汽的级中，使用高转速设计可提高叶片高度，从而降低叶栅损失
2）汽封漏汽漏汽量小
如果汽封的初压和背压不变，汽封结构（如采用曲径式汽封）相同，汽封的面积越小，汽封漏汽量越小，这是比较容易理解的。结合上面的分析可知使用高转速设计的汽轮机可降低转子直径，而且转子直径在数值上大致与转速成反比。转子直径的降低意味着可以减少汽封面积，从而减少汽封漏汽量。
现假设使用曲径式汽封，汽封的初压p0和背压pz、汽封前蒸汽比容v0，汽封齿数z和间隙δ已知并保持不变，根据曲径式汽封漏汽量计算公式：
Gδ=uδAδ[（p0?-pz?）/（zp0v0）]0.5
其中uδ为流量系数，一般情况下，在确定了汽封初压和背压及汽封结构后，可认为是常数。令系数a=uδ[（p0?-pz?）/（zp0v0）]0.5，而Aδ=πdδ，则上述式子可表达为：
Gδ=aπdδ
显然，在汽封间隙δ不变的情况下，汽封漏汽量Gδ与汽封直径d成正比。
举个例子，以6000rpm设计的汽轮机，汽封直径将以3000rpm设计的汽轮机可减低一半，汽封漏汽量理论上亦可降低一半。
汽轮机的汽封包括用于隔绝大气的前、后汽封和级间的隔板汽封，汽封漏汽量减少意味更少的蒸汽从汽封漏掉，更多的蒸汽进入汽轮机通流部分转换成机械能。
从上述的两点分析中，不管是减少部分进汽损失和叶栅损失，还是减少汽封漏汽损失，都可以得到这样的结论，使用高转速设计可提高汽轮机内效率。
3）实例分析
值得注意的是，高转速机组在大部分的情况下需配置减速箱，而减速箱有一定的机械损失。据了解，国产齿轮箱可保证效率为98.5%，即齿轮箱机械损失为1.5%。意味着，高转速汽轮机内效率虽然比较高，但需承担额外的1.5%齿轮箱机械损失。那么机组总体效率如何呢。
下面将举一实例进行分析。
某垃圾发电厂的配置为3炉2机，包括两套18MW汽轮发电机组，采用国内某汽轮机厂家3000rpm汽轮机产品，汽轮机带三级不可调抽汽，第一级为空气预热器抽汽，后两级为回热抽汽分别为除氧抽汽和低加抽汽。其中一套机组根据现场采集数据显示，主汽阀前蒸汽参数为3.85MPa，400℃，74.5t/h，背压为-90.13kPa，空预器和除氧器抽汽均由另外一台提供，本台不进行抽汽，凝结水经过低加后温度为88.7℃，机组发实测发电量为14.9MW。
现按照以上条件，并且发电机效率取98%，齿轮箱效率取98.5%，使用5500rpm的汽轮机进行设计计算，得到的平衡图如下：
计算得出机组发电量为17.0MW，较实际发电量14.9MW增加14.1%，即意味着机组整体效率提高14.1%。按照IEC标准的规定，机组若在投入运行的前10个月内做性能试验，则不需要对机组运行时间做修正。考虑到实测机组已运行超过16个月，按照IEC标准的规定，可对机组效率做不超过1.36%的修正。扣除运行时间修正百分比1.36%，5500rpm高转速机组效率高出3000rpm的机组12.7%。
从上述分析可看出，虽然高转速汽轮机组需承担额外的1.5%齿轮箱机械损失，但其机组整体效率有着明显的优势，这正是得益于高转速汽轮机较高的内效率。
3、高转速小型汽轮机组安装快捷方便：
国内50MW以下3000rpm汽轮机由于外形体积和重量较大，不具备厂内装配后整机出厂的条件，仍沿袭大机组的出厂方式：部套和零件散装出厂，在现场完成总装。而高转速小机组则不同，外形体积和重量较小，可整机出厂。高转速机组整机出厂有以下优势：
a、现场安装调试快捷，缩短了现场安装调试周期；
b、厂内总装条件更好，更能保证机组的总装质量。
4、高转速小型汽轮机组运行灵活：
由于高转速小型汽轮机组体积小，更便于金属的加热和冷却，各部件之间的传热也更快，有利于控制各部件之间的温差，暖机和冷机速度更快，不管是启停，还是运行中的升负荷或甩负荷，都能更快反应，故运行更灵活。
