第二章 火力发电——第三节 汽轮机设备

1、第二章第二章 火力发电火力发电 第一节第一节 火电厂生产过程火电厂生产过程 第二节第二节 锅炉设备锅炉设备 第三节第三节 汽轮机设备汽轮机设备 第三节第三节 汽轮机设备汽轮机设备 一、汽轮机的工作原理一、汽轮机的工作原理 n 汽轮机是一种以蒸汽为工质，并将蒸汽的热能转汽轮机是一种以蒸汽为工质，并将蒸汽的热能转 换为机械功的旋转机械。换为机械功的旋转机械。 n 英文：英文：TurbineTurbine，译名透平，译名透平 n 叶轮机械（广义范畴）叶轮机械（广义范畴） 级级- -汽轮机作功的基本单元汽轮机作功的基本单元 定义：级是由喷嘴叶栅（或定义：级是由喷嘴叶栅（或 静叶栅）和它相配合的动静叶栅

2、）和它相配合的动 叶栅所组成叶栅所组成. . 蒸汽热能蒸汽热能 喷嘴（静叶栅）喷嘴（静叶栅） 蒸汽动能蒸汽动能 动叶栅动叶栅 机械能机械能 一、汽轮机的工作原理一、汽轮机的工作原理 因此，实现蒸汽热能到机械能的转换可分因此，实现蒸汽热能到机械能的转换可分 为两个阶段：为两个阶段： (1) (1) 在喷嘴中蒸汽的热力势能在喷嘴中蒸汽的热力势能( (焓降焓降) )转变转变 为高速汽流的动能。为高速汽流的动能。 (2) (2) 在动叶片流道中蒸汽的动能转变为旋在动叶片流道中蒸汽的动能转变为旋 转的机械能。转的机械能。 一、汽轮机的工作原理一、汽轮机的工作原理 单级汽轮机单级汽轮机 只有一级的汽轮机，

3、只能转换较小的蒸汽焓只有一级的汽轮机，只能转换较小的蒸汽焓 降，功率不大、效率也低。降，功率不大、效率也低。 多级汽轮机多级汽轮机 现代的汽轮机是由串联在同一轴上的若干个级现代的汽轮机是由串联在同一轴上的若干个级 组合而成。多级汽轮机的进汽参数高、蒸汽流量大，组合而成。多级汽轮机的进汽参数高、蒸汽流量大， 蒸汽依次流过每个级，逐级膨胀，最后以很低的压蒸汽依次流过每个级，逐级膨胀，最后以很低的压 力排出，功率和效率远高于单级汽轮机。力排出，功率和效率远高于单级汽轮机。 一、汽轮机的工作原理一、汽轮机的工作原理 多级冲动式汽轮机多级冲动式汽轮机 根据汽流在动叶流道内的膨胀程度和给予动叶作根据汽流在

4、动叶流道内的膨胀程度和给予动叶作 用力的形式，可将级分为三类：用力的形式，可将级分为三类： (1)(1)纯冲动级：蒸汽在动叶流道内仅改变方向而不膨胀加纯冲动级：蒸汽在动叶流道内仅改变方向而不膨胀加 速，动叶所受到的作用力仅为冲击力，级内蒸汽的焓速，动叶所受到的作用力仅为冲击力，级内蒸汽的焓 降全部发生在喷嘴中。降全部发生在喷嘴中。 (2)(2)反动级：蒸汽在动叶流道内膨胀加速，动叶所受到的反动级：蒸汽在动叶流道内膨胀加速，动叶所受到的 作用力为冲击力和反击力的合力，级内蒸汽焓降中有作用力为冲击力和反击力的合力，级内蒸汽焓降中有 一半发生在喷嘴中，另一半发生在动叶流道内。一半发生在喷嘴中，另一半

