汽轮机变工况特性

1、汽轮机原理 Steam Turbine Theory,第三章 汽轮机的变工况特性,主要内容,概述 喷嘴的变工况特性 级与级组的变工况特性 配汽方式及其对定压运行机组变工况的影响 滑压运行的经济性与安全性 初终参数变化对汽轮机工作的影响 汽轮机的工况图,第一节 概 述,设计工况：指汽轮机在设计参数下运行的工况，也称经济工况。 变工况：汽轮机在偏离设计参数的条件下运行的工况（外界负荷变动、蒸汽参数变动和转速变动） 研究意义： 了解汽轮机在不同工况下的效率变化，以设法使效率变化不多。 了解汽轮机在不同工况下受力情况，保证机组安全,第二节 喷嘴的变工况特性,渐缩喷嘴初压不变时背压与流量的关系 渐缩喷嘴

2、前后参数都变化时的流量变化 渐缩喷嘴 初压、背压与流量的关系 缩放喷嘴的变工况,一、渐缩喷嘴初压不变时背压与流量的关系,其初压及出口面积不变时，通过喷嘴的流量为,将BC段用椭圆曲线近似,二、渐缩喷嘴前后参数都变化时的流量变化,设计工况和变工况下喷嘴均为临界工况,忽略温度变化,结论： 1、不同工况下喷嘴临界流量正比于滞止初压或初压，反比与喷嘴前滞止热力学温度或热力学温度平方根。 2、在电站汽轮机中只有凝汽式汽轮机的最末一、二级和调节级的喷嘴可能超过音速,设计工况和变工况下喷嘴均为亚临界工况,忽略温度变化,三、渐缩喷嘴 初压、背压与流量的关系,函数 关系曲线（流量网图,流量网图,流量锥 在实际计算

3、中，大都采用图解法计算流量，即使用流量锥或是流量网图。 假设最大初压为p0m，相应的最大临界流量为G0m,相对初压 相对背压,m、1、 0之间关系的三维显示为流量锥，二维表示为流量网图。（oad为等腰直角三角形,流量锥,四、缩放喷嘴的变工况,1、当初压不变时,2、初终参数同时改变时,第三节、级与级组的变工况特性,级内压力与流量的关系 级组压力与流量的关系 各级的p0-G曲线 压力与流量关系式的应用 级的比焓降和反动度变化规律 撞击损失,一、级内压力与流量的关系,级内为临界工况 级内的喷嘴或动叶栅两者之一的流速达到或超过临界速度,结论：级处于临界工况时，级的流量与滞止初压或初压成正比，与滞止初温

4、或初温的平方根成反比；不考虑温度变化时，流量只于滞止初压或初压成正比,级内为亚临界工况 级内喷嘴和动叶出口汽流 速度均小于临界速度的工况,忽略温度变化,说明： （1）级内未达到临界时，通过级的流量不仅与初参数有关，还与终参数有关； （2）流量偏离设计值越小，误差越小,二、级组压力与流量的关系,几个概念 级组：一些流量相等，通流面积不随工况而变化（或变化程度相同）的依次串联排列的若干级的组合； 亚临界级组：级组各级的汽流速度均小于临界速度的级组； 临界工况级组：级组内至少有一列叶栅的出口速度达到或超过临界速度； 级组临界压比：临界工况机组中某一级（一般是最末级）的喷嘴或动叶）流速刚达到临界速度时

5、，级组前后压比称为,工况变化前后级组均为临界工况,结论： 级组为临界工况时，级组流量与级前压力成正比，与级前绝对温度的平方根成反比；若不考虑温度变化，则级组流量只与级组前压力成正比,工况变化前后级组均为亚临界工况,斯托陀拉实验,级数无穷大,不考虑温度变化,弗留格尔公式 给出了亚临界工况下，级组流量与压力的关系。 初压不变时：流量与背压为椭圆关系； 背压不变时：流量与初压为双曲线关系,三、各级的p0-G曲线,凝汽式汽轮机末级p0-G关系,结论： 对于凝汽式汽轮机，若所取级数较多时，弗留格尔公式可用下式近似,四、压力与流量关系的应用,应用条件 工况变动前后通流面积不变； 级组内各级流量相同； 流过

6、级组内各级蒸汽应是均质流； 弗留格尔公式适用于具有无穷多级的级组，但一般只要级数多于4-5级就可以得到满意的结果。 用于运行分析 监视汽轮机通流部分运行是否正常； 可以推算不同流量（功率）时各级的压差和比焓降，从而计算出相应的功率、效率及零部件的受力情况，也可以由压力推算出通过各级的流量,五、级的比焓降和反动度变化规律,变工况前 变工况后,一，凝汽式汽轮机 根据前面的讨论可知，当工况变动时，通过级的流量与级前压力成正比，即,所以,上式表明，当工况变动时，凝汽式汽轮机各中间级前后压力比不变。这样，代入式焓降表达式后，级的理想焓降不变。当然，级的速度比和级效率也不变。 而级的内功率为： = BG

