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[内容摘要] 通过对某工程实例中电动机驱动压缩机与蒸汽透平驱动压缩机两种方案的分析与比较以及类似工程的经验，提出了在工程设计中压缩机及泵驱动方案选择的原则。
一、简述
在许多化工装置中，都要采用泵及压缩机，且其能耗所占比例在一个化工装置中也是相当大的。一旦这些装置开车投入运行，就要求这些泵及压缩机需连续工作约一到二年。所以这些泵及压缩机的驱动器必须要求相当可靠，在保证装置运行和控制可靠的同时，还必须要求投资和能耗最低。由此可见，压缩机及泵驱动方案的选择显得尤为重要。
常见的压缩机及泵驱动器如下：
(1) 电动机驱动
(2) 蒸汽透平驱动
(3) 柴油机驱动
(4) 燃气透平驱动
压缩机及泵选择何种驱动器，要根据装置的工艺过程及装置所处的场所、地理位置及周围环境来决定。在无特殊要求时，一般柴油机及燃气透平作为驱动器较少使用，特别是天然气、分离气或石油裂解气等比较缺乏的地区，则无法使用燃气透平作驱动机。
下面以某工程压缩机驱动方案的选择为例，来说明压缩机及泵驱动器选择电动机及蒸汽透平时的方案比较与选择原则。
在某工程配套装置中，正常生产需要两台压缩机(一台空气压缩机，一台制冷压缩机），并且反应器副产一定数量的中压蒸汽。因此，压缩机的驱动方式，是采用电机驱动还是蒸汽透平驱动，这两种方案，那一种方案更节能、更经济、更合理。方案的比较与优化，显得比较重要。
蒸汽系统简介
反应器副产蒸汽参数为:压力P1=4.1MPa(G)，温度t1=343℃，蒸汽量Q1=54.29t/h。
热用户用汽参数为:压力P2=0.3MPa(G)，温度t2=144℃的饱和蒸汽量Q2=44.84t/h。
根据这样一组用汽、产汽条件，有下述两个压缩机驱动方案可供选择。现对这两种方案作一比较。
二、 压缩机驱动方案
（一） 方案一 电机驱动压缩机方案(见图一)
将副产蒸汽用于驱动背压式蒸汽透平发电，其背压排汽供给0.3MPa(G)的蒸汽热用户，发出的电并入厂内6000V电网。 而两台压缩机分别由两台防爆电机驱动，电机所需电能由厂内6000V电网提供。
1、 发电机输出电功率计算
由水蒸汽焓熵图(i-s图)查得:在 P1，t1条件下，蒸汽焓为:i1=3075kJ/kg，在P2，t2条件下，焓值为:i2=2735kJ/kg，绝热焓降至焓值为i绝=2590kJ/kg，则有效焓降为:△i=i1-i2=340kJ/kg，绝热焓降为:△i绝=i1-i绝=485kJ/kg，此时该透平内效率为：
η内＝△i／△i绝＝70％
此值对背压式小功率透平而言,为正常值．
输出的电功率为:(假定管道效率为η管为98％，蒸汽透平机械效率η机为97％，联轴器效率为η联为99％，发电机效率为η电为98％)
N=Δi´Q1´η管´η机´η联´η电/3.6=4728.8kW
2、电动机输入功率计算
由于驱动两台压缩机的透平功率N1，N2分别为 3450kW，1345kW，转速分别为7063r/min，9481r/min(转/分).为了使电机转速与压缩机转速相匹配，必须设增速器。假定电动机功率与蒸汽透平功率相同，则电动机从厂内6000V电网需要的电功率为:(假定厂内电网变送损失为η变按3％计,增速器损失η增按2％计, 电动机效率为η电动为98％)
N'=(N1+N2)/[(1-η变) ´(1-η增) ´η电动 ]=5147kW
3、 二者功率差
ΔN=N'-N=418.2kW
由此可见，方案一中发电机输出电功率不能满足电动机的输入功率。
（二） 方案二 蒸汽透平驱动压缩机方案(见图二)
将副产蒸汽用于驱动背压式蒸汽透平直接带动压缩机， 透平背压排汽供给0.3MPa(G)的蒸汽热用户。
1、 进入两台压缩机蒸汽透平的蒸汽流量计算
a、 进入空压机蒸汽透平的蒸汽流量计算
由于空气压缩机属于国内制造厂商制造，使得压缩机配套透平也属于国内制造厂商配套，按照国内透平厂商提供数据，在N1=3450kW，n=7063r/min下,且进汽参数在P1、t1，排汽参数在P2(此时绝热焓降至焓值为i绝=2590kJ/kg)时,η内=80.5%，透平进汽量按下式计算：(假定管道效率为η管为98％)
