動力工程-汽輪機

第四章汽輪機12/29/20231動力工程－汽輪機第一節(jié)汽輪機的一般概念汽輪機又稱“蒸汽透平SteamTurbine”,是一種以水蒸氣作為工質的葉輪式發(fā)動機。優(yōu)點：轉速高、運行平穩(wěn)、工作可靠、單機功率大、熱經濟性高，便于與發(fā)電機直接連接等。用途現代火電廠、核電廠、大型船舶等。作用將蒸汽的熱能轉變?yōu)闄C軸上的機械能。12/29/20232動力工程－汽輪機汽輪機簡圖12/29/20233動力工程－汽輪機一、汽輪機的工作原理1軸2葉輪3動葉柵4噴嘴單級沖動式汽輪機工作原理結構立體圖

“級”是汽輪機中最基本的工作單元。在結構上它是由靜葉（噴嘴）和對應的動葉所組成；一列固定的噴嘴和與它配合的動葉片構成了汽輪機的基本作功單元，稱為汽輪機的“級”。12/29/20234動力工程－汽輪機一.汽輪機的工作原理汽輪機內的能量轉換一定壓力和溫度的蒸汽流經固定不動的噴嘴，并在其中膨脹，蒸汽的壓力、溫度不斷降低，速度不斷增加，使蒸汽的熱能轉化為動能蒸汽熱能氣流的動能軸的機械能噴嘴動葉12/29/20235動力工程－汽輪機噴嘴與動葉動畫00:0512/29/20236動力工程－汽輪機（一）沖動作用原理沖動力的定義：根據力學知識，當一運動物體碰到另一個靜止的物體或者運動速度低于它的物體時，就會受到阻礙而改變其速度的大小或方向，同時給阻礙它的物體的一個作用力特點：蒸汽僅把從噴嘴中獲得的動能轉變?yōu)闄C械功，蒸汽在動葉通道中不膨脹，動葉通道不收縮12/29/20237動力工程－汽輪機基本工作原理視頻3:0512/29/20238動力工程－汽輪機從作用力方面分析原理

噴嘴出口處：蒸汽以相對速度w1進入動葉通道，由于受到動葉的阻礙，汽流方向不斷改變，最后以相對速度w2流出動葉通道，在流道中蒸汽對動葉產生一個輪周方向的沖動力F1，該力對動葉作功使動葉轉動

蒸汽流過無膨脹動葉通道時速度的變化12/29/20239動力工程－汽輪機反動力定義：蒸汽在動葉汽道內膨脹時對動葉的作用力。根據動量守恒定律，當氣體從容器中加速流出時，要對容器產生—個與流動方向相反的力?；咎攸c：蒸汽在動葉流道中不僅要改變方向，而且還要膨脹加速，從結構上看動葉通道是逐漸收縮的。（二）反動作用原理12/29/202310動力工程－汽輪機從作用力方面分析原理蒸汽流經級時先在噴嘴中膨脹壓力降低，速度增加一方面通過速度方向的改變，產生沖動力F1蒸汽在動葉中繼續(xù)膨脹，壓力降低，所產生的焓降轉化為動能造成動葉出口的相對速度w2大于進口相對速度w1，使汽流產生了作用于動葉上的與汽流方向相反的反動力Fr。在蒸汽的沖動力和反動力合力作用下推動動葉旋轉作功。動葉通道是逐漸收縮的12/29/202311動力工程－汽輪機12/29/202312動力工程－汽輪機汽輪機的基本作功單元－“級”能量轉換的主要部件是一組噴管和一圈動葉，由它們組合而成的工作單元，稱為汽輪機的一個“級”。12/29/202313動力工程－汽輪機第二節(jié)汽輪機級內的工作過程12/29/202314動力工程－汽輪機級內的汽流12/29/202315動力工程－汽輪機一、蒸汽在噴管內的能量轉換蒸汽在噴管內的流動過程，理想情況下是等熵膨脹過程，實際是不可逆的絕熱膨脹過程。噴管損失：12/29/202316動力工程－汽輪機二、蒸汽在動葉內的能量轉換單級汽輪機速度三角形12/29/202317動力工程－汽輪機12/29/202318動力工程－汽輪機動葉內的損失由于摩擦等損失，動葉內的汽流速度會降低－動葉損失余速損失動葉損失12/29/202319動力工程－汽輪機12/29/202320動力工程－汽輪機反動級反動度為0.5的級。反動級動葉出口的蒸汽理想相對速度12/29/202321動力工程－汽輪機反動級的特點在保持最高效率的前提下，反動級可以轉換的蒸汽焓降約為沖動級的一半。因而，同等容量的反動式結構汽輪機總級數要比沖動式結構汽輪機的總級數大致多一倍。反動式汽輪機的特點：級數多、制造工藝要求高、造價高。效率較高。12/29/202322動力工程－汽輪機輪周功率根據動量定理 若蒸汽流量為D

