汽轮机设备及系统

汽轮机设备及系统概况

-----鲍玉和汽轮机设备概述第一章汽轮机的发展史汽轮机的发展史汽轮机时火力发电厂的主要设备之一，它与锅炉、发电机一起被称作火电厂三大主机。与其他动力机械相比，汽轮机具有转速高、单机功率高、效率高、安全可靠等特点。自从1883年，瑞典工程师C.G.P.de拉法尔建造了世界第一台功率未3.67瓦有实用价值的汽轮机以来，汽轮机经历了120年的历史。一个多世纪以来，汽轮机沿着大单机容量、提高蒸汽参数、不断改进材料和制造工艺、加强自动化水平的方向发展。中国制造的第一台容量为6000KW的汽轮机，与1956年投运，以后陆续制造出12MW、25MW、50MW的中压和高压汽轮机，1959年投运了100MW的汽轮机。1969年9月我国自行设计制造的125MW超高压中间再热汽轮机组正式投产发电，标志着我国火力发电设备的制造和运行水平进入了一个新时期。在此以后，我国自行设计制造了200MW、300MW机组，并在引进技术的基础上制造了300MW、600MW汽轮发电机组，且陆续投入运行。第一台125MW机组的汽轮机由上海汽轮机厂制造，投入30多年以来，先后已有130余台125MW的机组投产发电，占全国电网容量的9%，成为我国火力发电机组之一。30多年来，125MW机组经过不断的设计优化和技术完善，各项技术指标和运行实绩也有了不断的提高。该汽轮机的优化设计工作一直在进行，其中第一阶段在1978年—1981年间在生产第35—47台机组中进行，其产品编号仍为151.主要针对此前生产的34台汽轮机所暴露出来的问题与不足进行优化改进。第二阶段在1982年—1986年间，在生产第48—58台机组中进行，产品编号为A151.这次改进的目的的主要是提高整个电厂的安全性，同时在保持其出力不变的前提下主蒸汽和再热蒸汽温度均由550℃降低到535℃.第三阶段工作是在第59—86台机组中进行，产品编号仍为A151.主要考虑到机组的运行安全性、可靠性及出力，改进的内容较少。第四阶段从第87台机组开始，产品编号为B151，主要目的是提高机组的经济性，使机组在不抽厂用气情况下汽耗达到8499KJ/（KW.h）。同时，进一步提高机组的安全性和自动化水平。改进后首台机组于1991年4月出厂，10月投运，在此以后，又改进制造了产品编号为C151型机组。近年来，在125MW机组的基础上，上海汽轮机厂又研究生产了采用引进技术的135MW汽轮发电机组（产品编号从D151开始），其技术性能有了进一步的提高，并采用了数字式电调系统，目前不仅135MW机组业已有多台投入运行。且已有较多台300MW、600MW机组投入运行。第一节汽缸汽缸是汽轮机的最重要的部件之一，它是汽轮机中重量大，形状和受力状态复杂的一个部件。它是汽轮机的外壳，用于将汽轮机的通流部分与大气隔开，并在其内部支撑固定喷嘴组、隔板组（静叶持环）、隔板（静叶环）、汽封等静止部件，以保证蒸汽有可能完成其能量的转换过程。汽缸外部还连接有进汽、排汽、回热抽汽及疏水等管道。缸应具有足够的强度和刚度，以承受工作时汽缸内、外的压力差的作用力、各零部件的自身重量和管道的作用力，以及沿汽缸轴向、径向温度分布不均而引起的热应力。特别是机组在快速启、停和运行工况变化时，将引起很大的温度变化，会在汽缸和法兰中生产很大的的热应力和热变形。不同机组的汽缸有不同的结构特点，它受机组容量、新蒸汽参数、排汽参数、是否采用中间再热以及制造厂家的制造方法、工艺水平等各方面的影响。一、高、中压缸

因高、中压缸内的蒸汽压力、温度都很高，致使汽缸内、外压差很大，如果采用单层汽缸结构势必造成汽缸壁加厚，为保证联接螺栓必须的的予紧力来保证汽缸中分面的汽密性，法兰的尺寸和螺栓的直径也要相应的加大。在汽轮机的启动、停止和负荷变化时，会因热量传递其内外壁将出现较大的温差而产生很大的热应力和热变形，这对设备的安全运行极为不利，还会缩短其工作寿命。而采用双层汽缸结构后，把原单层汽缸所受的蒸汽总压力分摊给了内、外两层汽缸，减少了每层汽缸内、外壁之间的压力差和温度差，汽缸壁与单层缸相比可以相应减薄，有利于保证汽缸结合面的严密性，而且在内、外缸之间有蒸汽流动，以调整内、外缸的内、外壁温差，使内缸主要承受压力差，外缸主要承受温度差。