华北电力大学毕业设计(大型机组汽动给水泵汽轮机热力计算与经济分析.doc

华北电力大学毕业设计（论文）题目 大型机组汽动给水泵汽轮机热力计算与经济分析专 业 电力系统自动化 班 级 h电升0705 学生姓名 黄 杰 指导教师 徐明荣 成人教育学院2009年10 月 15 日华北电力大学成人教育学院毕业设计（论文）任务书姓名黄 杰专业电力系统自动化班级H电升0705毕业设计（论文）题目大型机组汽动给水泵汽轮机热力计算与经济分析毕业设计（论文）工作起止时间2008.022009.10地点三河电厂毕业设计（论文）的内容：1、 给水泵驱动方式概述2、 汽动给水泵小汽轮机热力计算（功率，效率）3、 实例分析与计算4、 电动给水泵与汽动给水泵经济性比较5、 结论毕业设计（论文）的要求：指导教师签名： 摘 要给水系统是发电厂热力系统的重要组成部分，它的工质流量大，压力高，对发电厂的安全，经济，灵活运行至关重要。而给水泵是给水系统的主要设备。通过对汽动给水泵组的研究，对汽动给水泵汽轮机进行热力计算与经济分析，我们可以更好的对给水系统进行调整和改进，来使整个机组的效益提高。本论文围绕大型机组给水泵汽轮机效率和经济性分析这一课题，着重分析该汽轮机在机组额定工况运行中效率计算的问题。首先介绍了给水泵的两种驱动方式电动和汽动，重点介绍了汽动给水泵的形式以及其优缺点。然后采用热力学方法，从给水泵端着手，通过计算在额定工况下给水泵的有效功率，从而得出给水泵的轴功率， 由机械效率方面可以得出给水泵汽轮机的轴功率，最终得出给水泵汽轮机的效率以及功率。最后本论文对电动给水泵和汽动给水泵通过以下几个方面进行了经济性比较：（1） 运行经济性（2） 输出净功率（3） 热经济性（4） 综合成本煤耗率关键词：给水泵 汽轮机 经济性 效率目录前言4第一章 给水泵驱动方式概述61.1 电动机驱动61.2 汽动给水泵71.2.1 主汽轮机驱动71.2.2 给水泵汽轮机驱动71.2.3 给水泵汽轮机的形式71.2.4 凝汽式给水泵汽轮机81.2.5 给水泵汽轮机驱动的优点9第二章 汽动给水泵的计算112.1 汽轮机机组的热经济性指标112.2 汽轮机效率与经济运行132.3 主汽轮机的计算132.4 给水泵汽轮机效率计算方法的确定142.5 泵效率的计算式17第三章 实例分析与计算193.1 给水泵和给水泵汽轮机的规范193.2 给水泵主要参数193.3 给水泵汽轮机计算20第四章 电动给水泵与汽动给水泵经济性比较214.1 运行经济性比较224.2 两种驱动方式输出净功率的比较224.3 两种驱动方式的热经济性比较244.4 用“综合成本煤耗率”判断给水泵驱动方式28第五章 结论28致谢30参考文献31前言随着汽轮发电机组单机容量和蒸汽参数的提高，电站的热经济性不仅依赖于机组本身，而且还依赖于热系统中辅机的配置和运行方式。由于电网容量的迅速增大，昼夜之间负荷的差值也就越来越大，大容量机组参加调峰的问题已经迫在眉睫。因此，除了要求机组在额定工况下有较高的经济性外，同时还要求汽轮机组适应在变压运行和滑压运行方式下工作，电厂辅机设备中的给水泵的运行方式也由原来的定速运行改为变速运行。所以，当给水泵的运行方式改变后给水泵的驱动方式也需要作相应的变化。给水泵汽轮机的工作汽源在额定工况时，来自主汽轮机的抽汽，排汽直接进入主凝汽器或自备凝汽器。由于给水泵汽轮机与主汽轮机低压缸并联布置，这就有效的增加了排汽面积，使主汽轮机的排汽损失减小，从而提高了整个热力系统的热效率。在我国的 300MW 及以上的火电机组中，锅炉给水泵的驱动有部分采用的汽轮机来（简称给水泵汽轮机,下同）驱动。这主要是得益于它与电动调速给水泵的驱动相比较具有明显的运行经济性。在火电机组中，给水泵的耗功是主要的耗电设备之一，约占主机功率的 2%-4%。因此，火力发电厂运行的经济性不仅仅依赖于机组的本身效率，同时还对于热力系统中辅机的配置和运行方式有一定的要求，然而，人们往往很重视主机的经济性，对锅炉给水泵驱动用的小汽轮机的运行效率和经济性了解不多，重视不够，对于其经济性的分析也缺乏一定的深度。给水泵汽轮机属于工业汽轮机的范畴，通常给水泵汽轮机进汽压力在 0.4Mpa1.0Mpa 之间，排汽压力在 4.0Kpa12Kpa 之间。工作转速一般为 4500r/min6000r/min1。在实际运行中测量驱动给水泵用汽轮机的效率是诊断和提高给水泵汽轮机的运行经济性的首要课题。这样，提高了锅炉给水泵汽轮机的效率，同时也就是提高了给水泵效率，降低了给水泵的耗功，降低了厂用电，汽轮机驱动给水泵外加 1 台 25%备用泵。