动力机械7-动力工程中汽轮机有关知识

动力工程中汽轮机主要涉及知识总结第一节汽轮机的一般概念汽轮机又称“蒸汽透平SteamTurbine”,是一种以水蒸气作为工质的叶轮式发动机。优点：转速高、运行平稳、工作可靠、单机功率大、热经济性高，便于与发电机直接连接等。用途现代火电厂、核电厂、大型船舶等。作用将蒸汽的热能转变为机轴上的机械能。汽轮机简图凝汽式汽轮机汽轮机内的能量转换•工作蒸汽先在喷管内进行膨胀，压力降低而速度增大，形成一股高速汽流，此高速汽流喷射到动叶上，推动转子转动，因而使蒸汽的热能转变为机械能。蒸汽热能汽流的动能机轴上的机械能喷管内动叶内汽轮机的基本作功单元－“级”•能量转换的主要部件是一组喷管和一圈动叶，由它们组合而成的工作单元，称为汽轮机的一个“级”。第二节汽轮机级内的工作过程级内的汽流一、蒸汽在喷管内的能量转换•蒸汽在喷管内的流动过程，理想情况下是等熵膨胀过程，实际是不可逆的绝热膨胀过程。tthhcc102021)(211000)()(21102021tthhcc20101)(2000chhctt喷管损失：)(20001212111cchhhttn10101172.4472.44hhhhcctt二、蒸汽在动叶内的能量转换单级汽轮机速度三角形二、蒸汽在动叶内的能量转换单级汽轮机速度三角形动叶内的损失•由于摩擦等损失，动叶内的汽流速度会降低－动叶损失12ww)1(2000110)(2122132221wwwhb余速损失2220001chc动叶损失轮周功率•根据动量定理若蒸汽流量为Dkg/s，则汽流作用于动叶上的圆周力为)()coscos(2211NccDFb此圆周力在每秒钟内所作之功，称为“轮周功率”)kW(coscos100010002211ccDuuFPbb反动式汽轮机蒸汽从喷管内往外喷出时，喷管本身也会受到高速汽流所施加的反作用力的作用。如果将动叶也做成喷管形状，蒸汽加速离开动叶时，动叶也会受到一个与汽流相反方向的反作用力。按这种原理工作的汽轮机，称为“反动式汽轮机”。在反动式汽轮机中，蒸汽不仅在喷管内膨胀，而且在动叶内也继续膨胀。动叶受到汽流冲动的同时，还受到汽流反动力的作用。该级总的焓降动叶内的理想焓降反动度＝tstbhh,,反动级•反动度为0.5的级。•反动级动叶出口的蒸汽理想相对速度21,22000whwtbt200072.4421,22whwwtbt反动级的特点•在保持最高效率的前提下，反动级可以转换的蒸汽焓降约为冲动级的一半。因而，同等容量的反动式结构汽轮机总级数要比冲动式结构汽轮机的总级数大致多一倍。•反动式汽轮机的特点：–级数多、制造工艺要求高、造价高。–效率较高。第三节多级汽轮机汽轮机装置•现代汽轮机，由于采用越来越高的蒸汽初参数和很低的排汽压力，整机的理想焓降都很大，为了有效利用蒸汽的焓降，汽轮机大都采用多级形式（压力多级、速度多级）。压力多级汽轮机的应用•所谓压力多级汽轮机，就是蒸汽从很高的初压膨胀到很低的终压，是在很多个压力级内分段依次进行的，也就是把蒸汽的总焓降分配给若干个压力级来进行，每个压力级都有自己的喷嘴和动叶，整台汽轮机就像由若干台单级汽轮机串联起来一样。•这种压力多级汽轮机的各项损失都比较小，其效率一般要比速度多级汽轮机高得多；因此，现代大、中型汽轮机几乎无所例外地都采用压力多级得结构型式，其级数可根据功率需要确定，一般以10级以上者较为多见。多级汽轮机的剖面第四节汽轮机的效率和功率一、汽轮机的内部损失•汽轮机运行时，在它的每个级内，都不可避免地有各种级内的能量损失。包括–喷管损失–动叶损失–余速损失–叶轮摩擦损失–叶片鼓风损失–级内漏汽损失–湿气损失，等余速损失)/(1021322kgkJchc•中间级的余速可能被下一级加以利用。叶轮摩擦及叶片鼓风损失•叶轮两侧表面与周围的蒸汽（非工作汽流）发生摩擦，消耗一部分机械功。