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第十章 干熄焦发电 第一节 概 述 干熄焦锅炉产生的蒸汽用来发电 实行热电联产是比较好的热能利用方式 目前全世 界大部分干熄焦装置均采用这一方式 即通过汽轮发电机将蒸汽的部分热能转化为电能 同时提供低压蒸汽供化产工序或其它用户使用 干熄焦供热的特点 由于焦炉生产是逐炉推焦 所以焦炉供热具有脉动性 但是 通 过干熄炉预存段的缓冲 振动给料器的焦炭流量调节和旋转密封阀的连续排焦 使干熄焦 供热趋于稳定 符合汽轮发电机的供热要求 由于干熄焦自动化程度比较高 装置的连锁 与保护多 有时很小的一个问题就可能导致干熄焦装置停产 因此 干熄焦蒸汽存在着不 稳定因素 为了消除这些不稳定因素 除了保障干熄焦装置建设的水平和日常维护保障水 平之外 还可以采用多套干熄焦供一套发电装置或提供外部热态备用汽源等方法 干熄焦发电的规模取决于干熄焦蒸汽生产能力 目前国内最大为武钢的140t焦 h 过 热蒸汽产量约76t h 38 2 MPa 因此干熄焦蒸汽发电通常只能选用中 小型机组 目前干熄焦热 电联产的汽轮发电机组通常采用的汽机形式有背压式 B型 CB型 抽汽 凝 式 C型 CC型 它们各自的特点是 背压式利用排汽直接向外供热 热能利用率高 结构简单 价格便宜 背压机组的运 行方式通常是按热负荷运行 即热负荷保持排汽压力不变 提供稳定的蒸汽压力保证 而 电负荷则不能保证 即发电的多少取决于热负荷的变化 背压机组的缺点是 电和热不能 独立调节 不能同时满足供热和供电的需要 另外 由于背压存在机组焓降小 因此对工 况变化的适应力相对较差 背压波动 即热负荷波动 会导致供电的大幅波动 使电网的 补偿容量大幅增加 因此使用背压机组必须确保有稳定可靠的热负荷 CB型抽汽背压式与 B型背压式相比多了一路抽汽供热 可以提供两种不同参数的热负荷 抽汽式的特点是电负荷和热负荷可以独立调节 即当热负荷为零时可按电负荷运行 也可同时保证供热供电 运行方式灵活 适应波动能力强 C型为一次调节抽汽 CC型为 两次调节抽汽 可提供两种压力的蒸汽 抽汽式的不足 设备相对复杂 费用稍高 抽汽 隔板存在节流损失 机组内效率比非抽汽式的低 发电机的适用形式 现代发电厂中的发电设备几乎都是三相同步发电机 同步电机是 一个实现电能和机械能之间相互转换的设备 当它用作电动机时 称为同步电动机 用于 恒速大容量的电力驱动 当它用作发电机时 称为同步发电机 本章将简要介绍发电机和汽轮机的基本常识和概念 以及操作 使用和维护的有关知 识 第二节 同步发电机 一 同步发电机的基本结构原理 同步发电机的基本结构由转子和定子组成 见图10 1 定子由机座 定子铁芯和三 相绕组等组成 转子部分包括转子铁芯 励磁绕组和滑环 其它还包括电刷装置 对有刷 励磁而言 端盖 轴承和风扇等 发电机的基本原理是利用电磁感应 通过外界做功 使电枢与磁极之间发生切割磁力 线的相对移动 在电枢中产生感应电动势 即形成输出电压 所谓电枢就是发电机中产生 感应电动势的部分 通常是发电机的定子 所谓磁极就是发电机中提供磁场的部分 通常 是发电机的转子 在一般情况下 定子作为电枢 转子 作为磁极 不仅绝缘可靠 而且电力输出无需通过滑环 与外界联接 结构简单 故障率低 但由于结构和用途 的需要 在小功率同步发电机中也有将定子作为磁极 转子作为电枢的情况 例如无刷式同步发电机的励磁机 实际上就是一台小同步发电机 它与发电机同轴安装 定子作为磁极 转子产生感应电动势 直接通过同轴转 子的轴提供给发电机的定子励磁线圈 形成发电的励磁 电流 这样就可以省去结构复杂 磨损快和易出故障的 碳刷 同步发电机的工作原理是通过在转子励磁绕组上通入励磁电流 转子被原动机驱动旋 转 形成旋转磁场 定子绕组切割磁力线形成感应电动势输出 即实现了输入机械能到输 出电能的转换 通过改变同步发电机转子的励磁电流 可以控制同步发电机的输出电压 设同步电机电枢的每相匝数为N 最大磁通为 m wb 电流频率为f Hz 则每相感 应电动势的有效值为E 4 44fN m 发电机气隙中的旋转磁场在空载和带载运行时 是不一样的 这是因为带载时 电枢 中的交流电流会使电枢在电机中形成旋转磁场 相当于电动机的作用 其转速与磁极的 旋转磁场相等 即两磁场处于相对静止状态 因此在带载时 电机中的磁场分布相当于是 电枢磁场和磁极磁场的合成 而空载时 电枢电流为零 发电机中的磁场为纯粹的磁极磁 场 这种电枢对电机中磁场分布的影响称为电枢反应 电枢反应与发电机所接负载的性质有关 亦即与发电机的功率因数有关 可分为三种 极限情况 下面以一相为例来说明 见图10 2 电枢反应示意图 转子均为逆时针旋转 纯电阻性负载 即电流与电压同相 功率因数为 cos 1 转子转到图 10 2 中 a 位置时 电枢中该相感应电动势和电流同时达最大值 由电机的原理可知 三相绕组产生的旋转磁 场的轴线与电流达最大的绕组轴线重合 即应为图 10 2 中 a 所示 实箭头和虚箭头分别 表示磁极和电枢的磁场轴线方向 显然磁极磁场和电枢磁场是正交的 其合成磁场比磁极 磁场落后 角 称为横轴电枢反应 由于铁芯磁饱和的缘故 横轴电枢反应稍有去磁作用 合成磁场略小于磁极磁场 0 纯感性负载 电流滞后电压 90 磁极转到图 10 2 中 b 所示位置时 