汽轮机设备安全经济运行与故障诊断

1、汽轮机设备安全经济运行与故障诊断华北电力大学华北电力大学 韩中合韩中合Telaxmail:http:/ 汽轮机工作原理、汽轮机装置的评价指标、汽轮机工作原理、汽轮机装置的评价指标、损失及减小措施损失及减小措施 汽轮机工作原理 汽轮机装置的评价指标及意义 汽轮机装置的损失及减小措施 汽轮机经济运行及节能新技术汽轮机经济运行及节能新技术 经济运行及节能技术 汽轮机状态监测、故障诊断与状态检修汽轮机状态监测、故障诊断与状态检修 状态监测、故障诊断与状态检修的基本概念 汽轮机设备状态监测、故障诊断 故障实例分析汽轮机工作

2、原理、汽轮机装置的评汽轮机工作原理、汽轮机装置的评价指标、损失及减小措施价指标、损失及减小措施 汽轮机工作原理 汽轮机装置的评价指标及意义 汽轮机的损失及减小措施 进汽机构节流损失 排汽阻力损失 轴封漏汽损失 机械摩擦损失 汽轮机级内损失基本工作单元：基本工作单元： 汽轮机的级汽轮机的级一、概述一、概述汽轮机工作原理汽轮机工作原理将蒸汽的热能将蒸汽的热能转化成机械功转化成机械功1.1.汽轮机作用：汽轮机作用：通流部分通流部分-汽轮机本体汽轮机本体做功汽流通道做功汽流通道称为汽轮机的通流部称为汽轮机的通流部分，它包括主汽门，导管，调节汽门，进汽室，各级喷嘴和分，它包括主汽门，导管，调节汽门，进汽

3、室，各级喷嘴和动叶及汽轮机的排汽管。动叶及汽轮机的排汽管。-由由一列喷嘴叶栅一列喷嘴叶栅和其后紧邻的和其后紧邻的一列动叶栅一列动叶栅构成的工构成的工作单元。工作过程作单元。工作过程2222( (), )c wp t蒸汽热能蒸汽热能喷嘴喷嘴(nozzle)(nozzle)降压增速降压增速汽流的动能汽流的动能动叶动叶(blade)(blade)转子的旋转机械能转子的旋转机械能2. 2.级的工作过程级的工作过程000(, )cp t 喷嘴1111( (), )c wp t 动叶汽流改变速度和方向汽流改变速度和方向 ( (冲动原理冲动原理) )汽流降压增速汽流降压增速( (反动原理反动原理) )特征截

4、面或计算截面：喷嘴前：特征截面或计算截面：喷嘴前：0-00-0；喷嘴；喷嘴后（动叶前）后（动叶前） ：1-11-1；动叶后：；动叶后：2-22-2。 注意：参数下角标与截面号相同。注意：参数下角标与截面号相同。001122汽轮机工作原理汽轮机工作原理3.3.动叶受力分析动叶受力分析 从喷嘴流出的高速汽流冲击在汽轮机的动叶上，汽流给动叶施加了一个冲动力Fi 。 蒸汽在动叶通道内膨胀加速，离开动叶通道时，给动叶一个与汽流运动方向相反的作用力，称为反动力Fr 。 一般情况下，蒸汽在动叶通道内流动时，一方面给动叶栅一个冲动力Fi的作用，另一方面，在动叶通道内继续膨胀，给动叶栅一个反动力Fr的作用，这两

5、个力的方向都不与轮周方向一致，两个力的合力F作用在动叶栅上，其在轮周方向上的分力Fu使动叶栅旋转而产生。 Fz为轴向力Fz汽轮机工作原理汽轮机工作原理蒸汽膨胀增速的条件有合理的汽流通道结构且有一定压差存在动、静叶栅几何参数叶栅节距t叶栅通道进口宽度a叶型弦长b出口宽度a1和a2叶栅宽度B出口边厚度前缘点前额线后缘点后额线中弧线几何进口角汽流进口角几何出口角汽流出口角叶片安装角静叶动叶汽轮机工作原理汽轮机工作原理平均直径平均直径d dm m，叶片高度叶片高度l l叶片高度叶片高度l ldmt汽轮机工作原理汽轮机工作原理动叶进出口汽流速度三角形(a)动静叶栅汽道示意图 (b)顶点靠拢的速度三角形汽

