汽轮机及调节系统讲义(PALL稿).doc

电站汽轮机及其调节保安系统资料汇编哈尔滨汽轮机控制工程有限公司汪洪滨第一部分汽轮机1.概述电力工业的能源主要是水能、燃料热能和原子能。利用燃料热能发电的工厂叫火力发电厂。火力发电厂的主要生产过程是：锅炉中的水吸收燃料燃烧时放出的热量，变成具有一定压力和温度的蒸汽送入汽轮机。蒸汽在流经汽轮机时，通过喷嘴降低压力和温度，提高蒸汽流动速度，这种高速的蒸汽流冲动汽轮机转子上的叶片，使汽轮机的转子高速转动，并同时带动同以轴上的发电机转子旋转，发电机的转子在发电机定子所形成的磁场中高速旋转切割磁场磁力线而发出电来。做完功的争气送入凝汽器中被凝结成水（或送至热用户），然后由给水泵提高压力后再送回锅炉继续加热，进行往复循环。 由此可见，电能的生产过程是一系列能量的转换过程。即在锅炉内把燃料的化学能转变成蒸汽的热能；在汽轮机中将蒸汽的热能转换成汽轮机轴旋转的机械能，带动发电机，在发电机中将轴的机械能装换成电能。参与上述能量转换过程的工作介质是水或水蒸汽。因为水和水蒸气具有价廉易得、无毒无害、无腐蚀性和具有流动性、膨胀性良好等优点，因此水或水蒸气一直是火力发电厂所使用的共质；汽轮机是火电站及核电站的主要设备之一， 它在与锅炉（蒸汽发生器）、发电机（或其他被驱动机械）、凝汽器、加热器、给水泵和凝结水泵等电站主辅机的参数及容量的匹配和选型等方面起着牵头的作用。火电站锅炉具有高温高压的特性，发电机具有高转速的特性，而汽轮机则具有上述两者的全部特性：高温、高压和高转速。由于以上的原因，为维护电力用户所使用的电能的质量，就需要汽轮机的调节系统来调整汽轮发电机组的转速和机组的发电量，汽轮机的转速决定了用户所使用电能的质：即保证机组的转速稳定在3000RPM附近运行（也就是保证电力用户能够得到50Hz 频率的电能；在锅炉的蒸汽蒸发量一定的情况下，汽轮机进汽的多少，决定了汽轮发电机组的功率，也就决定了电力用户是否有足够使用的电能。汽轮机调节系统的具体型式，应根据机组运行方式、初蒸汽参数类型、自动控制水平的要求、当时的技术条件、用户经济能力、电网对机组运行要求、机组运行安全性及经济性等因素进行选择。2.汽轮机的分类：汽轮机可以按照进汽参数、工作原理、热力特性、结构特点等分类而具有不同的名称，祥见下表：分类型式简要说明分类型式简要说明按进汽参数分类超临界汽轮机进汽压力超过蒸汽的临界压力（绝对）为22.2Mpa,温度为5355650C按工作原理分类冲动式汽轮机蒸汽主要在静叶叶栅槽道中膨胀,在动叶叶栅槽道中只改变方向,没有膨胀亚临界汽轮机进汽压力(绝对)为1618Mpa,温度为5355650C反动式汽轮机蒸汽在静叶和动叶叶栅槽道中都膨胀超高压汽轮机进汽压力(绝对)为1214Mpa,温度为5350C按流向分类轴流式汽轮机汽流基本上沿着轴向流动的汽轮机高压汽轮机进汽压力(绝对)为9Mpa左右,温度为5000C辐流式汽轮机汽流基本上沿辐(径)向流动的汽轮机次高压汽轮机进汽压力(绝对)为5Mpa左右,温度为4354600C按用途分类电站汽轮机用于发电或热电联供的汽轮机中压汽轮机进汽压力(绝对)为3.4Mpa左右,温度为4350C工业汽轮机用于驱动其它旋转机械的汽轮机低压汽轮机进汽压力(绝对)为1.5Mpa以下,温度为3400C船用汽轮机用于驱动船舶螺旋桨的汽轮机按热力特性分类凝汽式汽轮机汽轮机排汽在 真空状态下进入凝汽器,并凝结成水按运行方式分类基本负荷汽轮机主要承担电网的基本负荷,机组功率基本稳定的汽轮机背压式汽轮机汽轮机排汽在大于大气压状态下供热用户使用,当排汽用做其它中低压汽轮机的新汽时,则称为前置式汽轮机二班制汽轮机白天运行,夜间停用,每天起停,周末停机抽汽凝汽式汽轮机在汽轮机的级间调整抽汽,供应热用户,其排汽则进入凝汽器调峰汽轮机承担电网调峰任务,每天只运行几小时,功率根据需要随时变化的汽轮机抽汽背压式汽轮机具有调整抽汽的背压式汽轮机按轴数分类单轴汽轮机汽轮机与发电机呈串联排列,同轴驱动中间再热式汽轮机蒸汽在高压缸作功后,进入锅炉再热器再热,然后再进入汽轮机中低压缸作功后排入凝汽器.大容量汽轮机主要是这种型式.双轴汽轮机汽轮机由多缸组成,呈并联排列,驱动两台发电机,机组的功率为两台发电机功率之和.通常,高中压缸驱动壹台全转速的发电机,低压缸驱动另壹台半转速的发电机;也可以由高压缸和一个低压缸驱动壹台发电机,中压缸和另一个低压缸驱动另壹台发电机3汽轮机蒸汽初参数的选择汽轮机的进汽参数与电站的热经济性、安全可靠性和制造成本等有关.一般而言,进汽参数越高,电站的热经济性也就越高、相应的制造成本也越大，蒸汽的初参数将影响电站的投资和运行维护费用。蒸汽参数通常按容量分档。容量小的机组参数较低，随着容量的增加，参数随之增高。这样的配置可充分提高机组的经济性，对结构设计尤其是通流部分的设计带来较大的好处。当初温不变仅提高初压时，在一般情况下可提高循环热经济性。