4、结论：
可以说，在效率，安装和运行等方面，50MW以下的小型机组使用高转速设计的优势是毋庸置疑的。在国内，目前在运营中的小型机组大部分仍配置3000rpm的汽轮机。但随着社会的发展，企业节能环保意识在不断提高，也更加注重机组运行效益，高转速机组受到越来越多的关注和重视。国内很多汽轮机厂家也纷纷开始投入研制高转速小型汽轮机，以便能在高转速小型机组的市场上分一杯羹。
参考文献：
[1]蔡颐年.蒸汽轮机
[2]中国动力工程学会. 火力发电设备技术手册 第二卷
[3]黄树红. 汽轮机原理
[4]沈英林，张瑞祥. 汽轮机运行与维护技术问答
关键词：小型汽轮机组；高转速；内效率高；安装快捷；运行灵活
1、前言：
在一般燃煤的中心发电站中，汽轮机的装机容量较大，其设计转速为3000rpm。而对于50MW以下的小型汽轮机组来说（下文简称为小型机组），则可以选择更高的转速进行设计（下文简称高转速机组）。这是因为对于小型机组来说，使用高转速设计有着天然的优势：汽轮机效率高，体积小，现场安装快，运行灵活等。
一般情况下，50MW以下的小型机组用于以下情况：
a、作为工业汽轮机驱动工业旋转机械，如糖厂中的撕解机，钢厂中的鼓风机等
b、公共事业电站，这些电站涉及供热、处理垃圾等民生和环保问题，由于主要目的不是用于供电，或受限于燃料的量和热值等因素，其装机容量一般都在50MW以下，如用于供热机组，垃圾发电站和生物质发电站等。
c、化工、造纸或钢铁等行业中在满足各种工艺用汽要求的同時，也供少量电量。
在国际上，小型机组使用高转速汽轮机已是共识，一些大型知名的汽轮机生产厂家都有其高转速汽轮机模块，而且随着装机容量越小，其设计转速越高。如捷克斯柯达的7MW以下模块，设计转速高达12000rpm。
本文将通过效率，安装和运行等方面来阐述高转速小型汽轮机组的优势。
2、高转速小型汽轮机组汽轮机内效率高：
1）蒸汽流动损失小
一般情况下，高转速汽轮机和一般机组级数相当，在进排汽参数、级数以及级的反动度Ω都一样的前提下，每级承担的理想焓降ΔH基本一样，而级理想焓降ΔH和喷嘴出口理想速度c1之间存在以下关系：
φ?（1-Ω）ΔH=1/2×c1?
其中，φ为代表流动效率的系数，其值可认为是常数。
即φ、Ω和ΔH均为，那么上述式子可表达为
1/2×c1?=const（常数）
即c1为常数。
而在多级汽轮机的设计上，理想速比（u/c1）一般在一定范围内选取，其值选取与设计转速并无必然关系，那么存在以下关系：
u/c1=const（常数）
其中u为圆周速度，在c1为常数的条件下，u为常数，可写成以下表达式：
u=πdn/60=const（常数）
其中π为圆周率，d为级的直径，n为转速。
可得出结论：d与n成反比，即从理论上讲，提高汽轮机的设计转速可按比例降低转子各级的直径。
而为了发出给定的功率，任何一级所需的通流面积不会减少，所以随着转子各级直径的减少，叶片高度必须增大，这使得：
a、在需要使用部分进汽的级中，使用高转速设计可提高部分进汽度，甚至可以采用全周进汽，减少了或可完全避免部分进汽损失。
b、在全周进汽的级中，使用高转速设计可提高叶片高度，从而降低叶栅损失
2）汽封漏汽漏汽量小
如果汽封的初压和背压不变，汽封结构（如采用曲径式汽封）相同，汽封的面积越小，汽封漏汽量越小，这是比较容易理解的。结合上面的分析可知使用高转速设计的汽轮机可降低转子直径，而且转子直径在数值上大致与转速成反比。转子直径的降低意味着可以减少汽封面积，从而减少汽封漏汽量。
现假设使用曲径式汽封，汽封的初压p0和背压pz、汽封前蒸汽比容v0，汽封齿数z和间隙δ已知并保持不变，根据曲径式汽封漏汽量计算公式：
Gδ=uδAδ[（p0?-pz?）/（zp0v0）]0.5
