汽轮发电机组工作原理.ppt

汽轮发电机组的结构及工作原理 崔新佳2011年7月29日 目录 1 电的发现及汽轮机应用2 生产电力的几种方法3 汽轮发电机的基本工作原理4 汽轮机的调节系统5 汽轮机的保护系统6 汽轮机的油系统7 汽轮机的基本构造8 汽轮机的分类 1电的发现与生产 600前希腊人泰勒斯发现了电 1660年德国人埃里克发明了世界上第一台摩擦发电机 1780年意大利医生加法尼 通过动物组织对电流的反应 1799年意大利物理学家伏特 他认为电不是来源动物 1800年伏特他发明了世界上第一块电池 1821年英国人法拉第发明了世界上第一台发电机 不连续 1831年他发现当电磁铁穿过一个闭合回路时 线圈内就会产生电流 这就是 电磁感应 由此他发明了世界上第一台永久磁铁能连续生产电流的发电机 1876年德国人西门子他发明了 采用电磁铁连续生产电流的发电机 1883年瑞典工程师拉瓦尔设计制造了世界上第一台冲动式汽轮机 1884年英国人帕森斯设计制造了世界上第一台反动式汽轮机 人们把汽轮机和发电机有机结合就制造出了现在我们普遍使用的汽轮发电机组 汽轮机的应用领域很广泛 发电拖动 工业托动 船舶拖动 2 生产电力的方法 1 风力发电 利用风的动能 来吹动叶轮转动 产生机械能 带动发电机子转子发电 2 水力发电 利用水的势能 来推动水轮机的转子 带动发电机转子 进行发电 2 潮汐发电 利用海水的潮长潮落 产生的势能进行发电 3 太阳能发电 利用太阳的光辐射 通过光伏组件吸收热量 产生电能 热核反应 4氢 1氦 1KG氢的热核反应 相当地球燃烧19000T的标煤 太阳中可燃烧的氢为10分之1 能燃烧100多亿年 电磁波 粒子流 地球接收的能量只占总能量的20亿分之1 3 风力发电 利用风的动能 4太阳能发电 利用太阳的辐射 5潮汐发电 利用海水的势能 6核能发电 利用铀235的核反应 汽轮发电机组的工作原理 4 核能发电 利用铀235的核裂变 产生的能量 进行发电 1个中子进入铀235原子核以后 原子就变的不稳定 分裂成2个较小质量的原子核 这就是核裂反应 产生很大的能量的同时 还会放出2 3个中子和其他射线 这些中子再次进入铀235原子核 不断重复上述核裂变反应 5 水力发电 利用水的势能带动水轮机转动 通过发电机发电 古巴伊泰普 美国大古力哥伦比亚河 金沙江溪洛渡 6 火力发电 利用煤 油和可燃气体的燃烧 使其的化学能转化成热能 再由热能转化成机械能 再由机械能转化成电能 发电厂的外景图 空冷发电厂的空冷塔 火力发电厂的几个基本概念 1 饱和水 指在一定条件时 水不能再溶解某种物质而达到此物质的饱和状态 但此饱和水还可以溶解其他物质 里面物质的溶解度并不会互相影响 2 饱和蒸汽 当液体在有限的密闭空间中蒸发时单位时间内进入空间的分子数目与返回液体中的分子数目相等时 则蒸发与凝结处于动平衡状态 3 过热蒸汽 就是在一定压力下 蒸汽达到饱和温度 继续吸热 温度超过饱和温度 4 蒸汽湿度 湿蒸汽中所含水分的质量百分数 5 焓 热力学中表示物质系统能量的一个状态函数 常用符号H表示 数值上等于系统的内能U加上压强p和体积V的乘积 即H U pV 焓的变化是系统在等压可逆过程中所吸收的热量的度量 6 熵 表示物质系统状态的一个物理量 记为S 它表示该状态可能出现的程度 在热力学中 