注册动力工程师讲义3-汽轮机原理

1、2022-1-161全国勘察设计注册公用设全国勘察设计注册公用设备工程师动力专业备工程师动力专业刘文毅2一、概述一、概述汽轮机及其附属设备通过管道和阀门等附件组成一汽轮机及其附属设备通过管道和阀门等附件组成一整体，将热能转换成机械能整体，将热能转换成机械能冷源损失冷源损失凝汽设备凝汽设备 锅锅炉炉3喷嘴叶栅和动叶栅内共同完成喷嘴叶栅和动叶栅内共同完成, ,二者组成能量转二者组成能量转换基本单元换基本单元“级级”，单级汽轮机或多级汽轮机，单级汽轮机或多级汽轮机4二、蒸汽在喷嘴和动叶中的流动过程二、蒸汽在喷嘴和动叶中的流动过程能量条件：压差作用下，热能变成能量条件：压差作用下，热能变成动能，近似等

2、熵（可逆绝热）过程动能，近似等熵（可逆绝热）过程喷嘴速度系数：由于摩擦，喷嘴出喷嘴速度系数：由于摩擦，喷嘴出口流速和理想流速之比，口流速和理想流速之比，0.95-0.95-0.970.97 ，喷嘴损失，喷嘴损失结构条件：截面变化满足连续流动需要，适应动结构条件：截面变化满足连续流动需要，适应动叶布置成环形，表面流线形叶布置成环形，表面流线形 5热能转变为机械功，转子热能转变为机械功，转子动叶损失：摩擦，需较好型线、动叶损失：摩擦，需较好型线、排列和较低表面粗糙度排列和较低表面粗糙度轮周功率：叶栅功率，级的基本功率轮周功率：叶栅功率，级的基本功率轮周效率：轮周效率： 轮周功率和理想能量之比，评价

3、蒸汽轮周功率和理想能量之比，评价蒸汽在叶栅中能量转换有效程度在叶栅中能量转换有效程度6三、冲动式与反动式汽轮机三、冲动式与反动式汽轮机冲动级与反动级或纯冲动级、冲动级、反动级（三冲动级与反动级或纯冲动级、冲动级、反动级（三者即单列压力级）和速度级者即单列压力级）和速度级反动度：动叶内理想焓降和整级理想焓降之比反动度：动叶内理想焓降和整级理想焓降之比stbtstHHH纯冲动级：纯冲动级：=0 =0 冲动级：冲动级：=0.05-0.35 =0.05-0.35 反动级：反动级： =0.5=0.5双列速度级：喷双列速度级：喷嘴叶栅、导向叶嘴叶栅、导向叶栅和两列动叶栅栅和两列动叶栅7多级反动式汽轮机多级

4、反动式汽轮机单级冲动式单级冲动式8喷嘴损失、导叶损失、动叶损失、喷嘴损失、导叶损失、动叶损失、叶轮摩擦损失叶轮摩擦损失泄露损失、部分进汽损失、撞击损失以及湿汽损失泄露损失、部分进汽损失、撞击损失以及湿汽损失叶轮摩擦损失：叶轮与蒸汽摩擦叶轮摩擦损失：叶轮与蒸汽摩擦动叶栅损失：如喷嘴尾缘损失，汽流紊乱动叶栅损失：如喷嘴尾缘损失，汽流紊乱部分进汽损失：未布置喷嘴处，要带动蒸汽旋转，部分进汽损失：未布置喷嘴处，要带动蒸汽旋转，有喷嘴处，汽流要冲开停滞在动叶栅中蒸汽有喷嘴处，汽流要冲开停滞在动叶栅中蒸汽撞击损失：蒸汽冲击动叶前缘撞击损失：蒸汽冲击动叶前缘蒸汽泄露损失：压差下动静之间间隙存在泄露蒸汽泄露损

