N25-3.5435汽轮机通流部分热力计算

1、第一节 25MW汽轮机热力计算一、设计基本参数选择1. 汽轮机类型机组型号： N25-3.5/435。机组形式：单压、单缸单轴凝器式汽轮机。2. 基本参数额定功率：Pel=25MW；新蒸汽压力P0=3.5MPa，新蒸汽温度t0=435；凝汽器压力Pc=5.1kPa；汽轮机转速n=3000r/min。3. 其他参数给水泵出口压力Pfp=6.3MPa；凝结水泵出口压力Pcp=1.2MPa；机械效率m=0.99发电机效率g=0.965加热器效率h=0.984. 相对内效率的估计根据已有同类机组相关运行数据选择汽轮机的相对内效率，ri=83%5. 损失的估算主汽阀和调节汽阀节流压力损失：P0=0.05

2、P0=0.175Mpa。排气阻力损失：Pc=0.04Pc=0.000204MPa=0.204kPa。二、汽轮机热力过程线的拟定（1）在h-s图上，根据新蒸汽压力P0=3.5MPa和新蒸汽温度t0=435，可确定汽轮机进气状态点0（主汽阀前），并查得该点的比焓值h0=3303.61kJ/kg，比熵s0=6.9593kJ/kg（kg·），比体积v0= 0.0897758m3/kg。（2）在h-s图上，根据初压P0=3.5MPa及主汽阀和调节汽阀节流压力损失P0=0.175Mpa可以确定调节级前压力p0= P0-P0=3.325MPa，然后根据p0与h0的交点可以确定调节级级前状态点1，并

3、查得该点的温度t0=433.88，比熵s0= 6.9820kJ/kg（kg·），比体积v0= 0.0945239m3/kg。（3）在h-s图上，根据凝汽器压力Pc=0.0051MPa和排气阻力损失Pc=0.000204MPa，可以确定排气压力pc=Pc+Pc=0.005304MPa。（4）在h-s图上，根据凝汽器压力Pc=0.0051MPa和s0=6.9593kJ/kg（kg·）可以确定气缸理想出口状态点2t，并查得该点比焓值hct=2124.02kJ/kg，温度tct=33.23，比体积vct=22.6694183 m3/kg，干度xct=0.8194。由此可以的带汽轮机

4、理想比焓降Htmac=h0-hct=1179.59kJ/kg，进而可以确定汽轮机实际比焓降Himac=Htmac×ri=979.06kJ/kg，再根据h0、Himac和pc可以确定实际出口状态点2，并查得该点的比焓值hc2=2324.55kJ/kg，温度tc2=33.92，比体积vc2=24.0549667 m3/kg，干度xc2=0.9016。（5）若不考虑末级余速损失，直接到步骤（6），若考虑末级余速损失，则有第四章中hc2的计算方法得到hc2=0.018×Htmac=kJ/kg，然后沿压力线pc下移kJ/kg得3点，并查得该点比焓值 hc3=kJ/kg，温度tc3=，

5、比体积vc3= m3/kg，干度xc3=。用直线连接1、3两点，在中间4点处沿压力线下移（1215）kJ/kg得4点，光滑连接1、4、3点则由点0、1、3、2连接的线即为该机组再设计工况的近似热力过程线。（6）用直线连接1、2两点，在中间3点沿压力线下移20-25kJ/kg得3点，光滑连接1、3、2点，则由0、1、3、2连接的线即为该机组在设计工况下的近似热力过程线。拟定的热力过程线如图7-1所示。三、汽轮机进气量估计设m=1.08，D0=3%D0，设计功率Pe=20000kW，则由式（4-3）得D0=3.6×200001181.87×0.82×0.99×

6、;0.965×1.08+0.03D0=86.58t/h四、抽气回热系统热平衡初步计算1. 给水温度的选取根据初压P0=3.5MPa，可以求得P0对应下的饱和水温ts0=242.56，则由第四章中确定给水温度的经验公式得tfw= ts0 x 0.72=174.64。2. 回热抽气级数的选择选择5段回热抽气，采用“二高二低一除氧”的形式，高压加热器采用内置式疏水冷却器；高压加热器疏水收集方式为逐级自流到除氧器，低压气疏水方式为逐级自流，5号低压加热器采用疏水泵，其加热器（包括除氧器）的编号从高压到低压依次排序，为1、2、5号。3. 除氧器工作压力的选择除氧器定压运行，工作压力选为Pd=0