kg/s，則汽流作用于動葉上的圓周力為此圓周力在每秒鐘內所作之功，稱為“輪周功率”12/29/202323動力工程－汽輪機速度級:為使充分利用余速，在兩列動葉之間裝設—列導向葉片，排汽經過導向葉片后改變方向，進入第二列動葉繼續(xù)作功。這種級稱為速度級。復速級：同一葉輪上裝有兩列動葉片的雙列速度級，又稱為復速級。工作特點：蒸汽主要在噴嘴中膨脹加速：動葉通道和導向葉片通道中基本不膨脹，焓降大、效率較低。用于單級汽輪機和中、小型多級汽輪機的第一級。3)復速級12/29/202324動力工程－汽輪機第三節(jié)多級汽輪機12/29/202325動力工程－汽輪機汽輪機裝置現代汽輪機，由于采用越來越高的蒸汽初參數和很低的排汽壓力，整機的理想焓降都很大，為了有效利用蒸汽的焓降，汽輪機大都采用多級形式（壓力多級、速度多級）。12/29/202326動力工程－汽輪機壓力多級汽輪機的應用所謂壓力多級汽輪機，就是蒸汽從很高的初壓膨脹到很低的終壓，是在很多個壓力級內分段依次進行的，也就是把蒸汽的總焓降分配給若干個壓力級來進行，每個壓力級都有自己的噴嘴和動葉，整臺汽輪機就像由若干臺單級汽輪機串聯(lián)起來一樣。這種壓力多級汽輪機的各項損失都比較小，其效率一般要比速度多級汽輪機高得多；因此，現代大、中型汽輪機幾乎無所例外地都采用壓力多級得結構型式，其級數可根據功率需要確定，一般以10級以上者較為多見。12/29/202327動力工程－汽輪機多級汽輪機的剖面12/29/202328動力工程－汽輪機12/29/202329動力工程－汽輪機12/29/202330動力工程－汽輪機二.汽輪機的分類按工作原理分沖動式汽輪機反動式汽輪機按熱力特性分凝汽式汽輪機背壓式汽輪機調節(jié)抽汽式汽輪機中間再熱式汽輪機12/29/202331動力工程－汽輪機凝汽式汽輪機特點：在汽輪機中作功后的排汽，在低于大氣壓力的真空狀態(tài)下進入凝汽器凝結成水。12/29/202332動力工程－汽輪機背壓式汽輪機特點：是排汽直接用于供熱，沒有凝汽器。當排汽作為其它中低壓汽輪機的工作蒸汽時，稱為前置式汽輪機。抽汽背壓式12/29/202333動力工程－汽輪機調節(jié)抽汽式汽輪機特點：從汽輪機某級后抽出具有一定壓力的蒸汽對外供熱，其余排汽仍進入凝汽器。中間再熱式汽輪機特點：進入汽輪機的蒸汽膨脹到某一壓力后，被全部抽出送往鍋爐的再熱器進行再熱，再返回汽輪機繼續(xù)膨脹作功。12/29/202334動力工程－汽輪機3.按主蒸汽壓力分汽輪機類別主蒸汽壓力（MPa)低壓汽輪機0.12~1.5中壓汽輪機2~4高壓汽輪機6~10超高壓汽輪機12~14亞臨界壓力汽輪機16~18超臨界壓力汽輪機>22.1超超臨界壓力汽輪機>3212/29/202335動力工程－汽輪機ΔXX-XX-XX變型設計次序蒸汽參數額定功率型式例：N300-16.7/537/537-2型汽輪機

300MW凝汽式汽輪機,主蒸汽壓力為16.7MPa，溫度為537oC,再熱蒸汽溫度537oC,中間再熱凝汽式汽輪機，屬第二次變型設計三.