在我国由于给水泵驱动的可靠性尚有待提高，通常主张采用 2 台 50%容量（对300MW 以上的火电机组给水泵汽轮机驱动的方式）和 1 台 50%容量的备用泵运行方式。例如：在原水电部“SDJ84 火电厂设计技术规程”中规定，对于单元制给水系统，每一单元装设 1 组给水泵，其中一台备用；又规定“200MW 以下机组易装设电动调速给水泵，用电动调速泵作为备用泵。”以往国外机组大都采用了 2 台 50%容量的提高了整个热力系统的经济性。所以，在火电厂中，给水泵汽轮机的分析不仅对小汽机是现在要进行的研究课题，对机组的经济性提高也具有相当的意义。23研究表明，300MW 及以上大型火电机组用工业汽轮机驱动锅炉给水泵，其经济性能够显著提高；反之，对于 250MW 及以下的火电机组一般采用电动给水泵较为有利。实际上国外常以 300MW 为分界线，等于和大于 300MW 的火电大机组已采用给水泵汽轮机驱动锅炉给水泵的为多。国外约有 80%以上的火电机组采用给水泵汽轮机驱动锅炉给水泵的方式。90 年代这个比例呈增加趋势，不仅在经济性上能够提高，还由于变速给水泵汽轮机的固有特性可满足给水泵对可靠性的各种要求变化。在配比方式上，对于容量在 300MW至 400MW（甚至到 600MW）之间的机组，为使选用的给水泵汽轮机组能显出更大的优越性，多采用全容量给水泵汽轮机。例如北美、西欧。这不仅由于当今的技术完全可以提供可靠性较高的给水泵汽轮机，还因为全容量的给水泵汽轮机比半容量的给水泵汽轮机具有更高的效率，而且使得整个机组的热耗率可下降 8%16%。这样不仅可以节约一部分投资，甚至于不采用备用泵。例如：美国的托马斯克里克厂的 4 号机 600MW，卡特尔厂 615MW 的 1.2 号机组都是采用一台全容量的汽轮机驱动给水泵而且不用备用泵。西欧的如英国 GEC 公司生产的 500MW 机组，法国 AA 公司的 600MW 以及 ABB 公司的一些机组均采用一台全容量的汽轮机驱动给水泵和 2 台 25%或 50%电动泵（或一台 50%的电动泵）向美国做法靠近。日本介于欧美两派之间，现在大多数的机组配置了 2 台 50%容量的汽动泵加 1台 50%容量的电动泵，甚至国外引进机组时也要去按这种方案去选配。第一章 给水泵驱动方式概述1.1 电动机驱动这种驱动方式是：由给水泵的给水调节阀控制给水流量，也可以有电动机经液力耦合器后驱动给水泵。有液力耦合器来改变给水泵的转速调节给水量或采用其它变速装置控制电机转速以驱动给水泵。电动泵也有两种：一是定速泵，泵出口流量及压力由调节阀调节，因耗电多、经济性差，仅作为启动备用泵；二是调速泵，依靠液力耦合器改变转速，以调节泵出口流量及压力。由于电动变速方式可以简化热力系统, 且投资省、可靠性高、易维护等, 目前国内也有一些专家赞成采用这种电动变速驱动的方式。自80 年代开始, 交流变速传动技术在国内外发展很快。随着电力电子技术的发展, 各种容量和型式的变频电源、整流装置的研制成功以及大容量晶闸管价格的降低, 使许多大型火电机组锅炉给水泵采用交流变速驱动成为可能。在交流变速驱动系统中, 无换向器电机调速系统是在大型机组锅炉给水泵驱动方面应用最广泛、经验最成熟的一种。如欧州贝尔卡门电厂750MW 机组、南非MA T IMBA 燃煤电站600MW 机组锅炉给水泵就采用了无换向器电机驱动。无换向器电机的优点是：1.变频器结构简单, 使用的晶闸管少, 控制方便, 能适应恶劣环境运行, 能做成高转速、高电压、高效率的调速系统。2. 能实现无级变速, 调速精度高, 调速范围宽(一般为101) , 机械特性好。在高速电动机生产领域,BBC 公司拥有丰富的经验和先进的技术水平。该公司生产的W S 型系列高速无换向器电机目前已广泛地应用于要求高转速、大容量、高可靠性和易维护的场合, 其中应用最多的是锅炉给水泵的驱动。W S 型无换向器电机的设计特点为：(1) 采用了新型大功率晶闸管, 使频率能在0 120Hz 范围内调整, 同步电动机因而能达到7200rm 及以上的运行转速。(2) 变频器由4 个三相晶闸管桥串联形成12脉波式结构, 其可靠性高, 对电网的高次谐波干扰小。( 3) 定子绕组分为2 个独立的三相绕组, 其间相差30的电角度。采用这种设计可以有效地减小作用在转子上的脉动转矩。( 4) 采用了合适的转子阻尼绕组, 降低了因非正弦定子电流而产生的转子损耗。随着无换向器电机及变频技术的不断推广应用与发展, 重新评价锅炉给水泵各种驱动方式的优劣, 对进一步简化热力系统, 提高机组运行水平及安全经济性等, 都具有非常重要的意义。