汽轮机工作原理

汽轮机设备汽轮机定义:化学能热能机械能电能锅炉汽轮机发电机

汽轮机是一种以蒸汽作为工质，并将蒸汽的热能转换为机械功的旋转式原动力机。2021/5/92第一节概述

一、汽轮机的级及其类型1.级的概念(1)定义：把蒸汽的热能转换成机械能的基本单元(2)组成喷嘴（静叶栅）：加速汽流动叶栅：叶片移动，带动转子，蒸汽的动能转换为机械能热能动能机械能喷嘴动叶产生高速汽流带动转子转动2021/5/932、级的作功原理（1）冲动作用原理单级纯冲动式汽轮机为例：（动叶为园弧形叶片，流道不收缩）——蒸汽在动叶中改变流动方向，产生冲动力推动叶片旋转作功。2021/5/94（2）反动作用原理蒸汽在动叶中膨胀作功：p1→p2↓，c1→c2↓(w1→w2↑），热能→动能→机械能反动级为例：（喷嘴、动叶叶型相同）——蒸汽在动叶中膨胀加速，产生反动力推动叶片旋转作功。2021/5/952021/5/96带有一定反动度的冲动级：（动叶叶型介于前两者之间）注意：

纯冲动级只利用冲动作用原理作功，带有一定反动度的冲动级和反动级同时利用冲动、反动作用原理作功。2021/5/97（1）.蒸汽没有加速，只改变方向（2）.蒸汽既改变方向，还因受到动叶片反作用力而继续膨胀加速——所产生的离心力（即冲动力）——除了冲动力以外，还产生由于加速而产生的反作用力（即反动力）。合力=冲动力+反动力冲动作用的特点：汽流在动叶中不膨胀加速，只改变流动方向，产生冲动力使动叶片运动作出机械功。蒸汽流经动叶汽道时有两种情况：3.冲动作用与反动作用2021/5/98蒸汽在动叶栅中完成了二次能量的转换。首先是蒸汽经动叶通道膨胀，将热能转换为蒸汽的动能，再是随着蒸汽的加速，给动叶栅一个反动力，推动转子转动，作出机械功，完成动能到机械能的转换。反动作用的特点：

2021/5/99二、汽轮机设备的组成及工作概况本体

辅助设备凝汽设备回热加热设备除氧器调节保安装置供油系统汽轮机设备2021/5/9102021/5/911三、汽轮机的分类和型号冲动式汽轮机：主要由冲动级组成反动式汽轮机：主要由反动级组成按工作原理分：按热力特性分：凝汽式汽轮机：有凝汽器

背压式汽轮机：排汽压力高于大气压力，无凝汽器。前置式汽轮机调整抽汽式汽轮机：中间某几级后抽出蒸汽对外供热一次调整抽汽、二次抽汽供热式汽轮机中间再热式汽轮机抽凝式抽背式2021/5/912低压汽轮机：＜0.1176∽1.47MPa（1.2∽15ata）