是用以说明热学过程不可逆性的一个比较抽象的物理量 孤立体系中实际发生的过程必然要使它的熵增加7 干球温度 干球温度是温度计在普通空气中所测出的温度 即我们一般天气预报里常说的气温 8 湿球温度 湿球温度是指同等焓值空气状态下 空气中水蒸汽达到饱和时的空气温度 为了让大家对汽轮机内部有个感性认识 我先给大家放两个三维小视频 3汽轮机的基本工作原理 汽轮机和发电机是火力发电厂三大主要设备的两大主机 单机功率大 效率高 运行平稳 使用寿命长 汽轮机以蒸汽为工质 将热能转变为机械能 为发电机发电提供机械能 级 是汽轮机中最基本的工作单元 在结构上它是由静叶 喷嘴 和对应的动叶所组成 一列固定的喷嘴和与它配合的动叶片构成了汽轮机的基本作功单元 称为汽轮机的级 喷嘴出口处 蒸汽以相对速度w1进入动叶通道 由于受到动叶的阻碍 汽流方向不断改变 最后以相对速度w2流出动叶通道 在流道中蒸汽对动叶产生一个轮周方向的冲动力F1 该力对动叶作功使动叶转动 蒸汽流过无膨胀动叶通道时速度的变化 冲动作用原理 冲动力的定义 根据力学知识 当一运动物体碰到另一个静止的物体或者运动速度低于它的物体时 就会受到阻碍而改变其速度的大小或方向 同时给阻碍它的物体的一个作用力特点 蒸汽仅把从喷嘴中获得的动能转变为机械功 蒸汽在动叶通道中不膨胀 动叶通道不收缩 反动力定义 蒸汽在动叶汽道内膨胀时对动叶的作用力 根据动量守恒定律 当气体从容器中加速流出时 要对容器产生 个与流动方向相反的力 基本特点 蒸汽在动叶流道中不仅要改变方向 而且还要膨胀加速 从结构上看动叶通道是逐渐收缩的 反动作用原理 从作用力方面分析原理 蒸汽流经级时先在喷嘴中膨胀压力降低 速度增加一方面通过速度方向的改变 产生冲动力F1蒸汽在动叶中继续膨胀 压力降低 所产生的焓降转化为动能造成动叶出口的相对速度w2大于进口相对速度w1 使汽流产生了作用于动叶上的与汽流方向相反的反动力Fr 在蒸汽的冲动力和反动力合力作用下推动动叶旋转作功 动叶通道是逐渐收缩的 热力循环 火力发电厂的基本热力循环1 卡诺循环 奥氏体钢 膨胀系数大 热导率小 对温度适应性差 抗蠕变能力差 2 朗肯循环 铬钼钢 4汽轮机的调节系统 1 液压调节系统 50年代 机械部件和液压部件组成 2 功频电液调节系统 60年代 以模拟计算机为基础的 引入了功率 频率两个控制信号的电液调节系统 常称为功频电液调节系统 3 数字调节系统 70年代 以数字计算机为基础的数字式电液调节系调节汽轮机的系统 数字调节系统发出指令后 通过调节汽轮机的阀门 而改变汽轮机的进汽量 从而达到调整负荷的目的 调节系统任务 1 是调节汽轮机内功率以满足外界负荷的变化 2 保证汽轮机的转速在允许范围 调节系统它六个部分组成1 感应机构2 定值机构 同步器 3 放大机构4执行机构5 配汽机构6 反馈机构 5 汽轮机的保护系统 汽轮机的超速保护 汽轮机的轴向位移保护 汽轮机的油压和油温保护 汽轮机凝汽器低真空保护 6 汽轮机的供油系统 汽轮机供油系统分为两个部分 1 一部分是汽轮机轴承润滑油 转子放在轴承上 需要润滑油建立油膜 防止干摩擦 2 顶轴油在汽轮机运转之前 需要顶轴油系统开启 给各个轴承处泵入润滑油 其实油的用途总的来说就是给轴承润滑的 为了实现不同运行情况下的润滑 才有相应的一些系统 7 汽轮机本体的基本结构 汽轮机是由静子和转子组成 静子 