6、流的绝对速度60bd nu圆周速度 动叶进口速度三角形 汽流相对速度 动叶出口速度三角形1表示动叶进口2表示动叶出口22cwu 11wcu cuw 速度三角形w 旋转平面与 的夹角 旋转平面与 的夹角c1c11,p h22,p hu1w11u2c2w22(a)汽轮机工作原理汽轮机工作原理速度三角形的参数关系速度三角形的参数关系22111111111111222222222222222cossinsinarcsinarccos2cossinsinarcsinarccoswcucucctgwcucwuw uwwtgcwu汽轮机工作原理汽轮机工作原理01h0p0t1.1.热力过程线热力过程线-蒸汽在

7、动、静叶栅蒸汽在动、静叶栅中膨胀过程在中膨胀过程在h-sh-s图上的表示。图上的表示。hs滞止参数-相对于叶栅通道速度为零的气流热力参数(假想汽流绝热等比熵滞止到速度为0的状态）。用后上标为”0”来表示。动叶进口喷嘴进口00h2012C+=00h00p000ch1pnh1nh20012cCh入口初速动能nh喷嘴损失12p21h2112w2112w0101pbh1th1h2thbh22h动叶损失bh2ch2222cch余速动能uh0thth二、热力过程分析二、热力过程分析汽轮机工作原理汽轮机工作原理2222cch11nthhh22bthhh001001nthhhhnh理想过程-可逆的等熵过程。实

8、际过程-不可逆绝热膨胀过程-耗散效应，转换效率低于理想过程。部分动能转变为热能（能量贬值） -热能被蒸汽重新吸收-实际过程喷嘴和动叶出口汽流的焓与熵相对理想过程增加，能量转换效率低于理想过程。喷嘴理想比焓降-动叶理想比焓降- bh喷嘴(或动叶)效率-实际焓降与理想焓降之比喷嘴损失-动叶损失-余速损失-汽轮机工作原理汽轮机工作原理20utnbchhhhh 00tncbhhhh 喷嘴损失、动叶损失、余速损失统称为级的轮周损失。级的滞止理想比焓降1kg蒸汽实际转换为动叶栅上机械功的有效焓降称为轮周有效比焓降汽轮机工作原理汽轮机工作原理表征蒸汽在动叶通道中的膨胀程度。定义为动叶中的理想比焓降与级的滞止

9、理想比焓降之比,级的平均直径处的反动度用m来表示。即00bbmtnbhhhhh2.级的反动度讨论说明 由于h-s图上等压线沿比熵增方向发散,故严格说, 但由于喷嘴损失很小，因此一般常认为00nbthhh 00nbthhh 反动度沿动叶高度是不相同的：对于较短的直叶片级，用平均反动度m表示，可不计反动度沿动叶高度的变化；对于长叶片级，在计算不同截面时，必须用相应截面的反动度。汽轮机工作原理汽轮机工作原理3.级的类型和特点0bhm,汽流在动叶通道中不膨胀。（1）纯冲动级结构特点:热力特点:动叶叶型为对称弯曲，即动叶内各流通截面相同；动叶进出口处压力P1=P2和汽流的相对速度w1=w2相等流动特点:

10、性能特点：做功能力大，但效率较低，损失大。故现已不在采用。汽轮机工作原理汽轮机工作原理0.5tnbhhh （2 2）反动级）反动级热力特点:动静叶中蒸汽膨胀程度(焓降)相等.结构特点:动、静叶通道的截面基本相同；动静叶型相同。流动特点:压降基本相同，c1=w2.性能特点：做功能力最小，流动效率最高。汽轮机工作原理汽轮机工作原理（3）冲动级热力特点:nbhh 膨胀主要发生于喷嘴中,为提高流动效率动叶中也有少量膨胀，一般0.050.30结构特点:动叶通道的弯曲程度小于静叶；流动特点:动叶中增速小于静叶.性能特点：相同几何尺寸下，做功能力比反动级大，流动效率较纯冲动级高。汽轮机工作原理汽轮机工作原理

11、（4）复速级压力级和速度级： 按蒸汽动能转变为转子机械能的过程来划分 压力级：蒸汽动能转变为转子机械能的过程在级内只进行一次的级。特点：这种级在叶轮上只装一列动叶栅，故又称为单列级。压力级可以是冲动级，也可以是反动级。速度级(复速级)：蒸汽动能转变为转子机械能的过程在级内进行一次以上的级。说明：目前常用的是进行两次转换的级，故又称为双列速度级或复速级，即由固定的喷嘴叶栅、导向叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅所组成的级。汽轮机工作原理汽轮机工作原理汽流在导叶和动叶通道中膨胀较小。热力特点:结构特点:导叶和动叶为等截面通道；流动特点:导叶中汽流只转向不加速.速度级通常在一级内要求承担很大焓降时采