这使机组在启停止和变负荷运行时，内、外壁之间的温度差较小，热应力也较小，有利于缩短启动时间和提高汽轮机对负荷的适应性具有较强的调峰能力。但双缸的结构比单层汽缸复杂，零部件增多，因而加工工时、安装和检修等方面的工作量有所增加。下附高、中压缸的图片现大型汽轮机高、中压缸布置均为反向布置，它的优点：新蒸汽及再热器蒸汽的进汽部分均集中在汽缸的中部，可减少汽缸的温度差及热应力，而且温度最高的部分布置在距离汽轮机轴承较远的位置，使轴承受汽缸温度的影响较小，改善了轴承的工作条件，同时还可平衡一部分高、中压级的轴向推力。另外，前后轴端汽封均处于高中压缸排汽部位，使轴封漏气损失显著减少，此外，高、中压缸的型式还减少了一至二个径向支持轴承，缩短了高、中压缸转子的长度。蒸汽从喷嘴高速喷出时产生的反作用力，通过隔板传递给汽缸，使汽缸承受一个与转速方向相反的力矩。为了平衡此力矩，在外汽缸左侧的下部装有一弹簧性支座，其布置在基础上，以减少左支撑猫爪的压力，确保汽缸自由膨胀，其中心线位置不变。为了减少运行中汽缸法兰的内外壁温差，高中汽缸采用厚而窄的水平法兰，高中压外缸上、下法兰两端的左右两侧都沿轴向伸出猫爪，下猫爪为安装猫爪，上猫爪为支撑猫爪，分别支撑在前轴承箱和中间轴承箱的相应平台上。内缸的上、下法兰两端各伸出两对猫爪，下猫爪为安装猫爪，上猫爪为支撑猫爪，支撑在外缸水平中分面内壁的凸台上。内缸的工作温度较高，采用优质的耐热铬钼合金钢浇铸，，其上、下内缸中间各有四个进汽接口，与外汽缸上的高、中压进汽接口对应。在高压部分进汽口处装有单独铸造的四个高压喷嘴室，每个喷嘴室中各装有一个喷嘴组；中压部分全周进汽的进汽喷嘴室与内缸铸成一体。内缸高压部分和中压部分内壁各开有几圈用于装隔板的凹槽。二、低压汽缸高参数大容量、大功率凝汽式汽轮机的低压缸，蒸汽容积流量相当大，需要有足够大的通流截面积，即级的平均直径和叶片高度都将很大。在目前材料强度允许的范围内，并保证末级余速损失不致过大，单排汽口的汽轮机最大功率只能达到150MW左右，因此大功率机组的低压缸必须采用分流结构。因而低压汽缸结构尺寸大，是汽轮机中最庞大的部件。但由于低压汽缸内的压力、温度较低，因此气缸体的强度不是设计的主要矛盾，而足够的刚度、排汽通道良好的气动特性则是其结构设计的关键所在，如果低压缸强度不够，将引起机组动、静部分间隙和中心变化，使机组发生振动。低压缸为双层缸结构，并分为上、下缸。为了便于运输、制造上的方便，低压缸由钢板焊接而成，在轴向分为三段，即中间部分和两端侧的排汽缸，安装时三段之间通过垂直法兰用螺栓连接成一个整体，调整中心定位后，在连接法兰的外壁接口处烧密封焊，成永久性连接不再拆开，以保证汽缸的严密性。低压汽缸的二个进汽口设置在顶部中间位置。在低压缸下部设置二个低压回热抽汽口。低压汽缸采用向下排汽、钢板焊接的单层结构的排汽缸，其内布置有筋板和撑管，以保证这个庞大的壳体有足够的刚度，这种结构具有重量轻、刚性好、材料省和成本低等优点。为了得到良好的气动特性，以减少其末级出口与凝汽器之间的汽流静压损失，排汽缸采用径向扩压式结构。其型线按照空气动力学的要求设计，即尽可能地将末级动叶排除蒸汽的动能转变为压力能，以减少汽轮机的排汽节流损失，提高机组效率。由于低压缸在运行当中温度较低，金属膨胀不显著，因此低压缸的支撑没有采用高中压缸的支撑方式，而是在低压下汽缸排汽口的四周焊接一个整圈搁脚将搁脚座落在汽缸基架（基础台板）上，它使得低压缸的重量均匀地分布在基础上。为了加强低压外缸的刚性和严密性，低压外缸的排汽口直接与凝汽器喉部焊接，外缸两端有轴封。低压缸也采用对称分流式布置此外，低压内缸在启动和低负荷及空载情况下，均装有喷水减温装置。附图片第二节转子转子是汽轮机转动部分的总称，是汽轮机最重要的部件之一。它的作用是将蒸汽的动能转变成其旋转的机械能，拖动发电机旋转，对外输出电功率。汽轮机的转子按结构可分为：轮盘式和转鼓式两种基本类型。冲动式汽轮机采用轮盘式转子，它具有叶轮，叶轮的外缘安装动叶栅，隔板装在叶轮之间，以缩小隔板内孔的尺寸，减少隔板漏气。反动式汽轮机采用转鼓式转子，而转鼓式转子则没有叶轮，叶片直接安装在转鼓的凸环上。