设备管理_汽轮机设备概述

第六章汽轮机设备 第一节概述第二节汽轮机的一般概念第三节汽轮机本体的主要结构第四节级内热力过程分析第五节汽轮机的损失 效率和功率第六节汽轮机的主要辅助设备 第一节概述 1 汽轮机基本概念和对汽轮机本体结构 2 汽轮机内工作过程及其热经济性的分析 3 汽轮机的主要辅助设备 主要内容 汽轮机 Turbine 是一种将蒸汽热能转换成机械功的高速旋转设备 它是由串联在同一轴上的多上级组合而成的 火电厂和核电厂 与其它类型的原动机相比 电动机 水轮机等 单机功率大效率高运转平稳单位功率制造成本低使用寿命长 各种泵 风机 压缩机和船舶螺旋桨 冶金 化工 船运等部门 火电厂和核电厂 汽轮机驱动 发电机 电能 生产 故汽轮机和发电机称为汽轮发电机组 汽轮机用来直接拖动 全世界发电总量的80 是由汽轮发电机组发出的 汽轮机设备 汽轮机本体及其辅助设备由管道和阀门连成的一个整体 汽轮机设备 汽轮机本体 调节保安及供油系统 辅助设备 1 主汽门 2 调节阀 3 汽轮机 4 凝汽器 5 抽气器 6 循环水泵 7 凝结水泵 8 低压加热器 9 除氧器 10 给水泵 11 高压加热器 主蒸汽来处锅炉 至锅炉 汽轮机设备组合示意图 4 5 6 7 8 9 10 11 辅助设备 3 本体 供油系统 调节装置 保护装置 至各轴承 1 2 调节保安及供油系统 第六章汽轮机设备 第一节概述第二节汽轮机的一般概念第三节汽轮机本体的主要结构第四节级内热力过程分析第五节汽轮机的损失 效率和功率第六节汽轮机的主要辅助设备 第二节汽轮机的一般概念 一 级的概念及分类 1 汽轮机的级由一列喷嘴叶栅和其后紧邻的一列动叶栅构成的基本做功单元 高温高压蒸汽 在一级内进行两次能量转换在喷嘴内 热能 动能在动叶片上 动能 机械能 旋转 级做功能力的大小 取决于该级的焓降 焓降 喷嘴焓降 动叶焓降 工作过程 蒸汽在喷嘴 nozzle 中降压增速 热力势能转变为汽流的动能 在动叶 blade 中一方面继续降压增速 热力势能转变为汽流的动能 另一方面汽流在动叶中改变运动方向 将动能转换成转子的旋转机械能 前者属于反动能 后者属于冲动能 反动级 hn hb ht 动静叶中焓降相等 结构特点 动 静叶通道的截面基本相同 流动特点 动 静叶中增速相等 冲动级 膨胀主要发生于喷嘴中 一般 0 05 0 30 三种级的压力 速度变化示意图 级的类型和特点 按照工作特点 速度级 又称调节级 对于用喷嘴调节的汽轮机 其第一级即称为速度级 它以利用蒸汽流速为主的级 级的焓降选用得较大 故采用纯冲动级 因该级的通流面积随负荷而改变 故又称为调节级 压力级 调节级以后的其它级的统称 它利用级组中合理分配的压力降或焓降为主 近年来大型汽轮机趋向于采用反动级 压力级 速度级 调节级 二 汽轮机的分类 1 按工作原理2 按热力特性3 按汽流方向4 按用途5 按进汽参数6 按功率7 外形结构 1 按工作原理分 冲动式汽轮机 由冲动级组成 蒸汽主要在喷嘴中膨胀 在动叶中只有少数膨胀 反动式汽轮机 由反动级组成 蒸汽在喷嘴和动叶中膨胀程度相同 由于反动级不能做成部分进汽 故调节机采用单列冲动机或复速级 2 按热力特性分 凝汽式汽轮机 排汽在高度真空状态下进入凝汽器凝结成水 有些小汽轮机没有回热系统 成为纯凝汽式汽轮机 背压式汽轮机 排汽直接用于供热 没有凝汽器 当排汽作为其他中低压汽轮机的工作蒸汽时 