5、失：压差下动静之间间隙存在泄露湿汽损失：水分子速度小引起碰撞、摩擦，冲蚀湿汽损失：水分子速度小引起碰撞、摩擦，冲蚀扇形损失：叶栅环形结构造成，叶片长损失大扇形损失：叶栅环形结构造成，叶片长损失大9级内净功：级内净功：1kg1kg蒸汽级内理想焓降和各损失之差蒸汽级内理想焓降和各损失之差sestsiHhHWsessiHQP 级的内功率：全部蒸汽净功级的内功率：全部蒸汽净功级的内效率：级的内效率：1kg1kg蒸汽级内净功和理想焓降之比蒸汽级内净功和理想焓降之比stsesiHH /10一、多级汽轮机技术特点一、多级汽轮机技术特点111 1）提高单机功率）提高单机功率2 2）提高循环热效率）提高循环热效

6、率3 3）提高汽轮机相对内效率）提高汽轮机相对内效率4 4）降低汽轮机单位功率的投资）降低汽轮机单位功率的投资1 1）通流部分）通流部分 2 2）轴承）轴承 通常落地式在基础台板上通常落地式在基础台板上3 3）盘车装置）盘车装置 必要时缓慢转动转子，防热弯曲必要时缓慢转动转子，防热弯曲4 4）调节装置）调节装置 调节转速和抽汽压力调节转速和抽汽压力5 5）保护装置）保护装置 超速保护装置，轴向位移保护装置，超速保护装置，轴向位移保护装置，低油压保护装置低油压保护装置121 1）提高新汽参数）提高新汽参数 高温、高压高温、高压2 2）采用高强度、低密度材料）采用高强度、低密度材料3 3）采用低转

7、速）采用低转速 功率与转速平方成反比功率与转速平方成反比4 4）增加排汽口等）增加排汽口等汽轮机转子转速升高到某转速，转子强烈振动，继汽轮机转子转速升高到某转速，转子强烈振动，继续升高，振幅减小，出现振幅峰值的转速续升高，振幅减小，出现振幅峰值的转速 挠性转子挠性转子 1.4nc1n0 0.7nc213二、汽轮机及其装置评价指标二、汽轮机及其装置评价指标1kg1kg蒸汽有效功和理想焓降之比蒸汽有效功和理想焓降之比HWn/1kg1kg蒸汽有效功和所消耗热量（在锅炉吸热）之比蒸汽有效功和所消耗热量（在锅炉吸热）之比RWj/生产生产1kW 1kW h h电能所消耗热量电能所消耗热量)/() (0hk

8、WkJhhdqc)/(/hkWkgWDd生产生产1kW 1kW h h电能所消耗蒸汽量电能所消耗蒸汽量14三、汽轮机三、汽轮机的分类及选的分类及选用用还可按汽缸数量、还可按汽缸数量、排列方式排列方式15AA BB-CC-DD AA BB-CC-DD AA-AA-汽轮机类型汽轮机类型 BB-BB-额定功率额定功率(MW) (MW) CC-CC-蒸汽参数蒸汽参数 D-D-变型设计次序变型设计次序16工业汽轮机：考虑转速变化、转速高、防爆除尘等工业汽轮机：考虑转速变化、转速高、防爆除尘等特殊性、可靠性及自动化程度要求高，结构多种多特殊性、可靠性及自动化程度要求高，结构多种多样，国内外通常采用样，国内

9、外通常采用“积木积木”式工业生产式工业生产凝汽式汽轮机：电力凝汽式汽轮机：电力抽汽凝汽式：热电厂抽汽凝汽式：热电厂背压式汽轮机：热电厂背压式汽轮机：热电厂抽汽背压式汽轮机：热电厂抽汽背压式汽轮机：热电厂17一、汽轮机的负荷特性一、汽轮机的负荷特性neennnTppTppQQ0220022000)()(经济工况：设计条件下运行，效率与经济性较好经济工况：设计条件下运行，效率与经济性较好变工况：负荷变化，蒸汽参数等变化条件下运行变工况：负荷变化，蒸汽参数等变化条件下运行通流部分结构尺寸不变，通流部分结构尺寸不变，级组级组前后蒸汽参数与流量前后蒸汽参数与流量0-0-机组前，机组前， n- -变工况，