但如单独提高初压过大，循环的热经济性反而降低，而且由于进汽比容减小，将使汽轮机高压通流部分叶片高度减短，甚至不得不采用部分进汽而增加损失；同时由于低压缸的排汽湿度随着初压的提高而增加，使湿气损失增加，从而使汽轮机的效率下降，而且还增加了低压缸叶片被湿气侵蚀的可能性。故在一定的初温下有一个最佳的初压，初压的提高应与初温的提高相匹配。当进汽初压不变而提高初温时，也而已提高循环的热效率。同时，由于进汽比体积增大和排汽湿度减小，使汽轮机的效率得到提高，对电站经济性更为有利。初温的提高主要受耐用钢的许用温度的限制。当初温过高时，汽轮机的进汽部分尤其是锅炉的过热器管道，不得不采用高温时具有较高热强度的奥氏体合金钢。这种材料价格昂贵，工艺性能较差，将在增加汽轮机的生产制造成本。超临界和亚临界机组汽轮机的进汽温度一般都选择在5355650C之间。进汽温度选取5650C，可使机组的热耗较5380C的降低80Kkj/(kwh),但这将对机组的用材要求提高，尤其是对锅炉过热器管道。4.中间再热参数的选择为了提高大容量机组的经济性和增大蒸汽在汽轮机中的焓降，降低汽耗，通常采用一次中间再热，把汽轮机高压缸的排汽引入锅炉中间再热器进行再热，然后再进入中压缸继续作功，这样可以提高循环的平均吸热温度，降低热耗。采用中间再热，还可以减少低压末级排汽湿度，提高汽轮机的效率，延长末级叶片的寿命。采用一次中间再热后机组的经济性比不采用中间再热的约可提高5%。采用二次再热比一次中间再热机组的经济性约可提高2%。我国目前位置还没有生产过二次中间再热的机组中间再热温度对经济性的影响与蒸汽温度对经济性的影响一致。在材料允许的情况下，再热温度高对经济性有利。通常，再热温度常与蒸汽初温选择在同一水平上，常用5380C/5380C。考虑到中压缸进汽压力等级较低，以及降低低压排汽湿度（尤其是对超临界参数机组）等因素，也有将中间再热温度较初温提高，选为5380C/5500C或5380C/5650C。在蒸汽参数和再热温度一定时，再热压力对经济性有一最佳值。通常，在再热前有一道回热抽汽时，再热压力取为初压的18%22%；在再热前没有回热抽汽时，再热压力取为初压的22%26%；我国生产的中间再热式汽轮机，在再热前均有一道抽汽，故应选择前者；5.背压的选择降低汽轮机的背压（或提高凝汽器的真空度），可以提高循环的热效率。凝汽器的真空度是由凝汽器的传热面积，冷却水温度和冷却水流量决定的，不同地区都有一个大致确定的冷却水温和相对应的恰当的凝汽器真空度的值。在工程设计中，通常考虑冷却水温与凝汽器凝结水之间有12150C的温差（开式循环冷却时取较小值，用冷却塔的闭式循环冷却时取较大值）。该温差包括冷却水温升和凝汽器管壁端差。从不同的冷却水温可得到凝结水温和相应的凝汽器的真空度；我国大部分地区的平均冷却水温为200C，凝汽器压力通常采用4.9kpa（用江河湖海水冷却的开式循环）到5.4kpa( 用冷却塔冷却的闭式循环)。当平均水温为250C时，凝汽器压力约为6.4kpa.在冷却水温度一定的情况下，降低凝汽器的压力，会使汽轮机的出力增加，机组经济性提高，但随之而来的必须加大凝汽器的冷却水量（增大循环水泵的功率）以及相应增大末级叶片的通流尺寸，这将提高设备的成本和运行费用。因此，降低凝汽器的压力的收益要综合汽轮机、凝汽器和冷却水量等多方面的因素进行技术经济比较而定；对于某些严重缺水地区的火电厂，采用空气通风冷却的凝汽器时，汽轮机的背压一般都要比采用水冷凝汽器的为高，它将根据不同的气候和气象条件以及所采用的不同型式的风冷凝器而定。事实上，汽轮机低压缸末级动叶出口压力并不一定等于凝汽器的压力。蒸汽以余速从末级动叶片排出，经过微呈扩压的低压缸的蜗壳进入凝汽器，总排汽损失为h,在蜗壳中蒸汽的一部分动能损失恢复成压力，即部分排汽余速回收；另一部分损失掉（称蜗壳损失），蜗壳损失是动叶出口静压与凝汽器压力之间的焓降。汽轮机的总排汽损失是末级余速损失和蜗壳损失的代数和。当动叶出口静压大于凝汽器压力时，即起蜗壳无余速回收作用；在某些蜗壳中，能把部分蒸汽损失回收，这时蜗壳损失为负值。6.汽轮机的转速由于发电机的极数只能成对地增加或减少，大型汽轮机的转速通常选用两档。对50Hz电网，为300RPM或1500RPM；对60Hz电网，为3600RPM或1800RPM；3000RPM和3600RPM称为全转速机组；1500RPM和1800RPM称为半转速机组开发大功率机组除应考虑提高初参数、采用中间再热、研制末级长叶片以及增加低压缸排汽数外，机组的额定转速也是制约汽轮机设计的重要参数之一。在给定的蒸汽初参数和背压的条件下，汽轮机8的极限功率与转速的平方成反比。极限功率P1（kw）与各参数和转速的关系可按下式表达：P1=【0.573103c2H00i】/【n22K】-叶片材料许用应力（N/mm2）c2-末级叶片排汽绝对速度（m.s）H0-蒸汽总绝热焓降（kj/kg）0i-汽轮机内效率n-汽轮机转速（r/min）-叶片材料密度（g/mm3）K-叶片锥度系数2-末级动叶出口蒸汽比体积（m3/kg）从上式可知，在给定的参数条件下，若所设计的汽轮机功率接近给定转速下的极限功率，则说明充分利用了材料的性能。