汽轮机原理

1 注册公用设备工程师 动力 执业资格考试专业考试辅导热力专业部分 一 2 热力专业部分 1 燃料与燃烧2 锅炉原理3 汽轮机原理4 锅炉房工艺设计5 汽机房工艺设计6 热力网及热力站 3 汽轮机原理 1 了解汽轮机组的工作原理 熟悉级内损失和级的相对效率 2 了解多级汽轮机的特点 熟悉汽轮机及其装置的评价指标 掌握汽轮机的分类及选用 3 了解汽轮机的负荷特性及初终参数变化对汽轮机运行的影响 掌握供热汽轮机的工况图 4 熟悉凝汽设备的工作原理 了解凝汽器的管束布置与真空除氧 熟悉抽气器原理和种类 5 熟悉汽轮机辅助系统 4 汽轮机原理 汽轮机级的工作原理多级汽轮机汽轮机的变工况特性汽轮机的凝汽设备汽轮机的辅助系统 5 一 汽轮机级的工作原理 汽轮机是将蒸汽的热力势能转换成机械能 借以拖动其他机械旋转的原动机 p85 6 一 汽轮机级的工作原理 1 汽轮机级的构成和功能在汽轮机中完成能量转换的基本单元是汽轮机的级 级由一列静叶和一列动叶串联组成 p86 7 1 汽轮机级的构成和功能 蒸汽在汽轮机中的能量转换包括两个过程 当一定温度和压力的蒸汽经过喷嘴叶栅时 将热能转换成蒸汽高速流动的动能 然后 当高速汽流经过动叶栅时 将动能转换成转子旋转的机械能 从而完成利用蒸汽热能驱动各类机械做功的任务 p86 8 2 汽轮机级的分类 汽轮机的级 纯冲动级 0 冲动级 0 05 0 35 反动级 0 5 速度级 压力级 级的平均反动度是指蒸汽在动叶道内膨胀时所产生的理想焓降和整个级的理想焓降之比 p87 88 9 Hbt Hbt 10 3 级内损失 喷嘴 导叶 损失 动叶损失 余速损失 叶轮摩擦损失 喷嘴尾迹损失 泄漏损失 部分进汽损失 撞击损失 湿汽损失扇形损失 p89 90 11 4 级的内功率和效率 p91 12 4 级的内功率和内效率 p91 13 第二节多级汽轮机 1 多级汽轮机的优越性提高单机功率提高循环热效率提高汽轮机的相对内效率降低汽轮机单位功率的投资 p91 92 14 2 多级汽轮机的组成 汽轮机 通流部分 转子 静子 主轴 叶轮 汽缸 隔板 进汽部分 排汽室 汽缸体 轴承 支持轴承 推力轴承 盘车装置 保护装置 超速保护装置 危急保安器 轴向位移保护装置 低油压保护装置 p92 94 15 3 提高单机最大功率的途径 提高新汽参数 采用高强度 低密度材料 采用低转速 增加汽轮机的排汽口 p94 16 4 汽轮机装置的评价指标 一 相对内效率指1kg蒸汽在该工作单元中所转换成的有效功W与所消耗的理想焓降H之比 p95 相对效率侧重评判的是设备的设计和制造水平 17 4 汽轮机装置的评价指标 二 绝对内效率指1kg蒸汽在该工作单元中所转换成的有效功W与所消耗的热量R之比 p96 绝对效率侧重评判的是燃料热量的有效利用程度 18 4 汽轮机装置的评价指标 三 热耗率每生产1kW h电能所消耗的热量称为热耗率 p96 19 四 汽耗率每生产1kW h电能所消耗的蒸汽量称为汽耗率 4 汽轮机装置的评价指标 p96 可用于对同类型同参数汽轮机的运行管理水平作评价 20 解 4 汽轮机装置的评价指标 p102 21 5 汽轮机的分类及选用 p98 22 5 汽轮机的分类及选用 p98 23 5 汽轮机的分类及选用 p99 24 5 汽轮机的分类及选用 p99 25 5 汽轮机的分类及选用 p101 工业汽轮机 根据使用场合的不同 其工作条件差异很大 所以其功率 进汽参数 排汽参数 抽汽参数 转速 调节性能和布置方式等也千差万别 凝汽式汽轮机 部分小型工业汽轮机 在化工 电力等工业部门获得广泛应用 抽汽凝汽式汽轮机 为热电联产汽轮机的一种主要形式 背压式汽轮机 在热电联产及化工等企业得到广泛应用 抽汽背压式汽轮机 这类汽轮机在石化工业中也有所应用 也可作热电联产之用 26 5 汽轮机的分类及选用 发电厂汽轮机组选用 凝汽式发电厂的机组尽可能选择较高参数和较大容量的机组以提高经济效益 只允许在煤炭资源丰富而交通不便的边远地区或无电地区 以及小水电供电地区考虑枯水期补充电力的需要 在有煤炭来源条件时 