《汽轮机设备及系统》学习知识点

《汽轮机设备及系统》学习知识点

常用的工质状态参数有温度、压力、比容、焓、熵、内能等。

过热蒸汽的温度与饱和蒸汽的温度之差叫蒸汽的过热度。

焓的物理意义为:在某一状态下汽体所具有的总能量,它等于内能和压力势能之和。

汽轮机设备及系统包括汽轮机本体、调节保安油系统、辅助设备及热力系统等。汽轮机本体由转子和静子组成。

按工作原理分类：冲动式和反动式汽轮机。蒸汽主要在各级喷嘴(或静叶)中膨胀为冲动式汽轮机；蒸汽在静叶和动叶中都膨胀为反动式汽轮机。汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的蜗轮式机械。

按热力特性分：凝汽式汽轮机、背压式汽轮机（排汽压力高于大气压力，直接用于供热，无凝汽器）、调整抽汽式汽轮机（抽汽供热）、中间再热式汽轮机。

主蒸汽压力5.88～9.8Mpa属高压、15.69～17.65Mpa属亚临界汽轮机。

国产中间再热式汽轮机型号表示方法：主蒸汽压力/主蒸汽温度/中间再热温度，如N300-16.7/538/538

汽轮机本体是汽轮机设备的主要组成部分，它由转动部分（转子）和固定部分（静子）组成。转动部分包括动叶栅、冲动式汽轮机的叶轮（或反动式汽轮机的转鼓）、主轴和联轴器及紧固件等旋转部件；固定部件包括汽缸、蒸汽室、喷嘴室、隔板、隔板套（或静叶持环）、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销系统以及有关坚固零件等。

叶片是汽轮机中数量和种类最多的关键零件，其结构型线、工作状态将直接影响能量转换效率，因此其加工精度要求高。

转子按主轴与其他部件间的结合方式，可分为套装转子、整锻转子、焊接转子和组合转子四大类。组合转子在高温段采用整锻结构，而在中、低温段采用套装结构，形成组合转子，以减小锻件尺寸。

联轴器一般可分为刚性、半挠性、挠性三类。刚性联轴器结构简单、连接刚性强，可传递较大的扭矩和轴向、径向力，但对两轴的同心度要求严格，对振动的传递比较敏感。

转子的临界转速：转子不可避免地会存在局部的质心偏移。当转子转动时，这些质心偏移产生的离心力就成为一种周期性的激振力作用在转子上，使转子产生受迫振动。当激振力的频率与转子系统在转动条件下的自振频率相接近时，转子就会发生共振，振幅急剧增大，产生剧烈振动，此时的转速就称为转子的临界转速。它在运行中表现为：汽轮机启动升速过程中，在某个特定的转速下，机组振动急剧增大，超过这一转速后，振动便迅速减小。

汽缸的作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开，以形成蒸汽热能转换为机械能的封闭汽室。大容量中间再热式汽轮机一般采用多缸，汽缸数目取决于机组的容量和单个低压汽缸所能达到的通流能力。

双层缸结构的优点是把原单层缸承受的巨大蒸汽压力分摊给内外缸，减少了每层缸的压差与温差，缸壁和法兰可以相应减薄，在机组启停及变工况时，其热应力也相应减小，有利于缩短启动时间和提高负荷的适应性，内缸主要承受高温及部分蒸汽压力作用，且其尺寸小，可做得较薄，而外缸因设计有蒸汽内部冷却，运行温度较低，可用较便宜的合金制造。外缸的内外压差比单层汽缸时降低了许多，减少了漏汽的可能，汽缸结合面的严密性能够得到保障。

分缸与合缸布置各有优缺点，合缸可以减少1-2个轴承，缩短了高、中压转子的长度，制造成本和维修工作量降低。缺点是使机组的胀差不易控制，合缸后汽缸形状复杂，转子和汽缸的几何尺寸相对单缸而言较大，管道布置困难。

