大型汽輪機(jī)及特種汽輪機(jī)

1汽輪機(jī)原理

Principleofsteamturbine廣東工業(yè)大學(xué)能源工程系

GDUT

Dept.ofEnergyEngineering27.大型汽輪機(jī)及特種汽輪機(jī)7-1大型汽輪機(jī)簡介7-2超臨界壓力汽輪機(jī)7-3核電站汽輪機(jī)7-4工業(yè)汽輪機(jī)37-1大型汽輪機(jī)簡介大型汽輪機(jī)指單機(jī)功率較大的汽輪機(jī)，從20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)初，電站汽輪機(jī)在單機(jī)功率和蒸汽參數(shù)方面都在不斷發(fā)展，同時(shí)其可靠性、機(jī)動(dòng)性、控制水平和經(jīng)濟(jì)性都有了巨大地進(jìn)步。近20年以來，我國電力工業(yè)以發(fā)展亞臨界壓力、超臨界壓力300MW和600MW機(jī)組為主。目前，國產(chǎn)超臨界與超超臨界壓力機(jī)組已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展和提高的階段。1000MW容量等級的超臨界壓力國產(chǎn)機(jī)組也開始投入商業(yè)運(yùn)行，這標(biāo)志著我國火力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展跨上了新的臺階。47-1大型汽輪機(jī)簡介一、300MW汽輪機(jī)我國曾經(jīng)自主設(shè)計(jì)和制造過300MW汽輪機(jī)。東方汽輪機(jī)廠1975年自主研發(fā)、研制高中壓合缸、兩缸、兩排汽300MW汽輪機(jī)，該機(jī)采用1m長的末級葉片。1984年，又開發(fā)了三缸兩排汽300MW凝汽式和供熱抽汽凝汽式汽輪機(jī)，這兩種機(jī)型均采用“851mm”末級葉片。第一批機(jī)組分別于1991年7月和8月在山西太原第一熱電廠和河北沙嶺子電廠投入商業(yè)運(yùn)行，如圖7-1所示。57-1大型汽輪機(jī)簡介圖7-1國產(chǎn)300MW汽輪機(jī)縱剖面圖67-1大型汽輪機(jī)簡介20世紀(jì)80年代，我國引進(jìn)N300-16.67/537/537型汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。該型號汽輪機(jī)為亞臨界、單軸、雙缸雙排汽、高中壓缸合缸、低壓缸雙流程的反動(dòng)式凝汽汽輪機(jī)。該機(jī)通流部分由高、中、低壓三部分組成，共有34級，除高壓調(diào)節(jié)級為沖動(dòng)級外，其余33級均為反動(dòng)級，如圖7-2所示。77-1大型汽輪機(jī)簡介圖7-2國產(chǎn)300MW汽輪機(jī)（引進(jìn)型）縱剖面圖（a)高中壓部分（b)低壓部分1-超速脫扣裝置；2-主軸泵；3-轉(zhuǎn)速傳感器+零轉(zhuǎn)速檢測器；4-振動(dòng)檢查器；5-軸承；6-偏心+鑒相器；7-差脹檢測器；8-外軸封；9-內(nèi)軸封；10-汽封；11-葉片；12-中壓1號持環(huán)；13-中壓2號持環(huán)；14-高壓1號持環(huán)；15-低壓平衡持環(huán)16-高壓平衡持環(huán)；17-中壓平衡持環(huán)；18-內(nèi)上缸；19-聯(lián)軸器；20-低壓持環(huán)；21-推力軸承；22-軸向位置+推力軸承脫口檢測器；23-測速裝置（危急脫扣系統(tǒng)）87-1大型汽輪機(jī)簡介除此之外，我國還直接引進(jìn)了多個(gè)國家的300MW等級的汽輪機(jī)。表7-1列出了我國主要在役300MW容量等級汽輪機(jī)的基本情況97-1大型汽輪機(jī)簡介（續(xù)表）107-1大型汽輪機(jī)簡介117-1大型汽輪機(jī)簡介127-1大型汽輪機(jī)簡介二、600MW汽輪機(jī)20世紀(jì)90年代以后，600MW火電機(jī)組已經(jīng)成為我國新建電廠的首選機(jī)型。華北、東北和山東電網(wǎng)先后裝備600MW級火電機(jī)組，主要是引進(jìn)國外設(shè)備或技術(shù)的機(jī)組。我國自20世紀(jì)80年代起開始投入運(yùn)行的600MW等級汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的基本特征和參數(shù)見表7-2和表7-3。圖7-3、圖7-4分別為典型600MW汽輪機(jī)組的總體結(jié)構(gòu)圖。137-1大型汽輪機(jī)簡介平圩電廠1、2號汽輪機(jī)組為亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、反動(dòng)式、雙背壓、凝汽式，北倉電廠1、2號汽輪機(jī)組為亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、沖動(dòng)式、背壓式、凝汽式，石洞口第二廠1、2號汽輪機(jī)組為超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、反動(dòng)式、單背壓、凝汽式。147-1大型汽輪機(jī)簡介（續(xù)表）157-1大型汽輪機(jī)簡介ABB引進(jìn)型汽輪機(jī)組所配鍋爐為由蘇爾壽公司設(shè)計(jì)、CE公司和蘇爾壽公司聯(lián)合制造的超臨界螺旋管圈直流爐，設(shè)計(jì)蒸汽流量為1900t/h，過熱蒸汽壓力為25.4MPa.西屋引進(jìn)汽輪機(jī)組蒸汽流量為2008t/h（MCR），主蒸汽壓力為18.3MPa,主蒸汽溫度為540.6°C，再熱蒸汽壓力和溫度分別為3.64MPa/540.6°C東方—日立合作生產(chǎn)應(yīng)用于山東鄒縣電廠的600MW汽輪機(jī)是亞臨界、一次中間再熱的凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組型號為DH-600-40-T，參數(shù)為16.7MPa/538°C/538°C。167-2超臨界壓力汽輪機(jī)一、