该相电流达最 大值 而此时感应电动势已过最大值到零 磁极磁场与电枢磁场方向相反 合成磁场 被 大大削弱 这种情况称为纵轴去磁电枢反应 纯容性负载 电流超前电压 90 磁极转到图 10 2 中 c 所示位置时 该相电流达最大 值 而此时感应电动势为零 磁极再转 90 时电压才达最大值 此时磁极磁场与电枢磁场 方向相同 合成磁场 被大大加强 这种情况称为纵轴增磁电枢反应 a 横轴电枢反应b 纵轴去磁电枢反应c 纵轴增磁电枢反应d 一般情况 感性负载 图 10 2 电枢反应示意图 转子为逆时针旋转 0 a 0 a 0 0 a a 励磁电流 转子 定子 电能输出 图 10 1 发电机结构示意图 在一般情况下 由于功率因数的原因 电流和电压通常相差一个相位角 再分析时通 常可以把电流分解为两个相量 一个与电压同相发生横轴电枢反应 一个与电压相量垂直 发生纵轴电枢反应 最终的合成磁场如图 10 2 中 d 所示 二 同步发电机的特性 一 空载特性和短路特性 1 空载特性 发电机空载运行时 电枢中只有感应电动势 E0 曲线 E0 f If 表示电枢空载感应电动势E0与励磁电流If之间 的关系 称为空载特性曲线 如图10 3 由于E0与 0成正比 而磁极铁芯具有饱和特性 故端电压也会饱和 因此曲线 E0 f If 反映了同步发电机工作时的磁路饱和状况 因此也叫 空载饱和曲线 通常由试验得出 由于磁滞现象 上升和下降的 曲线不会重合 通常约定采用从1 3倍的额定电压开始到If 0时的下降曲线 如图10 3中上 面一条曲线 在If 0时有剩磁电动势 将实测曲线用图中 i校正 相当于整体右移得到工程中的使用曲线 如图10 3中过原点的 曲线 2 短路特性 在同步发电机电枢的输出端三相短路时 通 过实验法可以测得电枢短路电流Is与励磁电流If之间的关系曲线 由于是短路 而电枢绕组的电阻相对于其同步电抗而言可以忽略 不计 可视短路负载为纯感性的 则电枢反应符合图10 2中b 的 情况 显然 由于是纵轴去磁电枢反应 磁通不会发生饱和 故电枢短路电流Is与励磁电 流If之间的关系为线性关系 如图10 4 短路特性曲线 短路比S IS IN是发电机的重要特性 它是空载额定电压时对应的励磁电流下 三相稳 态短路时的短路电流IS与额定电流IN之比 或表述为产生空载额定电压时的励磁电流与产生 短路额定电流时的励磁电流之比 短路比反映的是机组的稳定性和适应能力 短路比小 负载变化时电压变化较大 稳定性较差 但增大短路比需要一定的成本 因此对于汽轮发 电机而言 S 0 4 1 0 二 外特性与调节特性 1 外特性 曲线V f I 表示当转速为额定值 励 磁电流和负载功率因数为常数时 发电机的端电压与 负载电流的关系 称为外特性曲线 如图10 5 角标 N为额定工况 从图上可以看出 发电机接不同性质的 负载 其外特性曲线是不一样的 我们可以通过电枢 反应来理解和分析这一现象 对发电机组而言通常希 望在负载发生变化时 端电压变化越小越好 我们用 电压变化率 来表示从空载 角标为0 到额定负载电压的变化程度 V0 VN VN 100 式中VN是额定电压 V0是空载电压 通常 约为 20 40 这显然不能完全满足负载的要求 故要对历 次电流进行适当调节以适应负载变化 现代发电设备均 配有自动调压装置 故对 要求放得比较宽 不过出于 对故障状态的切除时的安全考虑 仍要求控制在50 以内 图 10 5 外特性曲 线 V I V f I VN IN cos 1 容性 cos 1 阻性 cos 1 感性 0 If I 图 10 6 调节特性曲线 V f I If0 IN cos 1 容性 cos 1 阻性 cos 1 感性 0 图 10 3 空载特性曲线 E0 If E0 f If 0 i Is If 图 10 4 短路特性曲线 Is f If 0 2 调节特性 曲线 If f I 表示当转速和发电机端电压为额定值 负载功率因数不 变时励磁电流 If与负载电流 I 之间的关系 称为调节特性曲线 如图 10 6 所示 通过电 枢反应的分析不难理解发电机对感性 容性和阻性负载时调节特性的区别 三 发电机的励磁 一 直流励磁和交流励磁 按励磁电流的性质可分为交流励磁和直流励磁 1 直流励磁 传统同步发电机均为直流励磁 即在磁极中通入直流电 通过调节直流 电的电压改变磁极线圈中励磁电流的大小 来控制发电机输出电压的大小 发电机的转速 始终等于同步转速 2 交流励磁 近年来新发展起来的交流励磁发电机 在磁极中通入某一频率 f1 的 交流电 形成一个相对转子的旋转磁场 相对转速n 60f1 p p为级对数 转子的转速 与旋转磁场的相对转速之和等于同步转速 即在气隙中形成同步磁场 发出同步频率的交 流电 显然 当励磁交流电的频率f1为可调时 发电机的转速可以在大范围内变化 当交 流励磁相对转子的旋转磁场与转子方向相反时 甚至超过同步转速 如果以转子转速与电枢旋转磁场转速相等作为判定同步电机的标准 则交流励磁发电 机并非同步电机 目前有文献称之为交流励磁变速恒频发电机 把它归为异步电机 交流 励磁发电机与直流励磁发电机的区别在于 交流励磁发电机可以实现机 电之间的完全解 偶 具有更大的稳定性和电网调节能力 而直流励磁同步发电机技术成熟 价格低 在中 小机组和主力发电机组中广泛采用 二 自励和他励 同步发电机按励磁的方式可分为他励式和自励式 