称为前制式汽轮机 调节抽汽式汽轮机 从汽轮机某级后抽出一定压力的部分蒸汽对外供热 其余排汽仍进入凝汽器 由于热用户对供热压力有一定的要求 需要对抽汽压力进行自动调节 故称为调节抽汽 根据用户需要 有一次调节抽汽和两次调节抽汽 3 按汽流方向分 轴流式汽轮机 组成汽轮机的各级叶栅沿轴向依次排列 汽流方向的总趋势是轴向的 绝大多数汽轮机都是轴流式汽轮机 辐流式汽轮机 组成汽轮机的各级叶栅沿半径方向依次排列 汽流方向的总趋势是沿半径方向的 4 按用途分 电站汽轮机 用于拖动发电机 汽轮发电机组需按供电频率定转速运行 故也称为定转速汽轮机 主要采用凝汽式汽轮机 也采用同时供热的供电的汽轮机 通常称为热电汽轮机或供热式汽轮机 工业汽轮机 用于拖动风机 水泵等转动机械 其运行速度经常是变化的 也称为变转速汽轮机 凝汽式供暖汽轮机 在中低压缸连通管上加装蝶阀来调节供暖抽汽量 抽汽压力不像调节抽汽式汽轮机那样维持规定的数值 而是随流量大小基本上按直线规律变化 5 按进汽参数分 低压汽轮机新蒸汽压力小于1 5MPa中压汽轮机新蒸汽压力为2 0 4 0MPa高压汽轮机新蒸汽压力为6 0 10 0MPa超高压汽轮机新蒸汽压力为12 0 14 0MPa亚临界汽轮机新蒸汽压力为16 0 18 0MPa超临界汽轮机新蒸汽压力大于22 2MPa 6 按功率分 大功率汽轮机大于200MW小功率汽轮机小于200MW 7 外形结构 1 高压缸 2 中压缸 3 低压缸 4 再热器 三 国产汽轮机类型的代号 N 凝汽式C 一次调节抽汽式CC 两次调节抽汽式B 背压式CB 抽汽背压式H 船用Y 移动式k 空冷式 四 国产汽轮机的型号表示方法 XX XX X 变形设计次序 蒸汽参数 额定功率 MW 汽轮机类型 例如 N300 16 7 537 537 哈尔滨汽轮机厂生产的山西漳山电厂2台直冷300MW汽轮机主要技术规范及热力参数 型号NZK300 16 7 537 537型式亚临界中间再热 两缸两排汽 直接空冷凝汽式额定功率300MW主蒸汽额定参数16 7MPa 537 最大进汽量1045t h设计气温17 额定背压15Kpa满发最高背压29 41Kpa TMCR工况 允许最高背压65Kpa转速3000r min转向机头看为顺时针给水系统7级回热 给水泵由电动机驱动汽封系统自密封系统汽轮机通流级数高压1 12级 中压9级 低压2 6级 共34级 空冷式机组一例 东方汽轮机厂 N300 16 7 537 537 4型汽轮机其中调节级吸取了美国西屋公司技术 低压部分吸取了GE公司和日立公司的技术 为亚临界 一次中间再热 单轴 高中压合缸 双缸双排汽 冲动式水冷式凝汽式汽轮机 主要技术规范 额定功率 300MW最大功率 330MW额定蒸汽参数 新蒸汽 16 7MPa 537 再热蒸汽 3 3MPa 537 背压 冷却水温度为20 时 设计背压为5 2kPa 额定新汽流量 935t h 最大新汽流量 1025t h 给水温度 271 通流级数 总共28级 其中 高压缸1个单列调节级 9个冲动压力级 中压缸6个冲动压力级 低压缸2 6个冲动压力级 给水回热系统 3高加 1除氧 4低加 给水泵拖动方式 1100 B MCR小汽轮机拖动150 B MCR电动调速水泵作备用 末级叶片高度 851mm 汽轮机本体外形 长宽高 18055mm 7464mm 