第三章 汽轮机的变工况

1、第第三三章章 汽轮机汽轮机的变工况的变工况华北电力大学，能源动力与机械工程学院华北电力大学，能源动力与机械工程学院巨星变工况汽轮机的设计值：效率最高汽轮机的设计值：效率最高设计工况：经济工况设计工况：经济工况 设计功率：经济功率设计功率：经济功率运行中参数不可能始终保持设计值运行中参数不可能始终保持设计值变工况变工况汽机热力汽机热力过程变化（流量、压力、温度、比焓降、效率等）、零过程变化（流量、压力、温度、比焓降、效率等）、零部件受力变化、热应力部件受力变化、热应力/热膨胀热膨胀/热变形情况变化热变形情况变化典型变工况：启动、停机、故障典型变工况：启动、停机、故障一、一、级组的变工况级组的变工

2、况一、定压运行与滑压运行定压运行定压运行：汽轮机在不同工况运行时，依靠改变调节汽门的开：汽轮机在不同工况运行时，依靠改变调节汽门的开度来改变级组的功率。而汽轮机前的新奇压力和新汽温度维持度来改变级组的功率。而汽轮机前的新奇压力和新汽温度维持不变。（汽机主调锅炉跟随，汽轮机通过改变调门位置改变电不变。（汽机主调锅炉跟随，汽轮机通过改变调门位置改变电负荷，锅炉维持主蒸汽压力负荷，锅炉维持主蒸汽压力炉跟机）炉跟机）滑压运行滑压运行：汽轮机在不同工况运行时，不仅主汽门全开，调节：汽轮机在不同工况运行时，不仅主汽门全开，调节汽门也是全开的，这时机组功率的变工是靠汽轮机前主蒸汽压汽门也是全开的，这时机组功

3、率的变工是靠汽轮机前主蒸汽压力的改变而实现的。也就是说，主蒸汽压力随机组工况变动而力的改变而实现的。也就是说，主蒸汽压力随机组工况变动而变动，但此时主蒸汽温度仍保持不变。变动，但此时主蒸汽温度仍保持不变。即：机组在额定功率时即：机组在额定功率时按额定压力运行；低负荷时则以某一低于额定数值的压力运行按额定压力运行；低负荷时则以某一低于额定数值的压力运行，而在工况变动范围内，汽温并不变化，仍保持额定值。，而在工况变动范围内，汽温并不变化，仍保持额定值。（锅（锅炉主调汽机跟随，锅炉通过改变主蒸汽压力改变电负荷，汽轮炉主调汽机跟随，锅炉通过改变主蒸汽压力改变电负荷，汽轮机维持调门位置机维持调门位置机跟

4、炉）机跟炉）一、与定压运行相比一、与定压运行相比,滑压运行的效益主要表现在滑压运行的效益主要表现在:1）由于压力随负荷降低，蒸汽的比热减小，过热热减小。所以）由于压力随负荷降低，蒸汽的比热减小，过热热减小。所以过热蒸汽温度过热蒸汽温度在较宽的负荷范围内都维持了在较宽的负荷范围内都维持了稳定稳定（例如：在（例如：在40-100%MCR内可维持额定温度）；内可维持额定温度）；2）由于汽轮机节流损失小，）由于汽轮机节流损失小，高压缸排汽温度稳定高压缸排汽温度稳定（亚临界机组，（亚临界机组，负荷从负荷从100%降低到降低到50%MCR，高缸排汽温度只降低了，高缸排汽温度只降低了60度左右，度左右，所以

5、所以再热气温也容易维持稳定再热气温也容易维持稳定）；）；3）由于汽轮机节流损失小，）由于汽轮机节流损失小，级前后的压力比级前后的压力比与额定负荷相比，与额定负荷相比，几乎不变几乎不变；而机内蒸汽的；而机内蒸汽的容积流量也与额定负荷基本相同容积流量也与额定负荷基本相同（由（由于压力降低）；所以，汽机的于压力降低）；所以，汽机的级效率保持较高级效率保持较高。与定压运行相。与定压运行相比，变压运行时，汽机的内效率提高了比，变压运行时，汽机的内效率提高了 ；4）由于负荷变动过程中，汽机内）由于负荷变动过程中，汽机内金属的温度变化小金属的温度变化小（一般不大（一般不大于于78度），所以，汽机金属的度），