1 他励式 指发电机的励磁绕组由外部电源供电 其励磁电流不受电枢端电压或电枢 电流的影响 通常在发电机上同轴安装一台励磁机 实际上励磁机也是一台发电机 通过 励磁机发电为发电机提供励磁电流 他励式无刷励磁发电机的励磁机 由一台主励磁机和一台副励磁机组成 其主励磁机 采用一台三相交流无刷励磁机 副励磁机采用一台单相永磁发电机 如图10 7所示 双点 划图10 7 他励式无刷励磁发电机 线框内部分为转子部件 虚线框内部分为定子和地面控制部件 从图中可以看出 转子与 定子之间没有连线 副励磁机发电为主励磁机的定子提供励磁电流 主励磁机的转子产生 感应电动势 经同轴安装的硅整流装置变为直流电为同步发电机转子的励磁线圈供电 通 过来自发电机输出端的电压反馈信号来调节副励磁机的输出电流 从而改变主励磁机的输 出电压 实现同步发电机输出电压的自动调节 2 自励式 指利用同步电机自身发出的电能为励磁绕组提供励磁能量的方式 其励磁 电流就是电枢电流或为电枢电流的一部分 自励系统具有反应速度快 强励倍数高和机组 甩负荷时过电压较低等特点 同步发电 机电枢 N S 主励磁 机电枢 主励磁机定子 绕组 磁极 副励磁机永磁 转子 磁极 同步发电机转子励磁绕组 磁极 三相硅整流装置 副励磁机定子 绕组 电枢 自动电压 调节器 负载 四 并网 发电机并网就是将发电机的输出端接入供电网络 发电机组发出的电能并不是随意可 以并网的 必须具备一定的条件 否则就可能出大的事故 发电机在合闸并网前必须确保 电压 频率 相位与电网一致 用于确 保上述条件达到要求的装置称为同期装 置 同期装置按照实现同期的方法可以 分为三种 一 准同期法 通过调整 使待并网发电机的电压 与电网电压相等 其频率与电网频率相 等 其相位与电网相位一致 当上述三 个条件同时满足时 手动或自动将待并机 组并网 其特点是冲击电流 冲击转矩 和母线电压降很小 但手动并机操作难 度大 准同期法有同步表法和灯光指示 法等 准同期法在小型机组上应用较广 图10 8为灯光熄灭法准同期装置示意图 假定机组G1在运行 QS1 QF1已合闸 G1 的电压已送至母线 此时 并上G2的程 序是 合上隔离开关QS2 合上转换开关 Q2 此时三只指示灯接在母线与发电机 G2之间 灯上的电压为 u 从图10 9相 量图 a 可知 如果仅相电压或相位不一致 则三只灯会出现恒定的亮光 如果频率不一致 1 2 则三只指示灯会同时亮灭交替变化 其变化频率等于 1 2 2 在灯光 熄灭的一瞬间迅速合上断路器QF2 即可实现并网 如果将图10 8中H2 H3换相 则指示灯电压的新相量图10 9中的 b 与灯光熄灭法 相比就不同了 通过图10 8可以看出 三个指示灯的亮度会依次变化 如同旋转一样 其 旋转频率等于 1 2 2 故这种同期检测称为灯光旋转法 显然 当H1熄灭而H2 H3亮 度相等时是合闸并网的最好时机 自整步 通过上述可以看出 发电机并网时其频率与电网频率不可能完全相等 合闸 后 u依然存在 发电机是通过自整步作用实现与电网完全同步的 即 由于 u的存在 在 发电机和电网之间形成环流 如果发电机同步转速大于电网频率 则相当于发电机输出环 流电功率 即发电机要受到制动性质的电磁转矩而减速 直至完全同步 反之 如果发电 机同步转速小于电网频率 则相当于发电机吸收来自电网环流的正功 即相当于电动机作 用 使发电机加速至与电网频率同步 二 自同期法 将待并网机组调节至同步转速后 在未加励磁的情况下将其并入系统 然后逐步加入 励磁 使机组被拉入同步 该方法要求并网前机组频率与电网频率相近 且无输出电压 待并机组的励磁绕组须经灭磁电阻等构成闭合回路 该方法冲击转矩 冲击电流 母线压 降大 但结构简单 操作容易 一般用于大中型机组 三 粗同期法 G1G2 QS1 H1H2H3 QF1 L1 L2 L3 QS2 QF2 Q1Q2 图 10 8 灯光熄灭法同期装置示意图 U2 U1 U3 U2 1 2 U1 U3 1 2 a 灯光熄灭法 b 灯光旋转法 图 10 9 灯光指示法同期装置相量图 本站发电机 大网 将待并机组的电压 频率调至与电网接近时 在任意时刻将机组通过并机电抗器投入 系统 拉入同步后 再切除电抗器 该方法对电压和频率只要求与电网接近 冲击转矩 冲击电流 母线压降较大 但操作简单 并网速度快 应用广泛 五 功率调节 一 无功功率调节 电网的主要负载是感性的 如电机等 它需要发电机提供有功和无功功率 有功和无 功的分配取决于cos sin 我们通过改变励磁电流的大小来调节无功功率 当励磁电流 增大 即 过励 时 发电机端电压高于电网电压 电枢电流比发电机电压滞后90 此时 发电机发出感性无功功率 反之当减少励磁电流 即欠励时 则出现输出容性无功的情况 即 在保持有功功率不变时 通过改变发电机励磁电流可以调节发电机输出的无功功率 二 有功功率调节 有功功率调节通常是通过调节原动机的功率来实现的 当原动机转矩增大时 发电机 转子将有一个暂时的加速过程 于是电枢电动势将比端电压越前一个 角 在两电动势之差 矢量 的作用下 将使电枢电流上升 亦即有了有功功率输出 同时 新增电枢电流形 成的阻力转矩使发电机组拉入同步运行 可见改变原动机的转矩 如调节汽轮机的进汽量 可以调节发电机组的有功功率 六 发电机的继电保护 发电机是电网的电力源 