第3章 汽轮机非设计工况

第3章汽轮机非设计工况的运行特性

任务

研究偏离参考工况(如设计工况)运行时级或级组流量与压力及温度相对于参考工况的变化，以及由此产生的反动度、内功率、效率和轴向推力等的改变，评估这些变化对机组安全、经济运行的影响。方法

基于级或级组的压力——流量关系，由参考工况下级或级组的压力、流量计算出偏离参考工况的压力、流量。核心内容级或级组的压力——流量特性第一讲级与级组非设计工况时的运行特性

3.1喷嘴非设计工况运行特性基本关系最大流量仅与初参数有关初参数不变最大流量不变初、终参数变化最大流量改变第一讲级与级组非设计工况时的运行特性流量网、流量锥描述了初、终参数改变时，相对于最大工况的流量相对变化。第一讲级与级组非设计工况时的运行特性3.2.1级的压力—流量特性

临界工况工况变化前、后喷嘴或动叶均为临界，级的流量仅与进口初参数有关。喷嘴临界变化前后喷嘴均临界，级后压力变化不影响喷嘴流量，仅与喷嘴前参数有关。动叶临界变化前后动叶均临界，级后压力变化不影响动叶流量，仅与喷嘴前参数有关。对动叶面积为A动叶进口处，蒸汽由滞止等熵膨胀到非滞止状态，则工况变化前、后流量第一讲级与级组非设计工况时的运行特性

对喷嘴亚临界工况变化前后喷嘴、动叶均为亚临界假想流量整级膨胀发生在喷嘴中第一讲级与级组非设计工况时的运行特性真实流量

流量、压力关系

级临界压比注意：!!!简化模型比容变化较小、反动度基本不变，并略去小量第一讲级与级组非设计工况时的运行特性混合工况对工况变化前后临界状态发生变化，以临界工况为分界点，作分步计算。级变工况特性小结

临界亚临界3.2.2级组的压力—流量特性级组

由前后串联排列、流量相等的若干级组成临界工况

级组内只要有一列叶栅(喷嘴或动叶)达到临界时，则该级组为临界工况。否则，为亚临界工况。stodola试验上世纪20年代初，在一台4000rpm、8级反动式汽轮机进行试验，研究非设计工况下流量、功率与初压、背压的对应关系低背压时，机组的流量近似正比于初压，且中间级的级前压力正比例于初压；电功率近似正比于初压；第一讲级与级组非设计工况时的运行特性stodola试验的数学描述低背压时，级组的流量正比于初压，即；考虑温度变化的影响，则初压不变、高背压变化时，流量与背压呈椭圆关系；反之，背压不变时，则流量与初压呈双曲线关系。高背压变化时第一讲级与级组非设计工况时的运行特性高背压下初压变化时Flugel公式级组临界级组中只要有1个喷嘴或动叶达到临界。调节级喷嘴低负荷和低压末级组高负荷容易达到临界。临界工况临界级第一讲级与级组非设计工况时的运行特性亚临界工况基于单级亚临界关系作递推，在各级初温相对变化相等假设下，得

依次类推，级组临界工况时的压力、流量特性第一讲级与级组非设计工况时的运行特性

前一级为亚临界Flugel公式的应用使用条件亚临界通流面积不变级组中各级流量相等，且蒸汽充满流道级数足够多(4～5级以上)单级与多级组流量——压力关系第一讲级与级组非设计工况时的运行特性Flugel公式的推广应用非调整抽汽回热级组非调整抽汽级组的抽汽量通常比例于主流流量，即

对这2个级组分别用Flugel公式，得第一讲级与级组非设计工况时的运行特性通流面积按比例变化因均匀性结垢使通流面积按比例减小时，按可比的单位面积流量进行计算。例：某凝汽式汽轮机，额定蒸汽流量为132.6t/h，调节级汽室压力为1.67MPa。当机组流量降为90t/h时，试问此时调节级汽室的压力为多少？又，压力级结垢通流面积减少5%后，蒸汽量90t/h下调节级汽室压力是多少？分析思路将通流部分分为调节级和其后的压力级；凝汽式意味着背压远低于初压。第一讲级与级组非设计工况时的运行特性级数增、减时流量和压力关系实际应用中，因某种需要拆除某个级，此时要求分析拆除后对一些级的强度的影响。对这类综合应用问题，分析的原则是合理划分级组，从结构没有改变的级组开始计算。解：(1)对压力级，不计背压和温度变化的影响。有(2)结垢后通流面积减少5％，则第一讲级与级组非设计工况时的运行特性例如：某凝汽式汽轮机共有10级，第6级因故障被迫拆除。试问拆除后若流量仍为设计值，则调节级汽室的压力变化多少？哪个级所受影响最大？级次调节2345678910级后压力1.176MPa0.862MPa0.612MPa0.426MPa0.282MPa0.179MPa0.104MPa62.2kPa32.3kPa4.9kPa分析：将结构不变的级分为一组。解：本例分为3个级组，第I级组是调节级到第5级，第II级为第6级，第III级组为第7～10级。