10、变工况，e- -级组后级组后负荷特性负荷特性: :蒸汽参数蒸汽参数, ,零部件受力随功率等变化零部件受力随功率等变化级组：任意若干蒸汽流量近似相等串联级级组：任意若干蒸汽流量近似相等串联级结构尺寸不变：级组级数与通流截面面积不变，若结构尺寸不变：级组级数与通流截面面积不变，若含调节汽门，则开度不变含调节汽门，则开度不变180000ppQQnn滑压或压力变化不大，滑压或压力变化不大，T0近似不变近似不变凝汽机组排汽压力小，凝汽机组排汽压力小，pe忽略忽略简化公式应用：简化公式应用：1 1）由进汽量变化，计算各抽汽点压力变化）由进汽量变化，计算各抽汽点压力变化2 2）用调节级后蒸汽压力作为测量蒸汽

11、流量或机）用调节级后蒸汽压力作为测量蒸汽流量或机组功率信号组功率信号3 3）可利用抽汽点压力变化监视通流部分损坏或）可利用抽汽点压力变化监视通流部分损坏或结垢程度结垢程度191 1）主蒸汽超压：承压部件内部应力增大；蒸汽质流）主蒸汽超压：承压部件内部应力增大；蒸汽质流量增大；使叶片压力比、受力增大；末级叶片受力量增大；使叶片压力比、受力增大；末级叶片受力增大最大；轴向推力增大。增大最大；轴向推力增大。105%105%额定压力额定压力 2 2）“超温超温”和和“骤冷骤冷”：主蒸汽：主蒸汽“超温超温”将使承压将使承压部件实际应力增加；高温管道产生蠕变问题；钢材部件实际应力增加；高温管道产生蠕变问题

12、；钢材塑性变形过大。塑性变形过大。 -10-1015 15 “骤冷骤冷”指蒸汽温度下降过快，锅炉满水等造成，汽指蒸汽温度下降过快，锅炉满水等造成，汽轮机水冲击。蒸汽湿度增大，轴向推力增大、推力轮机水冲击。蒸汽湿度增大，轴向推力增大、推力瓦块升温。突降瓦块升温。突降50 停机停机 3 3）真空）真空“恶化恶化”: :排汽压力过高将使排汽温度升高排汽压力过高将使排汽温度升高, ,排汽室膨胀量增大排汽室膨胀量增大, ,机组振动机组振动; ;循环水泄露循环水泄露; ;末级叶片末级叶片颤振。颤振。 循环水温高、结垢造成。排汽不超过循环水温高、结垢造成。排汽不超过80 80 4 4）小容积流量工况：末级叶

13、片振动，应力升高；转）小容积流量工况：末级叶片振动，应力升高；转子与汽缸温度升高子与汽缸温度升高 5 5）高压加热器停用：级组前后压差增大，部件应力）高压加热器停用：级组前后压差增大，部件应力超预期超预期201 1）应尽量接近设计工况）应尽量接近设计工况2 2）超温和超压会提高热效率，超温还会使级效率提）超温和超压会提高热效率，超温还会使级效率提高高3 3）要根据级组形式和结构，调节手段和工况变化范）要根据级组形式和结构，调节手段和工况变化范围，如滑压调节汽轮机效率下降轻微围，如滑压调节汽轮机效率下降轻微21二、滑压运行二、滑压运行滑压运行：汽轮机运行时滑压运行：汽轮机运行时, ,调节汽门全开

14、或开度不调节汽门全开或开度不变，根据负荷调节燃料量、给水量、空气量，锅变，根据负荷调节燃料量、给水量、空气量，锅炉出口汽压和流量随负荷而变，但出口汽温不变炉出口汽压和流量随负荷而变，但出口汽温不变1 1）纯滑压运行：调节汽门全开，负荷调节滞后）纯滑压运行：调节汽门全开，负荷调节滞后 2 2）节流滑压运行：汽门预关）节流滑压运行：汽门预关5%5%15%进行滑压进行滑压3）复合滑压运行：）复合滑压运行：“定定-滑滑-定定”,高与最低负荷定高与最低负荷定压压好处：安全与灵活性较好，避免了好处：安全与灵活性较好，避免了定压运行时因定压运行时因负荷急剧变化引起的过大的温度变化和热应力负荷急剧变化引起的过