它的稳定运行对电网的供电质量及安全至关重要 因此需要 有可靠的保护装置 电力系统中的电力元件发生故障或危及安全运行的事件 如接地 短路 过流 过负 荷和失步等 出现时 通过自动化保护装置 向运行值班人员发出报警 或直接向所控制 的断路器发出跳闸指令 以防止出现大的故障或事故或把事故故障的不利影响降至最低 这种保护方式称为继电保护 继电保护装置是保证电力元件安全运行的基本设备 它的基 本功能就是报警和保护动作联锁 中小型发电机常用的继电保护有七种 分述如下 一 相间短路保护 发电机相间短路的主保护一般采用纵差动保护 利用相间短路时发电机每相进出口端 电流发生变化来判断相间短路 将安装于定子相绕组两端的电流互感器按差接法接线 在 正常和外部故障时 流入继电器的电流为两端电流之差 其值接近于零 而出现相间短路 时 相当于短路点两侧并联 其值为两端电流之和 继电器发生动作 二 匝间短路保护 匝间短路保护有横差动电流保护 负序功率闭锁转子二次谐波电流匝间短路保护 负 序功率闭锁定子零序电压匝间短路保护等几种形式 横差动电流保护是对于每相定子绕组 有并联分支的情况下采取的一种结构简单的保护方式 基本原理是通过比较并联分支上的 电流差异来识别匝间短路 通常量取分支绕组中性点连线上的电流 负序功率闭锁转子二 次谐波电流匝间短路保护利用了定子绕组中匝间短路时 短路电流中出现的负序分量产生 的反向旋转磁场在转子回路中感应的二次谐波电流 将其作为判定依据 同时加上了负序 功率闭锁以避免相间短路或外部负载不对称时出现误动作 而零序电压保护是利用匝间短 路时三相对称条件被破坏而出现的零序电压作为判定依据 通常也带负功率锁闭 三种匝 间保护方式相比二次谐波电流保护的灵敏度最高 横差动保护的灵敏度最低 但结构最简 单 三 定子接地保护 定子接地时将产生零序电压和零序电流 因此通常有基波零序电流保护和基波零序电 压保护 这两种保护 在对距中性点很近的线圈部位上存在死区 因此大型机组为了更安 全可靠 常采用附加直流电压或低频电源等无死区的接地保护装置 四 定子绕组过电流保护 当发电机纵差保护范围以外发生短路 而短路元件自身的保护或断路器没有动作时 为消除故障 应设置反应外部短路的定子绕组过电流保护 这种保护兼作纵差保护的后备 保护 五 失磁保护 发电机失磁指励磁绕组突然失去励磁电流 或励磁电流下降超过了静稳定极限的现象 属于较常见的故障形式 造成的原因有励磁回路开路 励磁绕组短路和运行人员误调整等 发电机失磁 机组就有失步的危险 失步对汽轮发电机组的危害很大 失磁失步后发电机 发出的无功功率由正变负 发电机从电网系统吸收无功功率 如果系统无功不足则机端电 压必然下降 且因吸收无功而导致的定子绕组过电流和转子发热会比较严重 由于失步后 转子超同步转速运行 转子将会产生超频电流 导致附加温升危害转子安全 同时超速异 步运行对定子 转子和机座均会造成冲击 对大型机组而言失磁发生失步的危险性更大 失磁保护有 由安装在定子部分的无功方向元件和低电压元件组合构成的失磁保护 通过无功的方向来判断是否失磁 用定子欠压的产生来判断失磁失步的严重程度 阻抗继电器构成的失磁保护 是利用发电机机端阻抗在失磁后由正常时的第一象限逐 渐移动到第四象限的特性 用阻抗元件和转子电压闭锁元件组成 阻抗元件用来感知机端 阻抗的变化 转子电压闭锁元件用于防止非失磁故障而引起的保护误动作 六 负序电流保护 当电力系统发生三相负载不对称或出现不对称短路时 发电机的定子绕组中就会有负 序电流 负序电流产生同步转速的反向旋转磁场 相对于正向旋转的转子而言 则有两倍 的同步转速 在转子中会形成倍频感应电流 这可能对转子端部等电流密度很大的部位造 成过热损伤 因此需要装设负序电流保护 中小型发电机组通常装设负序定时限电流保护 七 过负荷保护 是对发电机长时间超过额定负荷运行的保护 通常发出信号 中 小型发电机只装设 定子过负荷保护 第三节 汽轮机 汽轮机是现代热电厂中应用最广泛的原动机 它以蒸汽为工质 将蒸汽的热能转化为 旋转机械能 驱动发电机发电 除用作发电外 汽轮机还可以作为机械动力直接驱动各种 压缩机 风机和泵 此外 汽轮机的排气和中间抽汽可用于生产和生活供热 汽轮机具有 功率大 转速高 运转平稳 使用寿命长和可变速运行等优点 在现代工业中应用十分广 泛 图 10 10 汽轮机的结构图 一 汽轮机的种类和基本结构 一 汽轮机的分类 汽轮机在各行各业应用广泛 由于用户的要求各不相同 汽轮机的类别和形式很多 通常按工作原理 热力特性 蒸汽初压 结构形式 气流方向和用途等进行分类 如表 10 1 表 10 1 汽轮机的分类 分类 原则 类 型说 明 冲 动 式由冲动级组成 蒸汽主要在喷嘴叶栅内膨胀 反 动 式 由反动级组成 蒸汽在喷嘴叶栅和动叶栅中膨胀 故调节级采 用单列冲动级或复速级 按工 作 原理 冲动和反动组合式由两种级组合而成 凝汽式 排汽在真空状态下进入凝汽器凝结成水 有些小汽轮机没有回 热系统称为纯凝汽式汽轮机 背压式 排汽 背压汽 压力高于大气压力 供给其它用汽设备 如果 背压汽用于其它汽轮机 则为前置式汽轮机 抽汽凝汽式 从汽轮机某级后抽出部分蒸汽供给其他用汽设备 用户 的凝 汽式汽轮机 由于用户对蒸汽压力有一定要求 需要对抽汽压 力进行调节 故抽汽凝汽式汽轮机又称为调节抽汽式汽轮机 抽汽背压式 从汽轮机某级后抽出部分蒸汽供给其他用汽设备 