如叶片材料的许用应力达到了312N/mm2,则就有可能在其他部件作较少变动的情况下，使机组功率达到100MW而不需采用中间再热。同时我们从上式还可以知道，降低汽轮机的转速是提高汽轮机功率的有效措施，将汽轮机的转速降低到半转速，在理论上汽轮机的功率提高4倍。在发展大功率汽轮机过程中，为设计更大容量机组而采用双轴布置（即两个轴系），一个是全转速的高中压缸，另一个是半转速的低压缸，以及目前大容量核电汽轮机仍广泛采用半转速设计，都是基于这个道理。采用半转速机组带来的问题是汽轮机尤其是低压部分的部件尺寸、体积和重量都会成倍增加，这样除在设计 上要考虑末级叶片、大直径轴承以及大型转子和汽缸壳体的强度、刚度和稳定性等问题外，在制造工艺上也要考虑特大铸、锻件和结构件的加工工艺和加工设备能力，甚至特大部件的运输问题等等。另外机组单位功率重量与转速n的三次方成反比，即1/2=(n2/n1)3,因此对转速的选择应结合机组的材料消耗率等进行综合技术经济分析来决定。7.汽轮机工况的定义71额定工况：汽轮机在额定进汽参数和额定背压下，回热系统正常投运，补给水率为零，发电机为额定运行条件时，在发电机出线端发出额定功率的工况称为汽轮机额定工况。此时的蒸汽流量称为汽轮机的额定流量。汽轮机的铭牌功率通常等于额定功率。额定工况的热耗率为汽轮机的保证值。有的机组在额定工况时除饿抽汽外，还需在某一回热抽汽口处抽出一定量的蒸汽供电厂其他部门使用（这种抽汽称为厂用抽汽）。当电厂在额定工况下需厂用抽汽时，应在订货技术条件中说明。7.2 能力工况汽轮机在额定进汽参数和背压为11.8kPa，回热系统正常投入，补给水率为3%，发电机为额定运行条件时，在发电机端发出额定功率的工况称为汽轮机的能力工况。此时的蒸汽流量称为能力流量，或最大保证流量。我国规定，在夏季冷却水温升至330C时，汽轮机能够能发出额定功率。冷却水温在330C时对应的凝汽器压力，一般在上述背压附近，故汽轮机能力工况通常也称为汽轮机夏季工况。7.3最大保证功率工况当汽轮机在额定进汽参数和额定背压下，回热系统正常投入，补给水率为零，发电机额定运行条件，通过汽轮机的流量为能力工况的蒸汽流量时，在发电机端发出的功率为汽轮机的最大保证功率，此工况称为汽轮机最大保证功率工况。7.4超压5%工况有些汽轮机生产制造厂生产的汽轮机，允许在进汽压力超过额定压力5%时的各种工况条件下连续运行。当调节阀开度相当于能力工况的开度时，进汽压力为105%额定压力，而其他进排汽参数均为额定值回热系统正常投入，补给水率为零，发电机端发出的功率为汽轮机的最大连续功率。此时通过汽轮机的流量约为能力工况流量的105%。汽轮机的最大连续功率一般不作为保证值。此工况又称为汽轮机最大计算工况。电站配套设备的容量都应按此工况选取。7.5设计流量工况制造厂在设计通流部分时，总要考虑通流部分的制造公差和零部件老化对汽轮机通流能力的影响，一般在能力工况流量的基础上再加上3%5%的裕量作为汽轮机的设计流量，以此设计汽轮机的通流部分，此工况时的功率裕量由汽轮机制造厂内部掌握。7.6高压加热器切除工况当电站的高压加热器有旁路时，机组可在高压加热器全部切除或部分切除时连续运行。一般，当高压加热器全部切除或切除壹台时，机组仍可发出功率；但如连续切除较低压力的两台高压加热器，而最高压力的加热器仍在投运时，则机组的功率必须受到限制。8.汽轮机的运行方式及进汽配汽方式8.1汽轮机的运行方式一般汽轮机机组的启动、带负荷（全变负荷）和停机统称为汽轮机的运行。随着电网容量的不断增大，电网内大功率机组迅速增多，电网对机组运行的安全可靠性、灵活性和负荷的适应性提出了更高的要求。汽轮机运行的实绩取决于设备的设计、制造和安装调试质量，也与主辅机及系统参数、性能匹配和运行协调以及运行、维护、保养的水平有关。运行的安全可靠性一般地用运行可利用律和强迫停机率两个指标来衡量。根据国内外统计数据，好的或比较好的机组其运行利用律在9295%之间，强迫停机率为11 .5%.运行的灵活性和负荷适应性，应在机组设计阶段时根据用户的要求确定。具体内容是机组起停次数，负荷变化次数。下表是对各种600MW汽轮机运行的设计要求：基本负荷两班制常规基本负荷两班制尖峰总计起动冷态1402015040210温态1502014102201650热态1201556408806535停机有控制的停机410966055720011408395负荷变化25%100%变化480480603606048050%100%变化500048006253600570479575%100%变化10000100001250750011909940汽轮机启动方式较多，大致有四种分类方法，即按主蒸汽参数分类、按冲动转子时的进汽方式分类、按控制进汽量的阀门分类和按启动前的汽轮机金属温度水平分类。一.