超臨界壓力汽輪機(jī)當(dāng)蒸汽壓力增加至22.12MPa時(shí)，相應(yīng)的飽和溫度為374.15°C，此時(shí)不再有等溫汽化過程，在這一狀態(tài)點(diǎn)，水立刻全部汽化，再加熱就成為過熱蒸汽。這個(gè)狀態(tài)點(diǎn)是水被等壓加熱變成蒸汽的臨界點(diǎn)，其壓力稱為臨界壓力。進(jìn)汽壓力超過臨界壓力22.12MPa的汽輪機(jī)稱為超臨界壓力汽輪機(jī)，簡稱超臨界汽輪機(jī)，其效率比亞臨界機(jī)組有大幅度提高，具有節(jié)能和環(huán)保雙重效益。（一）、

超臨界壓力汽輪機(jī)的特點(diǎn)177-2超臨界壓力汽輪機(jī)圖7-5所示為蒸汽參數(shù)與機(jī)組效率的關(guān)系。研究表明，主蒸汽壓力每提高1MPa,機(jī)組的熱耗率可下降0.13%~0.15%；主蒸汽溫度每提高10°C，機(jī)組的熱耗率可下降0.25%~0.30%；再熱汽溫度每提高10°C，機(jī)組的熱耗率可下降0.15%~0.20%。事實(shí)表明，提高蒸汽參數(shù)與發(fā)展大容量機(jī)組相結(jié)合是提高常規(guī)火電廠效率及降低單位容量造價(jià)最有效的途徑。與同容量亞臨界火電機(jī)組的熱效率相比，采用超臨界參數(shù)理論上可提高效率2%~2.5%。目前，世界上先進(jìn)的超臨界機(jī)組熱效率已達(dá)到45%以上，當(dāng)溫度達(dá)到700°C時(shí)，熱效率可達(dá)到48%—~50%。187-2超臨界壓力汽輪機(jī)超臨界壓力汽輪機(jī)的特點(diǎn)1.熱效率高（1）朗肯循環(huán)在提高蒸汽溫度、壓力后可以提高效率。（2）由于初壓提高，水的沸點(diǎn)也增高，增加了凝結(jié)水加熱到飽和狀態(tài)所需熱量，從而擴(kuò)大了使用回?zé)岬姆秶?，進(jìn)一步改善了循環(huán)熱效率。2.蒸汽體積流量降低高壓時(shí)蒸汽比體積顯著減小，從而可以減小裝置的尺寸和質(zhì)量，特別是管道、閥門等部件的尺寸和質(zhì)量。3.承壓件壁厚增大由于超臨界而引起的承壓件壁厚增大時(shí)不可回避的問題，需要合理解決。197-2超臨界壓力汽輪機(jī)（二）、