中压汽轮机：2.058∽3.92MPa（21∽40ata）高压汽轮机：5.978∽9.8MPa（61∽100ata）

超高压汽轮机：11.76∽13.72MPa（120∽140ata）

亚临界汽轮机：16.17∽17.64MPa（165∽180ata）

超临界汽轮机：＞22.148MPa（＞226ata）

超超临界汽轮机：＞32MPa按新蒸汽参数分：（新蒸汽压力）2021/5/913按汽流方向分：轴流式汽轮机辐流式汽轮机按用途分：电站汽轮机工业汽轮机船用汽轮机按汽缸数目分：单缸汽轮机双缸汽轮机多缸汽轮机单轴汽轮机双轴汽轮机按汽轮机轴数分：2021/5/9142021/5/915国产汽轮机型号：△××－××－×N125—13.24/535/535N200—12.75/535/535N300—16.7/538/538N600—16.7/538/538N600—24.2/566/566CC12—3.43/0.98/0.118B25—8.82/0.98CB25—8.82/1.47/0.49变型设计序数蒸汽参数额定功率（MW）汽轮机型式例：2021/5/916型式代号型式代号凝汽式N背压式B一次调节抽汽式C二次调节抽汽式CC抽汽背压式CB2021/5/917第二节汽轮机本体主要结构静止部分：汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承等。转动部分：主轴、叶轮、叶片、联轴器等 2021/5/918一、汽缸作用：封闭汽室、支承内外零部件结构形式：按进汽参数的不同：高压缸中压缸低压缸按汽缸的内部层次：单层缸双层缸三层缸按汽缸形状：有水平接合面无水平接合面2021/5/9192021/5/9202021/5/921二、喷嘴与隔板2021/5/922固定各级喷嘴，形成各级间壁隔板作用：2021/5/923三、转子和动叶片转子类型按制造工艺分：整锻转子套装转子组合转子焊接转子按临界转速分：刚性转子挠性转子——大型机组的转子采用。2021/5/9242021/5/925叶片叶型、叶根、叶顶组成：2021/5/9262021/5/927四、汽封及轴封系统减少各处间隙漏汽，防止空气漏入低压部分作用：2021/5/928前轴封（装在汽轮机高压缸前的汽封）作用：尽量防止高温高压蒸汽漏出，减少漏汽损失后轴封（装在汽轮机低压缸后的汽封）作用：尽量防止空气漏入轴封系统（由前、后轴封及与之相联的管道及附属设备所组成）作用：尽量防止高温高压蒸汽漏出，减少漏汽损失尽量防止空气漏入2021/5/929平齿汽封：用于前后压差比较小高低齿汽封：用于前后压差比较大2021/5/930枞树型汽封J型汽封梳齿型汽封2021/5/9312021/5/932曲径式（迷宫式）：2021/5/933五、轴承支持轴承：

承受转子巨大重量，确定转子中心位置。推力轴承：

承受转子未平衡轴向推力，确定转子轴向位置。采用以油膜润滑理论为基础的滑动轴承2021/5/934六、联轴器

刚性联轴器：

半挠性联轴器：联接汽轮机各转子或汽轮机转子与发电机转子，借以传递扭矩。作用：类型：2021/5/9352021/5/936七、盘车装置在汽轮机启动前或停机后使转子以一定转速连续转动以保证转子均匀受热或冷却。盘车装置：2021/5/937第三节汽轮机的主要辅助设备任务：1、在汽轮机排汽口建立并保持高度真空。2、将排汽凝结成纯净凝结水作为锅炉给水。一、凝汽设备组成：

凝汽器、循环水泵、凝结水泵、抽气器（或真空泵）等主要部件及连接管道和附件组成2021/5/9381、凝汽器工作原理：汽轮机排汽与冷却水通过管子表面进行间接换热，在此过程中蒸汽的汽化潜热被吸收而成为饱和水，使凝汽器压力成为排汽凝结温度所对应的饱和压力，形成真空。单流程双流程单背压双背压2021/5/9392、抽气器抽气设备任务：

在汽轮机启动时建立真空及在运行中抽除从真空系统不严密处漏入的空气和未凝结的蒸汽以维持凝汽器的正常真空。

喷射式抽气器：

射汽式、射水式机械式真空泵： 离心式真空泵、水环式真空泵抽气设备类型：2021/5/940二、回热加热设备任务： 利用汽轮机中间级的抽汽到加热器中加热送往锅炉的给水，以减少抽汽在凝汽器中的冷源损失，提高循环热效率。组成：

各级加热器及其汽水管道、阀门等。加热器种类混合式表面式高压低压2021/5/941表面式加热器疏水连接方式

1．逐级自流排挤下级压力较低抽汽，热经济性低。2．疏水泵打入加热器入口排挤本级抽汽，热经济性高于逐级自流。3．疏水泵打入加热器出口排挤上级压力较高抽汽，热经济性最好。2021/5/942

2021/5/943一般高加采用疏水逐级自流；低加疏水逐级自流为主，在排挤严重处设疏水泵。

（排挤严重处指汇集的疏水量大、所排挤的抽汽压力低）

实例：600MW机组采用疏水全逐级自流系统。为简化系统，没采用蒸汽冷却器、疏水冷却器，而分别在高加设置了蒸汽冷却段和疏水冷却段，在低加设置疏水冷却段，疏水冷却效果好。