(1)拆除第6级后，因流量没变，故第III级组前的压力不会变化。第I级组后压力由原0.282MPa变为0.179MPa，第一讲级与级组非设计工况时的运行特性由级组压力、流量特性关系求调节级后压力变化(2)显然，在拆除第6级后，对调节级汽室的影响较小，受影响最大者为第5级，因为即第5级的压差由0.144MPa上升到0.18559MPa，约增大28.9%。离第6级越远，所受影响就越小。第一讲级与级组非设计工况时的运行特性主蒸汽流量的虚拟测量

主蒸汽流量用孔板或喷管测量，产生节流损失，对600MW机组，估计一年损失500,000$

基于汽轮机级组压力、流量关系，实现主蒸汽流量的虚拟测量第一讲级与级组非设计工况时的运行特性案例2：安徽某厂125MW机组，额定工况调节级后压力、温度为8.4MPa、493℃。现110MW时调节级后压力、温度为8.6MPa、496℃，试问是否正常？汽轮机内发生了什么？第一讲级与级组非设计工况时的运行特性第二讲功率调节与配汽方式汽轮机配汽改变汽轮机的进汽量和焓降,实现功率输出变化。主要方式节流配汽、喷嘴配汽、滑压配汽、过负荷阀配汽和补汽(旁通)配汽3.3.1节流配汽原理利用调节汽阀节流降压改变进汽量和焓降特点通流部分结构不变和效率及热状态基本不变，机构简单，但节流损失大，总热效率低调门后压力节流温度基本不变3.3.2喷嘴配汽原理多个调节汽门顺序开启改变进汽量，仅有一个调门节流提高效率特点部分进汽调节级，多个调门，部分节流理想焓降基本不变，效率高，调节级后温度变化大节流效率与功率第二讲功率调节与配汽方式第二讲功率调节与配汽方式第二讲功率调节与配汽方式调门后压力调节级后压力喷嘴后压力调节级的特点：部分进汽，冲动级，反动度近似为零喷嘴后的压力相等全开调门喷嘴前(即调门后)的压力相等部分开启调门后的压力可各不相等未开调门后的压力等于调节级后压力阀点时的热力过程分析阀点调节汽门顺序开启过程中，调门全开、没有节流损失对应的点。I阀点，II阀点……方法通流部分分为调节级和非调级组两部分，且假设调节级的反动度为零。友情提醒调节级后压力是分析、计算的关键点!!!阀点时的热力过程线第二讲功率调节与配汽方式例：某凝汽式汽轮机调节级设有4个喷嘴组，主蒸汽，喷嘴组的喷嘴数依次为8、6、4、4。设计工况下4个调门全开，额定流量，此时调节级后压力为10.0MPa。试求I、II、III阀点对应的流量。设调节级的反动度为零解析：阀点时通过调节级各喷嘴组的流量一定是最大流量与流量比系数的乘积。解：(1)由压比计算

(2)最大流量(3)III阀点时最大流量第二讲功率调节与配汽方式

调节级后压力I阀点III阀点II阀点IV阀点(4)II阀点时最大流量(3)I阀点时最大流量随流量减小，调节级后温度和压力降低，焓降增大，动叶进口汽流角及部分进汽度变小，效率下降。第二讲功率调节与配汽方式非阀点时的热力过程分析存在部分节流。解决调门中的蒸汽流量分配和部分开启调门后的压力计算方法以阀点流量计算为先导，求出各调门的流量分配用喷嘴或单级压力、流量关系计算部分开启调门后的压力例：上例中，求蒸汽流量为180t/h时的调门流量分配和部分开启调门后的压力。解(1)180t/h时调节级后压力(2)流量分配调节级临界，I阀全开，II阀部分开启，第二讲功率调节与配汽方式(2)调门后压力II喷嘴组当作单独1个级。假设亚临界额定工况时流量为81.82t/h，前、后压力已知