按主蒸汽参数分类（1） 额定参数起动方式在汽轮机冲转、升速、分段暖机、并网升负荷直至升至额定负荷为止的整个过程中，由于电动主闸门前的主蒸汽参数始终保持在额定值，所以主蒸汽与汽轮机金属部件之间的温差很大。为了控制金属的温升速度，保证设备安全，在额定参数启动方式中，只能将主蒸汽的进汽量控制得很小，从而延长了升速、暖机和升负荷的时间；在冲动转子前，锅炉需要将蒸汽参数提高到额定值，必然要消耗大量的燃料，再加上整个启动过程需要较长的时间，从而会降低电厂的经济效益；在机组起动前，主蒸汽管道暖管过程中，需要对空排掉大量疏水和蒸汽，并产生噪音；综合以上这些缺点，大容量的汽轮机几乎都不采用这种方式启动；（2） 滑参数启动方式所谓“滑参数”，是指电动主闸门前的蒸汽参数值随着机组转速和负荷的变化，按规定滑动升高（启动时）或降低（停机时）。滑参数启动大多采用压力法（在单元制机组中广泛使用），启动时冲转参数一般为0.81.5Mpa,2202500C,在此参数下，汽轮机可以完成定速及超速试验。整个启动过程中，操作简单，控制方便。有时还可以根据某些机组的特点，采用中参数启动方式，冲转参数为：3.03.5Mpa,3000C左右。二.按冲动转子时的进汽参数方式分类（1） 高中压缸启动方式高中压缸启动时，主蒸汽同时进入高压缸和中压缸，冲动转子。这种启动方式对于高中压合缸的机组，可以使分缸处受热均匀，减小热应力，缩短启动时间；（2） 中压缸启动方式中压缸启动方式，是冲动转子时高压缸不进汽而中压缸进汽，待转子升速到20002500r/min后，才逐步向高压缸送汽。这种起动方式对控制胀差有利，但起动时间较长。三.按控制进汽量的阀门分类（1） 用调速汽阀启动用调速汽阀启动时，电动主闸门和自动主汽门全部开启，进入汽轮机的蒸汽量由调速汽阀来控制。这种方式的优点在于有利于冲转和控制进汽量，缺点是调速汽阀有节流，导致调节级蒸汽室和喷嘴局部受热。（2） 用自动主汽阀或电动主闸阀的旁路阀启动启动前，调速汽门全部开启，进入汽轮机的蒸汽量由自动主汽门或电动主闸门的旁路阀来控制。这种启动方式的优点是调速汽阀和调节级蒸汽室能够均匀受热，缺点是用自动主汽阀或电动主闸阀的旁路阀来节流控制蒸汽流量时，旁路阀的阀口、阀柄容易不严密而漏汽，有时自动主汽阀还容易发生自动关闭的现象。四.按启动前汽轮机金属温度水平来分类（1） 冷态启动汽轮机启动前，高压汽缸内缸内下壁调节级处金属温度低于1500C，通常称为冷态启动。（2）温态启动 汽轮机启动前，高压汽缸内缸内下壁调节级处金属温度在150OC与300OC之间的状态（3）热态启动汽轮机启动前，高压汽缸内缸内下壁调节级处金属温度在300OC与400OC 以上时称为热态启动。（4）极热态启动汽轮机启动前，高压汽缸内缸内下壁调节级处金属温度在400OC以上时的状态汽轮机的停机方式主要是根据机组停机后是否再启动来决定是采用额定参数停机还是滑参数停机。如果停机后短时间内就要启动，可以根据停止运行的时间和再次启动时调节级处的金属温度来决定停机方式。如果是两班制的调峰机组，停机时间较短，未了便于下一次启动，可以较快地减负荷，然后在带有一定负荷的情况下打闸停机，甚至在停机过程中，下汽缸的疏水阀也可以不打开，维持下汽缸壁温（俗称闷缸），以满足短时间停机后，再进行调峰、快速启动的要求。汽轮机在下述情况下禁止启动：（1） 调节系统无法维持机组空负荷运行或者在机组甩负荷后，不能将汽轮机转速控制在危急保安器的动作转速之内；（2） 危急保安器动作不正常，自动主汽阀、调速汽阀、抽汽逆止阀卡涩或关闭不严；（3） 汽轮机保护装置，如低油压保护、串轴保护、背压保护等保护装置不能正常投入，背压排汽安全阀动作不正常；（4） 主要表记，如主蒸汽压力表和温度表、排汽压力表、转速表、调速油压表、润滑油压表、汽缸的主要被测点的金属温度表等不齐备或指示不正常；（5） 交、直流油泵不能正常投入运行；（6） 盘车装置不能正常投入运行；（7） 润滑油质不合格或主油箱油位低于允许值；（8） EH油压过低或EH系统不能正常投入运行；2 汽轮机进汽配汽方式汽轮机的起动、停机的功率变化是通过开大或关小调节汽阀来改变进入汽轮机的蒸汽流量和蒸汽参数而达到的。汽阀的开关有两种方式：节流调节（又称单阀调节）和喷嘴调节（又称顺序阀调节）。节流调节是通过开大或关小主汽阀或调节阀的开度来实现的。喷嘴调节是通过顺序开大或关小调节阀的开度来实现的。另外，汽轮机的起动又以锅炉出口压力变化的情况分为滑压及定压起动两种方式。综合以上所述，汽轮机的配汽方式有下列几种可供选择：（1） 定压节流调节；（2） 定压喷嘴调节；（3） 纯滑压调节；（4） 滑压和部分节流调节；（5） 定压/滑压喷嘴调节；汽轮机进汽配汽方式的选择应根据机组承担的负荷型式（如基本负荷、中间负荷、两班制等）、经济性要求、部件热应力以及其它因素综合考虑后确定。现代汽轮机数字试电液调节系统的“调节汽阀阀门管理”功能已可以实现在机组运行的任何工况下能使汽轮机在各种配汽方式之间平稳地切换。9.