转子图片第三节联轴器联轴器是转子与转子之间的连接部分。汽轮机各转子之间以及汽轮机低压转子与发电机转子之间均用联轴器连接，以传递扭矩和轴向推力。联轴器又称靠背轮、对轮或联轴节，可分为刚性、半扰性和扰性三种。第四节喷嘴汽轮机的第一级喷嘴叶栅（也称之为静叶片）通常是由若干个喷嘴组成喷嘴弧段后，在固定在单独设置的喷嘴室的圆弧形槽道中。它的作用：高速汽流通过喷嘴时，在其内膨胀加速，流速增加，将蒸汽的热能转变为动能，改变汽流方向，推动叶片旋转。第五节叶片动叶片由叶型、叶顶部分、叶根三部分组成。叶片截面的周线称为叶片的型线，叶片中保证流道形状的部分称为型线部分，叶根镶嵌在叶轮或转鼓的槽道内，为了减少叶顶的漏气、减少蒸汽作用力产生的弯曲应力，以及调整叶片的自振频率，一般在叶栅顶部装有围带，其作用：防止顶部漏气。具有一定压力、温度的蒸汽，在压力差的作用下，通过喷嘴叶栅时进行膨胀加速，将蒸汽的热能转变成高速汽流的动能，高速汽流以一定的方向进入动叶栅，在动叶栅中继续膨胀加速，并改变其速度的大小和方向，推动动叶栅高速旋转，将蒸汽的动能转变成机械功。动叶片承受高速旋转产生的离心力和蒸汽的长期作用力；在叶片内产生拉应力、弯曲应力、挤压应力、剪切应力和扭曲应力，另外，动叶片振动产生应力，内部温差产生的热应力。为了增强叶片的强度、刚度，一般动叶片除在顶部装设围带外，还在叶片中部装有拉紧。叶片型式：第六节汽封为了保证机组在正常运行时，避免动（转子）、静（汽缸、隔板）部分发生摩擦和碰撞，因此，动静部分之间必须保持一定的间隙，然而这些间隙的存在必然会导致漏气，这样不仅会降低机组的出力，还会影响机组的安全。同时，为了保证蒸汽的漏出和空气的漏入，而装设了轴封系统。汽封包括：轴端汽封、隔板汽封、围带汽封汽封按型式分：迷宫式汽封、炭精式汽封、水封轴端汽封的作用：1）高压端汽封是为了防止蒸汽的漏出低压端汽封是为了防止空气的漏入隔板汽封是为了防止级间漏气围带汽封是为防止蒸汽沿叶片顶部漏出第六节轴承箱与轴承汽轮机是高速旋转的机械，轴承是一个重要组成部分。为了保证汽轮机工作是的转子正常旋转，机组都设置支持轴承和推力轴承。支持轴承的作用：承受转子的全部重量以及部分进汽引起的附加力和转子不平衡质量的离心力，确定转子的径向位置，保证转子中心与汽缸中心一致。推力轴承的作用：承受汽轮机运行时蒸汽作用在转子上轴向力和发电机传来的的轴向力，并确定转子在汽缸中的轴向位置，保证汽轮机的通流部分与静止部分的轴向间隙。它们全部采用以动压液体润滑理论为基础的润滑原理。借助具有一定的压力油在轴颈与轴瓦之间形成的油膜而建立液体润滑。其工作原理：轴承箱：一般轴承箱坐落在各自的基础台板上，接触均匀，使其能在基础台板上顺利滑动。在轴承箱和基础台板的滑动面间，装有沿汽轮机中轴线方向的导向纵销，两侧配有滑动的压板压住。各轴承箱的下箱体均设有法兰，与轴承进油母管和排油母管连接，在进油与排油管上都设有窥视连管，通过窥视孔可观察进油、回油流动情况。为了防止从轴封漏出的蒸汽进入轴承箱中使油质恶化，同时也为了防止轴承箱中的润滑油甩出来，在主轴穿过轴承箱座的地方装有档油环和阻汽片。支持轴承推力轴承第七节盘车装置汽轮机在启动、冲转以前或停机以后，为了防止转子弯曲，使转子连续低速转动的装置，称为盘车装置。对它的要求：既能长时间低速盘动转子，又能在冲转后转速超过盘车转速时能自动脱开，停止盘车。盘车转速可分为：·1、低速盘车2、中速盘车3、高速盘车盘车装置一般装在后轴承箱盖上，利用一定的转速盘动转子，目的是为了：1）停机后保证汽缸上、下缸温度比较均匀，减小上下缸的温差，减小汽缸的热变形，减小转子的热弯曲；2）开机时便于转子的冲转，防止转子产生过大的冲击热应力；盘车由分为手动盘车和自动盘车。第二章汽轮机辅助设备第一节凝汽器凝汽器是汽轮机主要的辅助设备之一。一、凝汽器的作用：1、在汽轮机的排汽室建立并维持所要求的真空；2、将汽轮机的排汽凝结成水，再通过某些设备经升压后作为锅炉的给水，已降低制水成本；3、一级低压除氧。另外，凝汽器又是热力系统中压力最低的汽、水汇集器，接受机组启动、停机时旁路系统排出的蒸汽，凝结水再循环及各种疏放水。二