汽輪機的型號12/29/202336動力工程－汽輪機汽輪機型式代號見下表代號型式代號型式N凝汽式CB抽汽背壓式B背壓式CY船用C一次調整抽汽式Y移動式CC兩次調整抽汽式HN核電汽輪機12/29/202337動力工程－汽輪機汽輪機型號中蒸汽參數表示法型

式參數表示方法示例凝汽式主蒸汽壓力/主蒸汽溫度N100-8.83/535中間再熱式主蒸汽壓力/主蒸汽溫度/中間再熱溫度N300-16.7/538/538抽汽式主蒸汽壓力/高壓抽汽壓力/低壓抽汽壓力C50-8.83/0.98/0.118背壓式主蒸汽壓力/背壓B50-8.83/0.98抽汽背壓式主蒸汽壓力/抽汽壓力/背壓CB25-8.83/0.98/0.11812/29/202338動力工程－汽輪機第四節(jié)汽輪機的效率和功率12/29/202339動力工程－汽輪機一、汽輪機的內部損失汽輪機運行時，在它的每個級內，都不可避免地有各種級內的能量損失。包括噴管損失動葉損失余速損失葉輪摩擦損失葉片鼓風損失級內漏汽損失濕氣損失，等12/29/202340動力工程－汽輪機余速損失中間級的余速可能被下一級加以利用。12/29/202341動力工程－汽輪機葉輪摩擦及葉片鼓風損失葉輪兩側表面與周圍的蒸汽（非工作汽流）發(fā)生摩擦，消耗一部分機械功。沒有工作汽流的葉片，對周圍非工作蒸汽鼓風作用，消耗掉的部分機械能。12/29/202342動力工程－汽輪機12/29/202343動力工程－汽輪機12/29/202344動力工程－汽輪機級內漏汽損12/29/202345動力工程－汽輪機12/29/202346動力工程－汽輪機6．濕汽損失濕蒸汽引起的有用功損失，稱為濕汽損失。蒸汽由于凝結成水使作功量減少高速的蒸汽帶動低速的水珠而消耗一部分動能水珠進入動葉時撞擊在進口處的動葉片背弧上，阻止葉輪旋轉安全上，動葉會被濕汽沖蝕損壞12/29/202347動力工程－汽輪機12/29/202348動力工程－汽輪機12/29/202349動力工程－汽輪機12/29/202350動力工程－汽輪機級的相對效率通常用級的相對內效率表示蒸汽在某級內膨脹的完善程度12/29/202351動力工程－汽輪機二、汽輪機的各種效率以及功率的確定汽輪機的相對內效率是衡量整臺汽輪機內部構造完善程度的指標。它越大，表明損失越小。一般：78～90％12/29/202352動力工程－汽輪機汽輪機的內部功率D—汽輪機的總汽耗量，kg/hP0—汽輪機的理想功率12/29/202353動力工程－汽輪機軸功率&電功率Pe

—軸功率Pel

—電功率12/29/202354動力工程－汽輪機電效率發(fā)電機所發(fā)出的電功率與汽輪機總的熱耗量之比，稱為汽輪發(fā)電機組的電效率hel12/29/202355動力工程－汽輪機汽輪發(fā)電機組的汽耗率汽輪發(fā)電機組每發(fā)出1kW.h電能所消耗的蒸汽量，稱為該汽輪發(fā)電機組的汽耗率12/29/202356動力工程－汽輪機第六節(jié)汽輪機本體結構實例12/29/202357動力工程－汽輪機一、多級汽輪機概述東方汽輪機廠生產的雙缸雙排汽300MW汽輪機縱剖面

12/29/202358動力工程－汽輪機哈爾濱汽輪機廠四缸四排汽600MW反功式汽輪機縱剖面12/29/202359動力工程－汽輪機東方汽輪機廠東汽600MW～1000MW系列空冷機組亞臨界兩排汽機組縱剖面圖亞臨界四排汽機組縱剖面圖12/29/202360動力工程－汽輪機東方汽輪機廠東汽600MW～1000MW系列空冷機組超臨界四排汽機組縱剖面圖超臨界兩排汽機組縱剖面圖12/29/202361動力工程－汽輪機ALSTOM12/29/202362動力工程－汽輪機三菱重工12/29/202363動力工程－汽輪機東汽超超臨界1000MW汽輪機12/29/202364動力工程－汽輪機多級汽輪機的熱力過程線汽輪機的相對內效率教材勘誤！12/29/202365動力工程－汽輪機（一）多級汽輪機的效率大大提高在設計工況下每一級都在最佳工況附近工作余速動能可以全部或部分的被下一級利用在容積流量相同的條件下由于直徑較小因而葉高損失減小，噴嘴流動效率較高蒸汽初參數可大大提高，排汽壓力降低，采用回熱循環(huán)和中間再熱循環(huán)，所以多級汽輪機的循環(huán)熱效率高二.多級汽輪機的特點12/29/202366動力工程－汽輪機單機功率大。單位功率汽輪機組的造價、材料消耗和占地面積減小。（二）多級汽輪機單位功率