但是当机组功率增大后，由于电动机、变压器启动的控制设备容量要求也相应的增大，整个装置的成本也同时增大，增加了厂用电率。所以，目前生产的驱动给水泵的电动机功率大多都不超过 6000kW。 因此限制了这种驱动方式在大功率汽轮机发电机组上的使用和发展。1.2 汽动给水泵1.2.1 主汽轮机驱动这种驱动方式有多种形式，如将主汽轮机的转轴与给水泵的转轴直接连接或通过液力耦合器与给水泵的转轴进行连接，都是为了适应给水泵向高速化方向发展的要求。也有采用主汽轮机的转轴经液力耦合器，再经增速箱驱动给水泵。在 60 年代初期，这种主汽轮机驱动的方式曾获得了较多的发展。1.2.2 给水泵汽轮机驱动随着汽轮机发电机组单机容量及蒸汽参数的不断提高，设备的独立与主汽轮机分离的汽轮机（即给水泵汽轮机）驱动给水泵逐渐成为大功率机组中应用最多的驱动方式。1.2.3 给水泵汽轮机的形式1 背压式背压式驱动给水泵汽轮机是由主汽轮机的某一较高压力级的抽汽口供汽，排汽侧与主汽轮机的另一较低压力级的抽汽口相连接。这种形式的给水泵汽轮机对改善主汽轮机的经济性提高没有体现出一定的优越性，仅在发展初期有过应用，目前已不再使用。2 背压抽汽式背压抽汽式给水泵汽轮机也是由主汽轮机的某一压力较高的抽汽口供汽，排汽侧与主汽轮机的另一压力较低的抽汽口相连。但它还有 2-3 级抽汽送入主汽轮机的回热系统加热给水。这种形式的给水泵汽轮机在上世纪的 60 年代前后曾有过较多的应用。这样做的优点是：a 背压抽汽式给水泵汽轮机比凝汽式汽轮机更易做成高转速，且外形尺寸较小，不需要在单独设置小凝汽器，设备投资或成本降低；b 通过再热器的蒸汽量可减少 10%左右，降低了再热器，管道和截止阀的尺寸和成本；c 简化了主汽轮机的中压缸第一级叶片及中压缸的汽缸设计（无抽汽口或减少了抽汽口）；d 可减少由于蒸汽中间再热给回热加热系统带来的热经济性的不利影响；e 降低了加热器的成本，因为进入这些加热器的蒸汽来自给水泵汽轮机的抽汽口，它的温度较主汽轮机的相应的抽汽口的温度低。背压抽汽式的缺点与背压式一样，其排汽量重新回到主汽轮机，对改善主机的热经济性并无好处，特别当主机功率增大，末级排汽面积不够的时候更为突出。背压抽汽式给水泵汽轮机与回热系统联系密切。当主汽轮机需要经常在变负荷下运行时，二者之间的适应性差。不利于保证给水工作的可靠进行，同时整个机组的热效率一般较采用凝汽式给水泵汽轮机略低。所以，目前这两种形式的给水泵汽轮机已经不再广泛的使用，取而代之的是凝汽式给水泵汽轮机10。1.2.4 凝汽式给水泵汽轮机目前，广泛应用的凝汽式给水泵汽轮机均设计为纯凝汽式（无回热抽汽的），以此来简化整个热力系统并增大机组在运行上的灵活性。它的乏汽排入自备凝汽器或排入主凝汽器中。当主机低负荷运行时，主机抽汽压力相应下降，主机抽汽压力下降到某一程度时，就要利用专门的自动切换阀门将高压汽源引入给水泵汽轮机。图 1 表示了采用凝汽式给水泵汽轮机的典型系统。（给水泵汽轮机的排汽直接排入自备小凝汽器） 图1 凝汽式给水泵汽轮机的典型布置采用凝汽式汽轮机后，机组的经济性有了很大的提高和改善。从原则上讲，给水泵汽轮机的工作蒸汽可以取自主汽轮机的任何一段抽汽。但是，在以前的分析中可以得出，从主汽轮机中间再热点之前供汽，有如下的缺点：a 蒸汽在给水泵汽轮机膨胀处的温度过大使其内效率下降，增大末级叶片的水蚀。b 由于供汽压力较高，进入给水泵汽轮机的蒸汽容积流量较小，降低了通流部分喷嘴和叶片的高度。由于以上的原因，给水泵汽轮机的内效率要比主汽轮机的内效率低很多，部分的抵消了它对改善机组经济性的积极作用。为了改善以上的不足，给水泵汽轮机的工作蒸汽均取自于主汽轮机的中间再热后的某一抽汽口，为降低主汽轮机的末级排汽损失，供汽点的压力希望尽可能的低。此外，较低的抽汽压力可增大进汽容积，改善给水泵汽轮机的相对内效率 ，进一步降低机组的热耗率。但是，供汽压力太低就要导致给水泵汽轮机的最末级的排汽面积的过分增大，限制了本身转速的提高，同时其余速损失进一步加大，降低其相对内效率 。为此，给水泵汽轮机的工作蒸汽常取自主汽轮机的中、低压缸的连通管或压力较高的上一级的抽汽口处，额定功率下压力为 0.1-1.0mpa。1.2.5 给水泵汽轮机驱动的优点给水泵汽轮机的广泛使用，能够为电厂降低整机热耗、提高其热经济性。它同电动泵驱动方式存在很大的差异，笔者经过对两者的分析，得出给水泵汽轮机驱动比电动泵驱动的优点是20：1 给水泵汽轮机可提供不受限制的驱动功率，为大功率汽轮机的制造、发展创造了条件，可设计为高转速并与给水泵直接联接，以满足给水泵的最佳转速，大多为 5000r/min。