2021/5/9442021/5/945低压加热器卧式立式2021/5/946高压加热器卧式2021/5/9471.给水除氧的任务

除去给水中溶解的氧和其它气体，防止热力设备及管道的腐蚀和传热恶化。气体主要来源是补充水及真空系统。2.除氧方法

热力除氧：将给水加热至除氧器压力下的饱和温度，水蒸气的分压力接近水面上的全压力，其它气体的分压力趋近于零，则溶解在水中的气体将从水中逸出被除掉。

三、除氧器2021/5/948原理：1.亨利定律

单位体积中溶解的气体量b与水面上该气体的分压力P气体成正比。

推论：如P气体→0，则b→0。2.道尔顿定律

混合气体的全压力P等于各组成气体的分压力之和。

P＝ΣP气体+P水蒸汽

推论：若P→P水蒸汽，则ΣP气体→0。

2021/5/949（1）必要条件：给水应加热到除氧器工作压力下的饱和温度。（2）充分条件：保证足够大的汽水接触面积（细水流、水膜、雾化），并及时排走分离出来的气体。

2021/5/9502．除氧器的压力调节和保护

当压力升高至额定工作压力的1.2倍时，应自动关闭抽汽管道电动隔离阀。当压力升高至额定工作压力的1.25～1.3倍时，安全阀应动作。3．除氧器的水位调节和保护

（1）水位过低。给水泵入口富裕静压头减少，影响给水泵安全工作。

（2）水位过高。汽轮机水击、给水箱满水、除氧器振动、排气带水等。

。

2021/5/9514．排汽的调整和利用

（1）开度过小。排汽量减少且排汽不畅，除氧效果恶化。

（2）开度过大。增加工质及热损失，且会造成除氧器内蒸汽流速太大，导致排气带水和除氧器振动2021/5/952除氧器的结构组成：除氧塔给水箱2021/5/953四、给水泵、凝结水泵、循环水泵给水泵和凝结水泵的保护——防止汽蚀：保证水位；保证最小流量。2021/5/954一、汽轮机调节系统任务电压频率（n）供电要求：（1）数量：功率（2）质量：供电频率与转速关系：

第三节

汽轮机调节与保护2021/5/955作用于转子上三力矩：

Mt：汽轮机的蒸汽主力矩Mg：发电机的反力矩Mf：摩擦阻力矩（忽略）转子运动方程式：1、功率平衡2、稳定转速调节系统任务：2021/5/956二、汽轮机调节系统的基本原理2021/5/957（1）调速系统组成：转速感受机构传动放大机构执行（配汽）机构（2）有差调节：稳态时不同负荷下对应不同稳定转速的调节

归纳：2021/5/958三、汽轮机调节系统的类型和发展

类型：按工作原理分机液（机械──液压）调节系统电液（电子──液压）调节系统

速度调节系统

功频调节系统按调节信号分发展：机液调节系统→模拟功频电液调节系统→数字功频电液调节系统

2021/5/959四、调节系统的静态特性调节系统的静态特性： 稳态下汽轮机功率与转速之间关系2021/5/960调节系统的速度变动率：意义：说明汽轮机同样负荷变化下稳定转速变化大小。2021/5/961速度变动率对不同机组间负荷分配影响：带基本负荷：δ较大4%~6%带尖峰负荷：δ较小3%~4%（一次调频）2021/5/962同步器（转速定值器）作用：1.在单机运行时，操作同步器可调整机组转速，使机组在任何负荷下都能保持额定转速运行，从而保证供电频率稳定。2.在机组并列运行时，（a）操作同步器可改变机组功率，使机组在电网频率不变时带不同负荷。（b）操作同步器可改变电网中各台机组的负荷分配以及调整电网频率。（二次调频）3.在机组并网前，操作同步器可调整机组转速与电网同步并入电网。2021/5/9632021/5/964

转速升高到额定转速的1.10~1.12倍时动作，迅速关闭自动主汽阀和调节阀。

1、机械超速保护及手动脱扣保护系统五、汽轮机的保安系统

转速升高，转动部件应力增大，危及转子的强度。为确保人员和设备安全，汽轮机设多道超速保护措施。功能：2021/5/9652.电气信号危急跳闸保护系统功能：在下列参数超限时，该系统关闭全部蒸汽阀门：1）汽轮机超速2）轴向位移大3）轴承油压过低4）低真空5）轴承振动大6）抗燃油压力低3.OPC超速保护2021/5/966（3）