汽轮机的总体设计汽轮机总体结构设计的依据是：与用户签定的技术规范书和汽轮机原则性热力系统图。汽轮机总体结构设计的主要内容是：确定汽轮机的结构选型（如汽轮机高、中、低压缸模块选择），确定汽轮机机组总的外形尺寸和重量、机组总体布置以及机组的基本框架尺寸和电厂设计规模。汽轮机总体结构设计的要素是：通常为汽缸数及主要动静部件结构特征，排汽口数及末级叶片高（排汽面积）以及单轴布置或双轴布置。10.空冷汽轮机一.概述采用空气（风）带走凝汽器废热的汽轮机称为空冷气轮机。与常规湿（水）冷凝器的汽轮机不同之处在于：配用空冷系统（又称干冷系统）形成的背压高、变化幅度大且变化频繁。因此，对汽轮机设计与运行提出了一系列新的要求。（1） 空冷系统空冷系统可分为直接空冷系统（直冷系统）与间接空冷系统（间冷系统）两大类。后者根据冷凝器型式的不同，又可分为海勒系统与哈蒙系统两类。（2） 空冷与湿冷系统的机理之差别：空冷系统与湿冷系统的冷却机理大不相同。湿冷主要靠水的蒸发散热，因此背压与湿球温度有关。空冷主要靠金属壁向空气放热，因此换热效率低，形成的背压高；空冷系统的背压与大气干球温度直接相关：大气温度变化10C，凝结水温度也变化10C，因此在昼夜温度变化大的情况下，将导致汽轮机的背压变化较大，且变化频繁。在温差变化大的情况下，一天内背压的变化可达13倍。不同的冷却系统之间的比较请见下表；冷却系统冷却需要类型设计大气温度（湿冷为设计水温）（0C）设计背压（kPa）背压变化大致范围（kPa）四排汽600MW机组末级叶片最佳高度（mm）空冷系统直冷系统1313.3530730间冷系统海勒系统1314.5632710哈蒙系统1316.3735680湿冷系统开式循环154391000二次闭式循环205.4412850(3)空冷机组的特点1 省水，理论上干塔不耗水，与湿塔（二次循环）比，壹台200MW机组每天可节水约400万吨，它约占电厂总耗水量的2/3。2 减少污染，有利于环境保护。3 供电煤耗约比市冷机组高3%5%。4 电站总投资比市冷机组高10%15%。5 对汽轮机设计尤其是对低压排汽端末级叶片的设计影响较大。6 汽轮机带基本负荷及提高单机容量可缩短投资回收年限和降低单位成本的造价。11.电站汽轮机的发展趋势一概述目前，全世界75%以上的发电量是由汽轮发电机组的电站（包括核电站和化石燃料电站）提供的。虽然近年来燃气轮机和燃气轮机蒸汽轮机联合循环电站正在逐步增加，但这一比例在今后仍不会有较明显的改变，面对各种新能源和新动力装置的挑战，传统的蒸汽轮机电站的技术也正在不断地向前发展，其发展的趋势如下：（1） 增大单机功率，提高蒸汽初参数，改进汽轮机的通流设计，优化中间再热和给水回热系统，以提高汽轮机组的经济性；（2） 发展大型热电联产机组和燃气蒸汽联合循环，以提高电站热力循环的效率， 最大限度地提高燃料中一次能源的利用率；（3） 开发以电子计算机和电子元器件为基础的汽轮机控制系统和电站控制系统，以提高自动化水平；（4） 采用先进的加工制造设备和工艺，按ISO-9000质量标准建立完整的质量保证体系，以确保产品质量和工作质量，提高机组的可靠性和可用率。二提高机组的经济性（一） 提高蒸汽初参数为了充分提高机组的经济性，大功率机组蒸汽参数的发展趋势是采用超临界压力，大于5380C的汽温和二次中间再热。目前世界上已有数百台超临界参数的汽轮发电机组投入运行，其中少数机组的蒸汽温度已达到6000C。目前已掌握的设计和材料技术已为采用较高的蒸汽参数打下了基础，但在具体的机组设计时，还必须从燃料成本、设备成本和电厂投资成本等方面进行综合技术经济分析来确定合理的蒸汽参数。一般。从亚临界参数18Mpa/5380C/5380C提高到超临界参数25Mpa/5380C/5380C时，汽轮机的热耗可降低1.8%2%;从18Mpa/5380C/5380C提高到18Mpa/5650C/5650C时可降低热耗1.3%1.5%;从18Mpa/5380C/5380C提高到25Mpa/6000C/6000C时可降低热耗5%以上；采用二次中间再热比一次中间再热降低热耗1.5%2%,因此提高蒸汽初参数是提高机组经济性的重要手段。（二） 改进汽轮机通流设计应用已有的设计手段，辅以先进的试验设备和测试手段，不断开发低损失的动、静叶片的新叶型，取代现有的叶型，以提高级效率。应用可控涡流设计和全三元流设计等方法设计汽轮机的通流部分和动、静叶片，尤其是低压缸的通流部分和末级长叶片。实践证明，这方面的改进对提高汽轮机效率有明显的效果，正成为世界上各汽轮机制造厂商开发和试验研究的方向之一。改进通流部分的汽封结构、减少级间漏汽损失，以提高内效率，一直是汽轮机产品设计和老产品改造中予以重视的问题。（三） 增大单机功率随着国民经济的迅速发展，近年来我国火力发电设备的装机容量正以每年12000MW的速度向上增长，电网容量也在逐步增大。在70年代主力机组是125MW和200MW机组，在80年代是300MW机组，在90年代是300MW和600MW甚至更大的机组。