7、.118Mpa。4.回热系统图的拟定一台汽轮机抽气回热系统的拟定主要取决于该机组的给水温度、抽气回热级数及除氧器工作压力等。根据25MW汽轮机这几方面数值的确定，可画出如图7-2所示的回热系统。5. 各加热器汽水参数计算已知：高压加热器上端差1=5，2=5；下端差j=0（j=1,2）。低压加热器上端差j=3（j=4,5）。各段抽气压损Pj=8%Pj（j=1、2、4、5）由于除氧器定压运行，为了使其工作稳定，压损取17%。给水温度tfw=161凝汽器压力Pc对应下的饱和水温，即凝结水温度tc=33.23除氧器工作压力Pd对应下的饱和水温，即除氧器水箱出口水温td=104.3。本次计算暂不考虑水泵

8、与凝结水泵的温升。根据等温升法取各级加热器进出口水温tfw、水比焓hwj；通过上端差求取各级加热器凝结段的饱和水温度tbj，饱和水比焓hbj，加热器汽侧工作压力Pj，抽气压力Pj；通过下端差计算各级加热器的疏水温度tsj、疏水比焓（过冷水）hsj，最后再根据抽气压力与热力过程线的交点在h-s图上查取各段抽气温度tj（或干度xj）、抽气比焓值hj。由等温升法可得高压加热器水侧升温为t1=（tfw-td）/2=28.35由等温升法可得低压加热器水侧升温为t2=（td-tc）/2=23.69则tw1= tfw=161，tw2=132.65；tw3=td=104.30；tw4=80.61；tw5=56

9、.92。（1）1号高压加热器。根据给水温度，可以得到1号高压加热器出口水温tw1= tfw=161；由给水泵出口压力Pfp和tw1可得1号高压加热器出口水比焓hw1=683.23kJ/kg；1号高压加热器凝结段的饱和水温度tb1=tw1+1=166；hb1=704.87kJ/kg；1号高压加热器汽侧工作压力p1=0.718364MPa；1段抽气压力P1=0.78083MPa；1号高压加热器疏水温度ts1=tw1-t1+1=166；1号高压加热器疏水比焓hs1=704.87kJ/kg。表7-1 25MW凝汽式汽轮机加热器汽水参数表项目单位H1H2H3(HI)H4H5C回热抽汽抽汽压力MPa0.7

10、8080.36750.1420.05950.02160.0051抽汽温度（干度）268213.51410.9940.96抽汽比焓值KJ/Kg2989.722890.642755.272638.712517.72抽汽压损%881788加热器汽侧压力MPa0.718360.33810.1180.054780.01987下的饱和水温166137.65104.383.6159.92下的饱和水比焓KJ/Kg704.875830.4434.27351.01251.81抽汽放热KJ/Kg2284.852307.62416.852287.762265.91疏水疏水上端差55033下端差j疏水温度（疏水冷却器出

11、口水温）疏水比焓（疏水冷却器出口水比焓）疏水放热KJ/Kg水侧加热器出口水温161132.65104.380.6156.9233.23加热器水侧压力MPa6.36.30.1181.21.2加热器出口水比焓KJ/Kg683.23561.75441.84338.42239.27139.24给水比焓升KJ/Kg121.48119.91103.4299.15100.03 （2）2号高压加热器。2号高压加热器出口水温tw2= tw1-28.35=132.65；由给水泵出口压力Pfp和tw2可得2号高压加热器出口水比焓hw2=561.75kJ/kg；2号高压加热器凝结段的饱和水温度tb2=tw2+2=13

