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汽轮机发展前景

发布日期:2019-07-23
汽轮机的出现推动了电力工业的发展,到20世纪初,电站汽轮机单机功率已达10兆瓦。随着电力应用的日益广泛,美国纽约等大城市的电站尖峰负荷在20年代已接近1000兆瓦,如果单机功率只有10兆瓦,则需要装机近百台,因此20年代时单机功率就已增大到60兆瓦,30年代初又出现了165兆瓦和208兆瓦的汽轮机。
此后的经济衰退和第二次世界大战期间爆发,使汽轮机单机功率的增大处于停顿状态。50年代,随着战后经济发展,电力需求突飞猛进,单机功率又开始不断增大,陆续出现了325~600兆瓦的大型汽轮机;60年代制成了1000兆瓦汽轮机;70年代,制成了1300兆瓦汽轮机。许多国家常用的单机功率为300~600兆瓦。
汽轮机在社会经济的各部门中都有广泛的应用。汽轮机种类很多,并有不同的分类方法。 汽轮机的蒸汽从进口膨胀到出口,单位质量蒸汽的容积增大几百倍,甚至上千倍,因此各级叶片高度必须逐级加长。大功率凝汽式汽轮机所需的排汽面积很大,末级叶片须做得很长。
大型汽轮机组的研制是汽轮机未来发展的一个重要方向,这其中研制更长的末级叶片,是进一步发展大型汽轮机的一个关键;研究提高热效率是汽轮机发展的另一方向,采用更高蒸汽参数和二次再热,研制调峰机组,推广供热汽轮机的应用则是这方面发展的重要趋势。
全世界利用地热的汽轮机的装机容量,1983年已有3190兆瓦,不过对熔岩等深层更高温度地热资源的利用尚待探索;利用太阳能的汽轮机电站已在建造,海洋温差发电也在研究之中。所有这些新能源方面的汽轮机尚待继续进行试验就、研究。
一座汽轮发电机总功率为1000兆瓦的电站,每年约需耗用标准煤230万吨。如果热效率绝对值能提高1%,每年可节约标准煤 6万吨。因此,汽轮机装置的热效率一直受到重视。为了提高汽轮机热效率,除了不断改进汽轮机本身的效率,包括改进各级叶片的叶型设计(以减少流动损失)和降低阀门及进排汽管损失以外,还可从热力学观点出发采取措施。
根据热力学原理,新蒸汽参数越高,热力循环的热效率也越高。早期汽轮机所用新蒸汽压力和温度都较低,热效率低于20%。随着单机功率的提高,30年代初新蒸汽压力已提高到3~4兆帕,温度为400~450℃。随着高温材料的不断改进,蒸汽温度逐步提高到535℃,压力也提高到6~12.5兆帕,个别的已达16兆帕,热效率达30%以上。50年代初,已有采用新蒸汽温度为600℃的汽轮机。以后又有新蒸汽温度为650℃的汽轮机。
现代大型汽轮机按照其输出功率的不同,采用的新蒸汽压力又可以分为各个压力等级,通常采用新蒸汽压力24.5~26兆帕,新蒸汽温度和再热温度为535~578℃的超临界参数,或新蒸汽压力为16.5兆帕、新蒸汽温度和再热温度为535℃的亚临界参数。使用这些汽轮机的热效率约为40%。
另外,汽轮机的排汽压力越低,蒸汽循环的热效率就越高。不过排汽压力主要取决凝汽器的真空度,真空度又取决于冷却水的温度和抽真空的设备(通常称为真空泵),如果采用过低的排汽压力,就需要增大冷却水流量、增大凝汽器冷却水和冷却介质的换热面、降低被使用的冷却水的温度和抽真空的设备,较长的末级叶片,但同时真空太低又会导致汽轮机汽缸(低压缸)的蒸汽流速加快,使汽轮机汽缸(低压缸)差胀加剧,危及汽轮机安全运转。凝汽式汽轮机常用的排汽压力为5~10千帕(一个标准大气压是101325帕斯卡)。船用汽轮机组为了减轻重量,减小尺寸,常用0.006~0.01兆帕的排汽压力。
此外,提高汽轮机热效率的措施还有,采用回热循环、采用再热循环、采用供热式汽轮机等。提高汽轮机的热效率,对节约能源有着重大的意义。
现代核电站汽轮机的数量正在快速增加,因此研究适用于不同反应堆型的、性能良好的汽轮机具有特别重要的意义。
另外,在汽轮机设计、制造和运行过程中,采用新的理论和技术,以改善汽轮机的性能,也是未来汽轮机研究的一个重要内容。例如:气体动力学方面的三维流动理论,湿蒸汽双相流动理论;强度方面的有限元法和断裂力学分析;振动方面的快速傅里叶转换、模态分析和激光技术;设计、制造工艺、试验测量和运行监测等方面的电子计算机技术;寿命监控方面的超声检查和耗损计算。此外,还将研制氟利昂等新工质的应用,以及新结构、新工艺和新材料等。
发展瓶颈主要在材料上,材料问题解决了,单片的功率就可以更大。MarketsandMarkets研究报告显示,2014年全球汽轮机市场规模约为148亿美元,预计到2020年将达到192.92亿美元(约合人民币1232亿元),以4.4%的年均复合增长率增长。
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