5、发生在动叶流道内。 (3)(3)冲动级：介于上述两种级之间的一种级，级的大部分冲动级：介于上述两种级之间的一种级，级的大部分 焓降发生在喷嘴中，只有一小部分焓降发生在动叶流焓降发生在喷嘴中，只有一小部分焓降发生在动叶流 道内。道内。 一、汽轮机的工作原理一、汽轮机的工作原理 上述三种级中，上述三种级中， 纯冲动级的做功能力最大，但级效率最差；纯冲动级的做功能力最大，但级效率最差； 反动级的级效率高、做功能力较小；反动级的级效率高、做功能力较小； 冲动级则介于两者之间，兼有做功能力大和级效冲动级则介于两者之间，兼有做功能力大和级效 率高的特点。因此冲动级在国产汽轮机率高的特点。因此冲动级在国产汽

6、轮机( (尤其是尤其是 中小型机组中小型机组) )中得到了广泛的应用。中得到了广泛的应用。 但在近些年直接引进的设备或引进技术在国内但在近些年直接引进的设备或引进技术在国内 生产的生产的300MW300MW以上的大型汽轮机中，则着重于级以上的大型汽轮机中，则着重于级 效率的进一步提高而较多地采用反动级。效率的进一步提高而较多地采用反动级。 一、汽轮机的工作原理一、汽轮机的工作原理 汽轮机本体及其辅助设备由管道和阀门连成一个整汽轮机本体及其辅助设备由管道和阀门连成一个整 体，称为汽轮机设备。汽轮机与发电机的组合称为汽轮体，称为汽轮机设备。汽轮机与发电机的组合称为汽轮 发电机组。发电机组。 二、汽

7、轮机设备的组成及工作过程二、汽轮机设备的组成及工作过程 汽机本体汽机本体辅助设备辅助设备 汽汽 轮轮 机机 设设 备备 由静止部分、转动部分、主汽门、由静止部分、转动部分、主汽门、 调节汽门等组成。调节汽门等组成。 包括包括凝汽设备、回热加热设凝汽设备、回热加热设 备、调节保安装置、供油系备、调节保安装置、供油系 统等统等 汽汽轮机的调节系统用来调节进汽量，以适应轮机的调节系统用来调节进汽量，以适应 外界负荷的变化，保证供电的数量和质量。外界负荷的变化，保证供电的数量和质量。 保保护装置则用于监测汽轮机的运行，在危急护装置则用于监测汽轮机的运行，在危急 情况下保证汽轮机的安全。情况下保证汽轮机

8、的安全。 调节调节系统和保护装置中用来传递信号和操纵系统和保护装置中用来传递信号和操纵 有关部件的压力油，以及用来润滑和冷却汽轮机有关部件的压力油，以及用来润滑和冷却汽轮机 各轴承的用油，都是来自汽轮机的油系统。各轴承的用油，都是来自汽轮机的油系统。 二、汽轮机设备的组成及工作过程二、汽轮机设备的组成及工作过程 汽轮机本体由静子、汽轮机本体由静子、转转子子两大部分组成两大部分组成。 静子主要包括汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承静子主要包括汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承 等等。转子主要包括主轴、叶轮、动叶、联轴器。转子主要包括主轴、叶轮、动叶、联轴器 等。等。 1 1、汽缸汽缸 汽缸是汽轮机的外壳，其

9、作用是将汽轮机的汽缸是汽轮机的外壳，其作用是将汽轮机的 通流部分与大气隔开，形成蒸汽进行能量转换通流部分与大气隔开，形成蒸汽进行能量转换 的封闭汽室。的封闭汽室。 三、汽轮机本体主要结构三、汽轮机本体主要结构 大型汽轮机的汽大型汽轮机的汽 缸采用双层或多缸采用双层或多 层结构，形成内层结构，形成内 缸和外缸。缸和外缸。 三、汽轮机本体主要结构三、汽轮机本体主要结构 1 1、汽缸汽缸 2 2、喷嘴与隔板喷嘴与隔板 喷嘴也称静叶片，每两片组成喷嘴流道，蒸喷嘴也称静叶片，每两片组成喷嘴流道，蒸 汽在其中完成热能到动能的转换。汽在其中完成热能到动能的转换。 第一级的喷嘴分成第一级的喷嘴分成4 4组或组