7、这就说明：在计算汽轮机各中间级的变动工况时，不需要逐级进行详细计算，只需求得各级前的压力，然后将热力过程曲线平移即可。而调节级和末级的变动工况，则要进行详细计算,结论： 凝汽式汽轮机初压、背压均与流量成正比的非调节级，流量变化时级的理想比焓降基本不变； 对凝汽式汽轮机的末级， 处，虽p0正比于G，但背压pc不与G成正比，若pc不变，则流量增大，比焓降增大；反之，流量减小，比焓降减小； 对凝汽式汽轮机的末级， 处，虽p0与G的关系为双曲线关系，流量下降时，比焓降减得稍慢,二，背压式汽轮机 1，如果背压式汽轮机最后一级达临界，则各级前的压力与流量成正比。其焓降、效率、反动度、功率的变化规律和凝汽式

8、汽轮机各中间级一样。 2，但是，背压式汽轮机的末级一般不会达临界，其压力与流量的关系应按弗留格尔公式进行计算,推导得： 上式表明，当背压不变时，背压式汽轮机各级前压力与流量的关系按双曲线规律变化。离末级越远，越近于直线,从图上分析： 1，对于背压式汽轮机的前几级，当工况偏离设计值不远时，级前压力与流量的关系近于直 线； 2，当流量在设计值附近变化时，可认为各中间级焓降不变，或变化很小； 3，当流量变化较大时，各级焓降都要变化，并且最后一、二级变化最大,总结： 采用喷嘴调节的凝汽式汽轮机，当流量改变时，比焓降的变化主要发生在调节级和最后一级中；所有中间级在流量变化时，比焓降近乎不变；但在低负荷时

9、，中间级比焓降也会变小。 当流量增加时，调节级焓降减小，末级焓降增加，各中间级焓降近乎不变； 当流量减小时，调节级焓降增大，末级焓降减小，各中间级焓降近乎不变； 背压式汽轮机除调节级比焓降变化外，最后几级的比焓降也发生变化，负荷变化越大，则受影响的级数越多,级的反动度变化规律,固定转速汽轮机反动度变化主要由级的比焓降变化引起； 级的比焓降减小，即速比xa增大时，反动度增大；级的比焓降增大，即速比xa减小时，反动度减小； 设计反动度较小的级，比焓降变化时，反动度变化较大；反之，变化较小；反动级的反动度基本不变； 凝汽式汽轮机末级（临界工况），流量不变，pc降低，反动度增大；pc 升高，反动度减小

10、,撞击损失 设计工况下，汽流进入动叶栅相对运动方向角与动叶几何进口角应一致； 变工况时，当比焓降变化，二者不再一致，使汽流进入动叶的相对运动方向改变，从而使动叶附面层厚度改变，叶型损失增加，这一增加损失称为撞击损失。 近似公式,六、撞击损失,撞击损失的形成图 (a)比焓降减小；(b)比焓降增大,第四节 配汽方式及其对定压运行机组变工况的影响,配汽方式概述 节流配汽 喷嘴配汽 调节级压力与流量关系 配汽方式对定压运行级组变工况的影响 轴向推力的变化规律,一、配汽（调节）方式概述,配汽机构：汽轮机通流部分是按经济功率设计的，设计中，外界负荷不断改变，为保证机组出力与用户所需功率相适应，需利用配汽机

11、构改变机组的出力； 配汽方式：根据改变对象（流量或理想比焓降）不同，配汽方式有节流配汽、喷嘴配汽、旁通配汽等,二、节流配汽(调节,1、节流调节定义：这种调节方式就是用一个（或两个）调节阀对进入汽轮机的全部进汽量D0进行调节。当功率增加时，开大调节阀的开度（L）。在额定工况下，全开（L=1）。当功率减小时，关小调节阀的开度（L），进入汽轮机的全部进汽量都受到节流作用。当机组功率变化时，流量和焓降都要变化,2、节流调节热力过程线,3、节流调节的效率 蒸汽经节流之后，焓值不变压力降低（ 降到 ），节流后的内效率为： 式中， 通流部分的相对内效率； 调节阀的节流效率，为部分开启和全开时理想焓降之比,三