6、所以，汽机金属的热应力小热应力小，负荷变动的速度不受，负荷变动的速度不受汽缸应力的限制；汽缸应力的限制；5）机组低负荷运行时，给水的压力和流量同时降低，所以与定）机组低负荷运行时，给水的压力和流量同时降低，所以与定压相比，压相比，能耗明显降低能耗明显降低。二、缺点：二、缺点：1）负荷变动时，汽包内压力和温度随着变化，）负荷变动时，汽包内压力和温度随着变化，汽包的应力汽包的应力问题问题比定压运行严重，成为限制机组负荷变动速度的主要因素比定压运行严重，成为限制机组负荷变动速度的主要因素2）机组负荷变动，是靠锅炉调整燃烧和给水进行的，而锅炉是）机组负荷变动，是靠锅炉调整燃烧和给水进行的，而锅炉是热惯

7、性大的设备，所以，热惯性大的设备，所以，负荷响应的速度慢负荷响应的速度慢3）低负荷时降低了主蒸汽压力，从而）低负荷时降低了主蒸汽压力，从而降低了机组的循环热效率降低了机组的循环热效率因此因此,在某一负荷下是否应该采用滑压运行在某一负荷下是否应该采用滑压运行,关键是综合上述各项关键是综合上述各项来考察机组的运行经济性来考察机组的运行经济性二、级组压力与流量的关系流量相等而依次串联的排列的若干级称为级组。流量相等而依次串联的排列的若干级称为级组。级组的亚临界工况级组的亚临界工况：各级气流速度均小于临界速度：各级气流速度均小于临界速度级组的临界工况级组的临界工况：级组内至少有一列叶栅的出口流速：级组

8、内至少有一列叶栅的出口流速达到或超过临界流速达到或超过临界流速1.1.级组的亚临界工况级组的亚临界工况G G0101、P P0101、T T01 01 、P Pg1 g1 变工况下级组流量、初压、初温、背压变工况下级组流量、初压、初温、背压G G0 0、P P0 0、T T0 0、P Pg1 g1 设计工况下级组流量、初压、初温、背压设计工况下级组流量、初压、初温、背压01022021201001TTppppGGgg22021201001ggppppGG若不考虑温度变化（滑压运行）：若不考虑温度变化（滑压运行）：弗留格尔公式弗留格尔公式：通流部分结构不变时：通流部分结构不变时1.1.级组的临界

9、工况级组的临界工况 某级处于临界状态，或者级后压力很低：某级处于临界状态，或者级后压力很低： 忽略温度的影响忽略温度的影响 可利用调节级后蒸汽压力作为测量蒸汽流量的可利用调节级后蒸汽压力作为测量蒸汽流量的信号或机组功率的信号信号或机组功率的信号010001001TTppGG001001ppGG1001ppGG 1 1、凝汽式汽轮机非调节级各级组、凝汽式汽轮机非调节级各级组对于凝汽式级组，可将包括末级在内的各级作为一个级组，该对于凝汽式级组，可将包括末级在内的各级作为一个级组，该级组后压力为汽轮机排汽压力级组后压力为汽轮机排汽压力 ，当级数较多时，级组前压力，当级数较多时，级组前压力 ，这样：，

10、这样：0pG结论：1）凝汽式汽轮机各级（除最后一、二级外），无论是否发生 临界，其流量均与级前压力成正比。 2）对于最后几级，由于 相对较低， 就不能忽略，应按弗留格尔公式计算。 3）对于回热抽汽，可近似应用弗留格尔公式，误差不大。 gp0gpp2210010,0ggpppp2120122010110112220020011ggggppppppGGpppppp001,pp221001,ggpppp级组gpp0三、各级组的 曲线0011ppGG0100011TTppGG凝汽式汽轮机非调节级各级组的流量压力关系曲线凝汽式汽轮机非调节级各级组的流量压力关系曲线负荷较高时，末级为临界，或即使为亚临界，