调节抽汽 的背压式汽轮机 中间再热式 进入汽轮机的蒸汽膨胀到某一压力后 全部被抽出送往锅炉再 热器进行再热 然后返回汽轮机继续膨胀做功 按 热 力 特 性 乏汽式 利用其它蒸汽设备的低压排汽或工艺流程中的副产蒸汽工作 进汽压力通常较低 调节装置 调节汽阀 叶轮 气缸主轴 分类 原则 类 型说 明 混压式 多压式 利用其他来源的蒸汽引入汽轮机相应的中间级 与汽轮机原有 的工作蒸汽一起做功 能充分利用工业生产工艺流程的副产蒸 汽 提高热能综合利用率 低压汽轮机蒸汽初压小于 1 5MPa 中压汽轮机蒸汽初压为 2 4 MPa 高压汽轮机蒸汽初压为 6 10MPa 超高压汽轮机蒸汽初压为 12 14 MPa 亚临界汽轮机蒸汽初压为 16 18 MPa 按 蒸 汽 初 压 超临界汽轮机蒸汽初压大于 22 2 MPa 单级汽轮机 通流部分只有一个极 单列 双列或三列 一般为背压式 可带动小型发电机 多用于工业驱动 按结 构 形式多级汽轮机通流部分有两个及以上的级 轴流式 汽轮机的各级叶栅沿轴向依次排列 蒸汽在汽轮机内基本上沿 轴向流动 绝大多数汽轮机为轴流式 幅流式 汽轮机的各级叶栅沿径向依次排列 蒸汽在汽轮机内总体趋势 沿径向流动 按 汽 流 方 向周流 回流 式蒸汽在汽轮机内总体趋势沿轮周方向流动 功率较小 中心电站用汽轮机 用于驱动发电机 通常按供电频率定转速运行 绝大部分采用 抽汽凝汽式和抽汽背压式汽轮机 船用汽轮机 用于船舶的推进动力装置 推动螺旋桨 为适应倒车需要 通 常转动方向是可变的 单纯驱动 凝汽式 仅驱动各种工业机械 如泵 风机和压缩机等 可以 变转速运行 驱动并供热 抽汽凝汽式 抽汽背压式或背压式 用于驱动各种工业机械并 向外供热 单纯发电凝汽式 工厂自备电站中用于驱动发电机的汽轮机 按 用 途 工 业 汽 轮 机 发电并供热 抽汽凝汽式 抽汽背压式或背压式 用于工厂自备动力站中驱 动发电机并向外供热 二 汽轮机的型号 国产汽轮机的型号表示方法如图 10 11 所示 国产汽轮机旧型号表示方法如图 10 12 所示 设计变型序号 蒸汽参数 额定功率 MW 汽轮机类型代号 第一段 第二段第三段 图 10 11 国产汽轮机型号表示法 目前国产汽轮机的型号及参数表示方法见表 10 2 表 10 3 表 10 2 蒸汽型号中参数的表示方法 汽轮机类型蒸汽参数表示方法示例 凝汽式 中间再热式 一次调节抽汽式 两次调节抽汽式 背压式 抽汽背压式 主蒸汽压力 主蒸汽温度 主蒸汽压力 主蒸汽温度 中间再热温度 主蒸汽压力 调节抽汽压力 主蒸汽压力 高压抽汽压力 低压抽汽压力 主蒸汽压力 背压 主蒸汽压力 抽汽压力 背压 N50 8 82 535 N300 16 7 537 537 C50 8 82 0 118 CC25 8 82 0 98 0 118 B6 3 43 1 3 CB25 8 82 0 98 0 118 表 10 3 国产汽轮机类型代号用汉语拼音字母 代号类 型代号类 型 N B C CC 凝汽式 背压式 一次调节抽汽式 两次调节抽汽式 CB H Y 抽汽背压式 船用 移动式 目前 我国电站汽轮机产品已实现了系列化和标准化 对电站汽轮机已采用了按功 率划分蒸汽参数等级的产品系列 见表 10 4 表 10 4 按功率划分蒸汽参数等级 进汽参数 额定功率 MW 初压 Mpa 初温 0 75 1 5 3 6 12 25 50 100 125 200 300 600 2 4 3 5 9 12 13 5 16 5 390 435 535 535 535 538 538 三 汽轮机的结构 汽轮机的结构如图 10 10 所示 1 汽轮机本体主要有以下几个部分组成 1 转动部分 由主轴 叶轮 轴封和安装在 叶轮上的动叶片及联轴器等组成 2 固定部分 由喷嘴室 气缸 隔板 静叶片和汽封等组成 3 控制部分 由调节系统 保护装置和油系统等组成 二 汽轮机工作原理 设计序号 额定功率 MW 蒸汽参数 汽轮机形式 第一段 第二段第三段 图 10 12 国产汽轮机旧型号表示法 AA A A沿圆周展开 0 0 1 1 2 2 1 2 2 1 3 4 5 1 静叶片 2 动叶片 3 隔板 4 轮盘 5 轴 图 10 13 轴流级简图 蒸汽蒸汽 一 汽轮机的级 级通常由一列喷嘴和一列动叶栅组成 是汽轮机实现能量转换的基本工作单元 汽轮 机由一个或多个级组成 通常意义上讲 我们提到汽轮机的级 一般指轴流级 因为绝大 部分汽轮机为轴流式 下面将以轴流级为对象 来讨论汽轮机的基本工作原理 1 级的工作原理 如图 10 13 轴流级是由一列喷嘴 静叶栅 和叶轮 动叶栅 构成 汽流先经截面 级的入口 0 0 进入 静叶栅 在静叶栅中将部 分热能转换为蒸汽的动能 在静叶栅出口 1 1 即 动叶栅入口 汽流的速 度和方向要满足动叶栅入 口条件 汽流在动叶栅中 将动能和热能转化为机械 功 使叶轮旋转 汽流做 功后经截面 2 2 级的 出口 进入下一级或从 汽轮机的出口排出 2 轴流级的分类 通常按蒸汽在动 静叶栅中能量转换的性质和程度对轴流级进行分类 分为冲动级 反动级 带反作用度的冲动级和复速级分述如下 1 冲动级 蒸汽在通过冲动级的静叶栅时 降压膨胀 其热能充分转化为动能 但 在通过动叶栅时不进行热能 动能的转化 而是完全利用汽流的动能 冲击动叶片做功 因此 