國外超臨界壓力機(jī)組技術(shù)概況世界上目前最大的雙軸超臨界壓力機(jī)組功率是1300MW，首臺于1972年在美國坎伯蘭電廠投運(yùn)。主要技術(shù)參數(shù)見表7-4.雙軸轉(zhuǎn)速都是3600r/min，一根軸帶動(dòng)一個(gè)雙流高壓缸和兩個(gè)雙排汽低壓缸，另一根軸帶動(dòng)一個(gè)雙流中亞缸和兩個(gè)雙排汽低壓缸。汽輪機(jī)全部采用焊接轉(zhuǎn)子，是反動(dòng)式機(jī)組。由于機(jī)組承擔(dān)基本負(fù)荷，因此采用節(jié)流配汽調(diào)節(jié)方式。高壓缸采用水平部分無法蘭結(jié)構(gòu)，用紅套環(huán)保證其氣密性。207-2超臨界壓力汽輪機(jī)（二）、

國外超臨界壓力機(jī)組技術(shù)概況世界上目前最大的單軸超臨界壓力機(jī)組是前蘇聯(lián)列寧格勒金屬工廠（LMZ）生產(chǎn)的1200MW機(jī)組，1968年開始設(shè)計(jì)，1977年試制完成，1980年12月在科斯特羅姆電廠投運(yùn)。主要技術(shù)參數(shù)見表7-5.高壓缸采用雙層回流式結(jié)構(gòu)，中部進(jìn)汽。新蒸汽先經(jīng)過調(diào)節(jié)級和三級壓力級，排汽經(jīng)過內(nèi)、外缸夾層反向流入高壓缸的另外四級壓力級。高、中壓轉(zhuǎn)子為整段式，低壓轉(zhuǎn)子采用焊接結(jié)構(gòu)。機(jī)組采用節(jié)流配汽。217-2超臨界壓力汽輪機(jī)（三）、

我國發(fā)展超臨界機(jī)組概況自20世紀(jì)80年代初引進(jìn)亞臨界壓力300MW和600MW機(jī)組制造技術(shù)后，大大縮短了我國大型火電機(jī)組與國際先進(jìn)水平的差距。目前，我國已具有設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行大型亞臨界和超臨界壓力火電機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)。我國引進(jìn)的超臨界壓力火電機(jī)組及其主要參數(shù)如表7-6所示。227-2超臨界壓力汽輪機(jī)二、

超臨界汽輪機(jī)的性能及綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（一）初壓提高對機(jī)組熱耗率的影響汽輪發(fā)電機(jī)組的凈熱耗率為kJ/(kW.h)kJ/(kW.h)汽輪發(fā)電機(jī)組的毛熱耗率為式中：ho為新汽比焓，kJ/kg；hfw為給水比焓，kJ/kg;

hrh為再熱汽比焓，kJ/kg；hn為再熱前蒸汽（高壓缸排汽）比焓，kJ/kg；ηg為發(fā)電機(jī)效率；Go為新蒸汽流量，kg/h;Grh為再熱汽流量，kg/h;