的投資大大減小12/29/202367動力工程－汽輪機（三）多級汽輪機存在的問題增加了一些附加損失，如隔板漏汽損失；增加了機組的長度和質量；對零件的金屬材料要求提高；級數增加，結構更加復雜?？傮w上講：多級汽輪機遠優(yōu)于單級汽輪機。多級汽輪機由于具有效率高、功率大、投資小等突出優(yōu)點而得到廣泛應用。12/29/202368動力工程－汽輪機第七節(jié)

汽輪機的調節(jié)系統(tǒng)及保護裝置12/29/202369動力工程－汽輪機汽輪機調節(jié)的特點發(fā)電廠中的汽輪機主要用來帶動交流發(fā)電機，交流電不能儲存，因此發(fā)電廠必須根據用戶的需要隨時改變自己的電能生產量。當外界負荷變化時，必須及時調節(jié)汽輪機的進汽量，使其所發(fā)出的功率與外界負荷相適應，從而維持轉速不變，保證輸出電能的質量（電壓、頻率）12/29/202370動力工程－汽輪機汽輪機調節(jié)系統(tǒng)的任務調節(jié)系統(tǒng)任務：保證供電的數量和質量保證機組安全可靠地運行12/29/202371動力工程－汽輪機汽輪機的調節(jié)方法現代汽輪機的調節(jié)，大都采用噴管調節(jié)法。這種調節(jié)方法通常是把汽輪機第一級的噴管分成四組，根據負荷的大小，由調節(jié)系統(tǒng)依次開閉各個調節(jié)閥。采用這種調節(jié)法可大大減少汽輪機進汽時的節(jié)流損失。12/29/202372動力工程－汽輪機一、汽輪機的調節(jié)系統(tǒng)液壓調節(jié)系統(tǒng)DEH調節(jié)系統(tǒng)（DigitalElectro－HydraulicControlSystem）調節(jié)系統(tǒng)：機械式→液壓式→功頻電液→DEH

發(fā)展趨勢：DEH12/29/202373動力工程－汽輪機汽輪機調節(jié)系統(tǒng)簡介機械液壓調節(jié)系統(tǒng)功頻電液DEH調節(jié)系統(tǒng)DEH系統(tǒng)：也是一種功率——頻率調節(jié)系統(tǒng)不同的是：給定、比較、PID運算部分在數 字計算機內進行模擬電調—連續(xù)控制