11、最末段抽汽压力远大于排汽压力，故末段级前压力与流量成正比；负荷很低时，末级为亚临界，抽汽压力也较低，排汽压力不能忽略，流量与抽汽压力为双曲线关系。无厂用汽无厂用汽凝汽式汽轮机非调节级各级组的流量压力关系曲线凝汽式汽轮机非调节级各级组的流量压力关系曲线少量厂用汽少量厂用汽较多厂用汽较多厂用汽2 2、背压式汽轮机非调节级各级组、背压式汽轮机非调节级各级组 背压式汽轮机的特点，背压（汽轮机排汽压力背压式汽轮机的特点，背压（汽轮机排汽压力 ）高于大气压）高于大气压，排汽比容小，末级直径较小，末级焓降较小，流速较低。，排汽比容小，末级直径较小，末级焓降较小，流速较低。一般情况下，背压级组末级也处于亚临界

12、工况。一般情况下，背压级组末级也处于亚临界工况。所以，只能应用所以，只能应用弗留格尔公式弗留格尔公式计算（呈双曲线变化）。计算（呈双曲线变化）。调整抽汽式汽轮机，其调节抽汽口压力基本保持不变，且大于调整抽汽式汽轮机，其调节抽汽口压力基本保持不变，且大于大气压，所以抽汽口各级都处于亚临界工况，也用大气压，所以抽汽口各级都处于亚临界工况，也用弗留格尔公弗留格尔公式式计算。计算。 gp热用户gp220212011ggppppGG010220212011TTppppGGgg或1.1.弗留格尔公式的应用条件弗留格尔公式的应用条件四、 压力与流量关系式的应用（1）在不同工况下，级组中各级通流面积不变）在不

13、同工况下，级组中各级通流面积不变 如通流部分结垢或磨损等，应进行修正2201101001122001001,ggpppTTGGaaGpTGppT01p01p 结垢（a 1），则同一流量G1下， 必然降低。（2）在同一工况中，通过级组的流量相等。）在同一工况中，通过级组的流量相等。调节抽汽口（大量抽汽供热、取暖、其他厂用汽等）应作为分级组的界限。（3）流过级组的蒸汽流应是均质流。）流过级组的蒸汽流应是均质流。不能把调节级取在级组内（4）严格讲，弗留格尔公式适用于无穷多级数的级组，但一般多于）严格讲，弗留格尔公式适用于无穷多级数的级组，但一般多于 56级，就能得到满意的结果级，就能得到满意的结果。

14、级组内级数越多，精度越高。2.2.用于分析运行问题用于分析运行问题 通常把调节级汽室、各段调整抽汽和非调整抽通常把调节级汽室、各段调整抽汽和非调整抽汽汽室作为压力的监视点，通称为监视段压力。汽汽室作为压力的监视点，通称为监视段压力。 凝汽式汽轮机的监视段压力与流量成正比，同一凝汽式汽轮机的监视段压力与流量成正比，同一流量下，若监视段压力较初投产时的数值高，表明监流量下，若监视段压力较初投产时的数值高，表明监视点后面级的通流部分可能结垢：当监视段压力增大视点后面级的通流部分可能结垢：当监视段压力增大5 51515以上时，轴向推力将增大到威胁机组安全以上时，轴向推力将增大到威胁机组安全的程度。的程

15、度。汽轮机的负荷特性举例汽轮机的负荷特性举例 1 1、某台一次再热超高压凝汽式汽轮机的功率突然下降、某台一次再热超高压凝汽式汽轮机的功率突然下降40%40%，此时机组无明显振动，机组参数变化如下（负号，此时机组无明显振动，机组参数变化如下（负号表示降低）：表示降低）： 功率降低后，一些参数又基本稳定不变，各监视段压功率降低后，一些参数又基本稳定不变，各监视段压力近似成比例降低。力近似成比例降低。负荷负荷给水流量给水流量 调节级后调节级后压力压力中间再热中间再热后压力后压力高压缸高压缸效率效率中低压缸中低压缸效率效率-40%-40%-36%-36%-42%-42%-44%-44%-1.8%-1.