•没有工作汽流的叶片，对周围非工作蒸汽鼓风作用，消耗掉的部分机械能。级内漏汽损级的相对效率•通常用级的相对内效率表示蒸汽在某级内膨胀的完善程度tsissoihh,,二、汽轮机的各种效率以及功率的确定•汽轮机的相对内效率–是衡量整台汽轮机内部构造完善程度的指标。它越大，表明损失越小。–一般：78～90％tioihh汽轮机的内部功率036003600PhDhDPoitoiiiD—汽轮机的总汽耗量，kg/hP0—汽轮机的理想功率轴功率&电功率Pe—轴功率Pel—电功率iemPPeelgPP电效率•发电机所发出的电功率与汽轮机总的热耗量之比，称为汽轮发电机组的电效率elgmoitfwelelelhhDPQP)(3600360010汽轮发电机组的汽耗率•汽轮发电机组每发出1kW.h电能所消耗的蒸汽量，称为该汽轮发电机组的汽耗率elgPDdgmoitfwelelelhhDPQP)(3600360010211,3600)(3600hhhhhhdtgmoitgmoitfwg第六节汽轮机本体结构实例汽轮机结构特点•发电厂所用汽轮机一般具有高温、高压、大功率、高转速、自动化和远动化程度均较高等一系列特点，在设计、安装和运行时都有较高的要求。如–高压部分的汽缸、喷嘴、动叶和叶轮等部件必须采用高强度的铬钼钒锻钢或铬钒铸钢；–对喷嘴、动叶型线、光洁度以及动静间隙等的加工和安装的要求等十分严格；–安装时必须考虑到部件的受热膨胀；–保证水不能进入汽轮机（水珠经过喷嘴后，其速度之高犹如枪弹）；–保证转子良好的动平衡，以防动静碰摩；–轴承一般使用滑动轴承•汽轮机的标号：N300-16.2/550/550CC25-8.83/1.27/0.118第七节汽轮机的调节系统及保护装置汽轮机调节的特点•发电厂中的汽轮机主要用来带动交流发电机，交流电不能储存，因此发电厂必须根据用户的需要随时改变自己的电能生产量。•当外界负荷变化时，必须及时调节汽轮机的进汽量，使其所发出的功率与外界负荷相适应，从而维持转速不变，保证输出电能的质量（电压、频率）汽轮机调节系统的任务•调节系统任务：–保证供电的数量和质量–保证机组安全可靠地运行汽轮机的调节方法•现代汽轮机的调节，大都采用喷管调节法。这种调节方法通常是把汽轮机第一级的喷管分成四组，根据负荷的大小，由调节系统依次开闭各个调节阀。•采用这种调节法可大大减少汽轮机进汽时的节流损失。一、汽轮机的调节系统•液压调节系统•DEH调节系统（DigitalElectro－HydraulicControlSystem）调节系统：机械式→液压式→功频电液→DEH发展趋势：DEH汽轮机调节系统简介•机械液压调节系统•功频电液•DEH调节系统DEH系统：也是一种功率——频率调节系统不同的是：给定、比较、PID运算部分在数字计算机内进行模拟电调—连续控制DEH———离散控制（采样控制）各种调节系统的比较DEH具有模拟功频电调的所有优点，此外：•采用分散控制，显著提高了可靠性。•计算机应用。在：数据处理、系统监控、可靠性分析、性能诊断和运行管理等方面，可充分发挥作用。•调节品质高，静、动态特性良好。此外，系统采用积木式结构→扩展灵活→维修、测试方便冗余控制：保护措施严密（某一回路故障后亦可运行）•有利于实现机组协调控制、厂级控制以至优化控制，这是模拟电调无论如何也不能相比的二、汽轮机的保护装置•汽轮机转子上的各种部件所承受的应力均与转速密切相关，转速过高非但会使某些部件损坏，甚至还可能造成重大事故。为了防止调节系统因故障失灵，和汽轮机突然甩负荷时引起超速危险，近代汽轮机普遍设有超速保护装置。危急保安器参见火电厂生产过程CAI汽轮机的其它保护装置•汽轮机除危急保安器（超速保护）以外，还有一些其它保护装置，如：自动磁力断路装置、手动危急遮断装置等–当转子轴向位移、轴承油压和油温、凝汽器真空等超过规定值时，自动发出信号使磁力断路油门动作，切断进汽，进行强制性停机。