由垫铁 台板 汽缸 上 下高中低 轴承箱 轴承 经向和推力 喷嘴 隔板 静叶栅 汽封 滑销系统 猫爪 立销 纵销 横销 角销 组成 转子 由转子轴 动叶片 联轴器 盘车组成 汽轮机的垫铁 汽轮机的垫铁有两种一平垫铁和斜垫铁 汽轮机的台板 汽缸 汽缸的作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开 将蒸汽包容在汽缸中膨胀做功 完成其能量转换过程 汽缸内部装有喷嘴室 喷嘴 隔板套 隔板和汽封等部件 分成高压缸 中压缸和低压缸 汽缸的结构 汽缸从高压向低压方向看 大致上呈圆筒形或圆锥形 为了便于加工 安装及检修 汽缸一般作成水平对分式 即分为上 下汽缸 水平结合面一般用法兰螺栓连接 另外 为了合理利用材料和便于加工 运输 汽缸也常按缸内压力高低沿轴向分为几段 垂直结合面也采用法兰螺栓连接 由于垂直结合面一般不需拆卸 为保证其严密性 有些汽缸还在结合面的内圆加以密封焊 高压缸采用双层缸结构内缸承受蒸汽的温差小 压差大 而外缸承受的温差大 压差小 因此内缸壁中温度梯度不大 引起的热应力较小 外缸承受大温差 但由于缸壁承压小 在工况变化过程中 能承受较大的热应力 中压缸再热蒸汽进入中压缸时压力不高 但温度很高 因此仍采用双层缸结构 低压缸低压缸尺寸大 要求缸体有足够的刚度和合理的排汽通道 蒸汽热膨胀后比容大是1 100 1 600 低压缸设有喷水减温装置 汽轮机的前轴承箱 前箱总图 轴承 汽轮机的轴承有径向支持轴承和轴向推力轴承两种 1 径向支持承轴 支持转子重量和离心力 固定式 自立式 三油楔式 可倾瓦 2 推力承轴 承担汽轮机转子轴向推力 保证轴向间隙 轴承全部采用乌金材料 径向轴承设计温度不超过90 推力轴承温度不超过85 汽轮机的经向轴瓦 轴承 汽轮机的喷嘴 汽轮机的隔板 隔板结构 隔板用于固定喷嘴叶片 并将整个汽缸内部空间分隔成若干个汽室 它主要由隔板体 喷嘴叶栅和隔板外缘等部分组成 隔板通过外缘直接安装在汽缸或隔板套内专门的凹槽中 为了安装和拆卸方便 隔板沿水平中分面对分为上 下两半块 称上 下隔板 为了使上下隔板对准 并防止漏汽 在水平中分面加装密封键和定位销 在隔板体的内孔壁有安装汽封环的槽道 汽封汽封是装设在汽轮机动 静机件间的密封装置 如果汽封装在轴端 我们就称之为轴封 装在轴间就称为轴间汽封 1 防止高压部分蒸汽外漏2 防止低压部分大气内漏 汽轮机的汽封 轴封 汽封 汽轮机通流部分的动 静机件之间 为了避免碰磨 必须留有一定的间隙 而间隙的存在又会导致漏汽 使汽轮机效率降低 为此 在汽轮机动 静机件的有关部位设有密封装置 通常称为汽封 汽轮机转子 汽轮机转子在高温蒸汽中高速旋转 不仅要承受汽流的作用力和由叶片 叶轮本身离心力所引起的应力 而且还承受着由温度差所引起的热应力 此外 当转子不平衡质量过大时 将引起汽轮机的振动 因此 转子的工作状况对汽轮机的安全 经济运行有着很大的影响 汽轮机的转子 汽轮机的转子 汽轮机的转子 叶轮的结构型式 叶根和轮缘结构 叶片通过叶根固定在叶轮上 叶根与叶轮的连接应该牢固可靠 而且应保证叶片在任何运行条件下不会松动 同时 叶根的结构应在满足强度的条件下尽量简单 使制造 安装方便 并使叶轮轮缘的轴向尺寸为最小 随着动叶片的圆周速度和长度的不同 其叶根所受的作用力也不同 