OPC超速保护2021/5/967轴向位移保护装置

各种原因造成轴向推力过大时将导致推力瓦的乌金融化，转子产生不允许的轴向位移，使汽轮机动静摩擦。功能：当轴向位移达到一定值，发出报警信号，当轴向位移达到危险值，自动保护装置动作，切断汽源停机。

2021/5/968润滑油压保护装置

润滑油压过低，会烧坏轴承乌金造成动静摩擦。功能：（1）发出报警信号（2）投入辅助油泵（3）关闭主汽阀（4）停止盘车2021/5/969低真空保护装置

真空降低，影响汽轮机出力且使排汽温度升高，轴向推力增大，汽轮机振动加剧。功能：真空降低到一定值发出报警信号，真空降至规定危险值自动停机。2021/5/970六、汽轮机润滑油系统作用：（1）向汽轮发电机组各轴承提供润滑油（2）向机械式超速危急遮断系统提供压力油（3）启停时向盘车装置和顶轴油泵供油（4）向发电机氢密封油系统提供高压和低压密封油要求：保证可靠供油2021/5/971多级汽轮机的经济指标一、相对效率二、绝对效率汽机相对内效率ηri汽机相对电效率ηr,el汽机绝对内效率ηi汽机绝对电效率ηel绝对效率=相对效率×ηt2021/5/972三、汽耗率和热耗率汽耗率d

定义：每发一度电(1kw·h)所消耗的蒸汽量单位：kg/(kw·h)

定义式：热耗率q

定义：每发一度电(1kw·h)所消耗的热量单位：kJ/(kw·h)

定义式：2021/5/973第六章

热力系统2021/5/974一、发电厂原则性热力系统及组成

以规定的符号来表示工质按某种热力循环顺序流经的各种热力设备之间联系的线路图，称为发电厂的原则性热力系统。

特点：

只表示工质流过时状态参数发生变化的各种热力设备，图中同类型同参数的设备只用一个来表示，它仅表明设备之间的主要联系，备用设备、管道及附件一般不画出。

应用：用来计算和确定各设备、管道的汽水流量，发电厂的热经济指标等，故又称为计算热力系统。2021/5/975组成：主要由下列各局部系统组成：（1）主蒸汽及再热蒸汽管道系统；（2）主给水系统；（3）除氧器和给水箱系统；（4）主凝汽水系统；（5）补充水系统；（6）锅炉连续排污及利用系统等。

2021/5/9762021/5/9772021/5/978二、发电厂全面性热力系统及组成

发电厂的全面性热力系统是以规定的符号表明全厂主辅热力设备，包括运行的和备用的，以及按照电能生产过程连接这些热力设备的汽水管道和附件整体系统图。

2021/5/979

特点：为适应启动、低负荷运行、变工况、正常运行、事故或停止运行时各种运行方式变化的需要，装置了各种不同作用的备用设备、备用管路、操作部件和安全保护部件。全面性热力系统图是按发电厂设备的实际数量绘制的。

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应用：（1）全面性热力系统标明一切必需的连接管路和管路上的一切附件，反映了全厂热力设备的配置情况和各种运行工况的切换方式，是发电厂运行操作的依据。（2）在发电厂设计时，可以根据拟定的全面性热力系统图，编制全厂汽水设备总表，计算管子的直径和壁厚，提出管制件的定货清单。同时也给发电厂管道系统和主厂房布置设计提供了依据。

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（一）主蒸汽、再热蒸汽管道系统

锅炉供给汽轮机蒸汽的管道、蒸汽管间的连通母管、通往用新汽设备的蒸汽支管等称为主蒸汽管道系统。

2021/5/982主蒸汽再热旁路系统图2021/5/983（二）旁路系统

旁路系统是再热机组启、停、事故工况下的—种调节和保护系统。作用1.保护再热器。2.改善启动条件，加快启动速度。3.回收工质，消除噪音。4.其它。可进行超压保护，减少安全门动作次数，延长使用寿命；可配合进行中压缸启动等。2021/5/9842021/5/985旁路系统运行