第八节汽轮机的油系统•油系统承担两方面的任务：–为调节和保护系统提供工作用油–向汽轮机各个轴承供应大量的润滑及冷却用油•对油质要求很高，净油装置不断清除油中的杂质和水分。•净化后，油中水分小于0.05％精密滤网，可滤除粒径2mm以上的杂质•油中很小的有害颗粒亦可使轴承受到破坏，导致代价高昂的检修第九节汽轮机的主要辅助设备一、凝汽器凝汽器的作用•建立并维持高度真空，使进入汽轮机的蒸汽充分膨胀到尽可能低的背压，从而使汽轮机的理想焓降增大，提高循环效率；•将汽轮机的排汽凝结为水，以便回收工质，重新送回锅炉作为给水使用。(目前普遍使用表面式凝汽器，使凝结水在不受到污染的情况下得到回收)二、抽汽器•由于凝汽器或乏汽管等连接处的不严密，势必有空气从外界漏入。为了保持凝汽器中有较高的真空度，必须采用抽气设备将漏入的空气不断抽走。•抽汽器的常用种类–射汽抽汽器–射水抽汽器射汽抽汽器射汽抽汽器射水抽汽器•工作介质是由专用水泵供给的具有较高压力的水，结构与原理与射汽抽汽器相仿。•射水抽汽器系统的缺点是射水高压泵耗电甚多；系统占地面积较大等。三、回热加热器•回热加热器（简称：加热器）是利用从汽轮机中间级引来的、作过部分功的抽汽来加热主凝结水或给水，可减少乏汽在凝汽器中的热量损失（即冷源损失），从而提高循环热效率。•火电厂应用最广泛的是带有管板的表面式回热加热器。回热加热器种类•根据回热加热器所承受的水侧压力是给水泵出口压力，还是凝结水出口压力，把它们分成高压回热加热器和低压回热加热器两种，分别简称为“高加”和“低加”。它们的工作原理与凝汽器相同，都是一种表面式加热器，其中“高加”需用钢管制造。•一台汽轮机常常需要配备若干级回热加热器。表面式加热四、除氧器•锅炉给水中如含有氧和CO2等气体，不仅影响传热，而且还会严重腐蚀各受热面的金属壁面。因此，给水在进入锅炉省煤器之前，必须先经过除氧（实际上不仅是除氧，而是“除气”）•火电厂广泛采用加热除氧的方法，即在除氧器内将一定压力下的水加热至该压力下的饱和温度，使原来溶解于水中的各种气体全部从水中迅速逸出，并设法及时予以排除——这就是除氧器所承担的主要任务•除氧器在多级回热加热器系统中同时还起着一级加热器的作用。除氧器的构造雨淋式除氧器的缺点•水与蒸汽的接触面积太小，以致除氧效果受到限制•对负荷变动的适应性较差，当汽轮机负荷发生变动时，除氧效果难以保证。喷雾填料式除氧器•该种除氧器可以克服上述除氧器的缺点•结构–利用若干个喷嘴把进入除氧塔顶部准备除氧的水先喷成雾状，然后使之向下流动；除氧塔中部使用由不锈钢短管组成的一定厚度的填料除氧层，其作用相当于雨淋式装置中的滴水盘。–采用喷雾填料式结构，大大增加了水五、凝结水泵六、循环水泵第十节汽轮机安全运行的基本知识•汽轮机是高温、高压设备，转速又高，一旦发生重大事故，对人身及设备所造成的直接危害将十分严重。所以汽轮机的安全运行具有重大的意义。汽轮机运行人员必须严格遵守操作规程，在保证安全的情况下，努力提高机组的经济性。•从节约燃料的角度来说，汽轮机的启停应是越快越好，但从确保设备安全的观点来看，则以慢些为妥。一、启动前的准备工作•设备、系统检查•暖管•油系统循环•调节保护装置试验•盘车投入•启动辅机、凝汽器建立真空二、汽轮机的启动冲转和升速暖机•通常汽轮机冲转前需具备下列条件–蒸汽参数达到要求，过热度不小于50℃–凝汽器真空保持在60~67kPa范围内–润滑油压及轴承油流正常，油温30~45℃–汽缸上下缸温差不大于50℃–盘车正常，大轴原始晃度不大于0.02mm–热态启动部件金属温度较高，蒸汽参数、凝汽器真空要维持稍高些•中速暖机(1200rpm)和高速暖机(2500rpm)的目的是防止材料脆性破坏和避免过大的热应力三、汽轮机的带负荷运行•达到额定转速，经检查确认运转正常后，即可并网接带负荷，带负荷运行时，必须对下列各项参数进行严密的监视–新汽的压力–新汽的温度–