Pel為發(fā)電機(jī)功率，kW;Pp為給水泵功率，kW。237-2超臨界壓力汽輪機(jī)二、

超臨界汽輪機(jī)的性能及綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（二）超臨界壓力機(jī)組的熱耗率（三）超臨界壓力機(jī)組的初溫和再熱溫度在相同的假設(shè)條件比較超臨界壓力機(jī)組。蒸汽初壓為23.5MPa與初壓為16.2MPa相比較，300MW機(jī)組凈熱耗率下降約1.3%，600MW機(jī)組下降約1.6%，1000MW機(jī)組下降約1.8%?？梢婋S著機(jī)組容量的增大，采用超臨界壓力所得的效益將更加明顯。在相同的假設(shè)條件比較超臨界壓力機(jī)組。蒸汽初壓為23.5MPa與初壓為16.2MPa相比較，300MW機(jī)組凈熱耗率下降約1.3%，600MW機(jī)組下降約1.6%，1000MW機(jī)組下降約1.8%?？梢婋S著機(jī)組容量的增大，采用超臨界壓力所得的效益將更加明顯。247-2超臨界壓力汽輪機(jī)二、

超臨界汽輪機(jī)的性能及綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（四）超臨界壓力機(jī)組的兩次再熱溫度（五）超臨界壓力機(jī)組的末級葉片理論上，兩次再熱比一次再熱可降低熱耗率1.5%-2.0%,單系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)增加，一般只有在燃料價(jià)格昂貴且?guī)Щ矩?fù)荷情況下才考慮。末級是反映汽輪機(jī)可靠性、調(diào)峰和周期運(yùn)行能力的關(guān)鍵部件，末級出力占汽輪機(jī)總出力的10%。257-2超臨界壓力汽輪機(jī)二、

超臨界汽輪機(jī)的性能及綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（六）綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析燃料消耗投資回收期267-2超臨界壓力汽輪機(jī)三、

超超臨界壓力汽輪機(jī)壓力大于27MPa，溫度大于600C，在經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)勢明顯。目前全世界投運(yùn)70余臺。上汽：27MPa/600C/600C。

哈汽東汽：25MPa/600C/600C。

國內(nèi)首臺：玉環(huán)電廠，26.25MPa/600C/600C277-2超臨界壓力汽輪機(jī)四、

超臨界和超超臨界壓力汽輪機(jī)主要技術(shù)特點(diǎn)（一）高性能材料（二）冷卻技術(shù)1.高壓汽缸2.高壓進(jìn)汽閥門3.雙流調(diào)節(jié)級（三）高壓部件設(shè)計(jì)287-2超臨界壓力汽輪機(jī)四、

超臨界和超超臨界壓力汽輪機(jī)主要技術(shù)特點(diǎn)（四）固粒腐蝕防護(hù)（五）汽流激振預(yù)防（六）末級優(yōu)化設(shè)計(jì)297-3核電站汽輪機(jī)自20世紀(jì)50年代第一座核電站出現(xiàn)至今已有50年，核電事業(yè)已進(jìn)入輝煌的高速發(fā)展階段。國際原子能機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)表明，已有近50個(gè)國家和地區(qū)超過500座核電站在運(yùn)行。一、

濕蒸汽汽輪機(jī)的特點(diǎn)307-3核電站汽輪機(jī)各種堆型的核電站都采用汽輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，核電站汽輪機(jī)分為過熱蒸汽汽輪機(jī)和飽和蒸汽汽輪機(jī)兩大類，前者用于石墨氣冷堆、高溫氣冷堆和快中子增殖堆等堆型的核電站，而后者用于壓水堆和沸水堆堆型核電站。（一）、

過熱蒸汽核電站汽輪機(jī)高溫氣冷堆和改進(jìn)型石墨氣冷堆的核電站汽輪機(jī)，進(jìn)氣參數(shù)已全達(dá)到常規(guī)火電廠的標(biāo)準(zhǔn)。也可采用中間再熱，容量已達(dá)到甚至超過常規(guī)火電廠317-3核電站汽輪機(jī)（二）、