12、7.65；hb2=583.04kJ/kg；2号高压加热器汽侧工作压力p2=0.33810293MPa；2段抽气压力P2=0.367503MPa；2号高压加热器疏水温度ts2=tw2-t2+2=137.65；2号高压加热器疏水比焓hs2=583.04kJ/kg。（3）除氧器。除氧器工作压力P3=pd=0.118MPa；3段抽气压力P3=0.142MPa；水温td=104.3；出口水比焓hd=434.27kJ/kg；由给水泵出口压力Pfp和tw3得到给水泵出口水比焓值hw3=441.84kJ/kg。（4）4号低压加热器4号低压加热器出口水温tw4=80.61；4号低压加热器出口水比焓hw4=338

13、.42kJ/kg；4号低压加热器疏水温度ts4=tw4+4=83.61；hs4=351.01kJ/kg；4号低压加热器汽侧工作压力p4=0.05478487MPa；4段抽气压力P4=0.059548771MPa；（5）5号低压加热器5号低压加热器出口水温tw5=56.92；5号低压加热器出口水比焓hw5=239.27kJ/kg；5号低压加热器疏水温度ts5=tw5+5=59.92；hs5=251.81kJ/kg；5号低压加热器汽侧工作压力p5=0.01987207MPa；5段抽气压力P5=0.0216MPa。各加热器汽侧和水侧的基本参数如表7-1所示。6. 回热系统热平衡初步算法（1）1号高压

14、加热器。1号高压加热器热平衡图如图7-3所示，根据表面式加热器热平衡原理可列出方程1=fwhw1-hw2hh1-hs1=683.23-561.750.982989.72-704.87=0.054252657（2）2号高压加热器。2号高压加热器热平衡图如图7-4所示，根据表面式加热器热平衡原理可列出方程 2=fwhw2-hw3h-1hs1-hs2h2-hs2=1×561.75-441.840.98-0.054252657×704.87-583.042890.64-583.04=0.050159274（3）除氧器。除氧器热平衡图如图7-5所示，根据表面式加热器热平衡原理可列出方

15、程3=fwhwd-hw4h-1-2hs2-hw4h3-hw4 =1×434.27-338.420.98-0.054252657-0.050159274×583.04-338.422755.27-338.42 =0.029900438c3=1-1-2-3=0.865687631（5）4号低压加热器和5号低压加热器。4号低压加热器和5号低压加热器热平衡图如图7-6所示，因5号低压加热器疏水采用了疏水泵，将疏水送到了5号低压加热器出口（4号低压加热器入口）的主凝结管道中，在5号低压加热器出口（4号低压加热器入口）处形成了一个混合点，将混合点看成一个混合式加热器，根据混合式加热器热

16、平衡原理，及4号低压加热器（表面式加热器）热平衡原理，可列出方程 4h4+c3hw5'=c3hw4+hs44则根据5号抵押及责任期（表面式加热器）热平衡原理，可列出方程5h5+hc'c3+hs44=c3hw5+4+5hs5则联立求解上述方程，得到4=0.0382840075=0.037320193c=0.790083431五、调节级的选择与计算（一）基本参数（1）调节级的形式为单列调节级。（2）调节级比焓降为112kJ/kg。（3）调节级的速比xa=0.4。（4）调节级平均直径： dm=60xa2ht0n=60×0.4×2×105×103

17、3.14×3000=1168.5mm,取 1170mm。（5）调节级反动度m=0.075。（6）部分进汽度。由ln=Anedmsin1确定调节级的叶高和部分进气度，须使hl与he之和为最小。求得e=0.3328（7）气流出口角1和2。设计中选用亚音速喷嘴叶栅，其型号为TC-1A，有关参数为：相对节距tn=0.740.90，进气角0=70°100°，出汽角1=10°14°。动叶栅选用型号TP-2A，有关参数为：进气角1=25°40°，出口角2=19°22°，相对节距tb=0.580.65。设计选取喷嘴流出汽