冲动级又称为冲击式级 显然冲动级的反作用度 0 即蒸汽在动叶栅中的等熵焓 降为零 采用喷嘴调节的汽轮机 出于安全和经济的考虑 通常采用蒸汽室 调节汽门与 汽轮机转子缸体分隔 形成相对独立的进汽阀体 通过增大调节汽门焓降 使蒸汽膨胀降 压 获得较大的动能后进入转子缸体去推动第一级 也称为调节级或调速级 通过改变调 节汽门的通流面积来调节汽轮机的转速及功率 因此单级或多级汽轮机中的调节级 常采 用冲动级 这样 可以使高参数的新蒸汽只作用于尺寸相对较小的调节汽阀阀体 而进入 转子汽缸的则是参数较低的蒸汽 2 反动级 蒸汽在通过动 静叶栅时 均进行热能 动能的转化 它在动 静叶栅 中的等熵焓降大体相等 显然反动级的反作用度 0 5 略小于 0 5 由于蒸汽在静叶栅 中是不充分膨胀 故在动叶栅中 汽流除了冲击叶片做功外 还进一步膨胀降压 进行热 能 动能的转化 汽流因膨胀而在动叶上产生反作用力 推动叶片做功 反动级也称为反 击式级 3 带反作用度的冲动级 实际中采用的冲动级 往往并不是纯冲动级 通常有 0 02 0 15 的反作用度 4 双列复速级 如图 10 14 一级叶轮轮盘上安装有两列动叶 两列动叶之间有 静子导向叶片 一般用于调节级 由于汽轮机用户通常希望调节级的焓降尽可能大些 使 后面的压力级的蒸汽初始参数低一些 这样可以减少压力级级数 节省耐高温的材料 因 而采用 动叶栅 导向叶 片 轮盘 喷嘴 隔板 第一列动叶 栅 导向叶 片 第二列动叶栅 图 10 14 双列动叶示意图 注 汽轮机中反作用度的概念定义为 蒸汽在动叶栅中的等熵焓降与级的等熵焓降之比 双列动叶的形式 其过程可参见图 10 14 新蒸汽经过大焓降的调节喷嘴 获得了极高的 动能 利用两列动叶将汽流的动能尽可能多地转化为机械能 以减少调节级出口的余速 降低余速损失 复速级也带有少量反作用度 二 汽轮机的密封 1 汽轮机密封的类型 为了减少汽轮机内部及向外的漏汽损失 以提高机组效率和安全可靠性 汽轮机的不 同部位都装有汽封装置 通常称为轴端汽封 级间 隔板 汽封和叶顶汽封 汽轮机转速 温度通常很高 故密封一般采用非接触的迷宫密封形式 由于绝大多数迷宫密封的断面结 构类似于梳齿 故也称其为梳齿密封 为减少转轴发生摩擦可能带来的危害 迷宫密封的 梳齿通常采用铜 铝等软金属 迷宫密封的结构多样 按齿的排列结构可分为高低齿型 平齿型和阶梯型 按齿的结构形式可分为迷宫片式 迷宫环式和蜂窝式等 按齿的断面形 状可分为斜齿及直齿 按布置方向可分为轴向和径向 如图 10 15 图 10 15 汽轮机的密封类型 2 迷宫密封的基本原理 梳齿与轴之间构成了一个一个环形的腔室和环形的缝隙 当气流通过缝隙时 气流近 似于理想的节流过程 形成一个压力降 同时温度降低 速度增加 在进入腔室后 由于 流通面积的突然加大 气流形成很强的涡流 相当于一个等焓过程 气体的动能通过涡流 所产生的分子摩擦 绝大部分转变为热能 使气流的温度回升而压力不变 气流每经过一 个缝隙和一个腔室 就重复一次上述过程 到最后一级梳齿的出口时 气流在温度几乎保 持不变的情况下 经过多次降压 达到接近背压的水平 对轴端汽封而言 则是环境压力 事实上蒸汽在轴端汽封内除了轴向流动外 还存在圆周方向的环流 环向流动减弱了 涡流降速的效果 从而影响了梳齿的密封性能 目前流行的蜂窝式迷宫密封 则克服了这 种缺点 效果比较理想 A 向 A 向 平齿型 阶梯型 高低齿型 径向型 蜂窝型 斜齿型 亚临界流动时平齿型迷宫密封的理想泄漏量计算 在梳齿密封片数很多时 可根据流 体伯努利方程 就一个梳齿单元而言 由于压力降 p 很小 相对气流动能变化 流体压缩性的影响 可以忽略 首先考虑不计节流损失的情况 设 在密封环缝处 漏气量为 G 间隙环缝面积为 f 流速为 c 角标 1 2 分别代表 轴封前 高压侧 和轴封后 低压侧 设 蒸汽压力为 p 密度为 比容为 v 轴封齿数为 z 齿距为 x 轴封长 X z x 若梳齿数量足够多 则 p x dp dx 代入上式并积分 假定气体在梳齿间隙中的动能到空腔后全部转化为热能 则梳齿前后空腔中气流的温 度基本保持不变 即 p v const 由上式可得理想状态下梳齿密封的泄漏量公式 由于梳齿密封中蒸汽存在流动损失 因此实际 的梳齿密封泄漏量 G 的计算要乘以修正系数 亚临界流动时高低齿汽封的实际泄漏量计算 公式 G0 f G 式中 G0 高低齿汽封实际漏汽量 kg s 流量系数 1 2 dp p c2 2 HdH c2 2 动能变化 c 为流速 1 2 dp p 静压能变化 Hd 流动损失 H 欧拉能量头 式中 2 p 因为 c 2 pG cf f v G2 2 f 2 所以 p p v G2 2 f 2 x p p x v 1 1 2 dxpdp p v G2 2 f 2 x 1 2 p v G2 2 f 2 x 1 2 X p12 p22 p v G2 2 f 2 z G f p12 p22 z p1 v1 f p12 p22 z p1 1 图 10 16 泄漏量修正系数 图表 0 020 040 060 08 2 6 2 4 2 2 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 00 1 c x 1 20 12 4 3 2 泄漏系数 f 迷宫环缝面积 m2 G 