16、8%-0.4%-0.4% 分析原因：分析原因： 调节级后压力和中间再热后压力降低，表明蒸汽流量变小，调节级后压力和中间再热后压力降低，表明蒸汽流量变小，这也由给水流量降低证实。符合公式！说明调节级后均工作这也由给水流量降低证实。符合公式！说明调节级后均工作正常！流量突降是调节级或调节级之前流通部分的故障导致正常！流量突降是调节级或调节级之前流通部分的故障导致 未引起振动，说明非转动部分的机械问题！未引起振动，说明非转动部分的机械问题！ 调节级喷嘴、动叶损坏？流量增大；调节级叶片断落？非调调节级喷嘴、动叶损坏？流量增大；调节级叶片断落？非调节级第一级喷嘴堵塞使调节级后压力升高；非调节级问题！节级

17、第一级喷嘴堵塞使调节级后压力升高；非调节级问题！ 调节汽门问题？调节汽门问题？ 调节汽门阀杆断裂会导致汽门一直处于关闭或近关闭位置。调节汽门阀杆断裂会导致汽门一直处于关闭或近关闭位置。移动油动机，提起阀杆发现第一调门开大范围内流量不变！移动油动机，提起阀杆发现第一调门开大范围内流量不变！ 阀门动作失灵阀门动作失灵第一调节汽门阀杆断裂第一调节汽门阀杆断裂负荷负荷给水流量给水流量 调节级后调节级后压力压力中间再热中间再热后压力后压力高压缸高压缸效率效率中低压缸中低压缸效率效率-40%-40%-36%-36%-42%-42%-44%-44%-1.8%-1.8%-0.4%-0.4%汽轮机的负荷特性举例

18、汽轮机的负荷特性举例 2 2、一超高压汽轮机在运行、一超高压汽轮机在运行2121个月后发现功率不断下降个月后发现功率不断下降，已持续一两个月。分析每天数据，发现功率是以不变，已持续一两个月。分析每天数据，发现功率是以不变的速度下降的，而不是突降的。与的速度下降的，而不是突降的。与2121个月前的运行数据个月前的运行数据相比，变化情况如下：相比，变化情况如下：流量流量功率功率调节级后调节级后压力压力高压缸高压缸效率效率-17.2%-17.2%-16.5%-16.5%+21.2%+21.2%-12.2%-12.2% 分析原因：分析原因： 调节级后压力增加，但流量不增加。不正常！根据计算公式调节级后

19、压力增加，但流量不增加。不正常！根据计算公式得出：得出：a1a1a1 各个调节汽门开度下降功率变大：应非调节汽门问题各个调节汽门开度下降功率变大：应非调节汽门问题 调节级通流面积增大：喷嘴腐蚀？叶片损坏？喷嘴弧段漏气？调节级通流面积增大：喷嘴腐蚀？叶片损坏？喷嘴弧段漏气？ 前两种高压缸效率大为降低。高压缸效率略有下降：喷嘴腐蚀前两种高压缸效率大为降低。高压缸效率略有下降：喷嘴腐蚀！五、 级的比焓降和反动度的变化规律 级的比焓降变化规律级的比焓降变化规律级的比焓降由120011kktpkhRTkp由上式可知，如忽略温度的影响，级的比焓降取决于级压比的大小。汽轮机工况变化时，有了级压比的变化规律讨