m1=N1×3.6/[(i1-i绝)×η内×η管]=32.46t/h
b、进入制冷机蒸汽透平的蒸汽流量计算
由于制冷压缩机属于国外制造厂商制造，使得压缩机配套透平也属于国外制造厂商配套，按照国外透平厂商提供数据，在N2=1345kW，n=9481r/min下， 且进汽参数在P1、t1，排汽参数在P2(此时绝热焓降至焓值为i绝=2590kJ/kg)时，η内=67%，转速对效率的修正系数为A=0.95,过热度对效率的修正系数为B=1.006,背压对效率的修正系数为C=0.985，则透平进汽量按下式计算：(假
图一 电机驱动压缩机方案
图二 蒸汽透平驱动压缩机方案
定管道效率为η管为98％)
m1=N2×3.6/[(i1-i绝)×η内×A×B×C×η管]=16.15t/h
c、两台透平总用汽量为
m=m1+m2=48.61t/h。
2、 透平用汽量与副产蒸汽的差值为
Δm=m-Q1=-5.68t/h
因此，方案二中副产蒸汽不仅满足了透平对汽量的要求，而且有节余。
三、 方案的比较与分析
（一）、能量消耗
电机驱动压缩机方案，不仅造成能量浪费，而且发电机输出电功率，不能满足电动机输入功率要求(差418.2kW).而蒸汽透平直接驱动压缩机方案，副产蒸汽不仅满足了蒸汽透平对汽量的要求，而且有节余(5.68t/h)。多余的蒸汽，若送入厂外热电厂用于发电，则能多发出的电功率按下式计算：
N1 =Δi凝´Δm´η管´η机´η联´η电/3.6=909.5kW
上式计算中，按凝汽机考虑，排汽压力按0.007MPa(A)，此时蒸汽焓值为:i4=2450kJ/kg(假定该凝汽式蒸汽透平排汽湿度按5％考虑)，则有效焓降:△i凝=i1-i4=625kJ/kg,假定管道效率为η管为98％，蒸汽透平机械效率η机为97％，联轴器效率为η联为99％，发电机效率为η电为98％)
由此可见，蒸汽透平直接驱动压缩机方案的能耗低于电机驱动压缩机方案，功率节省值为:
N省 =N1+ΔN=1327.7kW
上述节省的电功率，每小时可发1327.7kWh电，每年操作小时数按8000小时计算，可发10621600 kWh /年，每kWh电价按0.18元计，每年可节约190多万元。其经济价值比较可观。上述定量分析的结果表明，在该工程中,蒸汽透平驱动压缩机方案比电动机驱动压缩机方案节能。
（二）、 主要设备购置费及占地
由于本装置该压缩机所处场所电气防爆等级划分为dIIAT2，并且有开车外供汽源(由3.9MPa(G)的蒸汽管网供给），开车不需要设置大型防爆电机。因此蒸汽透平驱动压缩机方案比电动机驱动压缩机方案少两台大型防爆电机，少两台增速器，少一台6000kW背压透平发电机组，而多两台小功率透平。另外，蒸汽透平驱动压缩机方案比电动机驱动压缩机方案少一个发电厂房。上述定性分析的结果表明，蒸汽透平驱动压缩机方案比电动机驱动压缩机方案节省设备投资及占地面积。
（三）、蒸汽平衡结果
采用了蒸汽透平驱动压缩机方案后，副产4.1MPa(G)，343℃的蒸汽尚多余5.68t/h，经调节阀调压后，并入3.9MPa(G)的管网(3.9MPa(G)的蒸汽管网为开车蒸汽管网，由装置外供给).背压式蒸汽透平排出的0.3 MPa(G),143℃的蒸汽供热用户使用后还剩3.77t/h(m-Q3而得), 并入0.3MPa(G)的蒸汽管网，供其它工艺装置及公用工程用户使用。
通过上述计算与分析，其结果列于表1中。
方案比较表 表1
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序号 |
比较类别 |
方案一 |
方案二 |
结论 |
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1 |
能量消耗 |
不能自平衡 |
蒸汽有节余 |
方案二优 |
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2 |
主要设备费 |
较多 |
较少 |
方案二优 |
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3 |
占地 |
较大 |
较小 |
方案二优 |
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4 |