单位环缝面积单位时间的漏汽量 kg m2 s 式中 gc 换算因子 gc kg m N s2 p1 汽封高压端压力 v1 汽封高压端比容 m3 kg 亚临界流动时平齿汽封的实际泄漏量计算 公式 G G 式中 G0 平齿汽封实际漏汽量 kg s 泄漏量修正系数 与齿数 1 齿距 x 迷宫环缝的半径 间隙 c 有关 如图 10 16 所示 也可以将平齿齿数 1按下式折算成高低齿 数 z 利用高低齿汽封的实际泄漏量计算公式 进行近似计算 z 1 1 2 流量系数 和泄漏系数 的选取 与迷宫的结构形式和尺寸有关 由试 验得出在常用的齿顶间隙 h 和齿间距 x 范围 内 近似与 h 成正比 与 x 成反比 取值约在 1 0 1 2 左右 可依据图 10 17 近似 选取 水蒸汽泄漏系数 可由下式确定 K 为气体绝热膨胀指数 饱和蒸汽取 1 135 过热蒸汽取 1 3 对于蒸汽的计算 可通 过表 10 5 来查出 值 gc p1 v1 G 1 p1 p2 2 z 2 K ln p1 p2 图 10 17 泄漏量系数 1 6 1 4 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 20 40 60 8 0 1 0 齿顶半径间隙 h 1 8 x 2 7 6 3 5 4 7 8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 91 0 20 53700 53700 53700 53670 52770 50490 46520 40240 30040 30 46570 46570 46570 46310 45060 42700 38980 33420 24740 40 41820 41820 41820 41340 39980 37670 34210 29200 21510 50 38330 38330 38300 37880 36300 34080 30860 26250 19290 60 35630 35630 35540 34850 33470 31350 28330 24050 17640 80 31630 31630 31440 30690 21370 27420 24700 20920 15310 100 28760 28760 28500 27740 26480 24680 22190 18770 18710 150 24060 24040 23700 22970 21860 20310 18220 15380 11220 200 21130 21080 20720 20040 19040 17660 15830 13340 09720 250 19070 18980 18640 18000 17090 15840 14180 11940 08700 300 17520 17430 17080 16480 15630 14480 12960 10910 07940 400 15300 15190 14860 14330 13580 12570 11240 09460 06880 500 13760 13640 13330 12840 12160 11260 10060 08470 06160 700 11700 11580 11300 10880 10300 09530 08510 07160 05210 1000 09840 09720 09480 09120 08630 07980 07130 05990 04360 1400 08340 08230 08030 07720 07300 06750 06030 05070 03680 1800 07370 07270 07090 06810 06440 05950 05320 04470 03250 齿数 z 压 比 P2 P1 表10 5 水蒸气泄漏系数 值表 临界流动 当密封出口和入口的压比 p2 p1减少到一定数值时 泄漏量将不再随压比的减少而增 大 说明密封中汽流速度已达音速 我们称这种状态为临界状态 显然 密封中汽流速度 只可能在最后一个环缝间隙中出现 在此间隙中的流动状态称为临界流动 此时的压比称 为临界压比 临界流动状态下临界压比的判定参考图 10 18 临界流动的的泄漏量计算略 三 汽轮机的损失 汽轮机的损失分为两大类 一类是不影响蒸汽状态的损失 称为外部损失 如机械损 失 外部漏气损失 另一类是直接影响蒸汽状态 称为内部损失 1 外部损失 1 机械损失 汽轮机运行时 要消耗一部分有用功 用于克服支承轴承和推力轴承的摩擦阻力 带 动维持自身安全稳定运转的主油泵 调速器和机械转速表等 即汽轮机的调节保安及监控 系统在很大程度上依赖汽轮机运转提供的能量 这一部分损失称为机械损失 通常占汽轮 261015202530 305075 0 100125150 0 1 0 2 0 3 0 4 0 06 0 08 0 10 0 12 p2 p1临界值 z 30 160 p2 p1临界值 z 2 30 齿数z 图 10 18 临界压比图 160 z 2 30 z 30 160 机额定功率的 0 5 1 2 外部漏汽损失 由于汽轮机的密封与轴颈之间存在间隙 必然有蒸汽的外泄漏 称为外部漏汽损失 2 内部损失 1 级内损失 静 动叶栅内的流动损失 包括叶栅型面结构表面边界层的摩擦损失 汽流分离的涡 