可建设适当规模容量的小型凝汽式发电厂 对于边远地区或海岛上的孤立凝汽式发电厂 发电厂装机容量中必须设有一定的备用容量 在热负荷可靠落实的前提下 选用容量较大 参数较高的机组 p101 27 5 汽轮机的分类及选用 以实际热负荷来确定供热式汽轮机组的容量和热电厂的规模 根据热负荷的变化特性来选择供热式机组的形式 常年热负荷比较稳定的 可选用背压式汽轮机或抽汽背压式汽轮机 热负荷波动幅度较大的可选用抽汽凝汽式汽轮机 选用背压式机组 特别强调必须具有常年持续稳定的热负荷 区域性热电厂的第一台机组不宜设置背压式汽轮机 以免因热负荷不足而不能正常投运 p102 28 第三节汽轮机的变工况特性 1 费留盖尔公式与级组当通流部分结构尺寸都不变时 级组前 后的蒸汽参数与其流量有如下关系 p102 29 1 费留盖尔公式与级组 级组 是指任意的若干蒸汽流量近似相等的串联级 对于凝汽式汽轮机 若所取级组的级数较多时 弗留盖尔简化公式 1 根据汽轮机进汽量的变化 可以测算各抽汽点的压力变化 2 可利用调节级后蒸汽压力作为测量蒸汽流量的信号或机组功率的信号 3 可利用抽汽点压力变化监视通流部分损坏或结垢程度 p103 30 1 费留盖尔公式与级组 解 由费留盖尔简化公式 p108 31 2 参数对运行安全的影响 1 主蒸汽 超压 初压升高过多 会使主蒸汽管道 主汽门 调节汽门 导管及汽缸等承压部件内部应力增大 若调节汽门开度不变 压力增大导致蒸汽比体积减小 使主蒸汽质量流量增大 末级质量焓降增大 叶片受力增大 对应力水平原本已很高的末级叶片的运行安全性可能带来危险 由于各级叶片的压力比都增加 累计起来将使轴向推力增大较多 在运行中主蒸汽压力不应超过制造厂所提供的上限值 一般应不大于105 额定值 p103 32 2 参数对运行安全的影响 2 主蒸汽 超温 使承压部件 如锅炉过热器和再热器管壁 主汽和再热蒸汽管道 高中压主汽门和调节汽门 导管及高中压缸部件等 的实际应力增加 许用应力水平降低 高温管道还有蠕变问题 长期汽温过高将使钢材塑性变形过大 从而发生螺栓变长 法兰内开口 预紧力变小等问题 既影响安全 又缩短机组寿命 p104 33 2 参数对运行安全的影响 2 主蒸汽 超温 使承压部件 如锅炉过热器和再热器管壁 主汽和再热蒸汽管道 高中压主汽门和调节汽门 导管及高中压缸部件等 的实际应力增加 许用应力水平降低 高温管道还有蠕变问题 长期汽温过高将使钢材塑性变形过大 从而发生螺栓变长 法兰内开口 预紧力变小等问题 既影响安全 又缩短机组寿命 p104 34 2 参数对运行安全的影响 3 真空 恶化 排汽压力过分升高 将使排汽温度大幅度升高 使排汽室的膨胀量过分增大 通常低压轴承座与排汽缸为一体 这将使低压转子的中心线上翘 破坏转子中心线的自然垂弧 从而引起机组强烈振动 对于凝汽器 由于铜管与钢制外壳的相对膨胀差增大 引起铜管胀口松动 造成循环冷却水漏入凝结水侧 使凝结水的水质恶化 排汽压力过高还使未级叶片的容积流量减少 如出现鼓风工况 将使排汽温度更加升高 容积流量很小时还可能诱发末级叶片颤振 p104 35 3 滑压运行 滑压运行方式是指汽轮机运行时 调节汽门全开或开度不变 根据负荷大小调节进入锅炉的燃料量 给水量和空气量 使锅炉出口汽压和流量随负荷升降而升降 但出口汽温不变 p105 滑压运行机组的安全性与灵活性较好 因负荷变化时各级的温度变化较小 避免了定压运行时因负荷剧变引起的过大的温度变化和热应力 而温度变化和热应力是限制机组调峰灵活性的主要障碍 也是影响机组安全可靠运行的一个关键问题 36 4 供热汽轮机的工况图 汽轮发电机组的功率与汽耗量间的关系曲线称为汽轮发电机组的工况图 凝汽式汽轮机和背压式汽轮机 只涉及到两个变量 即蒸汽流量 汽机进汽量 与电功率二者的关系 在有实践意义的负荷范围内 其近似为一条斜线 对于供热型的抽凝式汽轮机组 情况比较复杂 一方面涉及的变数不只是电功率和汽机进汽量 还有采暖抽汽量 工业抽汽量 而且同一型号的供热汽轮机 在不同用户中出现的运行工况也千变万化 