20、论，也就得到了焓降的变化规律。0112122102001pGpppGpppp1010tthThT凝汽式汽轮机凝汽式汽轮机中间级(除调节级与末级以外)0101 ttTThh 得结论：凝汽式汽轮机中间级,流量变化时级的理想比焓降基本不变。在调节级、中间级、末级的情况不同，分别讨论。 末级最大流量工况。th 流量大于临界流量最小值时，虽p0正比于G，但背压pc不于G成正比，一般pc不变，有流量增大，ht增大；反之，流量减小，ht减小。 流量小于临界流量最小值时，p0与G为双曲线，G下降 时， ht减得稍慢中间级、末级的最危险工况：c)调节级（第三节讨论） 背压式汽轮机背压式汽轮机 如果背压式汽轮机的

21、最后一级在工况变动前后均达到临界状态，则各压力级级前压力与流量成正比。在此情况下，这些级(除末级外)的比焓降的变化规律，与凝汽式汽轮机的中间级一样。但一般情况下，最后一级也不会达到临界状态。此时，忽略温度变化，由弗留格尔公式可得变工况下理想比焓降与流量的关系曲线 12222211122220111kkggttggpppG GhBhpppG G由图可知：流量变化越大，级的理想比焓降变化也越大。流量变化时，前面级的焓降变化较小；后面级的焓降变化较大。背压式汽轮机非调节级焓降变化规律 级的反动度的变化规律级的反动度的变化规律a）工况变化时，若级焓降）工况变化时，若级焓降 减小，反动度减小，反动度 增

22、大；增大； 若级焓降若级焓降 增大，反动度增大，反动度 减小。减小。b）设计工况的反动度较小的级，焓降变化时，反动度变化较大；）设计工况的反动度较小的级，焓降变化时，反动度变化较大； 设计工况的反动度较大的级，焓降变化时，反动度变化较小。设计工况的反动度较大的级，焓降变化时，反动度变化较小。c）反动级变工况时，反动度基本不变。）反动级变工况时，反动度基本不变。thmthm动、静叶出口面积比变化，引起反动度变化动、静叶出口面积比变化，引起反动度变化 当制造、安装误差、运行后磨损、结垢等原因，使面积比偏离当制造、安装误差、运行后磨损、结垢等原因，使面积比偏离设计值，也将引起反动度变化。设计值，也将

23、引起反动度变化。 变化规律：叶栅出口面积比增大，反动度增大。变化规律：叶栅出口面积比增大，反动度增大。 叶栅出口面积比减小，反动度减小。叶栅出口面积比减小，反动度减小。面积比面积比 fAn / Ab六、撞击损失 当 增大时，C11 C1，u不变， 0，为正冲角。 汽流冲击在动叶内弧段。定义：冲角 (叶型进汽角汽流进汽角)设计工况时，汽流进汽角与动叶进汽角一致，变工况时，级的焓降变化，汽流偏离设计方向，产生冲角。当 减小时，C11 C1， u不变， 在最大负荷时，流量最大，轴向推力最大。ssppppppppppGG12021012210011GGppFFssZZ111凝汽式机组中间各级变工况时，

24、反动度基本不变。2、喷嘴配汽凝汽式汽轮机轴向推力对于喷嘴配汽，轴向推力变化受到调门开启的影响，成折线变化。 全机压力级mszpeF3、背压式机组的轴向推力 对于背压式压力级在工况变化时，其级前、后压力与流量不成正比，焓降、反动度都变化，所以级的轴向推力不与流量成正比，最大轴向推力都发生在某一中间功率时达到。 滑压运行：（也称变压运行）指单元机组中，汽轮机调节汽门全开或开度不变，负荷改变时，调节锅炉燃料量、给水量和空气量，改变锅炉出口蒸汽压力与流量，而蒸汽温度保持不变，来实现汽轮机的负荷变化。 定压运行：前面讲到的配汽方式（节流调节、喷嘴调节，保持主气阀前蒸汽参数不变，改变调节阀开度）统称为定压