在国外，采用超临界参数的单机功率为1200MW的单轴汽轮机和1300MW的双轴机组早已投入运行，蒸汽参数为31Mpa/5660C/5660C的二次中间再热700MW机组也于1989年投入商业运行。目前电网中主力机组的容量为500800MW的机组。增大单机功率可以提高机组的经济性，降低机组单位功率的造价，减少电厂的运行和维护费用。一般，机组容量增大一倍，电厂单位功率的造价可降低15%，降低运行维护费用约4%。随着机组功率（蒸汽流量）的继续增大，末级排汽面积将响应增加。汽轮机的功率 Ni和排汽面积F（m2）的关系大致可以用下式表示：F=N10-2/30PK式中 N-功率（kw）PK背压（绝对）（kPa）三开发末级长叶片末级长叶片是发展大功率汽轮机和提高机组经济性的先决条件之一。只有拥有运行可靠和效率较高的末级长叶片，才有开发相应的大功率机组的基础。一般而言，功率越大，年平均负荷率越高，背压越低，则末级叶片排汽面积选大一些，叶片选高些，余速损失小些更为有利，因为汽轮机末级所发出的功率占整机功率的10%以上，因此改进末级叶片的性能对提高机组的经济性是很重要的；四提高自动化水平（1） 调节控制系统大功率汽轮机组的运行工况复杂，安全可靠性要求比较高，因此汽轮机的调节控制系统既要操作调整方便、自动化程度高、又要调节品质好、控制精度高，更要安全可靠、可用率高。当前汽轮机调节控制系统的发展趋势是采用以微型计算机为基础的数字式电液调节控制系统，既能完成转速调节、功率调节和机炉协调控制功能，还能按限定的机组部件热应力等允许条件，实现自动启动、升速、同步并网、负荷变化、阀门管理和运行工况监测、图象显示及记录打印，以及事故追忆和部件故障诊断等功能。其特点是集调节、控制、监测和数据处理为一体，以满足各种运行工况的需要，保证 机组的安全经济运行。系统可由若干组微机处理单元组成，每组单元承担一定的控制功能，形成一个汽轮机自身的控制系统，又成为电厂分散控制系统的一个部分。系统还应带有自检功能，可以在线维修。重要是子系统应冗余设置，重要功能应采用三选二的逻辑，以确保调节系统的可靠性。汽轮机调节系统应与整个电厂的控制系统相连接，接受电厂控制系统的控制和调度。第二部分电站汽轮机调节保安系统第一节 概 述汽轮发电机是火力发电厂的主要设备之一，电力用户要求汽轮发电设备提供足够数量的电力并保证供电的质量。供电的质量主要有两个：一是频率，二是电压。这两者和汽轮机转速都有一定的关系，电频率直接取决于汽轮机的转速；电压则除了因汽轮机转速影响同轴励磁机转速而使电压受到间接影响外，主要靠通过对发电机励磁电流的调整来进行调节。所以汽轮机自动调节的主要任务就是调节汽轮机的转速，从而使电频率维持在一定的范围之内，而电压的调整则另有专门设备，不在汽轮机调节的范围之内。频率的调节对工农业生产意义很大，很多部门，如纺织、造纸、广播电台等，对频率的变化范围都有严格的要求汽轮机的调节系统应用性能优良、动作准确可靠，以确保机组安全经济地运行。调节保安系统的作用主要使机组的被调量（转速 、压力等）能按一定的规律变化，以适应负荷（电功率、热负荷或驱动功率等）变动的要求；当机组发生故障或外界扰动时能采取紧急保安措施，以确保机组安全，免遭损害。对于不同用途的汽轮机，对其调节系统的要求是不相同的，汽轮机的调节系统有凝汽式、背压式、抽汽式、中间再热式及工业用变速驱动式等类型。以电站用凝汽式汽轮机为例，其调节原理是取汽轮机的转速变化作为信号（并网时，也可调节同步器来控制信号），经过放大，最后控制调节阀的开度来改变进入汽轮机的蒸汽流量，以适应外界负荷或蒸汽状态的变化，使汽轮机转速基本保持一定。汽轮机的调节系统基本上是一种有差调节系统，另外还有一种无差调节，在有压力调节的系统中应用。就背压式汽轮机为例，其调节原理是取汽轮机的背压变化作为信号（并入热网时也可调节压力变换器来控制信号），经过入大，最后控制调节阀的开度，改变进入汽轮机的蒸汽流量，以适应外界热负荷的变化，使汽轮机背基本保持一定。此时，汽轮机的电负荷是取决于热负荷，转速控制作为限速保护。为同时满足电负荷和热负荷变化的需要而采用的抽汽式汽轮机，其调节系统的调节原理采用牵连调节，满足自治条件以适应电负荷和热负荷的分别变化而不影响另一被调量。中间再热式汽轮机已成为当今电力系统中的主力机组，其调节原理除应采用转速调节外，还应考虑其他的控制要求，如提高机组的负荷适应性，改善机能动态超速性能以及对机组热应力的监视和控制，并具有对机组故障的预测和诊断能力等。调节保安系统的结构型式有机械液压式、全液压式、模拟电液式和数字电液式等。一般来说，对于中小型机组，为满足基本的调节性能和保安功能，以及降低成本，常采用机械液压或全液压式。对于大型机组，由于它在电网中占的比重大，要求有更高的经济性和安全性、防止超速的快速反应性能，以及起动灵活方便和机组寿命管理等控制性能，一般常采用模拟电液式（AEH）控制系统或数字电液式（DEH）控制系统，当然，其成本也相应提高。