2 给水泵汽轮机驱动与主汽轮机的驱动方式相比，给水泵汽轮机的内效率虽不及主机（前者约为 82%-84%），后者可达到 88%-90%，但汽轮机与给水泵直接连接减少了动力传递过程中的能量损失（一般为 0.99%）。3 给水泵汽轮机的工作蒸汽可取自主汽轮机的某一段的中间级，当该给水泵汽轮机为凝汽式时，可使流经主汽轮机的最末级的蒸汽量减少 7%-10%。从而降低了主机的余速损失，提高了主汽轮机的内效率。当机组的功率越大时蒸汽参数越高，采用凝汽式给水泵汽轮机对提高电厂经济性也越有利。4 可以实现给水泵的变速调节，减少了低负荷时给水泵的耗功，从而改善了机组的经济性。5 凝汽式给水泵汽轮机的热力设计特点随着汽轮机向高参数、大容量方向的发展，给水泵汽轮机已构成整个汽轮机组装置中的一个重要的组成设备。它的各个工作参数应从整机装置的经济性和安全性的全局出发加以考虑。给水泵汽轮机利用主汽轮机中、低压缸的抽汽作为工质，其排汽进入自己专门的自备凝汽器或主机的凝汽器中。当主汽轮机的负荷变化时，它的抽汽参数，即给水泵汽轮机的进口参数要随之发生变化，当主机抽汽压力下降到一定程度时，就要利用专门的自动切换阀门把高压缸的汽源引入给水泵汽轮机，为此把主汽轮机在额定功率时的抽汽参数作为给水泵汽轮机工作参数的设计值或额定值。凝汽式给水泵汽轮机进汽压力选择较低，一般为 0.4-1.0Mpa。因此，它的蒸汽绝热焓降就比较小（约为 750-1050），汽耗率却相当大，约为 4-5kg/kW，并且给水泵汽轮机进汽容积流量也很大。由于汽轮机直接驱动给水泵，工作转速较高，一般为 4500-6000r/min，在这样的条件下，给水泵汽轮机的通流部分的效率可以达到主机水平。给水泵汽轮机的设计转速或额定转速应与给水泵综合考虑后确定，大都在5000-6000r/min.给水泵汽轮机的转速变化范围则与主机的运行方式有关，当主汽轮机定压运行时，给水泵汽轮机的变速范围为额定转速的 80%-100%。滑压运行时为60%-105% 。给水泵汽轮机的功率根据给水泵的耗功能够确定下来。由于给水泵的耗功与主汽轮机的工况有关，为此可以把主汽轮机在额定功率时所需的给水泵耗功作为给水泵汽轮机的设计功率或额定功率。当给水泵具有中间抽头供再热器减温喷水时，在计算给水泵的耗工时给水量应按下列公式计算： Q （11）式中 ：Q -具有中间抽头时，给水泵的当量流量；Q -给水量；n 、n -抽头处给水泵级数及给水泵的总级数；Q -级间抽水量。为了保证高速给水泵的运行可靠性，通常在主给水泵之前设置一个前置泵，首先将给水升压后再进入主泵。前置泵由低速电动机驱动，也可由给水泵汽轮机经减速箱后驱动，对于后一种情况，在确定给水泵汽轮机的功率时，应把前置泵包括在内。所求的得给水泵额定功率，即可作为该机的设计功率。其最大功率取决于给水泵的最大功率，即考虑了流量余量和压头余量后的给水泵的功耗，一般为额定功耗的 115%-120%。同时，给水泵汽轮机的配汽系统设计必须能保证发出的最大功率。在分析比较的基础上，能够确定给水泵汽轮机的各个参数的设计值后，即可着手进行给水泵汽轮机的热力计算。除转速变化要考虑强度，振动等方面的要求外，总结它在热力设计方面的特性可表现为6：（1）由于工作蒸汽的参数不高，理想焓降较小，多数在 750-1000kJ/kg 范围内，约是主汽轮机的理想焓降的 40%-60%。（2）较高的工作转速以及较小的理想焓降，使给水泵汽轮机的级数不多，大都超过了 7-8 级，转子直径也不大。（3）相同的功率下给水泵汽轮机的重量和流量比一般凝汽式机组高出 20%-40%，高转速的采用有效限制了凝汽式给水泵汽轮机的最末级的排汽面积。（4）较低的进汽参数和较大的质量流量时的给水泵汽轮机的进汽容积流量要比相同功率下的机组高出约 5-10 倍，除增大了汽轮机进汽部分的设计困难外，给水泵的调节也会带来一定的困难。（5）较大的蒸汽容积容量以及提高的工作转速，使功率不大，级数较少的给水泵汽轮机有可能达到的较高的内效率。给水泵汽轮机是两种变速驱动中最经济的驱动方式。技术经济比较的结果表明，300MW 以上机组采用给水泵汽轮机驱动给水泵，其经济性得到明显提高，而且投资少，电站布置方式简单。当功率在 250MW 以下时则采用电动给水泵较为有利。因此，在国外的许多公司常以 300MW 为分界线，大于 300MW 采用给水泵汽轮机驱动，小于 300MW时则采用电动给水泵驱动。在 300MW-400MW 之间时，为了使给水泵汽轮机组的经济性得到进一步提高，有些国家推荐使用 100%容量。