18、角1=12.9°，动叶气流出汽角2=19.7°。（二）调节级详细计算1. 喷嘴部分的计算（1）调节级进口参数及调节级的滞止理想焓降ht0。调节级进口参数即为高压缸进口参数，由于进入调节级的气流速度很小，可以近似认为滞止参数与进口参数相等。由拟定热力过程线的步骤可得：PT0=P0'=3.325MPa，tT0=t0'=433.88，hT0=h0=3303.61kJkg，sT0=s0'=6.9820kJkg·，vT0=vT'=0.0945239m3kg，由前面选取其理想比焓降为ht0=ht=105kJ/kg。（2）调节级进汽量GT=G0-

19、Gv=86.58-0=86.58t/h=23.76kg/s则调节级喷嘴流量Gn=GT=23.76kgs（3）平均反动度m的确定。有前面可知m=0.075（4）喷嘴的滞止理想比焓降hn0hn0=1-mht0=97.125kJkg（5）喷嘴出口气流速度c1t与c1c1t=2hn0=2×97.125×1000=440.7380174msc1=c1t=427.5158769ms其中 喷嘴速度系数，取=0.97。（6）喷嘴出口等比熵出口参数h1t、v1t、P1。由hT0和hn0求出喷嘴出口理想比焓值h1th1t=hT0-hn0=3303.61-97.125=3206.485kJkg该

20、过程为等比熵膨胀过程，由h1t=3303.61kJ/kg、sT0=6.9820kJ/（kg·）查水蒸气h-s图得出口比体积v1t=0.1212422m3/kg，喷嘴出口压力P1=2.41430519MPa。（7）喷嘴压比nn=P1PT0=0.726>nc=0.546由此可知，喷嘴中为亚音速气流，采用渐缩喷嘴，选喷嘴型号为TC-1A、=12.9°、sin1=0.02606。（8）喷嘴出口面积An。因为喷嘴中是亚音速流动，故An为An=Gn×v1tn×c1t=66.1589156cm2式中 n喷嘴流量系数。（9）级的假想速度caca=2ht0=2

21、15;105×1000=458.2575695ms（10）级的圆周速度uu=caxa=458.×0.4=183.3ms（11）喷嘴高度lnln=Anedmsin1=66.20.3328××1170×sin12.9°=22.96mm（12）喷嘴损失hnhn=1-2hn0=1-0.972×96.125=5.74kJkg（13）喷嘴出口比焓值h1h1=h1t+hn=3206.485+5.74=3312.23kJkg由h1、P1查得s1=6.9907kJ/（kg·K），v1=0.1217840m3/kg（14）求动叶进口气

22、流相对速度1和进气角1w1=c12+u2-2c1usin1=427.52+183.32-2×427×183.3×cos12.9°=252.2ms1=arcsinc1sin1w1=arcsin427.5×sin12.9°252.17=22.24°hw1=w122000=252.222000=31.79kJkg2. 动叶部分计算（1）动叶出口相对速度w2t和w2w2t=2mht0+w12=2×0.075×105×1000+252.22=281.67msw2=w2t=0.925×281.67

23、=260.55ms式中 动叶速度系数，由与m、w2t的关系曲线（见附图A-1）查得=0.925（2）动叶等比熵出口参数h2t和v2th2t=h1-mht0=3312.23-0.075×105=3204.35kJkg由h2t、s1=6.9907kJ/（kg·K），查得v2t=0.1243472m3/kg，动叶出口压力P2=2.35037754MPa。（3）动叶出口面积AbAb=Gbv2tbw2t=23.329×0.1243472×1040.964×281.7=105.55cm2其中 Gb=Gn-Gsg式中 b动叶流量系数； Gb调节级动叶流量；

24、Gsg前轴封漏气量（4）动叶高度lb。由v1t=m3/kg、v2t=m3/kg可知，进出口比体积相差不大，故可取lb=lb'，根据喷嘴高度ln有lb=ln+t+r=25mm式中 t叶顶盖度，取t=1mm； r叶根盖度，取r=1mm。（5）作动叶出口速度三角形。有w2、2、u确定速度三角形c2=w22+u2-2w2cos2 =260.552+183.32-2×260.55×183.3×cos19.7° =107.5ms2=arcsinw2sin2c2=arcsin260.55×0.3374107.5=54.78°（6）动叶损失h