近年来，由于对整个电站自动控制的要求日益提高，大型电站均采用分散型控制系统（DCS），它可进行大量的数据通信和显示处理，并实现各主要控制系统如数据采集处理系统（DAS）、协调控制系统（CCS）、数字电液控制系统、旁路控制系统（BCS）、燃烧器管理系统（BMS）和顺序控制系统（SCS）等的体化，因而数字电液式调节系统更具有其优越性，可作为分散型控制系统高速通信通道上的一个控制站，进行可透性的数据控制。从功能改进和扩展上考虑，DEH比AEH具有更大的灵活性。本篇内容以液压式调节系统为主，对调节系统的稳定性和瞬态过程，必须应用自动调节理论进行静态和动态分析，但由于实际存在的系统都是非线性的，它包含了各种各样的非线性因素，有些往往严重地影响着系统的动态行为，为了从总体上来提示非线性系统的各种特性，可借助总体评价法来评估其对动态特性的影响，为系统的设计、改进和调试提供理论依据。最终，还须通过实测试验来验证，以确保达到设计要求。除了转速的自动调节以外，汽轮机还有冷凝器水位、汽封汽压等自动调节设备。此外，为了保证汽轮发电机组的安全运行，必须设有各种保护装置，如超速保护、低油压保护等等，这些保护装置使得汽轮机在转速、轴向位移和润滑油压等超出了安全范围以后能够自动停止机组的运转，避免事故的进一步扩大。第二节 汽轮机调节系统的基本概念1 1直接调节和间接调节设有一台汽轮机带动一台发电机单独向用户供电（图1-1），并且假设在初始状态时汽轮机的主力矩等于发电机的反力矩（忽略摩擦力矩）。当用户的耗电量增加时，发电机的反力矩增加，这时主力矩小于反力矩，表现为汽轮机拖不动发电机，因而转速逐渐降低。这时要求开大进汽阀门，增加汽轮机的功率。这样一方面可以满足用户的电力需求；另一方面又可保持汽轮机的转速，保证供电质量。相反，当用户的耗电量减少时，即主力矩大于反力矩，这时转速将会升高，它要求关小汽轮机的调节阀（下称调节汽门）。所以，按照汽轮发电机组的工作特点，在转速降低时，应开大调节汽门，转速升高时应该关小调节汽门。 图1-2是直接调节系统的示意图。当汽轮机负荷减少而导致转速升高时，离心调速器1的重锤向外张开，通过杠杆2的传动关小调节汽门3，使汽轮机功率也相应减少，从而建立起新的平衡。负荷增加时，转速降低，离心调速器1的重锤向内移动，通过杠杆2的传动开大调节汽门3，增大汽轮机功率，实现新的平衡。由此可见，由于设置了调速器，不仅能使转速保持在一定的范围之内，而且还能自动地保持功率的平衡。直接调节的基本原理可以用图1-3的方框图来表示。图1-2的调节系统是利用调速器本身直接带动调节汽门的，所以称为直接调节。由于调节器能量有限，只能带动很小的汽门，所以直接调节的应用范围只限于功率较小的汽轮机。功率稍大一些的汽轮机，由于移动汽门需要较大的力，所以一般都将调速器的位移在能量上加以放大，这种系统称为间接调节系统。 图1-4是最简单的一级放大间接调节系统。这里调速器所带动的不是调节汽门，而是一个断流式滑阀（下称错油门）。转速升高时，调速器1的滑环A向上移动，通过杠杆2带动错油门5向上移动，这时错油门的上油口和油泵来的压力油管相连通，而下油口则排油口相通。压力油经过错油门的上油口流入油动机3活塞的上油腔，在上油腔中形成高的压力，而油动机活塞的下油腔则通过错油门5下油口和排油相通，在下油腔中形成低的压力。油动机活塞上下的压力差推动活塞向下移动，关小调节汽门4。转速降低时，调速器滑环A向下移动，带动错油门向下，这时油动机活塞下油腔与压力油路相通，而上油腔则和排油相通。油动机活塞上下的压力差推动活塞向上移动，开大调节汽门。所以，在间接调节中，调节汽门的动作规律和直接调节相同，但是推动汽门的不是调速器本身，而是油动机活塞上下的压力差。油泵的压力比较高，活塞的面积也可以设计得相当大，所以油动机能够具有足够大的推动力去推动汽门。 错油门的移动不仅是由于调速器滑环的位移，而且也受油动机活塞位移的影响。当转速升高而使调速器滑环带动错油门向上移动时，油动机活塞向下移动，活塞的位移又通过杠杆2带动错油门向下移动。当油动机活塞所引起的错油门向下位移抵销了调速器所引起的错油门向下位移时，错油门恢复到中间位置，油动机就停止运动。这时汽轮机实现了新的功率平衡，调节系统也达到了新的平衡状态。 油动机活塞的运动是由于错油门位移引起的，但活塞位移反过来又影响错油门的位移。这种作用在自动调节原理中称为反馈，反馈的原理在汽轮机各种调节系统中是经常得到应用的。根据图1-4的示意图，间接调节的动作过程可以简化成图1-5所示的方框图。从图1-5可以看到，在A点不仅作用着来自调速器的信号，而且还作用着来自油动机的反馈信号。油动机的信号和调速器信号所引起的错油门位移是相反的，所以称为反馈。1-3调节系统的静特性根据直接调节和间接调节的工作原理，我们不难发现在负荷变化时，转速的变化范围虽然大大缩小了，但是在不同负荷时所对应的转速还是不同的。对于图1-2的直接调节系统，一定的汽门开度对应于一定的调速器滑环位移，而一定的滑环位移又对应于一定的调速器转速。