这就需要采用不同的叶根结构型式 动叶片的结构 动叶片是汽轮机中数量最大和种类最多的零件 它的结构 材料和装配质量对汽轮机的安全和经济运行有极大的影响 在汽轮机的事故中 叶片事故约占60 70 左右 所以必须予以足够的重视 叶片应具有良好的流动特性 足够的强度 满意的转动特性 合理的结构和良好的工艺性能 焊接转子 由若干个实心轮盘和端轴拼合焊接而成 焊接转子的主要优点是 不存在松动问题 采用实心的轮盘 强度高 不需要叶轮轮壳 结构紧凑 轮盘和转子可以单独制造 材料利用合理 加工方便且易于保证质量 焊成整体后转子刚性较大等 但是焊接转子要求材料的可焊性好 焊接工艺及检验技术要求高且比较复杂 这一切在一定程度下妨碍了焊接转子的应用 整煅转子 叶轮和主轴及其他主要零部件是用整体毛坯加工制成的 主轴的中心通常钻有中心孔 其作用是 去掉锻件中残留的杂质及疏松部分 用来检查锻件的质量 减轻转子的重量 高参数或超高参数机组的高压转子 防止高温下松动是主要的 因此广泛采用整锻转子 套装转子 套装转子的叶轮 轴封套 联轴器等部件和主轴是分别制造的 然后将它们热套 过盈配合 在主轴上 并用键传递力矩 主轴加工成阶梯形 中间直径大 只适用于中 低参数的汽轮机和高参数汽轮机的中 低压部分 其工作温度一般在400 以下 组合转子 根据各段的工作条件不同 在同一转子上 高压部分采用整锻结构 中 低压部分采用套装结构 从而兼得整锻转子和套装转子的优点 组合转子广泛用于高参数 中等功率的汽轮机上 汽轮机的联轴器 汽轮机的联轴器 联轴器又叫靠背轮 其作用是连接汽轮机的各转子和发电机转子 并传递转矩 联轴器的形式有三种 1 刚性联轴器 2 半挠性联轴器 3 挠性联轴器 盘车系统 汽轮机设置一套盘车装置 汽轮机启动或停车以后 使转子转动 停机时防止汽轮机转子受热不均发生热弯曲 启动前盘车可以检查汽轮机是否具备运行条件 当汽轮机转速达到一定转速时自动脱开 汽轮机的盘车装置 汽轮机的滑销系统 在汽轮机启动 运行和停机时 为了保证汽轮机各个部件按要求膨胀 收缩和定位 同时保证汽缸和转子正确对中和动静之间间隙 设计了合理的滑销系统 1 猫爪 起着横销作用 又对汽缸起着支承作用 2 立销 引导汽缸沿垂直方向滑动 3 纵销 可保证汽轮机沿纵向中心线正确膨胀 并保证汽缸中心线不能作横向滑移 4 横销 作用是保证汽缸横向的正确膨胀 并限制汽缸沿轴向移动 5 角销 它能起到纵向及横向的双重导向作用 汽轮发电机结构及工作原理 发电机通常由定子 转子 端盖及轴承等部件构成 定子由定子铁芯 线包绕组 机座以及固定这些部分的其他结构件组成 转子由转子铁芯 或磁极 磁扼 绕组 护环 中心环 滑环 风扇及转轴等部件组成 由轴承及端盖将发电机的定子 转子连接组装起来 使转子能在定子中旋转 做切割磁力线的运动 从而产生感应电势 通过接线端子引出 接在回路中 便产生了电流 汽轮发电机通常为3000转 分 频率为50赫 或3600转 分 频率为60赫 核电站中汽轮机转速较低 但也在1500转 分 高速汽轮发电机为了减少因离心力而产生的机械应力以及降低风摩耗 转子直径一般做得比较小 长度比较大 即采用细长的转子 必须加强电机的冷却 汽轮发电机都采用了冷却效果较好的氢冷或水冷技术 励磁机 就是一个小功率的直流发电机 一般都为几十伏 励磁电压一般不变 即使变动也很小 而励磁电流的大小