25、bhb=1-2hb0=1-2w2t22=1-0.9252×281.6722000=5.7kJkg（7）动叶出口比焓值h2h2=h2t+hb=3204.35+5.7=3210.07kJkg由h2、P2查得s2=6.9994 kJ/（kg·K），v2=0.1249023m3/kg（8）余速损失hc2hc2=c222=107.522000=5.78kJkg（9）轮周损失huhu=hn+hb+hc2=5.74+5.72+5.78=17.24kJkg（10）轮周有效比焓降huhu=ht0-hu=105-17.24=87.76kJkg（11）轮周效率u。调节级后余速不可利用，系数为1=

26、0u=huE0=huht0-1hc2=87.76105=83.58%（12）校核轮周效率uPul=uc1cos1+c2sin2 =183.3×427.52×cos12.9°+107.5×cos45.8° =87.741kJkgu'=PulE0=Pulht0-hc2=87.741105=83.56%u=u'-uu=83.56-83.5883.58=0.023%<1%，误差在允许范围内。3. 级内其他损失的计算（1）叶高损失hlhl=alhu=1.223×87.76=5.375kJkg式中 a经验参数，单系列a=1.

27、2。（2）扇形损失hh=0.7lbdb2E0=0.7×2511702×105-0=0.031819371kJkg（3）叶轮摩擦损失hf由前面，v1=0.1217840m3/kg，v2=0.1249023m3/kgv=v1+v22=0.1217840+0.12490232=0.1230656m3/kgPf=K1u1003dm2v=1.2×183.31003×1170×10-320.1230656=81.93kWhf=PfG=81.9323.76=3.5118086kJkg式中 K1经验系数，一般取K1=1.01.3。（4）部分进汽损失he鼓风损失

28、w=Be1e1-e-ec2xa3=0.15×10.3328×1-0.3328×0.43=0.013757664斥汽损失s=Ce1esndmxa3=0.012×10.3328×4×0.41170×10-3=0.039996式中 sn喷嘴组数，取sn=4；Be与级类型有关的系数，单列级Be=0.10.2，一般取0.15；ec装有护照弧段长度与整个圆周长之比；Ce与级类型有关的系数，单列级Ce=0.010.015，一般取0.012；故有 e=w+s=0.05375366所以 he=0E0=105×0.05375366=5

29、.373kJkg（5）级内各项损失之和hh=hl+h+hf+he=5.375+0.031819371+3.5118086+5.373 =14.29162791kJkg（6）下一级入口参数h2'=h2+h=3210.074+14.291=3225.04kJkg由h2'、P2查得s2'=7.0220kJ/（kg·K），v2'=0.1263510m3/kg，t2'=392.194. 级效率与内功率的计算（1）级的有效比焓降hihi=hu-h=87.76-14.29=73.466kJkg（2）级效率ii=hiE0=73.466105=0.6997（3）

30、级的内功率PiPi=Ghi=23.76×73.466=1713.853kW六、压力级的级数确定和比焓降分配1. 第一压力级的流量G1=GT-Gsg=23.3285-0.28=82.9746th=23.972kgs2. 第一压力级直径的确定d1=60G1xav1te2nlnn1-msin1=60×23.972×0.489×0.12124221×3.142×3000×23×1000-3×0.97×1-0.075×sin10.88°=1099.551583mm3. 末级直径的确定G

31、z=kgsdz=GzvzHc2sin2=2280.419mm4. 非调节级级数的确定（1）直径和速比变化规律确定。汽轮机非调节级级数的确定，可以采用图解法。如图7-7所示，具体做法就是在坐标纸上，画出横坐标AB表示第一压力级和最后一级之间的中心距离，AB的长度可以任意选择；纵坐标以AC表示第一压力级的平均直径，AE表示第一压力级的速比，BD表示最后一级平均直径，BF表示最后一级的速比；用一条逐渐上升的光滑曲线把C、D两点连接起来，该曲线就表示各级平均直径的变化规律；同样，用一条逐渐上升的光滑曲线EF表示各级速比的变化规律。先预分11级，即将AB等分10段，在等分点做垂直线与CD、EF相交，根据