12、用。如单级汽轮机或作为中、小型多级冲动式汽轮机第一级（调节级）。性能特点：做功能力最大，流动效率最低。汽轮机工作原理汽轮机工作原理级的类型和特点级的类型和特点反动度反动度叶片类型叶片类型做功能力做功能力（焓降）（焓降）效率效率纯冲动纯冲动级级 m m=0=0隔板叶轮型隔板叶轮型较高较高较低较低反动级反动级 转鼓型转鼓型最低最低最高最高冲动级冲动级 m m=0.05=0.050.30.3隔板叶轮型隔板叶轮型较低较低较高较高复速级复速级隔板叶轮型隔板叶轮型最高最高最低最低0.5nbhh 汽轮机工作原理工作原理ma ciima cthh003.6macmactiitiDhpGh汽轮机性能评价指标以整

13、机理想焓降为基础以单位质量蒸汽在热力循环中所吸收热量为基础绝对效率相对效率一、一、 汽轮机的相对内效率汽轮机的相对内效率 以下以无回热抽汽、无再热、无前后端轴封漏汽和门杆漏汽的纯凝汽式机组说明相关效率的定义式。汽轮机的相对内效率-有效比焓降与理想比焓降之比相应的，汽轮机的内功率式中， 和 分别是以 和 为单位的进汽流量0G/ t h/kg s0D汽轮机装置的评价指标及意义/meiPP即：003.6macmactimemitimDhPPGh /ge lePP汽轮发电机组相对电效率elimg 即：003 .6m a ctimgm a ce legtimgDhPPGh 机械效率-汽轮机的轴端功率 与

14、汽轮机的内功率 之比，其描述了轴承摩擦、主油泵和调速器的功率损耗。ePiP发电机效率-发电机输出功率 与汽轮机轴端功率 之比,elPeP003.6m acm acteleltelDhPGh汽轮机装置的评价指标及意义汽轮机的绝对内效率-全机实际比焓降与整个循环中加给1kg蒸汽的热量之比,0m a ciaitichhh 绝对电效率-1kg蒸汽理想比焓降 中转换成电能的部分 与整个热力循环中加给1kg蒸汽的能量之比macth.0mactela elchhh二、二、 汽轮机的绝对内效率汽轮机的绝对内效率0m a cttchhh式中循环热效率：只适用于本课所定义特殊机组适用于纯凝汽机组，有回热时 变为c

15、hfwh适用于所有机组. a elteltimg 适用于纯凝汽机组，有回热时 变为chfwh适用于所有机组汽轮机装置的评价指标及意义汽耗率-每生产1kwh电能所消耗的蒸汽量01 0 0 03 6 0 0m a ce lte lDdPh热耗率-每生产1kwh电能所消耗的热量00.36003600ccmactela elhhqd hhh中间再热机组：00rcrrDqhhhhD机组发出1kWh电量所消耗的标煤量(标准煤g/kWh）。(1kg标准煤发热量为7000kCal)。发电煤耗、供电煤耗。三、三、 汽耗率汽耗率四、四、 热耗率热耗率 五、煤耗率五、煤耗率适用于所有机组适用于纯凝汽机组，有回热时

16、变为chfwh适用于纯凝汽机组，有回热时 变为chfwh汽轮机装置的评价指标及意义讨论：讨论：(1)相对效率是衡量某个能量转换环节设计的完善程度的指标。(2)绝对电效率和热耗率是衡量汽轮发电机组经济性的主要指标。(3)汽耗率由于和机组的初终参数有关，因此只能用于比较同类型同参数机组的运行管理水平。(4)汽轮发电机组的绝对电效率和热耗率由于没有考虑锅炉效率、管道效率和厂用电等，因此高于机组电效率和热耗率。(5)未扣除厂用电的煤耗率称为发电煤耗，扣除厂用电的称为供电煤耗，因此供电煤耗总是高于发电煤耗。汽轮机装置的评价指标及意义汽轮机的损失及减小措施进汽机构节流损失排汽阻力损失轴封漏汽损失机械摩擦损