这是因为当今的技术完全可以提供安全的、可靠的汽轮机，而且 100%容量的汽轮机比 50%容量的汽轮机具有更高的效率，整机热耗可以降低 4-17,并且可以减少投资。第二章 汽动给水泵的计算2.1 汽轮机机组的热经济性指标评价电站火力发电厂的热经济性指标主要有汽耗率、煤耗率、热耗率和全厂效率四类。47A 汽耗率汽耗率是指汽轮机组每发1KWh电所需要的蒸汽量。d= kg/kW (21)如果一台汽轮机组是在某个进汽参数下接受全部蒸汽并在某个较低的压力下排出全部蒸汽的（这里指是没有给水回热的和中间再热的凝汽式汽轮机或背压式汽轮机），汽耗率是最恰当的性能考核指标。B 热耗率热耗率q 是指汽轮机每生产1KWh电能所消耗的热量。对于一台带有给水回热系统的电站汽轮机组，热耗率是重要的考核指标。其定义式为： q=d(= kJ/kW （22）对于中间再热机组，热耗率q为： q=d（ kJ/kW （23）从上述可知,热耗率q是衡量汽轮机发电组经济性的主要指标，但是它没有考虑锅炉效率，管道效率以及厂用电等。因此，整个发电厂的绝对热耗率比汽轮机发电机组的热耗率高。C 全厂效率凝汽式发电厂的全厂效率为发电机输出功率（以热量计）与燃料所供给的热量之比，其可分为全厂发电效率和全场供电效率两种。（1）全厂发电效率cp： （24）Q：为全厂热耗量； （2）全厂供电效率 （25）N 厂用电功率 kWe 指机组在生产电能过程中直接消耗的电量与发电量的比值。D 煤耗率煤耗率也称标准煤耗率，它反映了一个电厂或一台机组在能量转化过程中的技术完善程度，也反映了其运行水平的高低，同时也是厂际之间或班组之间经济评比和能源规划中的重要指标之一。同全厂毛效率和净效率一样，标准煤耗率也有发电标准煤耗率和供电标准煤耗率之分。供电标准煤耗率（简称供电煤耗率），因其能综合的反映机组的运行能力水平，已成为衡量机组经济最为常用，最为有效的一种能量指标。机组供电煤耗率 B是指机组每向外供出 1KW电能平均好用的标准煤耗，其计算公式为： B= kg/kW （26）锅炉效率，使锅炉热负荷与所供给能量的比值，一般为：=0.90.94；管道效率， 一般为= 0.980.99；汽轮机效率（汽轮机绝对电效率），是汽轮机发电量与吸热量的比值；是衡量汽轮机发电机组工作完善程度的指标。由上式可以看出，机组供电煤耗的大小主要是由锅炉效率、汽轮机效率和厂用电率三者决定的。对单元机组而言，最高的锅炉效率与汽轮机效率及最低的厂用电率未必会在同一运行工况中出现，其中有一个最佳匹配问题。因此，汽轮机经济性运行的目的即：对汽轮机组的运行状况进行优化调整，使机组在不同负荷工况下都能够在锅炉效率、汽轮机效率和厂用电率综合性能最佳的状态下运行，即在供电煤耗率最低的状态运行7。2.2 汽轮机效率与经济运行汽轮机效率公式： （27）汽轮机循环（理想）热效率，是汽轮机循环的理想作工量与吸热量得比值，大型机组=0.4-0.53；汽轮机相对内效率，是汽轮机内 1kg 蒸汽实际做功量与过程中等熵（理想）做工量的比值。大型机组=0.86-0.88；是衡量汽轮机中能量转换程度的指标；汽轮机实际循环效率(即汽轮机绝对内效率)，是汽轮机内蒸汽实际做工量与循环吸热量的比值，因此=，大型机组 =0.45-0.51；机械效率，是考虑机械损失后汽轮机联轴器端的输出功率，（轴端功率）与汽轮机内功率得比值，一般为 =0.99；发电机效率，是考虑电机损失后发电机输出的电功率与汽轮机轴端功率得比值，一般为 =0.98-0.99。上式为汽轮机效率的连乘式，有式中可以看到：汽轮机效率的高低主要是由汽轮机循环效率决定的，而 则是循环热效率和相对内效率的乘积。因此，和 的变化将直接导致汽轮机运行效率与经济性的变化8 2.3 主汽轮机的计算主汽轮机的效率是火力发电厂机组中一项重要的经济技术评价指标，其效率分为相对效率和绝对效率。由于蒸汽在汽轮机中的能量转换存在着各种损失，整机的理想比焓降不可能全部变为有用功，转换成有用功的只是实际比焓降，实际比焓降小于理想比焓降。对于无回热抽汽，没有前后端轴封漏气和门杆漏气的纯凝汽式汽轮机，和之比称为汽轮机的相对内效率，以表示： = （28）实际上汽轮机装置的整个循环中，为了使 1kg 蒸汽具有理想化焓降，需要加给 1kg 蒸汽的热量远比大得多，这主要是因为整个热力循环中存在着很大的冷源损失。与整个热力循环中加给 1kg 蒸汽的热量之比称为汽轮机的绝对内效率。以表示，则： = （29） 式中： 进入汽轮机的新蒸汽比焓； 对于纯凝汽式汽轮机为凝结水比焓；既汽轮机排汽压力下的饱和水比焓，有回热抽汽时改为末级高压加热器出口给水比焓。 