所以汽机制造厂常采用工况图的形式来表述它们之间的相互关系 以满足用户的需要 p106 37 4 供热汽轮机的工况图 p107 38 4 供热汽轮机的工况图 p107 39 第四节汽轮机的凝汽设备 1 凝汽设备的作用一是在汽轮机的排汽侧建立并维持高度真空状态 从而增大汽轮机的做功焓降 减少 冷源损失 提高蒸汽动力装置的效率 二是回收凝结水 减少锅炉补水量 p108 40 2 凝汽设备的组成 凝汽设备是由凝汽器本体及其辅助的抽气器 凝结水泵 循环水泵及循环水管道系统组成 它是电厂中一个重要的工艺系统 可统称为冷端系统 p108 41 3 凝汽原理 排汽进入容汽空间 横向接触管束 通过与循环水进行换热而被冷却 凝结成凝结水后流入下部的热水井 再由凝结水泵送入给水系统 气 汽混合物经空气冷却区后 蒸汽被凝结 而不凝结气体被抽气器抽出 以保持凝汽器的 真空 度 p109 42 4 凝汽器的真空与传热 凝汽器内的蒸汽凝结空间是汽水两相共存的 其压力就是该蒸汽凝结温度下的饱和压力 p110 43 4 凝汽器的真空与传热 p111 44 4 凝汽器的真空与传热 p114 解 45 5 真空除氧 根据亨利定律 当液体和液面上的气体之间处于平衡状态时 单位体积水中溶有的某种气体量与液面上该气体的分压力成正比 对开口系统 在保持水面上的总压力不变的条件下加热水 水蒸气的分压力就会不断增加 而水面上其他气体的分压力则相应减少 当把水加热到沸点时 蒸汽的分压力就会接近和等于水面上的全压力 而水面上所有其他气体的分压力将趋于零 这样 溶解于水中的气体就被全部清除出去 所有热除氧类装置无论是压力式除氧器或凝汽器的真空除氧都是根据上述原理设计和运行的 p111 46 5 真空除氧 从原理上说 凝汽器天生就具有除氧能力 因为当凝结水处于沸腾状态时 水中其他气体的分压力趋于零 就从水中析出 但当凝结水处于过冷状态时 其他气体又会重新溶入水中 所以凝汽器的 天然除氧能力 是有限的 p111 47 6 抽气器 抽气器的作用是将凝汽器在运行中所积聚的不凝结气体 主要是在 真空 下运行由环境中渗漏进的空气和原来存在主蒸汽中的不凝结气体 抽出 以维持凝汽器中的真空度 凝汽器内的真空 绝对压力 是蒸汽分压力和各类气体分压力之和 只有气体被抽出 其分压力接近零时 凝汽器的真空才是该空间蒸汽温度的饱和压力 否则 就会因气体分压力的存在而降低凝汽器的真空度 此外 空气的存在也使管子汽侧热阻增大 降低总的传热系数 p111 48 6 抽气器 抽气器 射流式抽气器 湿空气泵 真空泵 式抽气器 射汽式 射水式 p111 49 6 抽气器 射水抽汽器所能产生的极限真空受进水温度制约 当腔室的真空达到某水温的饱和温度时 水会汽化 抽气器将不能正常工作 由于抽出的汽 气混合物中的蒸汽具有汽化潜热 此部分热量的不断结聚会使水池水温升高 不利于抽汽器的运行 需要排出一部分 热 水 补充一部分 凉水 p111 50 第五节汽轮机辅助系统 轴封系统油系统冷却供水系统 51 1 轴封系统 汽轮机的轴封系统是由汽轮机的轴端汽封和电站的外部汽源 通过管道 阀门和设备 附件等共同组成 轴封系统功能 防止或减弱轴间蒸汽泄漏 减少热量和汽水损失 防止外部空气漏入汽缸 进入凝汽器 轴封汽的利用引出的轴封漏汽可流到回热加热器中加热给水 从轴封中抽吸出来的漏汽和空气混合物均引至轴封加热器加热凝结水 低压低温汽源的应用 防止高压缸轴承过热 p115 52 2 油系统 功能 在各种工况下不间断地向调节系统 保护系统和轴承供油 并保证油压 油温和油的流量符合要求 p116 53 2 油系统 组成 油泵油箱冷油器油净化装置油压调节和低油压保护装置 p116 54 2 油系统 为了防止汽轮机在全厂停电 厂用电丢失时受损害 润滑油泵除正常供电电源外 尚需配备保安电源 可用直流电供电 也可由保安柴油发电机供电 p116 55 3 冷却供水系统 p118 56 3 冷却供水系统 1 机力通风冷却塔机力通风冷却塔 它初期投资小 建设工期短 布置紧凑 占地少 而且冷却效果稳定 适宜在空气湿度大 气温高 要求冷却后水温比较