表明II喷嘴组为临界，由临界工况流量比例于初压得

II喷嘴组临界时的最小临界流量

第二讲功率调节与配汽方式II阀点非阀点时的热力过程线介于2个阀点之间，调节级后状态点决定于混合焓I阀点第二讲功率调节与配汽方式喷嘴配汽时蒸汽流量与调门后压力

第二讲功率调节与配汽方式调节级后压力与调门流量

第二讲功率调节与配汽方式喷嘴配汽实际压力、流量关系(1)主蒸汽流动阻力

(2)调节级后温度

(3)开启重迭度

第二讲功率调节与配汽方式喷嘴配汽小结特点部分进汽调节级，部分节流效率高，调节级焓降随负荷降低而增大，其后温度随负荷则降低优点部分节流，整机的理想焓降基本不变；高排温度随负荷降低而减小，再热吸热量增多，效率较高不足调节级后温度随负荷降低，高压缸的温度变化较大，调节级动叶汽流力大。分析关键点

调节级后压力为切入点。调节级后压力比例于流量、全开调门对应喷嘴组前的压力等于初参数、反动度为零。第二讲功率调节与配汽方式例：某的凝汽式汽轮机，设有4个调节级喷嘴组，各组的喷嘴数依次为8、6、4、4。设计工况下4个调节汽门完全开启，额定流量为，此时调节级后压力为10.0MPa。假定调节级反动度为零且调门开启无重迭度，全开调门和部分开启对应的相对内效率分别为0.7和0.65，调门全开时对应喷嘴组前的压力为15.88MPa。试求机组流量为225t/h时各调门的流量分配，部分开启调门前的压力，调节级的状态点。解：①计算非设计工况调节级后压力

②判定设计与非设计工况全开调门喷嘴组的工作状态第二讲功率调节与配汽方式设计与非设计工况下调节级的压比分别为显然，设计工况下全开调门的喷嘴组处于亚临界，而非设计工况下全开调门喷嘴组处于临界工况。由设计工况的压比0.63，求得对应的流量比系数。由设计工况的实际流量求得对应初参数的临界流量，对应单个喷嘴的最大(临界)流量为305.5/22=13.8864t/h。③计算非设计工况的流量分配因各调节汽门顺序无重迭开启，且非设计工况下全开调门喷嘴组处于临界工况，则第I调门喷嘴组的临界流量111.091t/h，小于225t/h，表明第I调门全开；第II调门喷嘴组的临界流量83.318t/h。第I、II喷嘴组合计临界流量为194.409t/h，仍小于225t/h，表明第II调门全开；第二讲功率调节与配汽方式如果第III调门也全开，对应喷嘴组的临界流量55.5456t/h，与第I、II喷嘴组临界流量合计后大于225t/h，说明此工况下第III调门应部分开启，通过该喷嘴组的流量为30.591t/h。即该汽轮机在225t/h工况下的流量分配是：第IV调门关闭，第I、II调门全开，第III调门部分开启，各调门的流量分别是119.091、83.318、30.591、0t/h。④计算第III喷嘴组前的压力由⑤计算调节级出口状态点分别由全开及部分开启调门喷嘴组前、后的压力和初温，求得对应的理想焓降232KJ/kg和105KJ/kg。由相对内效率分别求得实际焓降162.4KJ/kg和68.25KJ/kg。在h-s图上求得实际状态点分别为3271.6第二讲功率调节与配汽方式和3365.8KJ/kg按质量流量加权平均求得非设计工况下调节级出口状态点的焓为3284.4KJ/kg。第二讲功率调节与配汽方式3.3.3滑压配汽原理调节汽门无节流开度保持不变，由锅炉调节主蒸汽压力来控制汽轮机的进汽量和机组功率特点无调门节流损失，主蒸汽与再热蒸汽温度不变，主蒸汽压力跟随外界负荷变化，负荷响应速度较慢分析主蒸汽流量与主蒸汽压力第二讲功率调节与配汽方式(1)主蒸汽压力随负荷降低而降低，高压缸排汽温度上升。(2)理想焓降和再热吸热量随负荷降低而减小，循环效率下降