10、或6 6组布置在对应的喷组布置在对应的喷 嘴室出口，由相应的调节阀门分别控制进入汽轮嘴室出口，由相应的调节阀门分别控制进入汽轮 机的蒸汽流量来调节功率，就称该级为调节级，机的蒸汽流量来调节功率，就称该级为调节级， 以后各级统称为压力级。以后各级统称为压力级。 喷嘴装在隔板上，隔板同样分成上下两半固喷嘴装在隔板上，隔板同样分成上下两半固 定在上下汽缸内定在上下汽缸内( (如图如图l l一一2222所示所示) )。 三、汽轮机本体主要结构三、汽轮机本体主要结构 3 3、转子转子 汽轮机的转动部分总称为转子。汽轮机的转动部分总称为转子。 冲动式汽轮机的转子为叶轮式结构由主轴、叶轮、冲动式汽轮机的转子

11、为叶轮式结构由主轴、叶轮、 动叶片等组成；动叶片等组成； 反动式汽轮机因在动叶中有较大的焓降，动叶两反动式汽轮机因在动叶中有较大的焓降，动叶两 侧有较大的压力差，不宜采用叶轮式转子而为转侧有较大的压力差，不宜采用叶轮式转子而为转 鼓式结构，由转鼓和动叶片等组成，没有叶轮。鼓式结构，由转鼓和动叶片等组成，没有叶轮。 目前，国产引进型目前，国产引进型300MW300MW、600MW600MW汽轮机的高、中、汽轮机的高、中、 低压转子均为整锻转子。低压转子均为整锻转子。 三、汽轮机本体主要结构三、汽轮机本体主要结构 相邻的两个动叶片构成一个动叶流道。由喷嘴射出的相邻的两个动叶片构成一个动叶流道。由喷

12、嘴射出的 高速汽流进入动叶流道，推动动叶片旋转，进而带动主轴高速汽流进入动叶流道，推动动叶片旋转，进而带动主轴 旋转，使蒸汽动能转变为机械功。旋转，使蒸汽动能转变为机械功。 动叶片由叶根、叶型动叶片由叶根、叶型( (叶身或称工作部分叶身或称工作部分) )和连接件和连接件( (围围 带或拉筋带或拉筋) )组成。组成。 许许多多的动叶片以同样的间隔和角度通过叶根安装许许多多的动叶片以同样的间隔和角度通过叶根安装 在叶轮的轮缘或转鼓上，排列成动叶栅，形成汽轮机的一在叶轮的轮缘或转鼓上，排列成动叶栅，形成汽轮机的一 级动叶流道。级动叶流道。 三、汽轮机本体主要结构三、汽轮机本体主要结构 汽轮机动叶片汽

13、轮机动叶片 n 叶顶（及附带结构）叶顶（及附带结构） o 围带围带 o 拉金拉金 n 叶身（叶片型线部分）叶身（叶片型线部分） o 完成做功的场所完成做功的场所 n 叶根（叶片固结于叶叶根（叶片固结于叶 轮）轮） o 各种类型的叶根结构各种类型的叶根结构 三、汽轮机本体主要结构三、汽轮机本体主要结构 由于蒸汽体积流量随其压力降低而迅速增大，因而由于蒸汽体积流量随其压力降低而迅速增大，因而 要求动叶长度也随之逐级增大：前几级叶片很短，末几要求动叶长度也随之逐级增大：前几级叶片很短，末几 级叶片很长，通流部分呈渐扩形。级叶片很长，通流部分呈渐扩形。 长叶片均按等强度原理设计成变截面扭曲叶片，短长叶