忽略本机组给水泵耗功，且蒸汽动力装置按朗肯循环工作时的循环热效率： = （210）由此可以推导出汽轮机的内功率： （211）式中：和分别以 t/h 和 kg/s 为单位的汽轮机进汽流量。2.4 给水泵汽轮机效率计算方法的确定给水泵汽轮机是一种单轴、单缸、变参数、变转速、多汽源的原动机。它直接驱动锅炉给水泵，其效率的计算与给水泵的性能有着密切的联系。给水泵在驱动机械功的作用下，给水获得压力能（即压力得以提升），同时给水因绝热压缩而焓值升高，根据绝热压缩过程的特点，可以得出稳定流动能量方程为: （212）式中：，分别是给水获得的压缩过程中的理想等熵焓升，平均比容，压力升高。考虑到泵的机械效率，给水的实际焓升为 （213）可见，给水泵的焓升来源于原动机的耗功，同时又被给水吸收利用于热力系统。系统给水在泵中所提升的压力越高，给水泵的效率越低，则给水泵的焓升就越大。在主汽轮机的负荷减少时，给水流量虽然减少，抽汽压力也降低了。在调节阀升度不变时，进汽量同时降低，而且进汽焓降也随进汽压力降低而减少，二者都使给水泵汽轮机的出力减少。所以，在主汽轮机减负荷时，给水泵的能耗虽然减少了，但给水泵汽轮机出力也降得更快。因此，随着主汽轮机的负荷降低，给水泵汽轮机的调解阀不仅不关小，反而升大，当调节阀全开时，需要自动切换到压力更高的汽源。由于从给水泵汽轮机测较难直接在现场测出其效率，除非在驱动端（即给水泵汽轮机与给水泵连接处）安装扭矩仪，但是这样往往无法在现场做到，难度很大。所以我们可以根据给水泵和给水泵汽轮机之间的能量平衡原理来分析这个问题。锅炉给水泵轴功率的测量，可以采用热力学方法测出给水泵的效率。热力学方法是把热力学第一定律应用于水和其流过的给水泵之间的能量转换。随着给水压力和温度的提高，以及给水泵功率的增大，给水的压缩性不能忽略不计。给水泵的效率可以通过测量给水得到的有效能与泵轴传递给给水泵的能量来确定。泵的热力学效率为泵内流体在等熵压缩过程中所吸收的能量与外界供给的能量之比。供给能量包括对通过泵内流体的加热，对流体流过平衡装置，密封水系统水和流过润滑系统油的加热，以及泵体的散热损失等等。泵的热力学效率的表达式为13： （214）式中：单位时间内等熵压缩过程转移给流体的能量 kW；Q（单位时间内实际压缩过程转移给流体的能量 kW；单位时间转移给通过平衡装置水的能量 kW；单位时间转移给密封水的能量； kW；单位时间转移给润滑油的能量； kW；辐射功率 kW。另一方面，可以从计算单位质量的水从泵轴上获得的能量为基础，通过测量泵的性能可变参数（压力、温度、流速、标高）和水的热力学性能加以确定。测量系统原则布置如下图： 图21 系统测量原则布置图 每单位的质量流体的水力能和机械能分别由下式表示 （215） （216）确定的测点由图 3-2 中的 1、2 标示；由 11、21 标示。为平衡装置、密封装置的泄漏，密封冷却水和泵体散热造成的能量修正项。在 ISO5198离心泵，混流泵和轴流泵液力性能试验规程（精密级）中有关利用热力学方法测量泵效率部分，对的精确计算，应考虑到平衡装置和密封装置处流体和泵轴之间的所有摩擦和泵壳外壁与周围环境的传热。每单位的质量流体机械损失的能量预测量面之间的水带走，例如：轴承损失。所以，给水泵的效率表达式为14： （217）由于在泵的进、出口截面上测得的数据的不均匀性和测量仪器精密度的限制，以及实验条件的不完善而造成的相当大的修正量。所以，ISO5198离心泵，混流泵和轴流泵液力性能试验规程（精密级）规定热效率法只能用于总扬程超过100m 的泵，泵进、出水的温差3,温差的误差测定到 02以内。2.5 泵效率的计算式基于上述热力学方法测量泵效率的原理，在大型锅炉给水泵实验件下，可以认为水的膨胀系数15。由于大型给水泵的进、出口水温差都不大于 3,故可简单的用式（215）中的代替式（216）中的，泵进、出水的动能变化量远远小于压差能，对总扬程的影响可以忽略不计，泵进、出口压力表的安装标高相同，故位能差为零。一般情况下，给水泵平衡装置的出水接入其进口，在泵进口温度测点之后，修正项中平衡装置的泄漏损失不再考虑，合并 和，那么大型给水泵效率的计算公式简化为： （218）式中：、 分别为泵的进出口压力； 分别为泵的进出口温度； 相应于和的质量体积流量；相应于和下的等温系数；表示水的一种热力学特性相应于和下的质量定压热容；每公斤工质轴封、轴承和泵体的散热损失可取 1%-3%的轴功率KJ/Kg。根据热力学第二定律，可以得出： （219）式中：为给水泵进、出口测量面积的给水焓 kJ/kg变为： （220）与泵的比转数有关，可以取用泵制造厂提供的系数，在没有得到该数据时，对于刚投运得给水泵，可取 0.010.0015,旧泵为 0.020.03,并且完全可以满足工程需要精度的要求16。