(3)汽轮机相对内效率基本不变

(4)采用变速给水泵可节省厂用电消耗

第二讲功率调节与配汽方式3.3.4补汽配汽原理又称旁通配汽，利用中间级较大的通流面积，由内(或外)旁通阀将蒸汽引至中间级，以增大汽轮机的进汽量和功率输出外旁通旁通蒸汽来自于汽轮机的外部内旁通旁通蒸汽来自于汽轮机的内部分析方法以旁通阀为分界点划分级组第二讲功率调节与配汽方式例：某背压式供热汽轮机，采用喷嘴、内旁通配汽。调节级设有5个喷嘴组，前4个用于正常工况，第V个用于加强工况，前4个喷嘴组有36只喷嘴，第V个有11只。在调节级后与第5级前设置一内旁通阀，加强工况时开启。初参数为，前4个调门全开时流量为155t/h，调节级和第4级后的压力分别为，第4级后的温度为；供热压力为。试问当汽轮机进汽量为206t/h时流经旁通阀的蒸汽流量。第二讲功率调节与配汽方式解：不计温度变化。将调节级、5级后和其余级分为3个级组①求在206t/h下第5级前的压力。第二讲功率调节与配汽方式123546987IIIIVIIIV旁通阀③计算通过中间级组的蒸汽流量由求得的加强工况下调节级后和第5级前压力，利用亚临界工况级组流量、压力关系求得加强工况下通过2、3、4级组的蒸汽流量为82t/h。④计算加强工况下通过旁通阀的流量旁通阀的流量＝206－82＝124t/h。第二讲功率调节与配汽方式②计算调节级后压力因设计工况调节级为亚临界，加强工况调节级一定为亚临界第二讲功率调节与配汽方式3.3.5过负荷阀配汽背景喷嘴配汽虽效率较高，但为满足过负荷要求，预留1个喷嘴组，这样，(1)正常运行时调节级部分进汽，调节级效率较低；(2)调节级焓降较大，部分负荷时调节级焓降增大而使高压缸效率下降较大。原理正常负荷时效率高，过负荷时效率低些，提高机组主要负荷范围内的效率设计无调节级，外旁通过负荷阀，新蒸汽至第4级后，过负荷时开启过负荷阀，增大汽轮机的总进汽量。第二讲功率调节与配汽方式不足过负荷时效率低、高压缸温度变化大，增负荷效率低改进凝结水节流或高压加热器给水旁路(1)经济性喷嘴配汽，滑压配汽，节流配汽

(2)安全性滑压配汽，节流配汽，喷嘴配汽(3)负荷响应能力喷嘴配汽、节流配汽，滑压配汽3.3.6不同配汽方式运行特性比较(4)特例基于变速给水泵的滑压配汽，综合经济性有可能优于喷嘴配汽第二讲功率调节与配汽方式经济性比较：理想焓降喷嘴>滑压>节流高压缸效率滑压＞喷嘴＞节流排汽温度滑压＞节流＞喷嘴给水泵功耗节流=喷嘴＞滑压安全性比较：缸内温度变化喷嘴>节流>滑压调节级动叶应力喷嘴>节流＝滑压轴承载荷变化喷嘴＞节流＝滑压负荷响应速度：喷嘴＝节流>滑压第三讲焓降、反动度、轴向力的变化不同配汽方式的运行特性比较经济性安全性响应能力喷嘴配汽好差好节流配汽差较好好滑压配汽较好好差3.3.7混合配汽原理发挥不同配汽方式安全性、经济性优势，提高机组综合运行性能亚临界、超临界机组定压＋滑压＋定压，即高负荷时喷嘴配汽，中间负荷滑压配汽，低负荷节流配汽第二讲功率调节与配汽方式超超临界机组以修正滑压配汽为主，或节流+补汽配汽，辅助于凝结水节流和高压加热器给水旁路控制第二讲功率调节与配汽方式第三讲焓降、反动度、轴向力的变化分析原理焓降主要决定于级或级组的前、后压比调节级调节级后压力随负荷减小而降低，则其焓降随负荷减小而增大中间级级前、后压力随流量减小等比例下降，故级压比近似不变，不计温度变化影响，则级焓降基本不变末级组流量与背压为椭圆关系，流量减小，级压比增大，焓降随之而减小3.4.1非设计工况下的焓降变化3.4.2非设计工况下的反动度变化分析原理喷嘴和动叶的流量平衡决定于级内喷嘴、动叶的焓降变化，亦即决定级反动度的改变。分析基础流量平衡

假设级焓降减小时

第三讲焓降、反动度、轴向力的变化

代入流量平衡关系，有

因单调增，故结论：级焓降减小，则反动度增大；反之亦然因的变化率随增大而增大，故反动度较大时，不大的反动度变化即可满足流量平衡要求，第三讲焓降、反动度、轴向力的变化动叶超临界此时降低级背压，级反动度一定增大喷嘴配汽负荷下降，调节级焓降增大，则反动度下降；中间级焓降基本不变，则反动度亦基本不变；末级或末数级，焓降减小，反动度略有增大节流与滑压配汽负荷下降，前级组焓降不变，反动度基本不变；末级或末数组，焓降减小，反动度略有增大冲动级

反动级动叶进汽角接近90º，级焓降变化均阻碍动叶流动，故反动度略有增大第三讲焓降、反动度、轴向力的变化3.4.3非设计工况下轴向力的变化分析原理汽流力正比于流量，压差力决定于级前、后的压差和压力反动度

流量减小，轴向推力减小；反动度和压差增大，轴向推力则上升喷嘴配汽中间级流量减小，压力降低，汽流力和压差减