调节汽轮机的功率主要是通过改变进汽量进行，因此，汽轮机均设置有一个控制进汽量的机构，此机构称为配汽机构。汽轮机的配汽方式主要有节流配汽、喷嘴配汽两种。

高压自动主汽阀具有危急状态时快速关闭截断进汽和启动时调节汽轮机转速两个功能。

对低压缸而言，缸体强度不是主要矛盾，而足够的刚度、良好的气动特性则是其结构设计的主要问题，即排汽通道应有合理的导流形状，使末级排汽的余速损失尽量减小，并便于回收排汽动能，以提高机组效率。

汽轮发电机组从启动过程到正常运行状态，由于汽缸和转子在使用材料、几何尺寸不同，汽缸和转子、内外缸之间膨胀量不完全相同，必然产生膨胀差，为了保证汽轮机在启停过程中，汽缸、转子能按照设计要求定位和对中，保证其膨胀不受阻碍，汽轮机配置了一套完善的滑销系统。其主要有横销、纵销，立销、猫爪横梢、斜销、角销等部件。

转子对汽缸的相对膨胀：当汽轮机启动加热或停机冷却以及负荷变化时，汽缸和转子都会产生热膨胀或冷却收缩。由于转子的受热表面积比汽缸大，且转子的质量比汽缸小，蒸汽对转子表面的放热系数较大，因此在相同的条件下，转子的温度变化比汽缸快，转子与汽缸之间存在膨胀差，这差值是转子相对于汽缸而言的，称为相对膨胀差、简称胀差（汽缸与转子间的相对膨胀之差）。在机组启动加热时，转子的膨胀大于汽缸，其相对膨胀差值被称为正胀差。而当汽轮机停机冷却时，转子冷却较快，其收缩亦比汽缸快，产生负胀差。胀差值应小于高压部分各级轴向间隙值。若超过了安装时的冷态轴向间隙值，就会导致动、静部件之间发生摩擦，造成事故，因此在启停和运行中必须严密控制胀差的变化。

推力轴承的位置是转子相对于汽缸膨胀的死点，汽缸死点在低压缸纵销和横销中心线的交点上，在汽轮机上设置有胀差（DE）监测表，用来连续监测转子相对于汽缸的膨胀量。

汽封是装设在汽轮机动静部分之间、防止或减少蒸汽外泄及空气漏入汽轮机的装置，根据汽封装设的位置不同，汽封分为叶片汽封、隔板汽封、轴端汽封。汽轮机的通流部分汽封主要作用是减少蒸汽从高压区段通过非做功区段漏向低压区段，保证尽可能多的蒸汽在通道内做功。

300MW机组轴封系统是由轴端汽封、轴封供汽母管压力调整机构、轴封冷却器、减温器以及有关管道组成闭式轴封系统。

轴承分为推力轴承和支持轴承两种。支持轴承用来承担转子的重量和旋转的不平衡力，并确定转子的径向位置，以保持转子旋转中心与汽缸中心一致，从而保证转子与汽缸、汽封、隔板等静止部分的径向间隙正确。推力轴承承受蒸汽作用在转子上的轴向推力，并确定转子的轴向位置，以保证通流部分动静间正确的轴向间隙。各支持轴承应设满足运行监视要求的温度测点。

建立油膜的条件是：（1）两平面之间必须形成楔形间隙；（2）两平面之间有一定速度的相对运动，并承受载荷，平板移动方向必须由楔形间隙的宽口移向窄口；（3）润滑油必须具有一定的粘性和充足的油量。油的粘性与油的种类和温度有关。

径向支持轴承按轴瓦可分为圆筒形轴承、椭圆形轴承、多油楔轴承及可倾瓦轴承等。

多级汽轮机在工作时产生轴向推力的原因有：蒸汽作用在动叶上、叶轮两侧存在压差以及轴封凸肩处前后压差等，这些力的和即为汽轮机的轴向推力。为了减少轴向推力，在设计制造时就采取许多平衡措施，如：高中压汽缸的逆向布置，低压缸双分流对称结构等。平衡后剩余的轴向推力由推力轴承承担。推力轴承也是根据油膜润滑原理工作的。

盘车装置的作用: (1) 防止汽机转子受热不均产生的热弯曲；(2) 启动前进行盘车以检查汽轮机是否具备运行条件；(3)在冲动转子时可减少惯性力。盘车装置可以分为低速盘车（3-5r/min）和高速盘车（40-70r/min）两种。