1.旁路启动

旁路系统将按压力控制曲线进行控制。

步骤：（1）开启高低旁喷水手动截门，打开旁路启动曲线，检查设定值设定正确；（2）将高、低旁压力调节阀切为手动方式，对旁路管道进行暖管；（3）投高、低旁压力调节自动，设定好主、再热蒸汽升压率和目标值；（4）通过改变启动曲线上的升压率来控制旁路流量。

2021/5/9862.旁路的切换

低负荷暖机后，要进行阀切换，即旁路逐渐关闭，高压缸进汽。

说明：在阀切换时应严密监视旁路系统的动作情况，如果旁路减压阀的关闭与调门的开启在流量上配合不好，必然导致蒸汽汽压力波动和汽包水位的大起大落。因此，当阀切换控制效果不理想时，应立即切至手动进行，以确保各参数的稳定。

2021/5/987

（三）主凝结水系统组成

从凝汽器热水井经凝结水泵、轴封蒸汽冷却器及低压加热器到除氧器的全部管道系统称之为主凝结水管道系统。2021/5/988（1）在主凝结水系统中，一般设两台凝结水泵，一台运行，一台备用，运行泵故障时能自动切换。（2）凝结水再循环管的作用是在机组启动或低负荷运行时，保持凝结水泵流量大于水泵的最小允许流量，维持一定的热井水位以保证水泵入口不发生汽化，同时还应保证轴封冷却器足够的冷却用水。

2021/5/989凝结水系统运行（1）机组初始启动，要向凝结水系统、闭式水系统、除氧器、凝汽器进行注水；（2）凝结水泵启动前应开启再循环电动门，以免因流量不足而引起泵的损坏；（3）凝结水泵启动后，除氧器水位可由大小调节阀自动控制；（4）在真空建立后，凝汽器可实现抽吸补水。2021/5/990

（四）给水系统组成

给水管道系统就是从除氧器给水箱下降管入口，经给水泵、高压加热器到锅炉省煤器前之间的全部管道、阀门和附件的总称。大容量机组采用单元制给水系统。2021/5/991特点：给水管道输送的工质流量大，压力高，对全厂的安全、经济运行影响很大。给水管道系统事故会使锅炉给水中断，造成紧急停炉或降负荷运行，甚至使锅炉发生严重事故以致长期不能运行。

2021/5/992说明：（1）给水泵配置有两台汽动给水泵，一台电动给水泵（启动和备用），在给水泵逆止阀出口处装有再循环管。（2）给水泵出口逆止阀的作用是当给水泵停止运行时，防止压力水倒流入给水泵，给水泵倒转而冲击低压给水管道和除氧器。（3）给水再循环管的作用是防止给水泵在启动或低负荷时入口发生汽化而导致汽蚀，保证通过给水泵最低流量。（4）给水操作台中给水调节阀系统的路数、容量应根据锅炉进水路数及调节阀的性能研究确定。2021/5/993给水泵调节方式

1.节流调节

特点：采用给水调节阀调节给水流量，压力损失大。

2.变速调节

特点：（1）通过改变给水泵转速调节给水流量，减少了压损，节省厂用电；（2）简化给水操作台。

2021/5/994给水泵拖动方式

300MW及以上机组采用小汽轮机拖动，电动泵作备用。

特点：（1）高转速，轴短，可靠性高。（2）功率不受限制。（3）增大回热抽汽量，高压缸容积流量增大，机组热经济性提高。（4）系统复杂，启动时间长。

小汽机汽源选择。（1）新汽：负荷适应范围大，但蒸汽容积流量小，小机效率低。一般作为低负荷备用汽源；（2）高压缸排汽：低负荷备用汽源；（3）中压缸回热抽汽：抽汽压力较低、抽汽量较大，热经济性好。2021/5/995

（五）轴封蒸汽系统作用

1.防止汽缸内蒸汽和阀杆漏汽向外泄漏。

2.机组正常运行时，防止高温蒸汽引起汽机转子轴承超温。

3.防止蒸汽漏入汽缸的真空部分。

4.回收工质和热量。

2021/5/996轴封蒸汽系统组成

大容量机组的轴封系统为自密封系统，正常运行时，利用高中压轴封漏汽供给低压轴封用汽，大约在75%负荷时可进入自密封状态。2021/5/997（六）辅助蒸汽系统作用

采用单元制机组的发电厂均设有辅助蒸汽系统、辅助蒸汽系统在电