所以，可得泵的有效功率为： （221）式中： 为给水泵进、出口平均密度； kg/mH为水泵扬程；mQ为给水泵体积和流量；当给水泵有抽头和增压级时，流体得到的有效功需要考虑抽头和增压级的有效功。泵的轴功率可以由下式确定： （222）进而可得给水泵汽轮机的轴功率的计算式： （223）为机械效率最后可以得出给水泵汽轮机效率的计算式：给水泵汽轮机的效率计算式： （224）式中：G为给水泵汽轮机的进汽流量； kg/s为给水泵汽轮机的进汽焓； J/kg为给水泵汽轮机的排汽理想焓；J/kg。第三章 实例分析与计算3.1 给水泵和给水泵汽轮机的规范19某电厂 1 号汽轮机为 N600-16.7/538/538 型亚临界、一次中间再热、四缸四汽单轴、凝汽、带八级回热抽汽的汽轮机机组。该机组配套的给水泵汽轮机的技术规范如下：（1） 给水泵汽轮机型号：ND(G)84/79/07-1；型式：单缸、单轴、冲动、凝汽式、新汽内切换； 低压汽源压力：0.708 3Mpa；低压汽源温度：324.7；高压汽源压力：16.7Mpa；高压汽源温度：538；相对内效率：82.3%；排汽压力：6.28kPa；调速范围：2800r/min-6100r/min。（2） 给水泵型号：HPT300-330-5s/33+29,主要的技术参数见下表：其中，前置泵有电动机直接驱动，给水泵与给水泵汽轮机的连接方式见图 3-1。给水泵的配套方式为 250%。图 3-1 给水泵与给水泵汽轮机的连接方式1前置泵； 2给水泵汽轮机； 3电动机；3.2 给水泵主要参数表31 给水泵及其汽轮机在设计保证工况下（600MW）的主要参数：名称单位数值进水压力 MPa2.28进水温度 170.31进水流量1059.57出水压力 MPa19.91出水温度173.27平均给水密度 901.92给水泵总扬程 m1992.57给水泵效率 %83.55低压进汽压力 MPa0.76低压进汽温度339.25低压进汽流量t/h33.13小机排汽压力 kPa8.36表31给水泵及其汽轮机在600MW工况下的主要参数3.3 给水泵汽轮机计算由小汽轮机进汽可知小汽轮机进汽： s=7.3988KJ/kg蒸汽在汽轮机内的理想过程是一个等熵变化过程，则由排汽压力和s=7.3988kJ/kg可知：排汽理想焓：则蒸汽在小汽轮机内的理想焓降：泵的有效功率（221）：则泵的轴功率为（222）： 6184.31kW给水泵汽轮机的轴功率（223）（ 取0.99）： 6246.78kW由式（224）可求出给水泵汽轮机的效率为： =则其实际焓降为：674.2553kJ/kg汽轮机排汽压力下的饱和水比焓：kJ/kg小汽轮机的绝对内效率： 则可以求出汽轮机的内功率： 第四章 电动给水泵与汽动给水泵经济性比较如何选择机组给水泵驱动方式，按常规热力学方法判断不管是采用电动泵或汽动泵驱动方式，机组的效率高应为优选方案，在上一章的效率计算中可以看出给水泵汽轮机驱动汽轮机的内效率一般为 80%左右，比主汽轮机的效率低 10%，用传统方法计算 300MW 级以上机组的宜采用给水泵汽轮机的驱动。但是在文献18中，推论出 300MW 机组采用电动给水泵比汽动给水泵的经济性好、优越性明显的结论。文献18中的作者认为：电动方式虽然能量转换的环节多，厂用电率高，汽动方式表面上看可增加供电量，但实际上由于给水泵汽轮机的内效率比主汽轮机低得多，导致汽动方式消耗的能量比电动方式更多，汽动方式厂用电率低经济性好只是表面的虚假，具体的推导过程如下：在主汽轮机的主蒸汽、再热蒸汽及各级回热抽汽的流量、参数相同的前提下，用于驱动给水泵汽轮机的抽汽的相对效率与相同抽汽量情况下，电动方式的能量转换的相对效率进行比较，以上海引进型 300MW 机组为例,在主汽轮机的额定负荷时，中低压缸内效率为 90.59%，而此时给水泵汽轮机的内效率为 81.87%，由于给水泵汽轮机排汽压力比主汽轮机的高，造成相同的蒸汽作工仅为主汽轮机的 88.1%；另外再加上抽汽管道压降，使给水泵汽轮机的实际焓降为理想焓降的 98.2%，则可以计算出抽汽的相对效率为：81.87%88.1%98.2%98%=69.4%。如采用电动方式，相同抽汽量的能量转换相对效率为：中低压缸内效率乘发电机效率乘变压器及输电效率乘电动机效率乘升速齿轮效率乘液力耦合器效率乘机如采用电动方式，相同抽汽量的能量转换相对效率为：中低压缸内效率乘发电机效率乘变压器及输电效率乘电动机效率乘升速齿轮效率乘液力耦合器效率乘机械效率，即：90.59%98.7%98%97%95%96%95%98%=72.2%。