汽轮机设置本体疏水系统的原因：汽轮机组在启动、停机和变负荷工况时，蒸汽与本体和管道接触时受冷凝结成水，若不及时排出，它会存积在某些管段和汽缸中，引起管道发生水冲击，造成管道振动甚至破裂。一旦积水进入汽轮机，将使动叶片受到水的冲击而损伤，甚至断裂，使金属部件急剧冷却而造成永久变形，甚至使大轴弯曲。

中间再热式汽轮机一般都装有旁路系统，旁路系统是指锅炉产生的蒸汽部分或全部绕过汽轮机或再热器，通过减温减压设备直接排入凝汽器的系统。

旁路系统的作用：（1）加快启动速度、改善启动条件；（2）保护锅炉再热器；（3）回收工质与消除噪声。

中间再热机组的发电厂均采用单元制主蒸汽系统、给水系统。

在蒸汽初、终参数相同的情况下，采用给水回热循环的热效率比纯凝汽循环的热效率高。

加热器按汽水介质的传热方式分，有混合式和表面式两种。在混合式加热器中，汽水两种介质直接混合并进行传热。而在表面式加热器中，汽水两种介质通过金属受热面来实现热量传递。混合式加热器无端差，热经济性高；它没有金属受热面，构造简单，价格便宜；易于汇集不同温度的水流，并能除去水中所含的气体。但混合式加热器出口必须配置水泵，有的水泵还需在高温下工作。

加热器疏水装置的作用是将加热器中的蒸汽凝结水及时排走，同时又不让加热蒸汽随疏水一起流出，以维护加热器内汽侧压力和凝结水水位。

高加给水系统中设有自动旁路保护装置，当高加发生故障或管子破裂水位上升时，能迅速切断进入高加的给水，避免高压给水从抽汽管倒流入汽轮机，同时开启给水旁路向锅炉供水避免给水中断。

加热器设有排气系统（启动时排气和正常运行排气），排除加热器内的不凝结气体，减小端差改善换热，并使加热器不被腐蚀。

停用高加100MW机组标煤增加6g/(kw·h) 左右，300MW机组增加14g/(kw·h) 左右。

加热器运行中应做好疏水水位控制，在加热器的投运时，应控制合适的温度变化率，停机时对管子和壳侧进行保护。

驱动给水泵轮机的汽源有两路，一路来自主蒸汽（高压汽源），另一路为第4段抽汽（低压汽源）。

汽轮机抽汽管道逆止阀的主要作用是防止汽轮机进水和甩负荷时加热抽汽管中蒸汽倒流入汽轮机，造成水冲击和超速。300MW机组7、8号低加布置在凝汽器喉部，其抽汽管道也全在凝汽器内，无法装设电动闸阀和逆止阀。

除氧器的首要任务是及时除掉锅炉给水中溶解的氧气和其它气体，除此，除氧器还起着回收热力设备各种疏水和排汽、混合式的加热器、储存大量给水的作用。

亨利定律提出：当液体和气体间处于平衡状态时，对应一定的温度单位体积水中溶解的气体量与水面上该气体的分压力成正比。

除氧器有滑压和定压两种运行方式。机组运行中，除氧器主要监视控制项目有除氧器压力、给水箱水位、溶氧，调整方面应防振动和排汽带水。

凝汽设备一般由凝汽器、循环水泵、抽汽器（或真空泵）和凝结水泵等主要部件以及其连接管道和附件组成。按供水方式的不同，有开式供水和来自冷却水塔或冷却水池等人工水源的闭式供水两种，在特别缺水的地区，则可采用空气作为冷却工质。

表面式凝汽器在火电厂中得到广泛应用，同一股冷却水在凝汽器内转向前后两次流经冷却水管，称为双流程凝汽器，不在凝汽器内转向的，称为单流程凝汽器。

凝汽设备作用有两个：在汽轮机排汽口建立并维持一定的真空；回收洁净的凝结水作为锅炉给水的一部分。

凝汽设备的工作原理：凝汽器中真空的形成主要原因是由于汽轮机的排汽被冷却成凝结水，其比容急剧缩小。如蒸汽在绝对压力4kPa时蒸汽的体积比水的体积大3万多倍。当排汽凝结成水后，体积就大为缩小，使凝汽器内形成高度真空。