6434mm两缸两排汽型式 高中压合缸 热耗 8005kJ kwh 水冷式机组一例 五 汽轮机发展过程 1883年瑞典工程师拉伐尔 Laval 第一台轴流式汽轮机 3 7kW单级冲动式汽轮机 转速26000r min 相应轮周速度475m s 1884 1894年 英国工程师巴森斯 C A Parsons 相继创造了轴流式多级反动式汽轮机 辐流式汽轮机 1900年前后 法国工程师拉透 Rateau 和瑞士工程师崔利 Zoelly 分别在拉伐尔单级汽轮机的基础上应用了分级的原理 制造出了多级冲动式汽轮机 1903 1907年间 为满足其它工业部门对蒸汽的需要 出现了热能电能联合生产的汽轮机 即背压式及调节抽汽式汽轮机 1920年左右 随着蒸汽动力装置循环的改进 出现了给水回热式汽轮机 1925年 出现了第一台中间再热式汽轮机 20世纪40年代以后 现代汽轮机发展的基本方向是以增大单机功率为中心线索的 70年代 美国 双轴 最大单机功率1300MW 1980年苏联 单轴 1200MW 目前为止火电站中最大单轴机组 3000r min 23 5MPa 540 世界最大的汽轮发电机组 安装于法国ChoozB核电站的汽轮发电机组 其单机容量达到1580MW 创下了新的世界纪录 我国 1955年第一台中压6MW汽轮机 现在已能生产600MW 哈尔滨汽轮机厂 上海汽轮机厂 东方汽轮机厂 全球汽轮机生产主要厂商美国通用电气公司 General ElectricCo GE 冲动式汽轮轮 年生产20000MW 最世界上最大的汽轮机制造业 美国西屋电气公司 WestingHouseElectricCo WH 反动式汽轮机 年生产10000MW 瑞士勃朗 鲍维利公司 Brown BoveriCo BBC 跨国公司 反动式汽轮机 年生产10000MW 法国阿尔斯通 大西洋公司 Alsthon AtlantagueCo AA 冲动式和反动式汽轮轮10000MW 苏联 列宁格勒金属工厂 200 1200MW 凝汽式汽轮机和60 200MW供热式汽轮机 第六章汽轮机设备 第一节概述第二节汽轮机的一般概念第三节汽轮机本体的主要结构第四节级内热力过程分析第五节汽轮机的损失 效率和功率第六节汽轮机的主要辅助设备 一 汽缸 汽缸的作用 将工作蒸汽与大气隔开 内壁支撑喷嘴静叶片 隔板 汽封环等 外部与进汽管 抽汽管 排汽管 疏水管等相接 汽缸 按作用分 内缸 外缸 按结构分 下缸 上缸 按工作压力分 中压缸 高压缸 低压缸 汽缸外形 汽缸外形 国产20万汽轮机外观 汽缸起吊 揭去上汽缸的国产30万汽轮机汽缸和转子图 汽缸法兰螺栓 用于连接上下汽缸 二 喷嘴与隔板 三 转子与动叶片 转子 按主轴与叶轮制造组合分 焊接转子 套装转子 整锻转子 从轴向分 中压转子 高压转子 低压转子 1 转子 按工作转速是否高于临界转速 挠性转子 刚性转子 套装转子 锻件尺寸小 加工方便 质量易得保证 不同部件可用不同材料 只适合低压转子 国产200MW汽轮机低压转子结构图 整锻转子 整锻 套装组合转子 焊接转子 高压缸转子 高压缸转子 第一级为复速级 中低压缸转子 中低压缸转子 低压缸转子 前两级有围带 后三级有拉筋 低压转子 吊起来的低压转子 转子起吊 托电600MW 2 动叶片 动叶片由叶根 叶型 或称工作部分 通流部分 和连接件 围带或拉筋 组成 动叶 动叶 扭叶片 