DEH———離散控制（采樣控制）12/29/202374動力工程－汽輪機各種調節(jié)系統(tǒng)的比較DEH具有模擬功頻電調的所有優(yōu)點，此外：采用分散控制，顯著提高了可靠性。計算機應用。在：數據處理、系統(tǒng)監(jiān)控、可靠性分析、性能診斷和運行管理等方面，可充分發(fā)揮作用。調節(jié)品質高，靜、動態(tài)特性良好。 此外，系統(tǒng)采用積木式結構→擴展靈活→維修、測試方便 冗余控制：保護措施嚴密（某一回路故障后亦可運行）有利于實現機組協(xié)調控制、廠級控制以至優(yōu)化控制，這是模擬電調無論如何也不能相比的12/29/202375動力工程－汽輪機二、汽輪機的保護裝置汽輪機轉子上的各種部件所承受的應力均與轉速密切相關，轉速過高非但會使某些部件損壞，甚至還可能造成重大事故。為了防止調節(jié)系統(tǒng)因故障失靈，和汽輪機突然甩負荷時引起超速危險，近代汽輪機普遍設有超速保護裝置。12/29/202376動力工程－汽輪機12/29/202377動力工程－汽輪機12/29/202378動力工程－汽輪機12/29/202379動力工程－汽輪機危急保安器參見火電廠生產過程CAI12/29/202380動力工程－汽輪機汽輪機的其它保護裝置汽輪機除危急保安器（超速保護）以外，還有一些其它保護裝置，如：自動磁力斷路裝置、手動危急遮斷裝置等當轉子軸向位移、軸承油壓和油溫、凝汽器真空等超過規(guī)定值時，自動發(fā)出信號使磁力斷路油門動作，切斷進汽，進行強制性停機。12/29/202381動力工程－汽輪機第八節(jié)汽輪機的油系統(tǒng)油系統(tǒng)承擔兩方面的任務：為調節(jié)和保護系統(tǒng)提供工作用油向汽輪機各個軸承供應大量的潤滑及冷卻用油12/29/202382動力工程－汽輪機對油質要求很高，凈油裝置不斷清除油中的雜質和水分。凈化后，油中水分小于0.05％ 精密濾網，可濾除粒徑2mm以上的雜質油中很小的有害顆粒亦可使軸承受到破壞，導致代價高昂的檢修12/29/202383動力工程－汽輪機第九節(jié)汽輪機的主要輔助設備12/29/202384動力工程－汽輪機一、凝汽器12/29/202385動力工程－汽輪機凝汽器的作用建立并維持高度真空，使進入汽輪機的蒸汽充分膨脹到盡可能低的背壓，從而使汽輪機的理想焓降增大，提高循環(huán)效率；將汽輪機的排汽凝結為水，以便回收工質，重新送回鍋爐作為給水使用。(目前普遍使用表面式凝汽器，使凝結水在不受到污染的情況下得到回收)12/29/202386動力工程－汽輪機二、抽汽器由于凝汽器或乏汽管等連接處的不嚴密，勢必有空氣從外界漏入。為了保持凝汽器中有較高的真空度，必須采用抽氣設備將漏入的空氣不斷抽走。抽汽器的常用種類射汽抽汽器射水抽汽器12/29/202387動力工程－汽輪機射汽抽汽器12/29/202388動力工程－汽輪機射汽抽汽器12/29/202389動力工程－汽輪機射水抽汽器工作介質是由專用水泵供給的具有較高壓力的水，結構與原理與射汽抽汽器相仿。射水抽汽器系統(tǒng)的缺點是射水高壓泵耗電甚多；系統(tǒng)占地面積較大等。12/29/202390動力工程－汽輪機三、回熱加熱器回熱加熱器（簡稱：加熱器）是利用從汽輪機中間級引來的、作過部分功的抽汽來加熱主凝結水或給水，可減少乏汽在凝汽器中的熱量損失（即冷源損失），從而提高循環(huán)熱效率?；痣姀S應用最廣泛的是帶有管板的表面式回熱加熱器。12/29/202391動力工程－汽輪機回熱加熱器種類根據回熱加熱器所承受的水側壓力是給水泵出口壓力，還是凝結水出口壓力，把它們分成高壓回熱加熱器和低壓回熱加熱器兩種，分別簡稱為“高加”和“低加”。它們的工作原理與凝汽器相同，都是一種表面式加熱器，其中“高加”需用鋼管制造。一臺汽輪機常常需要配備若干級回熱加熱器。12/29/202392動力工程－汽輪機表面式加熱12/29/202393動力工程－汽輪機四、除氧器鍋爐給水中如含有氧和CO2等氣體，不僅影響傳熱，而且還會嚴重腐蝕各受熱面的金屬壁面。因此，給水在進入鍋爐省煤器之前，必須先經過除氧（實際上不僅是除氧，而是“除氣”）火電廠廣泛采用加熱除氧的方法，即在除氧器內將一定壓力下的水加熱至該壓力下的飽和溫度，使原來溶解于水中的各種氣體全部從水中迅速逸出，并設法及時予以排除——這就是除氧器所承擔的主要任務除氧器在多級回熱加熱器系統(tǒng)中同時還起著一級加熱器的作用。12/29/202394動力工程－汽輪機除氧器的構造12/29/202395動力工程－汽輪機雨淋式除氧器的缺點水與蒸汽的接觸面積太小，以致除氧效果受到限制對負荷變動的適應性較差，當汽輪機負荷發(fā)生變動時，除氧效果難以保證。12/29/202396動力工程－汽輪機噴霧填料式除氧器該種除氧器可以克服上述除氧器的缺點結構利用若干個噴嘴把進入除氧塔頂部準備除氧的水先噴成霧狀，然后使之向下流動；除氧塔中部使用由不銹鋼短管組成的一定厚度的填料除氧層，其作用相當于雨淋式裝置中的滴水盤。采用噴霧填料式結構，大大增加了水12/29/202397動力工程－汽輪機五、凝結水泵12/29/202398動力工程－汽輪機六、循環(huán)水泵12/29/202399動力