蒸汽平衡 |
向外管网供低压蒸汽 |
向外管网供中压蒸汽 |
方案二优 |
根据以上工程实例分析，可以得出，在有副产蒸汽或蒸汽汽源的时候， 蒸汽透平驱动压缩机方案不论从节能、投资、占地诸方面都比电动机驱动压缩机方案优越。因此就本工程实例而言，设计选用蒸汽透平驱动压缩机方案为最佳方案。
四、结论
根据以上工程实例及类似工程经验,在压缩机及泵的工程设计中,驱动器的选择一般按下述原则进行:
（一）、 500kW以下的驱动器, 不论是正常运行还是作备用，电动机作为驱动器应视为优选对象
通常情况下，蒸汽透平的价格同它们的功率变化关系不如电机的价格同它们的功率变化关系那样大，要选择一台功率为500kW以下的驱动器，蒸汽透平比电机所需费用要高。因此，无论是正常使用还是作为备用，电机应作为优选对象。
除非有特殊要求，比如NEMA SM23与API614规定：作为给蒸汽透平、压缩机及泵的润滑系统、密封系统及调节油系统供油的油泵应设主油泵和备用油泵，且主辅油泵应使用不同的能源做动力。除另有规定外，主油泵应由蒸汽透平驱动，而备用泵由电机驱动。
（二）、 500kW以上的驱动器, 蒸汽透平作为驱动器一般应视为备用
如果所要求的驱动器功率超过500kW，则正常情况下使用电机作为驱动器，而蒸汽透平仅作为备用。
如果该装置内为了达到蒸汽平衡，而不得不采用高中压蒸汽降压措施，则上述备用蒸汽透平作为正常运行，而电机作为备用。
（三）、1000kW以上的驱动器, 蒸汽透平作为驱动器一般应视为常用
由于凝汽式蒸汽透平及抽凝式蒸汽透平比背压式蒸汽透平在同功率的情况下，要昂贵一些，且占地或土建投资要大，配管要复杂的多。但汽耗要小的多。因此，凝汽式及抽凝式蒸汽透平的选用，一般在蒸汽平衡允许的情况下，经技术经济比较后决定。
（四）、蒸汽透平驱动比电机驱动有如下突出的优点
1、电动机启动时，瞬时电流高出额定电流5～10倍。如果电机功率相当大，则可能使电源的运行受到影响。而蒸汽透平驱动根本不存在这种情况。
2、作为用电设备的电机，易引起火花，从而发生火灾的可能性比较大。而蒸汽透平不存在这种可能性。因此，从安全性方面蒸汽透平要安全的多。
3、蒸汽透平的高转速能够适应高转速压缩机及高压泵的驱动要求。而电机则不能，必须增设增速器等设备。
（五）、相对于电机驱动而言蒸汽透平驱动的缺点是
日常维修与停车维修的工作量比电机要大，且不易检修。轴承温度、轴振动、轴位移、润滑油压油温、油箱液位等参数的运行状况须随时得到监控。系统复杂，占地面积大。
（上接第46页）
三、从汽机的发电量分析
W=α1·(hgr-h抽)+α2·(hgr-hq)
式中 α1-抽汽占总汽量的份额；
α2-供汽占总汽量的份额；
假定不考虑除氧器及低加的用汽量，则α1+α2=1
1.采用tgs=150°C,α2=1-α1
W1=(hgr-hq)-α1·(h抽-hq)
2.采用tgs=104°C,α1=0,α2=1-α1=1
W2=hgr-h抽
所以，当抽汽压力不等于供汽压力时h抽>hq，W1<W2，采用150°C给水温度，发电量减少。需设中压加热器，加热蒸汽压力为1.3MPa以上，需抽汽。而采用104°C给水，由于加热温度较低，低加及除氧器用汽均可采用背压汽加热。不影响发电量，仅供热量有所减少。
四、从热量分析
由于抽出一部份蒸汽加热给水，也就是增加了系统的自用蒸汽量。供汽量、供热量减少，对供热不利。150°C较104°C给水温度，供汽量约减少5~6%。
五、从操作、管理、经济角度分析
增加一套加热系统，管道、阀门、仪表相对增加，势必造成投资增加及操作、检修量增加。
六、结论
从上面的分析，笔者认为，在以供热为目的的热电站中，应根据全厂热负荷平衡，进行技术经济比较，优先考虑抽汽背压机组，只有在不能满足热负荷平衡时，采用部份抽凝式机组作为调节。采用抽汽背压式机组时，锅炉给水温度采用104°C在经济，技术上都是合理的。
[参考文献]
[1]《锅炉原理及计算》 清华大学热能工程系热能工程教研室编著，1985。
[2]《热能工程设计手册》 化工部热工设计技术中心站， 1998。
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