汽轮机工作原理_绪论_第一节.ppt

SteamTurbine 汽轮机原理 绪论 preface 一 电力在国民经济中的地位二 汽轮机装置在电厂中的地位三 汽轮机发展概述四 汽轮机的分类和型号五 本课程的主要内容 发电机的发明1819年由丹麦科学家欧尔斯德 HansChristianOersted 在教室里偶然发现放在电线下之指南针不再指南 而与电线成垂直方向 经此之后 他便发现了电与磁之间的关系 次年法国人安培 AndreMarrieAmpere 根据欧尔斯德之报告 对磁场与电流间之关系作一整理与研究 并提出认为两条电线平行置放时 电流流动之方向相同时会相排斥 而相反时会相吸 若将电线绕成线圈并行通电后 则如自然之磁石一样 现在 安培 的名字已家喻户晓 成为电流强度单位之名称 1830年英国有一位学者名叫法拉第 MichaelFarady 发现当一块磁铁放入电线圈中时 会使电流流入线圈 拿出磁铁时 电流则反方向流动 为使所发生之电能连续流动 法拉第用一只十二英寸的铜盘装在架子上 盘中央安置一曲柄 以手摇曲柄转动铜盘 整个铜盘置於一马蹄型磁铁内 将电线一端接於铜盘轴上 另一端则以接触器接出 当铜盘转动时 电线会不断切割磁力线 并产生连续性电流 一 电力在国民经济中的地位 1875年 巴黎北火车站建成世界上第一座火电厂 为附近照明供电 1879年 美国旧金山实验电厂开始发电 是世界上最早出售电力的电厂 80年代 在英国和美国建成世界上第一批水电站 1913年 全世界的年发电量达500亿千瓦时 电力工业已作为一个独立的工业部门 进入人类的生产活动领域 20世纪30 40年代 美国成为电力工业的先进国家 拥有20万千瓦的机组31台 容量为30万千瓦的中型火电厂9座 同一时期 水电机组达5 10万千瓦 1934年 美国开工兴建的大古力水电站 计划容量是888万千瓦 1941年发电 到1980年装机容量达649万千瓦 至80年代中期一直是世界上最大的水电站 1950年 全世界发电量增至9589亿千瓦时 是1913年的19倍 50 60 70年代 平均年增长率分别为9 4 8 0 5 3 1950 1980年 发电量增长7 9倍 平均年增长率7 6 约相当于每10年翻一番 1986年 全世界水电发电量占20 3 火电占63 7 核电占15 6 美国水电占11 4 火电占72 1 核电占16 0 前苏联水电占13 5 火电占76 4 核电占10 1 日本水电占12 9 火电占61 8 核电占25 1 中国水电占21 0 火电占79 0 世界上核电比重最大的是法国 1989年占总发电量的74 6 20世纪70年代 电力工业进入以大机组 大电厂 超高压以至特高压输电 形成以联合系统为特点的新时期 1973年 瑞士BBC公司制造的130万千瓦双轴发电机组在美国肯勃兰电厂投入运行 苏联于1981年制造并投运世界上容量最大的120万千瓦单轴汽轮发电机组 到1977年 美国已有120座装机容量百万千瓦以上的大型火电厂 1985年 苏联有百万千瓦以上火电厂59座 1983年 日本有百万千瓦以上的火电厂32座 其中鹿儿岛电厂总容量440万千瓦 是世界上最大的燃油电厂 世界上设计容量最大的水电站是巴西和巴拉圭合建的伊泰普水电站 设计容量1260万千瓦 近期装机容量达490万千瓦 采用70万千瓦机组 与运行中的世界最大水电站美国大古力水电站的世界最大水轮机组70万千瓦容量相等 世界上最大的核电站是日本福岛核电站 容量是909 6万千瓦 中国电力工业中国的电力工业开始于1882年 英商在上海设立了电光公司 以后外国资本相继在天津 武汉 广州等地开办了一些电力工业企业 为配合新工业地区的建设 中国资本1905年才开始投资于电力工业 以后虽有一定程度的发展 但增长速度缓慢 中国发电量最高年份的1941年只有59 6亿度 到1949年全国发电设备容量为185万千瓦 发电量只有43 1亿度 安装了一些自动安全监测装置 中华人民共和国建立后 单机容量60万千瓦的火力发电机组已开始运行 在电站大机组上 国家对电力工业进行了大量投资 单机容量10万千瓦以上的火力发电机组已达3094万千瓦 电力工业得到很大发展 到1984年底 全国发电量3770亿度 为1949年的87倍 全国发电设备容量7995万千瓦 为1949年的43 2倍 截止2006年底 全国发电装机容量达到62200万千瓦 同比增长20 3 从电力生产情况看 2006年全国发电量达到28344亿千瓦时 同比增长13 5 其中 水电发电量4167亿千瓦时 约占全部发电量的14 70 同比增长5 1 火电发电量23573亿千瓦时 约占全部发电量的83 17 同比增长15 3 核电发电量543亿千瓦时 约占全部发电量的1 92 同比增长2 4 2006年全社会用电量达到28248亿千瓦时 同比增长14 0 增幅比2005年上升0 4个百分点 截至2007年底 发电设备容量达7 13亿千瓦 同比增长14 4 在短短一年的时间内 全国电力装机实现了从6亿千瓦到7亿千瓦的飞跃 截至2007年底 全国220千伏及以上输电线路回路长度达33 38万公里 增长17 45 220千伏及以上变电容量达11 60亿千伏安 