14、片均按等强度原理设计成变截面扭曲叶片，短 叶片可采用直叶片即等截面叶片，当然所有叶叶片可采用直叶片即等截面叶片，当然所有叶片都采用片都采用 扭叶片最合理。扭叶片最合理。 三、汽轮机本体主要结构三、汽轮机本体主要结构 安装中的汽轮机（中压转子） 安装中的600MW汽轮机（中压转子） 安装中的600MW汽轮机(就位低压转子) 安装中的600MW汽轮机(低压转子局部) 安装中的600MW汽轮机（末级叶片） 4 4、汽封汽封 汽轮机的动、静之间必须留有一定的间隙，在压汽轮机的动、静之间必须留有一定的间隙，在压 力差的作用下会形成漏汽，即漏汽损失。汽封就是各力差的作用下会形成漏汽，即漏汽损失。汽封就是各

15、 动、静间隙处装设的密封装置，由很多薄金属片与主动、静间隙处装设的密封装置，由很多薄金属片与主 轴的凹凸处形成多个曲折间隙，以减少漏汽。轴的凹凸处形成多个曲折间隙，以减少漏汽。 隔板内孔与主轴间的汽封称为隔板汽封；隔板内孔与主轴间的汽封称为隔板汽封； 动叶片的顶部、根部与静子间的径向、轴向汽封称为叶动叶片的顶部、根部与静子间的径向、轴向汽封称为叶 片汽封；片汽封； 转子穿出汽缸两端处的汽封称为轴端汽封转子穿出汽缸两端处的汽封称为轴端汽封( (轴封轴封) )，高压，高压 端轴封防止蒸汽外漏，低压缸排汽端轴封防止空气漏入端轴封防止蒸汽外漏，低压缸排汽端轴封防止空气漏入 汽轮机。汽轮机。 三、汽轮机

16、本体主要结构三、汽轮机本体主要结构 轴封示意图轴封示意图 5 5轴承轴承 轴承有支持轴承和推力轴承两种。轴承有支持轴承和推力轴承两种。 支持轴承支持轴承用于支持整个转子的重量以及由于转子质量用于支持整个转子的重量以及由于转子质量 不平衡所引起的离心力，并固定转子的径向位置，使不平衡所引起的离心力，并固定转子的径向位置，使 转子中心与汽缸中心保持一致；转子中心与汽缸中心保持一致； 推力轴承推力轴承则用于承受转子上的轴向推力，并确定转子则用于承受转子上的轴向推力，并确定转子 的轴向位置，以保持动、静之间合理的轴向间隙。的轴向位置，以保持动、静之间合理的轴向间隙。 由于汽轮机的重量及轴向推力很大、转

17、速很高，由于汽轮机的重量及轴向推力很大、转速很高， 故其轴承不是通常的滚珠轴承而采用油膜润滑的滑动故其轴承不是通常的滚珠轴承而采用油膜润滑的滑动 轴承，依靠油膜压力来平衡作用力。轴承，依靠油膜压力来平衡作用力。 三、汽轮机本体主要结构三、汽轮机本体主要结构 6 6联轴器及盘车装置联轴器及盘车装置 联轴器也叫靠背轮，其作用是将汽轮机的高、中、低压联轴器也叫靠背轮，其作用是将汽轮机的高、中、低压 转子以及发电机转子连接成一个整体。转子以及发电机转子连接成一个整体。 汽轮机启动前，汽轮机启动前，需通过转子的低速转动以检查动、静需通过转子的低速转动以检查动、静 部件是否存在碰撞和摩擦，部件是否存在碰撞

18、和摩擦，汽轮机停机后汽轮机停机后，为使转子在，为使转子在 上下温度不同的汽缸内受热均匀，避免转子冷却不均而上下温度不同的汽缸内受热均匀，避免转子冷却不均而 产生大轴弯曲，也要保持转子的低速转动。产生大轴弯曲，也要保持转子的低速转动。 盘车装置就是能够人为盘动转子的一套装置，一般由电盘车装置就是能够人为盘动转子的一套装置，一般由电 动机、蜗轮蜗杆及减速齿轮组、离合器等部件组成。动机、蜗轮蜗杆及减速齿轮组、离合器等部件组成。 三、汽轮机本体主要结构三、汽轮机本体主要结构 1 1汽轮机的调节系统汽轮机的调节系统 由于电能还不能大量储存，而用户的电负荷随时在不断变由于电能还不能大量储存，而用户的电负荷