15、大的温度变化和热应力22三、供热汽轮机工况图三、供热汽轮机工况图汽轮机发电机组功率与流量间的关系曲线称为工汽轮机发电机组功率与流量间的关系曲线称为工况图况图1 1）凝汽式与背压式汽轮机：蒸汽流量与电功率都）凝汽式与背压式汽轮机：蒸汽流量与电功率都近似正比近似正比2 2）供热型抽凝）供热型抽凝式汽轮机组：确式汽轮机组：确定进汽流量、电定进汽流量、电功率、工业抽汽功率、工业抽汽量与采暖抽汽量量与采暖抽汽量之间关系之间关系某一次调节抽汽式汽轮机工况图某一次调节抽汽式汽轮机工况图23三、供热汽轮机工况图三、供热汽轮机工况图某二次调节抽汽式汽轮机工况图某二次调节抽汽式汽轮机工况图24一、凝汽设备的工作原

16、理一、凝汽设备的工作原理1 1）作用：汽轮机排汽侧建立并维）作用：汽轮机排汽侧建立并维持高真空，减少冷源损失；回收持高真空，减少冷源损失；回收凝结水凝结水2）组成：凝汽器本体及其辅助）组成：凝汽器本体及其辅助的抽气器、凝结水泵、循环水的抽气器、凝结水泵、循环水泵及循环水管道系统，也叫冷泵及循环水管道系统，也叫冷端系统端系统253 3）凝汽器：每端各有一水室壳体构成）凝汽器：每端各有一水室壳体构成 材料选择：主要依据冷却水水质，根据水质清洁度材料选择：主要依据冷却水水质，根据水质清洁度选用不同黄铜类材料，还可根据实际情况采用加氯选用不同黄铜类材料，还可根据实际情况采用加氯处理、胶球（海绵球）清洗

17、、硫酸亚铁镀膜等技术处理、胶球（海绵球）清洗、硫酸亚铁镀膜等技术措施。措施。B10B10白铜管在清洁海水中耐腐蚀，钛管对氯白铜管在清洁海水中耐腐蚀，钛管对氯化物、硫化物和氨具有较好耐蚀性，抗冲击腐蚀能化物、硫化物和氨具有较好耐蚀性，抗冲击腐蚀能力也强，但贵。不锈钢耐蚀及抗冲击由于黄铜，开力也强，但贵。不锈钢耐蚀及抗冲击由于黄铜，开始被采用始被采用胶球清洗装置胶球清洗装置：对内壁自：对内壁自动清洗动清洗 热水井：收集凝结水热水井：收集凝结水264）凝结水泵）凝结水泵：升压输送凝结水：升压输送凝结水容量确定：考虑最大凝汽量以及其它可能进入凝容量确定：考虑最大凝汽量以及其它可能进入凝汽器水量汽器水量

18、扬程确定：凝汽器最高真空；热井最低水位至输扬程确定：凝汽器最高真空；热井最低水位至输送终点静压差；流程阻力，加送终点静压差；流程阻力，加20%20%裕量；除氧器最裕量；除氧器最大工作压力，加大工作压力，加15%15%裕量；除氧器入口凝结水管喷裕量；除氧器入口凝结水管喷雾头所需喷雾压力等雾头所需喷雾压力等台数确定：一般台数确定：一般2 2100%100%容量容量, ,一台备用。采暖抽汽一台备用。采暖抽汽机组应机组应350%形式和布置高度确定：要避免发生汽化形式和布置高度确定：要避免发生汽化27真空：压力即为蒸汽凝结温度下饱和压力真空：压力即为蒸汽凝结温度下饱和压力蒸汽凝结温度：循环水进口温度蒸汽