增长19 59 电力建设规模持续历史高位水平 全年基本建设新增 正式投产 发电设备容量基本与2006年持平 为10009万千瓦 二 汽轮机装置在电厂中的地位 电厂鸟览图 汽轮机车间图 图为位于法国CHOOZ的世界上第一大核电厂的HP IP汽机 1560MW 比利时一汽机改造项目的优化流动低压转子 美国阿拉巴马州680MW冲动式机组高压缸 三 汽轮机的发展概述 汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械 是蒸汽动力装置的主要设备之一 汽轮机是一种透平机械 又称蒸汽透平 公元一世纪时 亚历山大的希罗记述了利用蒸汽反作用力而旋转的汽转球 又称为风神轮 这是最早的反动式汽轮机的雏形 1629年意大利的布兰卡提出由一股蒸汽冲击叶片而旋转的转轮 19世纪末 瑞典拉瓦尔和英国帕森斯分别创制了实用的汽轮机 拉瓦尔于1882年制成了第一台5马力 3 67千瓦 的单级冲动式汽轮机 并解决了有关的喷嘴设计和强度设计问题 单级冲动式汽轮机功率很小 现在已很少采用 20世纪初 法国拉托和瑞士佐莱分别制造了多级冲动式汽轮机 多级结构为增大汽轮机功率开拓了道路 已被广泛采用 机组功率不断增大 帕森斯在1884年取得英国专利 制成了第一台10马力的多级反动式汽轮机 这台汽轮机的功率和效率在当时都占领先地位 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 汽轮机装置的热经济性用汽轮机热耗率或热效率表示 汽轮机热耗率是每输出单位机械功所消耗的蒸汽热量 热效率是输出机械功与所耗蒸汽热量之比 对于整个电站 还需考虑锅炉效率和厂内用电 因此 电站热耗率比单独汽轮机的热耗率高 电站热效率比单独汽轮机的热效率低 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 现代大型汽轮机通常采用新汽压力24兆帕 新汽温度和再热温度为535 565 的超临界参数 或新汽压力为16 5兆帕 新汽温度和再热温度为535 的亚临界参数 使用这些汽轮机的电站热效率约为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于冷却水的温度 如果采用过低的排汽压力 就需要增大冷却水流量或增大凝汽器冷却面积 同时末级叶片也较长 凝汽式汽轮机常用的排汽压力为0 005 0 008兆帕 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 汽轮机的发展历程此外 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 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 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 汽轮机生产厂家 1 1883年 Laval 瑞典 研制出第一台轴流式汽轮机2 70年代后 进入百万级3 汽轮机主要制造业 GECo GeneralElectricCorporation 美国通用电气公司 冲动式 WHCo WestingHouseElectricCorporation 西屋 反动式 BBC BrownBoveriCo 瑞士 反动式 AA Alsthon AtlantagueCo 法国 冲动式 反动式 其他 苏联 日本等 我国三大动力设备厂 哈汽 上汽 东汽工业汽轮机 杭州燃气轮机 南京 四 汽轮机的分类和型号 1 按工作原理分类 冲动式汽轮机 主要由冲动级组成 蒸汽主要在喷嘴叶栅 或静叶栅 中膨胀 在动叶栅中只有少量膨胀 反动式汽轮机 主要由反动级组成 蒸汽在喷嘴叶栅 或静叶栅 和动叶栅中都进行膨胀 且膨胀程度相同 2 按热力特性分 凝汽式汽轮机 蒸汽在汽轮机中膨胀作功后 进入高度真空状态下的凝汽器 凝结成水 背压式汽轮机 排汽压力高于大气压力 直接用于供热 无凝汽器 当排汽作为其他中 低压汽轮机的工作蒸汽时 称为前置式汽轮机 调整抽汽式汽轮机 从汽轮机中间某几级后抽出一定参数 一定流量的蒸汽 在规定的压力下 对外供热 其排汽仍排入凝汽器 根据供热需要 有一次调整抽汽和二次抽汽之分 中间再热式汽轮机 蒸汽在汽轮机内膨胀作功过程中被引出 再次加热后返回汽轮机继续膨胀作功 背压式汽轮机和调整抽汽式汽轮机统称为供热式汽轮机 目前凝汽式汽轮机均采用回热抽汽和中间再热 3 按主蒸汽参数分进入汽轮机的蒸汽参数是指进汽的压力和温度 按不同的压力等级可分为 低压汽轮机 主蒸器压力小于1 47Mpa 中压汽轮机 主蒸器压力为1 96 3 92Mpa 高压汽轮机 主蒸器压力为5 88 9 8Mpa 超高压汽轮机 主蒸器压力为11 77 13 93Mpa 亚临界压力汽轮机 主蒸器压力为15 69 17 65Mpa 超临界压力汽轮机 主蒸器压力大于22 15Mpa 超超临界压力汽轮机 主蒸器压力大于32Mpa 此外按汽流方向分类可分为轴流式 辐流式 周流式汽轮机 按用途分类可分为电站汽轮机 工业汽轮机 船用汽轮机 按汽缸数目分类可分为