25、运行。 调节汽门主汽门p0 , t0不变主汽门调节汽门全开t0不变p0 锅炉燃料量和给水量滑压运行定压运行滑压运行与定压运行的比较可靠性，对部分负荷下运行的适应性增加 ， ，而 保持不变，热应力减少；提高部分负荷下的热效率（经济性） 调节汽门全开 节流损失小 新蒸汽 ， 不变。末级湿度降低，湿汽损失 低负荷时， ，锅炉给水压力相应降低，给水泵耗功 但循环热效率，汽耗采用滑压运行：0pmacth0T0p0T0p滑压运行适应工况的大幅度的变化，调峰机组。超临界、超超临界机组在负荷低至25%左右采用滑压运行，热效率可改善23%。12.75MPa以下的机组，压降使循环热效率下降过大，一般不用滑压调节。

26、节流损失湿汽损失给水泵耗功循环热效率滑压运行的优点滑压运行方式 p0Pel纯滑压方式纯滑压方式：不需要调节级，第一级全周进汽，调节汽门全开，只靠锅炉出口蒸汽压力和流量的改变来调节机组负荷。锅炉热容量大，适应性差。节流滑压方式节流滑压方式：不需要调节级，第一级全周进汽，节流调节汽门预先关小5%15%，进行滑压运行。有节流损失。复合滑压方式复合滑压方式（定-滑-定）：高负荷区(80%95%)，定压运行（初压高，热循环效率高）；中间负荷(8050%)，滑压运行（节流损失小）；低负荷(25%50%)初压水平较低的定压运行（避免经济性下降太多）。热经济性。滑压运行机组的安全性与灵活性滑压运行机组的安全性

27、与灵活性所谓安全性，主要考核机组在变负荷时，汽轮机零部件热应力大小；灵活性是指允许机组负荷变化速率的大小。汽轮机零部件的热应力，主要与温度变化大小及变化速率有关，温度变化越大，热应力越大，安全性越差。对于同等幅度的负荷变化，温度变化越大，灵活性就越差。因此，安全性和灵活性是统一的。P02=8.58MPaP01=12.8MPaP0=17.2MPashB1P=1.62MPaP=2.45MPaP=3.43MPat=320t=295t=262t0=540B2A1A2D2A3D3D1C2B3C375%负荷50%负荷100%负荷不同运行方式时，高压缸温度变化不同运行方式时，高压缸温度变化喷嘴配汽定压运行机

28、组，负荷下降时，高压缸各级温度下降较多，引起较大热应力和热变形。滑压运行机组高压各级温度基本不变。结论：结论：滑压运行机滑压运行机组的安全性和灵活组的安全性和灵活性都高于定压运行。性都高于定压运行。 喷嘴配汽定压运行汽轮机调峰时，若迅速改变负荷，将引起高压缸内各级，特别是调节级处较大的温度变化，这是限制该机组调峰灵活性的主要原因，也是影响机组的安全可靠运行的关键问题。 滑压运行机组，负荷变化时，高压缸各级温度几乎不变。 节流配汽定压运行时，高压缸各级温度变化虽不大，但节流损失较大，热经济性较低。 大容量汽轮机调峰时，采用滑压运行方式，在安全性和负荷变化灵活性上，都优于定压运行方式，一定条件下的经济性也优于定压运行方式。蒸汽参数变化对汽轮机运行的影响 主、再热蒸汽压力变化的影响 主、再热蒸汽温度的影响 排汽压力变化的影响 蒸汽品质对汽轮机运行的影响主、再热蒸汽压力变化的影响 经济性调节汽门开度不变：压力升高，进汽量增大，理想焓降增加，功率增加，经济性越好。维持功率不变：节流损失和朗肯循环效率的影响相互抵消，压力变化，经济性基本不变。 安全性：压力过高，承压部件和调节级叶片危险。压力过低，若要保持功率，则流量增大，末级叶片危险。主、再热蒸汽温度的影响 经济性温度升高，朗肯循环效率升高，末级湿度下降，汽轮