所以一定的汽轮机功率（汽门开度）是和一定的汽轮机（调速器）转速相对应的。汽轮机功率增大则转速降低，功率减少则转速升高。汽轮机功率和转速的关系称为调节系统的静特性，见图1-6。对于间接调节系统（图1-4），在调节系统达到稳定状态时，油动机停止运动。此时错油门应当处在中间位置。对于稳定工况而言，可以把O点看成是静止不动的。因此，在间接调节系统中，一定的油动机位移（汽门开度）也是和一定的调速器滑环位移相对应的，而调速器滑环位移又和它的转速相对应的。所以，对于间接调节系统，汽轮机的功率和转速也是一一对应的，它也具有如图1-6所示的静特性线。汽轮机在空负荷时所对应的转速设为nmax,额定功率时所对应的转速设为nmin，则nmax与nmin之差与汽轮机额定转速ne之比通常称为调节系统的速度不等率，或称速度变动率、不均度，即= （1-1） 速度不等率可以取为36%，通常采用45%。调节系统的静特性(N-n关系曲线)虽然可以用试验方法直接求得，但是由于汽轮发电机组通常都是并网运行的，进行直接测定静特性的试验是有一定困难的。因此一般需要经过带负荷和空负荷两次试验，分别求得汽轮机和各调节元件的特性然后用作图方法绘制整个系统的静特性线。在设计调节系统时也可以通过计算求得各元件（包括调节对象）的静特性，然后用作图或计算方法求得系统的静特性。下面以图1-4的间接调节系统作为例子，来说明调节系统静特性的绘制方法。根据调速器的工作原理，调速器的转速升高则滑环的位移也相应增大，调速器的转速和敏感元件的位移的关系如图1-7的第二象限所示。 在达到稳定工况时，油动机停止运动。这时错油门必然处在中间位置，它相当于一个固定的支点。所以，调速器滑环和油动机行程之间也存在一一对应的关系，滑环位移愈大，则油动机所带动的调节汽门的开度愈小。滑环位移和油动机行程的关系如图1-7第三象限所示。油动机行程（调节汽门的开度）和汽轮机功率之间也存在一一对应的关系。这个关系绘在图1-7第四象限上。任意选定某一功率Ni,在第四象限的曲线上可以找到所对应的油动机行程mi在第三象限上可以找到所对应的滑环位移Xi再按滑环位移Xi在第二象限调速器特性上找到所对应的转速ni。最后按功率Ni和转速ni绘在第一象限上，就得到静特性线上的一个点I。取不同的功率，按同样的方法可以求得静特性线上的许多点。将这些点连接起来就得到汽轮机功率N和转速n的关系线，也就是汽轮机调节系统的静特性线。在绘制上述曲线时，假设各特性线都是一一对应的单值关系。实际上由于摩擦力、铰链间隙、油口重迭度等因素，上述特性线并不都是单值关系。在转速升高时，由于摩擦力的影响，调速器滑环并不移动，只有当离心力变化的增量超过了摩擦力后滑环才开始移动。滑环移动后，如果滑环的位移不超过杠杆铰链的间隙，则错油门也不产生位移，油动机也不会运动。所以调速器的特性线（n-x曲线）实际上都是两根线而不是一根线。由此而绘成的整个整个系统的静特性也将是两根线而不是一根线。图1-8是考虑了摩擦力等因素后的调节系统的静特性。设汽轮机原来的功率为N1、转速为n1。转速上升时由于存在着摩擦力等因素，油动机活塞并不立即移动，汽轮机功率也不能立即减少。只有当转速上升到n2，使这些因素得到克服以后，汽轮机功率才开始减少。所以转速上升减少负荷过程的特性是12b曲线。如果原来的转速为n2，功率为N1，则转速下降时在转速大于n1以前汽轮机功率并不减少，只有当转速低于n1时，油动机才开始开大汽门，增加功率。所以实际的静特性是两根，一根是减负荷时的特性线（bb、）；另一根是增负荷时的特性线（aa、）。在这两者之间是一个死区，称为不灵敏区。转速在这个区域内变动时，调节系统是不动作的。不灵敏区的大小衡量着调节系统的灵敏度。不灵敏区小则调节系统灵敏；不灵敏区大则调节系统动作迟钝。不灵敏区的大小用迟缓率来表示，迟缓率的含义是指在同一功率下，转速上升过程曲线bb、和转速下降过程曲线aa、之间的转速差n2-n1,与额定转速ne之比，即：迟缓率是调节系统质量的主要指标之一，一般认为迟缓率为以下的调节系统，其质量才是合格的。在汽轮机调节系统中通常还备有一种称为同步器的机构，通过就地或远距离操作同步器，可以使调节系统的静特性线作平行移动。静特性线平移的作用，在单机运行和并网运行时是不同的，下面分别加以讨论。单机运行时，按照调节系统的静特性，负荷变动时会引起汽轮机转速即电网频率的变化。这种变化显然是不希望的。因此调节系统中附加同步器机构，通过人工操作同步器来恢复电网的频率。所以，单机运行时通过操作同步器平移静特性线可以调整汽轮机的转速。并网运行的机组在并网前或甩负荷后（仍属于单机运行工况），为了调整汽轮机的转速使之于电网频率想一致，也有必要操作同步器将静特性线作平行的移动。并网运行时，各机组共同向电网供电，电网中各机组的转速决定于电网的频率，而电网的频率则是由电网中各机组共同维持的。其中某一台机组出力的变化对电网的频率影响不大，所以在并网运行时平移静特性线的作用也与单机运行时不同。设某一台机组，其功