带拉筋和围带的动叶片 末级动叶片 对着外面的是进汽侧 动叶片 扭叶片 四 汽封及轴封系统 汽封 按结构形式 碳精环式 梳齿形曲径式 迷宫式 汽封 水封式 按密封位置 轴端汽封 级间汽封 隔板汽封 叶顶汽封 齿形轴封分为高低齿轴封 曲径轴封 和平齿轴封 光轴轴封 两种 在汽轮机的高压段采用曲径轴封 在低压段采用光轴轴封 蜂窝式轴封 齿形轴封 高压转子轴封段 低压转子轴封段 五 轴承 轴承 推力轴承 支持轴承 可倾瓦轴承 圆柱形轴承 金斯里式轴承 密切尔式轴承 推力支持联合轴承 六 联轴器及盘车装置 联轴器 半挠性联轴器 刚性联轴器 挠性联轴器 挠性联轴器 四 盘车装置 1 概念在汽轮机不进蒸汽时驱动转子以一定转速旋转的设备称为盘车装置 2 位置安装在汽轮机转子与发电机转子连接处的轴承箱上 盘车装置外观 3 盘车装置的作用在汽轮机启动冲转前或停机后 让转子以一定的转速连续转动 以保证转子均匀受热或冷却 从而避免转子产生热弯曲 启动前盘动转子 可以检查动静部件间是否有摩擦 润滑油系统工作是否正常及主轴弯曲是否过大等 用来检查汽轮机是否具备正常启动条件 4 特点操作简便 投入平稳 对高压油顶起要求低 功耗低 备有电液操作系统 可以实现电动盘车 第六章汽轮机设备 第一节概述第二节汽轮机的一般概念第三节汽轮机本体的主要结构第四节级内热力过程分析第五节汽轮机的损失 效率和功率第六节汽轮机的主要辅助设备 第四节级内热力过程分析 热能到机械能的转换 是在轴向串联的各个级内完成的 即在喷嘴内和动叶流道内的能量转换过程 因此研究汽轮机的工作过程 就是研究级的工作过程 也就是研究蒸汽在喷嘴内和动叶流道内的能量转换过程 1 蒸汽在喷嘴内的能量转换 原因 喷嘴内气流是具有粘性的实际气体 在流动过程中会因气体内部 气体与喷嘴壁间存在摩擦以及气流内出现涡流与扰动等能量会有损失 喷嘴气流实际获得动能减少 使其出口实际速度c1低于理想速度c1t 作用 加速 方向 实际 这部分动能损失称为喷嘴损失 kJ kg 为试验数据其值与喷嘴高度 汽道形状 壁面粗糙度等因素有关 喷嘴速度系数 注意 实际应该 即忽略了 因 而忽略了初速的 影响 m s 原因 流动过程绝热 损失的动能转变为摩擦热量重又加热蒸汽本身 使喷嘴出口汽流实际焓值h1高于理想焓值h1t 由动叶进口速度三角形可方便地求出相对速度 及 利用动叶出口速度三角形可求出绝对速度 及 将 及 及 等作为已知量 的方向角 11 17 对冲动级 约比 小2 4 20 30 求得 和 后 2 蒸汽在动叶内的能量转换 kJ kg m s 动叶损失 动叶损失 动叶损失 动叶速度系数 3 蒸汽作用在动叶栅上的力与轮周功率 对纯冲动级 动叶片只受到冲动力 压差力 Fu F Fc Fz Ff 动叶栅受到的轮周力 对于反动级和带一定反动度的冲动级 动叶受到冲动力和反动力 及压差力 Fu轮向力Fz轴向力Fc冲动力Ff反击力 若通过动叶栅的蒸汽流量为Gkg s 则动叶栅所受轮周力为 则轮周功率为 从能量平衡来看 轮轴功率还可表示成级的理想焓降扣除级内所有损失 即 可见 级的各种损失越小 蒸汽做的功就越多 级的热经济性就越好 第六章汽轮机设备 第一节概述第二节汽轮机的一般概念第三节汽轮机本体的主要结构第四节级内热力过程分析第五节汽轮机的损失 效率和功率第六节汽轮机的主要辅助设备 第五节汽轮机的损失 效率和功率 一 多级汽轮机损失 级内损失 