19、随时在不断变 化并对电的质量化并对电的质量( (电压和频率电压和频率) )要求越来越高，因此发电设备必要求越来越高，因此发电设备必 须根据用户的需要，随时调节供电数量并保证供电质量。须根据用户的需要，随时调节供电数量并保证供电质量。 汽轮机的调节系统就是根据电负荷的大小自动改变进汽量，汽轮机的调节系统就是根据电负荷的大小自动改变进汽量， 调整汽轮机的输出功率以满足用户数量上的需求；控制转速在调整汽轮机的输出功率以满足用户数量上的需求；控制转速在 额定范围以保证供电质量（电压、电频）额定范围以保证供电质量（电压、电频）。 汽轮机的调节系统的实质就是转速调节，其基本原理是利汽轮机的调节系统的实质就

20、是转速调节，其基本原理是利 用转速的变化作为调节信号，通过调节系统各部件的一系列连用转速的变化作为调节信号，通过调节系统各部件的一系列连 锁反应，最终改变汽轮机进汽量，以适应外负荷的变化。锁反应，最终改变汽轮机进汽量，以适应外负荷的变化。 目前大型汽轮机采用数字电液调节系统目前大型汽轮机采用数字电液调节系统(DEH)(DEH) 四、汽轮机的调节与保护系统四、汽轮机的调节与保护系统 2 2汽轮机的保护装置汽轮机的保护装置 作用作用：当机组调速系统发生故障或者运行工况危当机组调速系统发生故障或者运行工况危 急到机组安全时，保护系统动作，实现紧急停机。急到机组安全时，保护系统动作，实现紧急停机。 为

21、保证汽轮发电机组安全运行，设有必要的保护为保证汽轮发电机组安全运行，设有必要的保护 系统，在事故或异常情况下及时切断汽源系统，在事故或异常情况下及时切断汽源( (关闭高中关闭高中 压主汽门和调节汽门压主汽门和调节汽门) )，系统主要由超速，系统主要由超速(110(110-114-114 额定转速额定转速) )、轴向位移保护、低油压保护、低真空、轴向位移保护、低油压保护、低真空 保护。保护。 四、汽轮机的调节与保护系统四、汽轮机的调节与保护系统 1 1凝汽设备凝汽设备 凝汽设备是凝汽式汽轮机必不可少的凝汽设备是凝汽式汽轮机必不可少的 辅助设，作用：辅助设，作用： 建立和保持汽轮机排汽口的高度真空

22、，获建立和保持汽轮机排汽口的高度真空，获 得较高的循环热效率；得较高的循环热效率； 回收汽轮机排汽凝结的水，作为锅炉给水回收汽轮机排汽凝结的水，作为锅炉给水 循环使用。循环使用。 五、汽轮机的主要辅助设备五、汽轮机的主要辅助设备 1 1凝汽设备凝汽设备 凝汽设备主要凝汽设备主要 包括凝汽器、抽气包括凝汽器、抽气 器器/ /真空泵真空泵、凝结凝结 水泵等水泵等。 五、汽轮机的主要辅助设备五、汽轮机的主要辅助设备 2 2回热加热系统回热加热系统提高循环热效率的有效手段提高循环热效率的有效手段。 除氧器除氧器：即利用汽轮机的抽汽来加热给水至沸腾以除去即利用汽轮机的抽汽来加热给水至沸腾以除去 水中所含

23、的气体水中所含的气体。 表面式加热器表面式加热器：凝结水泵和除氧器之间的表面式加热器，凝结水泵和除氧器之间的表面式加热器， 其水侧压力为凝结水泵的出口压力，称为低压加热器其水侧压力为凝结水泵的出口压力，称为低压加热器 ( (低加低加) )；除氧器下的给水泵与炉给水操作台之间的表面；除氧器下的给水泵与炉给水操作台之间的表面 式加热器，其水侧压力为给水泵出口压力，称为高压加式加热器，其水侧压力为给水泵出口压力，称为高压加 热器热器( (高加高加) )。 国内国内300MW300MW、600MW600MW机组，其回热系统采用八级回热，机组，其回热系统采用八级回热， 即三台高、台低加和一台除氧器，简称