因此，采用电动方式比汽动方式效率高，在锅炉蒸发量相同的条件下，扣除给水泵消耗的厂用电量，可比汽动方式发出更多的电能。按额定工况抽汽量 30.7t/h 计算，电动方式多发电 228.6KW，此外，还可节省给水泵汽轮机的油泵及油烟风机的电耗 92.2KW，按年利用 6500h 计算，多发电 208.52 万 KW。以上的计算与分析所得出的结论是错误的，因为以上的分析的前提条件是机组出力没有受到限制，一直在满负荷运行，而现实中机组总是随着用电负荷变化的而变化。以下就是对这两种驱动方式就行比较:4.1 运行经济性比较电动给水泵在启动时，从静止到额定转速，启动力矩很大。为适应这个转矩，驱动电机配置容量一般要比给水泵的额定功率大3050，所以其经济性较差；其次电动给水泵采用节流的方法以调节给水流量，调节损失较大，且泵的余最越大，损失越高，这是电动泵不可克服的缺点之一。采用液力耦合器驱动的变速给水泵虽然可以在较小的转速比下启动，电机的配置容量不必考虑过多的富裕量，但是，耦合器工作过程本身存在驱动损失功率高达15左右。如1台2 MW 的给水泉，当锅炉负荷为额定负荷的66时，其液力联轴器的损失即为300 kW。而汽动泵 需要升速齿轮和液力耦合器，所以也不存在这些设备的传动损失。小汽轮机的单位容量随着主机容量的增加而增加，内效率也相应提高，从而比液力耦合器驱动获得更为显著的经济效益。采用汽动调速给水泵利用锅炉部分富裕蒸发量驱动给水泵汽轮机，使供电量增加，相当于主机增容，降低了发电净热耗率，提高了机组运行效率。4.2 两种驱动方式输出净功率10的比较为了确定单元机组是采用小汽轮机驱动，还是采用液力联轴器驱动，我们可将这两种驱动方案化为可比的等同条件，进行经济性比较。假定主机的主汽、再热蒸汽初、终参数相同，给水温度及其蒸汽流量均相等时，则蒸汽通过汽轮发电机所发出的总功率(无小机抽汽工况)是相等的。如果采用小汽轮机驱动比用液力联轴器驱动的输出净功率有所增多，那么就表明小汽轮机驱动是经济的，反之，则表明不经济。当用汽动泵时，输出的净功率为 （41）式中：N为汽动泵所用蒸汽在主机抽汽点后可发出的功率，kW，； （42）为小汽机抽汽量，th；为抽汽口至主机排汽口绝热焓降，kJkg； 为主机中、低压缸内效率； 为机组机械效率；为发电机效率。则净得益程度为 （43）下面以某电厂国产300 MW 机组的额定上况为例对2种方案的出力进行比较。小汽机驱动功率： =7 584 kW；主机机械效率： =098；主机中、低压缸内效率： =0894；小汽机机械效率： =098；小汽轮机内效率： =0785；电能传递效率： =0815小汽轮机排汽直接进入主凝汽器，于是可得到采用小汽机驱动与采用电动机驱动的主机净输出功率之差为 =668.5由此可见，在额定工况下，小汽机驱动给水泵方案与电动方案相比可使主机净输出功率增加6685kW，增加比例约为022。由计算可知，额定工况下，汽动方案的主机净出力比电动方案净出力大。可见，对于300 MW机组，采用小汽轮机驱动给水泵的经济增益是非常显著的。事实上，单元机组容量超过250 MW 以上，由于小汽轮机内效率提高，即使电能传递效率很高，还是采用小汽轮机变速驱动较有增益。4.3 两种驱动方式的热经济性比较限于本人水平有限以及篇幅关系，在对于这两种驱动方式的热经济比较方面，只做一些简单的、单方面的论述。（1）热耗热耗是判断汽轮发电机组热力循环和运行情况的主要指标，以考虑问题的角度不同，它有两种形式，一种称为毛热耗，一种称为净热耗。对中问再热式机组采用电动给水泵时的公式如式(43)、(44)。毛热耗率： （43）净热耗率： （44）采用汽动给水泵时的公式如式(45)、(46)。毛热耗率： (45) 净热耗率：、 (46)式中：HR为热耗率，kJ/(kWh)；分别为汽轮机进汽量和再热蒸汽量， kg/h分别为新蒸汽焓和给水焓，kJ/(kWh)；分别为再热蒸汽焓和高 缸排汽焓，kJ/(kWh)；分别为发电机输出功率和原动机功率，KW。由于实际机组运行情况及电动泵配备情况不尽相同，以多种电动泵所耗功率的平均值作为计算依据来计算电动方案的净热耗15。对某机组冷凝式汽动方案进行r热力计算，求出r在不同工况下的净热耗率。同时，根据电动机的平均功率及各机组的原设计毛热耗率，在考虑了给水在泵中的焓升对主机功率的影响后，计算出了电动定、变速泵在定压方式下的净热耗率，其结果见表41。表41 定压运行时电动与汽动方案净热耗 kJ/(kW 类别 % 100 90 80 70变速全*18519.938561.898588.528680