32、比例计算垂线的长度，即为各分段的平均直径和速比的值。详细数据如表7-4所示。表7-4 拟定的各段平均直径、速比值分段号0-01-12-23-34-45-5直径（mm)110011101127116813752280速比0.4870.5030.5130.5180.5330.578（2）求各等分点的理想比焓降htihti=ca22000=u22000×xai2=2n2di22000×602×xai2=22.3245×dixai2计算得到的各段理想比焓降值如表7-5所示。表7-5 拟定的各段理想比焓降分段号0-01-12-23-34-45-5比焓降（KJ/Kg

33、）62.8777260.0259.4861.48882.02210.26（3）求各等分点的平均理想比焓降htht=hti11=86.2kJkg（4）计算压力级的级数z=Htp1+aht=3225.04-×1+0.06噢86.213其中a、Htp的含义见第四章。（5）校核重热系数aa'=Ka1-ri'Htpz-1z=a'-aa'=<1%其中Ka、ri'的含义见第四章。（6）级数确定前面得到非调节级的级数为21级，将AB线等分为20等分，在原假定的平均直径和速比变化线CD、EF上，读出每级的平均直径及速比，具体数据如表7-6所示。表7-6 各

34、级平均直径、速比值级序号1234567直径（mm)速比级序号8910111213直径（mm)速比（7）各级比焓降分配hti=12.3245×dixai2计算得到的各级理想比焓降如表7-7所示。表7-7 各级理想比焓降级序号1234567比焓降（KJ/Kg）级序号891011121314比焓降（KJ/Kg）级序号15161718192021比焓降（KJ/Kg）5. 将各级比焓降画在h-s图上校核并修改在h-s图中拟定的热力过程线上（见图7-1）逐级做出各级比焓降，如果最后一级的背压不能与应有的背压重合，则需修改。调整修改后的各级参数如表7-8所示。表7-8 非调节级平均直径及比焓降分配

35、级序号1234567直径（mm)速比比焓降（KJ/Kg）调整后比焓降（KJ/Kg）级后压力（MPa)级序号891011121314直径（mm)速比比焓降（KJ/Kg）调整后比焓降（KJ/Kg）级后压力（MPa)级序号15161718192021直径（mm)速比比焓降（KJ/Kg）调整后比焓降（KJ/Kg）级后压力（MPa)七、抽气压力调整表7-1中的回热抽气压力是在理想情况下确定的。它是由凝结水温、加热器的等温升、加热器端差和抽气管路压损等设定的条件决定的。表7-8中各级前后的压力是机组级数和各级理想焓降合理分配完毕后的最终值。理论抽汽压力要由相邻的级间压力代替。因此需要调整各回热抽气压力，调

36、整后的结果如表7-9所示。表7-9 调整后的各级回热抽汽压力加热器编号H1H2H3(HI)H4H5调整前抽汽压力（MPa）调整后抽汽压力（MPa）位置八、重新列汽水参数表根据调整后的各回热抽气压力，可重新确定各台回热加热器的汽水参数，如表7-10所示。表7-10 20MW凝汽式汽轮机加热器汽水参数表项目单位H1H2H3(HI)H4H5CSG回热抽汽抽汽压力MPa抽汽温度（干度）抽汽比焓值KJ/Kg抽汽压损%加热器汽侧压力MPa下的饱和水温下的饱和水比焓KJ/Kg抽汽放热KJ/Kg疏水疏水上端差疏水温度（疏水冷却器出口水温）疏水比焓（疏水冷却器出口水比焓）疏水放热KJ/Kg水侧加热器出口水温加热器水侧压力MPa加热器出口水比焓KJ/Kg给水比焓升KJ/Kg轴封和阀杆漏气进口水比焓KJ/Kg比焓降KJ/Kg数量份额%九、汽轮机各部分汽水流量和各项热经济指标计算1. 重新计算齐鲁你各段抽气量（1）1号高压加热器。1号高压加热器热平衡图如图7-8所示。根据表面式加热器热平衡原理可列出方