19、凝结温度：循环水进口温度+循环水温升（凝循环水温升（凝汽器温差）汽器温差）+传热端差传热端差ttttws1凝汽器温差：取决于循环倍率凝汽器温差：取决于循环倍率m，汽化潜热，汽化潜热qcmqt凝汽器传热端差：受热负荷、凝汽器总体传热系凝汽器传热端差：受热负荷、凝汽器总体传热系数等影响数等影响28二、管束布置及真空除氧二、管束布置及真空除氧1 1、管束布置、管束布置：分主凝结区和空气冷却区，有三角：分主凝结区和空气冷却区，有三角形排列、正方形排列和辐向排列，要求：减小流形排列、正方形排列和辐向排列，要求：减小流动阻力，减小凝结水过冷度，热负荷分布均匀。动阻力，减小凝结水过冷度，热负荷分布均匀。2、

20、真空除氧：、真空除氧：沸腾状态时，其它气体分压力趋于沸腾状态时，其它气体分压力趋于0，但过冷时，气体又会溶入水中。热水井部位可，但过冷时，气体又会溶入水中。热水井部位可加淋水盘式或鼓泡式除氧装置加淋水盘式或鼓泡式除氧装置3、评价指标：、评价指标：真空度、凝结水过冷度、凝结水含真空度、凝结水过冷度、凝结水含氧量、水阻和空冷区排出的气氧量、水阻和空冷区排出的气-汽混合物过冷度汽混合物过冷度29三、抽气器三、抽气器1 1、工作原理、工作原理抽出不凝结气体，维持真空度。抽出不凝结气体，维持真空度。气体被抽出，其分压力接近气体被抽出，其分压力接近0 0，凝汽器内压力才是，凝汽器内压力才是该温度蒸汽的饱和

21、压力该温度蒸汽的饱和压力2、抽气器类型、抽气器类型1）蒸汽射流抽气器：利用一定压力和温度的蒸汽）蒸汽射流抽气器：利用一定压力和温度的蒸汽流过减缩喷管产生高速流在混合室形成高真空，流过减缩喷管产生高速流在混合室形成高真空，效率较低效率较低2）射水抽气器：以水为工质，极限真空受进水温）射水抽气器：以水为工质，极限真空受进水温度制约，一般闭式系统，由水池、射水泵、射水度制约，一般闭式系统，由水池、射水泵、射水抽气器组成。抽气器组成。3）水环式真空泵：价格较贵）水环式真空泵：价格较贵,大型电厂广泛用大型电厂广泛用30一、轴封系统一、轴封系统1 1）轴封汽利用）轴封汽利用2 2）低压低温汽源的应用）低压

22、低温汽源的应用3 3）防止蒸汽由端轴封漏入大气）防止蒸汽由端轴封漏入大气4 4）防止空气漏入真空部分）防止空气漏入真空部分轴端汽封：转子端部和汽缸之间所装，轴封，通轴端汽封：转子端部和汽缸之间所装，轴封，通常曲径式常曲径式轴封系统：汽轮机轴封和电站外部汽源，通过管道、轴封系统：汽轮机轴封和电站外部汽源，通过管道、阀门和设备、附件等共同组成，用以防止或减弱轴阀门和设备、附件等共同组成，用以防止或减弱轴间蒸汽泄露间蒸汽泄露31二、油系统二、油系统调节保护系统都是由油驱调节保护系统都是由油驱动，各轴承需润滑油进行动，各轴承需润滑油进行润滑和冷却润滑和冷却由主油泵、高压油泵、由主油泵、高压油泵、交直流

23、润滑油泵、注油交直流润滑油泵、注油器、冷油器、油箱、油器、冷油器、油箱、油净化、油压调节和低油净化、油压调节和低油压保护装置等设备组成压保护装置等设备组成32三、冷却供水系统三、冷却供水系统直流供水（开式系统）：水来自江河直流供水（开式系统）：水来自江河闭式系统：必须带冷却塔等冷却设施闭式系统：必须带冷却塔等冷却设施1）机力通风冷却塔：初投资小，）机力通风冷却塔：初投资小，建设工期短，布置紧凑，占地少，建设工期短，布置紧凑，占地少，冷却效果稳定，适宜在空气湿度冷却效果稳定，适宜在空气湿度大、气温高、要求冷却水温较低大、气温高、要求冷却水温较低场合。但需要风机设备，运行中场合。但需要风机设备，运行中消耗电能，检修维护和运行费用消耗电能，检修维