12、、喷嘴配汽,1、定义： 这是一种应用最广泛的调节方式。每一个调节阀控制一组喷嘴组。中小型机组一般有3-7个调节阀，大型机组一般有4个调节阀。 在这种调节方式中，机组运行时，只有一组喷嘴的蒸汽受到节流作用，节流损失小。第四调节阀一般是在过负荷时（或者在初参数降低而要求发额定负荷时）才使用,2、喷嘴调节热力过程线,3、调节级的内效率： 根据热力过程曲线，有： 热平衡： 混合后的焓值,四、调节级压力与流量关系,简化的调节级的压力与流量关系,1、级后温度的影响 2、反动度的影响,3、调节汽门重叠度的影响 4、主/调节汽门节流损失的影响,五、配汽方式对定压运行级组变工况的影响,定压运行 通过改变主蒸汽流

13、量来适应外界负荷变化的运行方式。在该方式下，在汽轮机负荷变化范围内， 主蒸汽压力和温度参数都保持额定值，不予改变。 定压运行调节方式 节流调节 喷嘴调节 节流-喷嘴混合调节,六、轴向推力的变化规律,冲动式汽轮机 凝汽式汽轮机 （1）节流配汽凝汽式：除了最末一、二级外，各级焓降和反动度近似不变，可导出轴向推力与功率（流量）成正比；但最末一、二级焓降和反动度要变化，但对总推力影响不大。因此，最大轴向推力发生在最大功率时； （2）喷嘴配汽凝汽式：在工况变动时，压力级焓降和反动度近似不变，可导出轴向推力与功率（流量）成正比；而调节级的轴向推力变化复杂，但对总的轴向推力影响不大。因此，最大轴向推力发生在

14、最大功率时,背压式汽轮机 （1）调节级的轴向推力变化同上； （2）压力级的轴向推力不与流量成正比，最大轴向推力发生在中间负荷。 反动式汽轮机 对于反动式汽轮机，由于设计反动度大，因此变化小。轴向推力只与动叶前后压力差成正比，最大轴向推力发生在最大功率时,结论： （1）汽轮机轴向推力变工况计算相当复杂，难以计算准确。 （2）在实际运行中，常用测量推力轴承工作瓦块温升的方法监视轴向推力的变化,七、蒸汽量调节方式的比较和选择 1、调节方式的选择： （1）承担基本负荷的机组：要求效率高，多采用节流调节和单列级作调 节级的喷嘴调节方式； （2）承担尖峰负荷的机组：要求负荷适应性好，当工况变动时效率 变化

15、不大，常选用双列级作调节级的喷嘴调节方式。 （3）背压机：采用喷嘴调节方式。 2、调节级焓降大小的选用：调节级焓降大小对机组经济性影响很大： 设计工况下，调节级焓降大（ ），流量减小时焓降变化（ ）小； 设计工况下，调节级焓降小（ ），流量减小时焓降变化（ ）大； * 承担基本负荷的机组，运行时，负荷变化不大，则调节级焓降应取小些， 以求较高的效率； * 承担尖峰负荷的机组，运行时，负荷变化大，则调节级焓降应取大些（双 列级），使之在工况变动时，调节级焓降变化不大，效率变化不大,第五节 滑压运行的经济性与安全性,火电机组的调峰运行方式 滑压运行方式 机组滑压运行的热经济性 滑压运行机组的安全性

16、与灵活性,一、火电机组的调峰运行方式,两班制运行调峰方式 少汽（无汽）空负荷运行调峰方式 变负荷运行调峰方式,二、滑压运行方式,滑压运行定义 汽轮发电机组在额定出力以下，如带额定负荷的1/2或1/3等部分负荷下运行时，保持调节汽门全开或开度不变，根据负荷大小调节进入锅炉的燃料量、给水量、空气量，使锅炉出口汽压和流量随负荷升降而升降，但出口汽温不变，因而汽轮机进汽温度不变，而进汽压力、流量随负荷的升降而增减，以调节汽轮机的功率。也称变压运行、低压运行或减压运行。 分类 纯滑压运行 节流滑压运行 复合滑压运行,三、机组滑压运行的热经济性,分析经济性四因素： 循环热效率降低 高压缸内效率提高 给水泵

17、动力消耗减小 再热蒸汽温度升高引起热效率提高 当第一项小于后三项之和时采用滑压运行经济。 结论：主汽压力为临界压力以下的机组不适宜采用滑压运行,四、滑压运行机组的安全性与灵活性,运行安全性与灵活性 部分负荷下，蒸汽压力降低，而温度基本不变，因此当负荷变化，尤其在机组启、停时，汽轮机金属温度变化小，可以减小热应力和热变形，提高机组运行的安全性和快速加减负荷的性能，缩短机组启、停时间，延长使用寿命,喷嘴配汽： A1B1C1 A1B2C2 A1B3C3 滑压运行： A1D1 A2D2 A3D3,第六节 初终参数变化对汽轮机工作的影响,初终参数变化过大对安全性的影响 p0、pr变化过大对安全性影响 蒸