24、即三台高、台低加和一台除氧器，简称“三高、四低、三高、四低、 一除氧一除氧”。 五、汽轮机的主要辅助设备五、汽轮机的主要辅助设备 11.33MPa,536.4 2.10MPa,537.5 0.50MPa,346 254.5 35.7 401.0 0.47MPa,349.6 6.53kP 5.52kP N600-l6.7/537/537N600-l6.7/537/537 型机组的发电厂原则型机组的发电厂原则 性热力系统性热力系统 要点：要点： 汽轮机汽轮机: :单轴四缸四排汽单轴四缸四排汽，高压缸、双流程中压缸、，高压缸、双流程中压缸、2 2个双流程低压缸；个双流程低压缸； 锅炉：锅炉：强制循环

25、汽包炉，中间再热；强制循环汽包炉，中间再热； 锅炉连续排污利用系统锅炉连续排污利用系统：单级，扩容蒸汽接入除氧器；：单级，扩容蒸汽接入除氧器； 回热系统回热系统：三高四低一除氧，轴封冷却器，高加均设有内置式疏水冷却：三高四低一除氧，轴封冷却器，高加均设有内置式疏水冷却 器和内置式蒸汽冷却器，低加均设有内置式疏水冷却器器和内置式蒸汽冷却器，低加均设有内置式疏水冷却器SGSG。高加疏水采。高加疏水采 用逐级自流方式，最后流入除氧器；低加也采用疏水逐级自流，最后流用逐级自流方式，最后流入除氧器；低加也采用疏水逐级自流，最后流 入凝汽器热井。入凝汽器热井。 除氧器系统：除氧器系统：给水泵给水泵FPFP

26、正常运行采用汽泵，配置前置泵正常运行采用汽泵，配置前置泵TPTP，小汽机排汽，小汽机排汽 接入主凝汽器；接入主凝汽器； 凝结水系统：凝结水系统：凝结水泵凝结水泵CPCP，升压泵，升压泵BPBP，除盐装置，除盐装置DEDE（低压系统低压系统）；）； 补充水引入系统：补充水引入系统：D Dma ma引入凝汽器。 引入凝汽器。 汽轮机的分类方法很多，常见的有如下几种：汽轮机的分类方法很多，常见的有如下几种： (1)(1)按工作原理分：冲动式和反动式两种。按工作原理分：冲动式和反动式两种。 大多数级是冲动级的汽轮机称为冲动式汽轮机；大大多数级是冲动级的汽轮机称为冲动式汽轮机；大 多数级是反动级的汽轮机

27、称为反动式汽轮机。一般反多数级是反动级的汽轮机称为反动式汽轮机。一般反 动式汽轮机的调节级仍为冲动级。动式汽轮机的调节级仍为冲动级。 (2)(2)按初参数分：按初参数分： 超高压、亚临界压力及超临界压力的三种。超高压、亚临界压力及超临界压力的三种。 (3)(3)按热力过程的特点分：按热力过程的特点分： 凝汽式、背压式及调整抽汽式汽轮机。凝汽式、背压式及调整抽汽式汽轮机。 六、汽轮机的分类和型号六、汽轮机的分类和型号 凝汽式汽轮机凝汽式汽轮机：进入汽轮机的蒸汽除回热抽汽及轴进入汽轮机的蒸汽除回热抽汽及轴 封漏汽外封漏汽外，全部排入凝汽器全部排入凝汽器， 背压式汽轮机背压式汽轮机：进入汽轮蒸汽做功后以高于当地大进入汽轮蒸汽做功后以高于当地大 气压的压力排出气压的压力排出，可用于对外供热可用于对外供热。 调整抽汽式汽轮机调整抽汽式汽轮机：从汽轮机中间的某些级