动叶损失 喷嘴损失 余速损失 级内漏汽损失 叶轮磨擦损失 部分进汽损失 湿汽损失 叶高损失 扇形损失 整机损失 内部损失 各级损失之和 进汽损失 节流损失 排汽管阻力损失 外部损失 轴承磨擦损失 端封漏汽损失 主油泵 调节保安功率损失 裸露的主轴段与外界空气磨擦损失 联轴器传递功率损失 汽轮机损失 叶高损失叶高损失也就是叶片的端部损失 本质上仍是喷嘴和动叶的流动损失 但在某些工程计算中 当计算喷嘴和动叶的损失时 不考虑其高度的影响 也就是认为叶片足够长 而达到无限高的程度时 端部损失为零 实际情况是叶片并不无限高 端部损失并不为零 为此 需在已计算得出的喷嘴损失和动叶损失之外 另单独计算一项叶栅的端部损失 这就是叶高损失 扇形损失汽轮机中实际应用的是环列叶栅 如图 与平面直叶栅相比 有两个特点 叶栅的相对节距t b不是常数 而是从内径向外径成正比例增加的 这样除了平均直径处的相对节距为最佳外 其他各截面偏离最佳值 这就带来了流动损失 叶栅出口汽流在轴向间隙中存在着压力梯度 即由内径向外径静压力逐渐增加 所以会产生径向流动损失 叶轮摩擦损失 hf由两部分组成 1 叶轮两侧及围带表面的粗糙度引起的摩擦损失 2 子午面内的涡流运动引起的损失 部分进汽损失 he 喷嘴叶栅不是整圈布置 而是只占据部分圆周 这种布置叫部分进汽 如小汽机高压级和调节级需要采用部分进汽 部分进汽损失有鼓风损失和斥汽损失 1 鼓风损失发生在不装喷嘴的弧段内 2 斥汽损失和鼓风损失相反 它发生在装有喷嘴的弧段内 漏汽损失 h 冲动级和反动级分开讨论 对于冲动级 存在 隔板漏汽损失 在叶轮上开设平衡孔 在动叶根部设置汽封片 设计时选取合理的反动度 使动叶根部不出现吸汽漏汽现象 叶顶漏汽损失 减小间隙面积和两侧压差 如采用高低齿封 对于反动级 其漏汽损失比冲动级大 因为 内径汽封的漏汽量比冲动级的隔板漏汽量大 这主要是因为内径汽封直径比隔板汽封直径大 而汽封齿数又比较少 动叶前后的压差较大 所以叶顶漏汽量相当可观 隔板的汽封装置 动叶顶部汽封示意图 a 隔板漏汽和叶顶漏汽 b 高低齿汽封 湿蒸汽的过饱和现象对级的能量转换所产生的影响表现为理想比焓降的减少 湿蒸汽在膨胀过程中析出水珠 在汽水两相流动中 低速的水珠被高速的蒸汽挟带着流动 从而消耗了气流的一部分动能 称之为挟带损失 水珠的速度小于汽相的速度 偏离动叶入口方向的水珠撞在动叶进口处的背弧上 产生了阻止叶轮旋转的制动作用 克服它就要消耗一部分有用功 称之为制动损失 水珠撞在喷嘴进口处的壁面上 扰乱了主汽流 造成损失 称之为扰流损失 采用捕水装置 当从级内排除部分液相的同时 都不可避免的伴随着一部分蒸汽同时被抽出汽轮机 造成工质损失 湿气损失 hx 饱和蒸汽轮机的各级和普通凝汽式汽轮机的最后几级都工作于湿蒸汽区 由于水分存在 干蒸汽的工作也将受到一定的影响 产生湿气损失的原因 有以下几个方面 湿气损失与蒸汽的平均湿度 1 xm 成正比 湿度越大 损失也就越大 级的效率也就越低 为提高湿蒸汽级的效率和防止动叶被冲蚀损坏 一方面可采取有效的去湿方法 另一方面应提高叶片本身的抗冲蚀能力 常用的去湿的方法有 由捕水口 捕水室和疏水通道组成的级内捕水装置 图 具有吸水缝的空心喷嘴 图 采用出汽边喷射蒸汽的空心喷嘴 图 常用的提高动叶本身抗冲蚀能力采取的措施有 采用耐冲蚀性能强的叶片材料 如钛合金 