飽和蒸汽核電站汽輪機(jī)飽和蒸汽核電站汽輪機(jī)又稱濕蒸汽汽輪機(jī)（包括微過熱蒸汽汽輪機(jī)）。目前飽和蒸汽汽輪機(jī)約占核電站總裝機(jī)容量的89%，其中絕大部分機(jī)組用輕水堆（包括壓水堆和沸水堆）產(chǎn)生的蒸汽。由于受反應(yīng)堆冷卻劑溫度的限制，一般壓水堆平均出口溫度低于310°C，所以二回路只能產(chǎn)生壓力較低（5~7MPa)的飽和蒸汽（或微過熱蒸汽）。這種汽輪機(jī)具有以下特點(diǎn)（1）低蒸汽參數(shù)（2）腐蝕和侵蝕（3）汽水分離再熱器（4）半轉(zhuǎn)速（5）甩負(fù)荷超速327-3核電站汽輪機(jī)二、

反應(yīng)堆和核電站汽輪機(jī)參數(shù)核電站的三個(gè)主要部分是：反應(yīng)堆，熱交換裝置和汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。核反應(yīng)堆按照所用裂變?nèi)剂?、中子減速劑、冷卻工質(zhì)（或載熱質(zhì)）以及中子速度不同等情況，可以分為許多類型。

產(chǎn)生飽和蒸汽或低過熱度蒸汽的反應(yīng)堆叫做輕水反應(yīng)堆，它是以重水為中子減速劑的重水反應(yīng)堆相對而言。目前已經(jīng)發(fā)展成熟并大量應(yīng)用的輕水反應(yīng)堆有壓水反應(yīng)堆和沸水反應(yīng)堆。目前壓水堆在數(shù)量上占很大比重。圖7-16是一個(gè)壓水堆的基本系統(tǒng)圖圖7-16壓水堆系統(tǒng)圖337-3核電站汽輪機(jī)三、

濕蒸汽汽輪機(jī)的水蝕347-3核電站汽輪機(jī)四、

核電站汽輪機(jī)的可靠性圖7-18核電汽輪機(jī)的可靠性指標(biāo)逐漸提高

隨著汽輪機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、運(yùn)行和維護(hù)技術(shù)的進(jìn)步，大型核電站汽輪機(jī)的可靠性不斷提高，事故發(fā)生的強(qiáng)迫停機(jī)率已經(jīng)降到很低的數(shù)值。圖7-18是1978年~2002年間，安裝在法國的ALSTOM公司制造的58臺核電站汽輪機(jī)強(qiáng)迫停機(jī)率的變化情況?？梢钥闯?，1990年以后，核電汽輪機(jī)的可靠性達(dá)到了很高的水平。357-4工業(yè)汽輪機(jī)工業(yè)汽輪機(jī)是供工業(yè)企業(yè)用來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械（如泵、壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)等）的動(dòng)力機(jī)械。在工藝流程中采用工業(yè)汽輪機(jī)可以提高系統(tǒng)熱效率和能源利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。工業(yè)汽輪機(jī)廣發(fā)采用與冶金、煉油、化工、紡織、制糖、制堿、造紙、食品和城市加壓煤氣等部門。367-4工業(yè)汽輪機(jī)一、

工業(yè)汽輪機(jī)的分類及其特點(diǎn)工業(yè)汽輪機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的主要原因有幾下幾點(diǎn)。（1）可達(dá)到較高轉(zhuǎn)速（2）經(jīng)濟(jì)性好（3）具有與其他汽輪機(jī)相同的固有特性。377-4工業(yè)汽輪機(jī)（一）工業(yè)汽輪機(jī)分類1.按驅(qū)動(dòng)對象劃分（1）機(jī)械驅(qū)動(dòng)用，即驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵等工作機(jī)械用的工業(yè)汽輪機(jī)；（2）自備電站用，即在企業(yè)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的工業(yè)汽輪機(jī)。2.按驅(qū)動(dòng)方式劃分（1）直接驅(qū)動(dòng)，用于驅(qū)動(dòng)中等以上功率的發(fā)電機(jī)、高速離心泵、離心式和軸流式鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)等；（2）間接驅(qū)動(dòng)，通過變速器驅(qū)動(dòng)小發(fā)電機(jī)、低速泵、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和壓榨機(jī)等。387-4工業(yè)汽輪機(jī)（一）工業(yè)汽輪機(jī)分類3.按熱力過程特性分類（1）凝汽式，由