17、失汽轮机级内损失进汽机构节流损失进汽机构节流损失 设计、检修、运行 节流机构压损增加1%，高压缸效率下降0.4%，200MW 机组，热耗增加越10kJ/kWh，煤耗增加0.4g/kWh。200MW 机组，每年多耗标煤500t（5000kCal,700t, 每吨600元），合42万元）。汽轮机的损失及减小措施 排汽阻力损失排汽阻力损失 排汽缸优化，凝汽器入口汽流优化，加装导流板，优化凝汽器内流场 汽轮机的损失及减小措施轴封漏汽损失轴封漏汽损失 轴封系统及运行(太二)、汽封齿结构的影响（直、斜，平齿、高低）、新型汽封结构（蜂窝、布兰登）机械摩擦损失机械摩擦损失汽轮机的损失及减小措施汽轮机的损失及减

18、小措施 汽轮机级内损失汽轮机级内损失 轮周损失相对内效率hu轮周效率hi级内损失的类型1.喷嘴损失hn2.动叶损失hb3.余速损失hc20th-9.湿气损失hx4.叶高损失hl5.扇形损失h6.叶轮摩擦损失hf7.部分进汽损失he8.漏汽损失h级内损失汽轮机经济运行及节能技术汽轮机经济运行及节能技术 经济运行（含义、研究内容）含义：设计工况下，保证设计参数运行，高的安全性、经济性。变工况下，进行参数优化，在保证安全性情况下，寻求高的经济性。配汽方式与阀门管理定压与滑压运行运行参数优化运行管理：运行绩效实时考核系统1. 节能技术 汽轮机经济运行汽轮机经济运行1.1.配汽方式与阀门管理配汽方式与阀

19、门管理 汽轮机的配汽主要有节流配汽、喷嘴配汽节流配汽、喷嘴配汽和旁通配汽旁通配汽三种方式。节流配汽节流配汽：优点：没有调节级，结构简单，制造成本较低，定压运行工况变化时，各级温度变化较小，对负荷变化适应性较好。缺点：部分负荷时，节流损失较大，效率较低适合：承担基本符合的机组优点：部分负荷时效率较高。缺点：变工况时，温度变化较大，引起的热应力较大。适合：可以承担基荷，也可调峰。节流配汽与喷嘴配汽方式的比较喷嘴配汽：喷嘴配汽：阀门管理：阀门管理：单阀与顺序阀 汽轮机变负荷运行方式有两种：一是定压运行，一是滑压运行。2. 2. 定压与滑压运行的经济性与安全性定压与滑压运行的经济性与安全性 定压运行定

20、压运行：机组负荷变化时，汽轮机的进汽参数不变。通过调整汽门开度，调节进汽量，改变机组负荷。 滑压运行滑压运行：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、给水量和空气量，使锅炉出口蒸汽压力和流量随负荷而变化，维持出口蒸汽温不变的运行方式，汽轮机进汽压力与流量都随负荷升降而增减。也称变压运行。滑压运行可分为三种方式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

21、方式（定-滑-定）：高负荷区(80%95%)，定压运行；中间负荷(8050%)，滑压运行；低负荷(25%50%)初压水平较低的定压运行。热经济性。2. 2.定压与滑压运行的经济性与安全性定压与滑压运行的经济性与安全性一、一、 滑压运行方式滑压运行方式二、机组滑压运行的热经济性二、机组滑压运行的热经济性2. 2.定压与滑压运行的经济性与安全性定压与滑压运行的经济性与安全性滑压运行与定压运行的热经济性比较，应从以下几方面考虑(?)：（1）汽轮机相对内效率汽轮机相对内效率。部分负荷时，两种运行方式，中低压缸的相对内效率基本不变。滑压运行时，高压缸的相对内效率较高。故滑压运行汽轮机的相对内效率较高。（

22、2）给水泵耗功给水泵耗功。滑压运行，蒸汽初压低，给水泵耗功少。高压机组给水泵耗功为机组功率的2%，亚临界机组3-4%，超临界机组5-7%。（3）机组循环热效率机组循环热效率。滑压运行循环热效率低。(hr)s-th节流滑压喷嘴Pr 节流t0(hr)s-n(t01)th(P01)th(t0)sP0 P0(P01)s (P01)sh0t0Pr1 图3.4.1 三种运行方式高压缸的热力过程线滑压喷嘴下标含义：th-节流，s-滑压，n-喷嘴2. 2. 定压与滑压运行的经济性与安全性定压与滑压运行的经济性与安全性ththTTppGG0100011ssTTppGG0100011sthsthTTpp01010