在叶片进汽边背弧上镶焊硬质合金 对叶片表面镀铬 局部高频淬硬 电火花强化 氮化等 大功率汽轮机中水珠的运动轨迹和去湿装置 级内捕水装置示意图 1 捕水口槽道 2 捕水室 3 疏水通道 接低压加热器或凝汽器 具有吸水缝的空心喷嘴 二 多级汽轮机效率与功率 1 级的相对内效率 2 多级汽轮机的相对内效率 反映了汽轮机内部损失的大小 是衡量汽轮机通流部分完善程度的指标 0 8 0 9 3 多级汽轮机的内功率 4 汽轮机机械效率 机械损失 用于克服轴承磨擦阻力及带动主油泵 调速器等所消耗的部分有用功 Pi汽轮机内功率 Pe汽轮机的有效功率 即汽轮机传给发电机输入端的功率 或称轴端功率 其值反映了机械损失的大小 KW 无回热抽汽 内功率 体现在转子上 但不是在转子轴端 轴端功率还应考虑外部损失 98 99 三 多级汽轮机发电机组热经济性 1 发电机效率 Peo 发电机输出端的功率 h0 汽轮机主汽阀前的新蒸汽焓 kJ kg hfw 锅炉入口的给水焓 kJ kg 空冷 水冷 氢冷 双氟内冷 98 99 2 汽轮发电机组绝对电效率 如果没有再热 只有回热 即 0 45 0 50 主蒸汽焓值 经过回热加热 主给水焓值 如有再热 则 3 汽耗率 每生产1KW h电能所消耗的蒸汽质量不同机组 不具有可比性 如300MW机组 满负荷925t h 则汽耗为3 08Kg KW h kJ kwh 目前 我国热耗约 9000KJ KW h 200MW机组 8000KJ KW h 300MW机组 热耗率比汽耗率更能直接反映汽轮发电机组的热经济性 4 热耗率 kg kwh 第六章汽轮机设备 第一节概述第二节汽轮机的一般概念第三节汽轮机本体的主要结构第四节级内热力过程分析第五节汽轮机的损失 效率和功率第六节汽轮机的主要辅助设备 第六节汽轮机的主要辅助设备 作用 1 在热力循环作为冷源 降低汽轮机排汽的压力和温度 就可以减小冷源损失 提高循环热效率 2 建立和保持汽轮机排汽口的高度真空 使蒸汽在汽轮机中有较大的理想焓降 3 回收乏汽的凝结水 作为锅炉给水循环使用 一 凝汽设备 以东方汽轮机厂生产的N300 166 67 537 537汽轮机为例 若没有凝汽设备 排汽最低压力和大气压力 理想循环效率等于37 12 而当排汽压力为5 0kPa 热效率为45 55 后者的经济性显著提高 1 凝汽设备的组成及作用 以水为冷却介质的凝汽设备包括凝汽器 凝结水泵 抽气器 循环水泵以及它们之间的连接管道和附件组成 最简单的凝汽设备系统简图1 汽轮机 2 发电机 3 凝汽器 4 循环水泵 5 凝结水泵 6 抽气器 1 3 G 2 凝汽器 冷却介质的不同 单流程 大型机组多采用此 空气冷却式 双流程 多流程 冷却水的流程不同 汽流流动形式不同 汽流向心式 汽流向侧式 水冷式 2 凝汽器凝汽器 外壳常呈圆柱形 椭圆柱形或方柱形 大机组一般都采用方柱形 1 二次滤网 2 反冲洗蝶阀 3 注球管 4 凝汽器 5 胶球 6 收球网 7 胶球泵 8 加球室 卵形管束布置的凝汽器在组装中 教堂窗式管束布置的凝汽器 元宝山300MW 向心式管束布置的凝汽器在组装中 向心式管束布置的凝汽器在组装中 法国600MW将军帽 水冷式凝汽器 组装中的凝汽器外壳 安装凝汽器内的挡汽板 凝汽器隔板 凝汽器的隔板在安装中 组装中的凝汽器隔板 组装中的凝汽器隔板 带状管束布置的凝汽器隔板及水室 汽轮发电机组空气冷却凝汽