其中uδ为流量系数，一般情况下，在确定了汽封初压和背压及汽封结构后，可认为是常数。令系数a=uδ[（p0?-pz?）/（zp0v0）]0.5，而Aδ=πdδ，则上述式子可表达为：
Gδ=aπdδ
显然，在汽封间隙δ不变的情况下，汽封漏汽量Gδ与汽封直径d成正比。
举个例子，以6000rpm设计的汽轮机，汽封直径将以3000rpm设计的汽轮机可减低一半，汽封漏汽量理论上亦可降低一半。
汽轮机的汽封包括用于隔绝大气的前、后汽封和级间的隔板汽封，汽封漏汽量减少意味更少的蒸汽从汽封漏掉，更多的蒸汽进入汽轮机通流部分转换成机械能。
从上述的两点分析中，不管是减少部分进汽损失和叶栅损失，还是减少汽封漏汽损失，都可以得到这样的结论，使用高转速设计可提高汽轮机内效率。
3）实例分析
值得注意的是，高转速机组在大部分的情况下需配置减速箱，而减速箱有一定的机械损失。据了解，国产齿轮箱可保证效率为98.5%，即齿轮箱机械损失为1.5%。意味着，高转速汽轮机内效率虽然比较高，但需承担额外的1.5%齿轮箱机械损失。那么机组总体效率如何呢。
下面将举一实例进行分析。
某垃圾发电厂的配置为3炉2机，包括两套18MW汽轮发电机组，采用国内某汽轮机厂家3000rpm汽轮机产品，汽轮机带三级不可调抽汽，第一级为空气预热器抽汽，后两级为回热抽汽分别为除氧抽汽和低加抽汽。其中一套机组根据现场采集数据显示，主汽阀前蒸汽参数为3.85MPa，400℃，74.5t/h，背压为-90.13kPa，空预器和除氧器抽汽均由另外一台提供，本台不进行抽汽，凝结水经过低加后温度为88.7℃，机组发实测发电量为14.9MW。
现按照以上条件，并且发电机效率取98%，齿轮箱效率取98.5%，使用5500rpm的汽轮机进行设计计算，得到的平衡图如下：
计算得出机组发电量为17.0MW，较实际发电量14.9MW增加14.1%，即意味着机组整体效率提高14.1%。按照IEC标准的规定，机组若在投入运行的前10个月内做性能试验，则不需要对机组运行时间做修正。考虑到实测机组已运行超过16个月，按照IEC标准的规定，可对机组效率做不超过1.36%的修正。扣除运行时间修正百分比1.36%，5500rpm高转速机组效率高出3000rpm的机组12.7%。
从上述分析可看出，虽然高转速汽轮机组需承担额外的1.5%齿轮箱机械损失，但其机组整体效率有着明显的优势，这正是得益于高转速汽轮机较高的内效率。
3、高转速小型汽轮机组安装快捷方便：
国内50MW以下3000rpm汽轮机由于外形体积和重量较大，不具备厂内装配后整机出厂的条件，仍沿袭大机组的出厂方式：部套和零件散装出厂，在现场完成总装。而高转速小机组则不同，外形体积和重量较小，可整机出厂。高转速机组整机出厂有以下优势：
a、现场安装调试快捷，缩短了现场安装调试周期；
b、厂内总装条件更好，更能保证机组的总装质量。
4、高转速小型汽轮机组运行灵活：
由于高转速小型汽轮机组体积小，更便于金属的加热和冷却，各部件之间的传热也更快，有利于控制各部件之间的温差，暖机和冷机速度更快，不管是启停，还是运行中的升负荷或甩负荷，都能更快反应，故运行更灵活。
4、结论：
可以说，在效率，安装和运行等方面，50MW以下的小型机组使用高转速设计的优势是毋庸置疑的。在国内，目前在运营中的小型机组大部分仍配置3000rpm的汽轮机。但随着社会的发展，企业节能环保意识在不断提高，也更加注重机组运行效益，高转速机组受到越来越多的关注和重视。国内很多汽轮机厂家也纷纷开始投入研制高转速小型汽轮机，以便能在高转速小型机组的市场上分一杯羹。
参考文献：
[1]蔡颐年.蒸汽轮机
[2]中国动力工程学会. 火力发电设备技术手册 第二卷
[3]黄树红. 汽轮机原理
[4]沈英林，张瑞祥. 汽轮机运行与维护技术问答