23、101sthTT0101sthpp0101对于定压节流配汽和滑压运行，变工况时有（设两种运行形式下，流量相同）有由于，有，(hr)s-th节流滑压喷嘴Pr 节流t0(hr)s-n(t01)th(P01)th(t0)sP0 P0h0t0Pr1 滑压喷嘴2. 2. 定压与滑压运行的经济性与安全性定压与滑压运行的经济性与安全性smlmacihsmacisssaiQhhQW11nmlmacihnmacinnnaiQhhQW11忽略回热抽汽，三种运行方式的绝对内效率可以表示为定压节流滑压定压喷嘴thmlmacihthmacithththaiQhhQW11部分负荷时，滑压运行机组单位新蒸汽在锅炉内比定压喷

24、嘴配汽运行机组多吸热2. 2.定压与滑压运行的经济性与安全性定压与滑压运行的经济性与安全性0010hhhnrsrnsrhhh在再热器内比定压喷嘴配汽运行机组少吸热有nsrnshhQQ011(hr)s-th节流滑压喷嘴Pr 节流t0(hr)s-n(t01)th(P01)th(t0)sP0 P0h0t0Pr1 滑压喷嘴2. 2.定压与滑压运行的经济性与安全性定压与滑压运行的经济性与安全性nsrhnmacihsmacihhhh0sainai两机组高压缸有效比焓降之间关系为nsrnmlmacihsmacishhWhhW0有如有2. 2.定压与滑压运行的经济性与安全性定压与滑压运行的经济性与安全性nsr

25、hh0nsrhh0即上式成立的条件为因此，上式是在不考虑给水泵耗功变化，机组滑压运行和定压喷嘴配汽运行，机组绝对内效率相等的条件。如nsrhh0如，滑压经济性好于定压喷嘴配汽nsrnnsrnnnsshhQhhWQWQW01011，定压喷嘴配汽好于滑压经济性2. 2.定压与滑压运行的经济性与安全性定压与滑压运行的经济性与安全性由水蒸汽性质图可知，过热蒸汽区的等温线在高压区域弯曲较大，在低压区较平。因此，总有nsrhh0，P0越高，两者越接近因此，如不考虑给水泵耗功的变化，滑压运行的经济性不如定压喷嘴配汽。如考虑给水泵耗功的变化，由于滑压运行时给水压如考虑给水泵耗功的变化，由于滑压运行时给水压力降

26、低，给水泵耗功减少，在蒸汽参数足够高时或力降低，给水泵耗功减少，在蒸汽参数足够高时或参数不是很高但负荷较低时，经济性好于定压喷嘴参数不是很高但负荷较低时，经济性好于定压喷嘴配汽。配汽。三、滑压运行机组的安全性与灵活性三、滑压运行机组的安全性与灵活性2. 2.定压与滑压运行的经济性与安全性定压与滑压运行的经济性与安全性所谓安全性，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。2. 2

27、.定压与滑压运行的经济性与安全性定压与滑压运行的经济性与安全性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。2. 2.定压与滑压运

28、行的经济性与安全性定压与滑压运行的经济性与安全性 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。 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节流配汽滑压配汽 2. 2.定压与滑压运行的经济性与安全性定压与滑压运行的经济性与安全性负荷响应能力： 喷嘴、节流配汽是通过改变调门开度来改变汽轮机的进汽量实现机组功率控制的，由于调节汽门的动作

29、速度很快，只要锅炉能提供足够的蒸汽，就能快速响应外界负荷增加的要求。滑压配汽是由锅炉改变燃料量和给水量达到控制主蒸汽压力的，从增加燃料量到主蒸汽压力改变滞后的时间很长，机组不能快速响应外界变化要求。好差好(超临界或一定条件)较差(亚临界)差较好好好好差2. 2.定压与滑压运行的经济性与安全性定压与滑压运行的经济性与安全性 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。3.运行参数优化 机组运行参数优化（PPT） 循环水系统运行优化循环水系统运行优化 循环水系统优化主要就是最佳真空的确定，最佳真空就是当改变循环水量使机组电功率的增加值与循环水泵所耗功率的增加值之间的差值达到最大时所对应的真空值。然而在机组实