凝汽器的真空形成和维持必须具备三个条件：⑴凝汽器铜管必须通过一定的冷却水量。

⑵凝结水泵必须不断地把凝结水抽走，避免水位升高，影响蒸汽的凝结。⑶抽气器必须把

漏入的空气和排汽不凝结的气体抽走。

所谓最佳真空就是提高真空所增加的汽轮机功率与循环水泵等所消耗的厂用电之差达到最大时的真空值，这时经济上的收益最大。

凝汽器使用的管材有黄铜管材（空气冷却区用B30）、不锈钢管、钛管等等，不锈钢管能抗腐蚀但导热系数较低，海水冷却的电厂必须用钛管。

抽气设备的任务是在汽轮机组启动时建立真空以及在运行中抽除从真空系统不严密处漏入的空气和未凝结的蒸汽，以维持凝汽器的真空度。现在大型机组多使用机械式真空泵即包括离心式真空泵和水环式真空泵等形式。我厂100MW机组使用的是射水喷射式抽气器。

凝汽设备的运行维护内容：保证达到最有利真空、减少凝结水过冷度和保证凝结水的品质合格。

润滑油系统主要由润滑油主油箱、主油泵、交流电动辅助油泵、注油器、冷油器、直流事故油泵、顶轴装置、油烟分离装置和净油装置等组成。油箱的容量要求保证一定的循环倍率，使回油在油箱中停留时间足够长，以利油中杂质分离。直流油泵由蓄电池组供电，在厂用电中断停机时保证轴承润滑油和氢密封油供给。顶轴油泵在汽轮机启、停时投入，减小启停时的磨擦阻力矩，保证平稳地切换到盘车运行状态。顶轴油泵一般为轴向柱塞泵，流量小、出口压力高。

汽轮机调节系统经历了机械液压系统、功频电调系统到数字电调系统几个变化阶段。

再热机组特点：（1）由于再热机组有再热器及其联接管道构成的庞大蒸汽容积，会导致机组总功率的“滞后”，调节系统应采取相应的校正办法；（2）中间再热容积内存在大量的蒸汽在机组甩负荷时会引起超速，除高压缸调节阀外，还须增设中压缸调节系统；（3）汽轮机和锅炉的动态特性不同，必须设置旁路及其调节系统，解决机炉的协同配合问题。

离心泵的H-Q特性曲线与管路特性曲线的交点即为离心泵的工作点。离心泵通过改变泵的特性或改变管路特性来改变工作点，从而改变流量。

前置泵的转速低，其必须汽蚀余量较小，可以降低除氧器的安装高度，减少主厂房建设费用，同时有效地防止了给水泵的汽蚀。给水泵再循环用于保证通过水泵的流量不低于允许的最小流量，避免给水泵汽化。

凝结水泵在真空状态下工作，设置有空气管、水封管，设置凝结水再循环的目的是保证轴封冷却器有足够的冷却水量。

驱动给水泵汽轮机的热力系统一般包括主蒸汽系统、轴封系统及疏水系统三部分。是一种变参数、变转速、变功率的原动机

在汽轮机启动、停机或变负荷过程中，其零部件由于温差变化而产生膨胀或收缩变形，称为热变形。当变形受到某种约束（包括金属纤维之间的约束）时，则要在零部件内产生应力，这种由于温度（或温差）引起的应力称为热应力。

在汽轮机启停和负荷变化过程中，为了避免出现过大的胀差和热应力，应当合理控制蒸

汽的温升速度和转速、负荷变化速度，合理地使用汽缸法兰螺栓加热装置，以及利用抽封供汽控制胀差。

合理的启动不便要保证机组安全可靠，而且还要求启动时间最短，即应按理想的启动速度进行启动。限制启动速度的主要因素有：汽轮机零部件的热应力和热疲劳、转子和汽缸的胀差、汽轮机主要零部件的热变形、机组的振动值等。通过调整蒸汽参数或流量的方法来确保合适的温升速度和控制合适的变转速、变负荷速率，就能保证汽轮机安全而又快速启动。