18、汽温度t0、tr变化过大对安全性的影响 真空恶化和排汽温度过高对安全性的影响 初终参数变化对汽轮机功率的影响 初压p0改变对汽轮机功率的影响 蒸汽温度t0改变对汽轮机功率的影响 真空改变对汽轮机功率的影响,工况变动时，除流量变化之外，汽轮机的初终参数也有变动。当初终参数变化超过一定范围后，不仅影响机组的经济性，对机组的安全也会有影响。 一、初温、背压不变，初压变化对功率的影响 蒸汽初压的变化，将会引起进汽量、理想焓降和内效率的变化。汽轮机 的内功率为： 当初压变化不大时，汽轮机的内功率变化为,一）当初压变化而调节阀开度不变， 进行简化、推导可得,相对值,上式表明，当初温、背压不变时，功率变化量

19、（ ）正比于初压改变量 （ ），而背压越高，初压对功率的影响就越大，即对背压机影响更大。如图所示，在不同背压下，功率增加与初压的关系,二）初压（ ）变化，保持流量（D）不变 1，对于喷嘴调节汽轮机来说：初压（ ）变化，保持流量（D）不变，则必需改变调节阀的开度。若忽略节流损失，则功率要改变，这种功率要改变是焓降变化所引起的，则 或者 2, 对于节流调节汽轮机来说，当初压（ ）变化，流量（D）不变，必需改变调节阀的开度，则第一级前的压力不变。因此，理想焓降不变。初压变化不会引起功率变化，但有节流损失。 3，对于中间再热机组，初压（ ）变化只会对高压缸起作用。而高压缸的功率一般只占总功率的1/41

20、/3，对功率影响不大,三）初压（ ）变化，要求功率（ ）不变，则流量要变化 所以： 或者 上式表明，当上升，理想焓降增加，效率 提高，流量D减少。当忽略效率变化时，上式为,二、初压、背压不变，初温变化对功率的影响 当初温在一定范围内变化时，要影响功率；初焓变化，也会影响蒸汽在锅炉内的吸热量Q。 （一）蒸汽总吸热量Q不变 这时，功率为 当初温变化时，理想焓降 、初焓 和效率 都要变化。 对上式进行推导得,390,二）调节阀的开度不变 这种情况下，初温变化对功率的影响为： 其中， 。 （三）流量保持不变 这种情况下，初温变化对功率的影响为： （四）初温变化对机组安全的影响： 初温变化对机组安全的影

21、响，主要对主汽阀、调节阀、调节级的影响，引起较大的热应力,三、初压、初温不变，背压变化对功率的影响 背压变化对汽轮机的影响主要在末级。为了方便，假定在设计工况下，末级级后压力为临界压力（ ）。工况变化后有两种情况：（1）末级级后压力由临界压力（ ）上升；（2）末级级后压力由临界压力（ ）下降,通常， =320 m/s，k=1.13， =1.012， 所以,一）背压由临界压力（ ）上升 当背压由临界压力（ ）上升到 时，（1）级的焓降（ ）减少；（2）余速损失改变；（3）级效率改变；（4）凝结水温度改变。这四方面都会引起功率变化，最后可得,3100,对于凝汽机组， 为常数（370m/s）， 、

22、u 、k、 为定值，则由上式可得单位流量的功率增量（ ）只与压力比（ ）有关。 = f ( ) 结合式（395），有 因此，根据不同的( )，就可以算出相应的功率增量（,二）背压由临界压力（ ）下降： 当背压由临界压力（ ）下降时，使汽流在动叶的斜切部分膨胀，反动度增加， 发生偏转，变成（ + ）。对喉部前的流动没有影响。因此，功率变化只是由于 的大小和方向改变所引起的，经过推导可得：对于一定机组，当背压由临界压力（ ）下降时，所引起单位流量的功率变化为,三）通用曲线 从以上分析，当背压变动时，单位蒸汽流量的功率变化均与（ ）有关。为了方便，将上述两种情况绘成统一的曲线。这条曲线具有通用性，如图366所示：BA线，按背压上升的情况绘制，BD线，按背压下降的情况绘制；C 点对应喷嘴斜切部分刚好用完的极限状态。从C点起，再继续降低背压，功率不再增加。 在BA段， ，功 率呈直线下降； 在BC段， ，功