流损失和尾迹损失 二次流损失和冲波损失等 余速损失 级的出口汽流尚有一定的余速 能量 并未用于推动叶轮做功 轮盘摩擦损失 蒸汽与轮盘的摩擦损失 鼓风损失 对于 部分进汽的级 其动叶片在转动到无进汽区域时 基本处于静止状态的蒸汽被吸入到动叶 流道所消耗的能量 斥汽损失 对于部分进汽的级 其动叶流道在转至无进汽区时 滞留 了轴向速度几乎为零的蒸汽 在转至进汽区域后 进汽需推动这些滞留的蒸汽 才可流入 下一级 级间漏汽损失 级间漏汽主要通过隔板汽封 叶顶汽封 平衡孔从高压侧漏向低 压侧 湿汽损失 湿蒸汽含有雾状水滴 其流速小于蒸汽 对蒸汽的流动起阻滞作用 引 起能量损失 另外由于水滴流速低 部分大水滴进入动叶栅的冲角为负冲角 冲击在叶片 的非工作面 形成反向力矩 使转子的输出功率下降 2 进气阻力损失 在蒸汽进入汽轮机第一级之前 须先经过主汽门 调节汽门 蒸汽室 蒸汽在通过这 些部位时将产生压降 如果忽略蒸汽通过进汽机构的散热 则这一过程为一节流过程 必 然因节流导致损失 进汽阻力损失与汽速 进汽机构的结构形式有关 通常控制蒸汽压降 P0 0 03 0 05 P0 减少进汽阻力损失的方法主要有 改进结构 控制主汽门 管道等 部位的汽速小于 40 60m s 改进蒸汽室 调节汽阀结构及型线 使之符合蒸汽的流动特 性 提高加工和安装的精度 以减少局部涡流 流场偏分等现象 3 高低压缸之间的联通管流动损失 4 排气阻力损失 进入汽轮机的蒸汽在各级做功后 末级动叶栅出来后经排汽管排出时由于摩擦 涡流 等形成的阻力会产生压损 使末级动叶出口压力高于凝汽器 或排汽管出口 压力 这一 损失称为排汽损失 5 汽缸散热损失 虽然气缸有保温层 由于汽缸温度大大高于大气温度 故仍然存在一定的热量散失 四 汽轮机的轴向推力 轴流式 蒸汽自汽轮机高压端 入口 向低压端 出口 流动 推动转子做功 其总体方向是 沿轴向的 必然对转子形成轴向推力 其方向沿高压端指向低压端 转子承受的轴向推力 由三部分组成 动叶片上由于蒸汽动量变化及动叶片两侧压差形成的轴向推力 轮盘两侧 表面压差形成的轴向推力 隔板汽封处轴的迷宫凸环所受的轴向推力 对于相同功率的多 级汽轮机而言 反动式汽轮机比冲动式汽轮机轴向推力大得多 因为反动式动叶栅的进出 口压差比冲动式要大得多 需要指出的是 在汽轮机负荷突然降低时 有时可能会出现与 汽流方向相反的轴向推力 因为负荷的突然降低会导致每级的焓降突然下降 使级后的蒸 汽参数有升高的趋势 转速升高是它的负反馈 而由于调节系统的作用 调节汽门有一个 向下打压 并在反馈装置的作用下建立新的平衡的过程 这个过程如果过于灵敏 则可导 致蒸汽经调节汽门节流后的参数低于级出口的参数 使轴向推力发生反向 对于轴向推力的处理通常采取以下方法 1 平衡盘 平衡活塞 利用平衡盘两侧面积差异 使低压侧面积远大于高压侧 从 而形成反向的轴向推力 与原轴向推力平衡 也可在低压侧导入高压汽 而高压侧则抽汽 降压 2 平衡孔 通过在叶轮上开平衡孔来减少轮盘两侧的压差 但是开平衡孔降低了叶轮 的强度 因此在调节级和反作用度大 负载重的低压轮末一 二级一般不开孔 开孔一般 为单数对称布置 以避免在同一个截面存在两个孔 削弱强度 3 采用反向流动的结构形式 如 高 中压缸反向布置 低压缸对称分流布置等 4 推力轴承 推力轴承用于平衡以上方法处理后剩余的轴向推力 推力轴承一般有两 个方向相反的推力瓦面 一个为主推力瓦 也称为工作瓦 一个为副推力瓦 也称为非工 作瓦 轴上的推力盘在运转时一般与工作瓦面接触 推力盘在主 副推力瓦之间的窜动距 离称为推力间隙 一般不大于 0 4mm 瓦面上的乌金厚度一般为 1 5mm 左右 其值小于汽 轮机转子与静子部件之间的最小间隙 以确保即使在乌金瓦熔化的情况下 汽轮机动静部 分也不会发生碰擦 而引起更严重的后果 五 汽轮机的热膨胀控制 汽轮机工作温度很高 是一个复杂的热态工作机械 其热态线性膨胀量高的可达数十 毫米 因此 其设计 安装 调整 运行和监控均应充分考虑热膨胀所带来的影响 热膨 胀控制不好可能造成的后果有 上下缸膨胀不一致导致缸体的变形 差胀过大导致的转子 部件与汽缸部件发生轴向碰擦 因为冷态调整不佳导致热态汽缸镗孔与轴承镗孔的中心线 重合度不好 从而导致转子与汽封等静止部件发生径向碰擦 以及发电机组的不对中振动 部件受到过大的热应力而发生裂纹 变形等等 1 汽缸支承 汽缸支承通常采取猫爪形式 通过缸体上伸出的猫爪支撑在轴承座上 猫爪支承分为 上缸猫爪支承和下缸猫爪支承两种方式 如图 10 19 所示 图 10 19 汽缸支承形式图 上缸猫爪支承和下缸猫爪支承各有利弊 下缸猫爪支承结构简单检修方便 但由于支 承面低于汽缸镗孔中心线 汽缸温度升高时其镗孔中心线将向上抬起 对于高参数大功率 汽轮机而言 其温度高 法兰厚 猫爪的膨胀将对机组的定心有不可忽视的影响 因此下 缸猫爪支承适于中低参数汽轮机的高压缸 而上缸猫爪支承支撑面与汽缸中分面在同一水 平面上 故受热膨胀后可以保持转子中心线与汽缸镗孔中心线一致 因此适用于高参数大 功率汽轮机 但是下缸猫爪支承结构相对复杂 尤其是在检修中极为不便 由于下缸悬空 接盖检修时为了确保下缸与转子的相对位置 需加装安装垫铁 使检修的数据不直观 精 度控制困难 且装卸复杂 有些中低压汽轮机气缸以及汽轮机的低压排汽缸 由于膨胀量不大而采取下缸直