汽轮机的启动方式分类（1）按启动过程主蒸汽参数分为额定参数启动和滑参数（真空法、压力法）启动，滑参数启动方式经济性好、零部件加热均匀，目前大容量机组广泛采用。压力法冷态滑参数启动冲转时采用低压过热蒸汽（放热系数相当于额定参数时的1/10），以便与汽轮机金属温度合理匹配。（2）按启动前汽轮机金属温度（汽轮机内缸或转子表面的温度）水平分为冷态、温态、热态（极热态）等。金属温度为满负荷时金属温度的40%以下、40%-80%、80%区分。也可按停机的时数来划分，大于72h为冷态，10~72h为温态，小于10h 为热态。（3）按冲转时汽轮机进汽方式分类：高中压缸启动和中压缸启动两种方式（再热机组）。

热态启动升速过程或并网后不必暖机，只要检查和操作能跟上，应尽快地达到对应于该温度水平的冷态滑参数启动工况，避免或减少对金属的冷却。

在热态启动条件检查过程中，应特别注意大轴晃度不允许超过规定值、上下汽缸温差及胀差在允许范围内，严防转子的残余热挠曲过大造成启动事故。

与冷态启动相比，热态启动时应注意以下几点：（1）根据高压缸调节级金属温度在启动曲线上确定汽轮机冲转参数；（2）热态启动前盘车装置连续运行，先向轴端汽封供汽，后抽真空，以防冷空气从轴封段吸入冷却轴封段转子。轴封供汽温度应根据转子表面或汽缸温度水平及胀差确定；（3）加强疏水,防止冷汽冷水进入汽缸,真空应适当提高一些；（4）热态启动的冲转及带负荷方式与冷态启动相同，但要求顺利迅速地进行。

汽轮机的停机分正常停机和事故停机，正常停机的有滑参数停机和额定参数停机两种，事故停机有故障停机和紧急停机两种。所谓滑参数停机，就是在调节汽阀接近全开位置并保持开度不变的情况下，采用逐渐降低主蒸汽和再热蒸汽参数的方法进行减负荷，直至停汽停机。

机组启停及运行中，均应保证50℃以上过热度。

汽轮机运行中的主要监视项目，除汽温、汽压及真空外，还有监视段压力、轴向位移、胀差、转子（轴承）振动、支持轴承温度、推力轴承温度以及油系统的油温、油压、油位等；在正常运行过程中，为保证机组经济性，运行人员必须保持：规定的主蒸汽参数和再热蒸汽参数、最佳真空、给定的给水温度、凝结水最小的过冷却度、汽水损失最小等。

当负荷不变，主蒸汽压力升高会使最后几级的蒸汽湿度将增加，对末级叶片工作不利。压力下降，则蒸汽流量增加，经济性降低且轴向推力增大。

新蒸汽温度升高使金属机械性能的恶化，温度降低使效率下降且湿度、轴向推力增加，对汽轮机安全不利。新温度急剧下降时可能引起汽轮机水冲击。

真空降低会使轴向位移过大,易造成推力轴承、叶片过负荷。

大轴弯曲通常分为热弹性弯曲和永久性或塑性弯曲两类，主要原因有动静碰摩和水冲击。

汽轮机转速超过危急保安器动作转速并继续上升，称为严重超速。为防止超速事故，100MW汽轮机有危急保安器、电超速、附加保安油口等多道保护以及微分器防超速装置，注油试验的作用是检查和防止撞击子卡涩。严重超速毁机事故，主要发生在运行中带负荷解列情况，特别是在调速保安油系统异常及蒸汽品质不良汽门结垢卡涩时。

油系统着火，一般都是由于系统不严密部件处漏出的油，接触到高温部件而引起的。

汽轮机装置最常用评价指标为热耗率，每生产lkW.h电能所消耗的热量称为热耗率，对于不同参数的汽轮机可用热耗率来评价机组的经济性。50～100MW机组热耗率一般为9630～9210kJ/kW.h，300～600 MW机组热耗率一般为8100～7810 kJ/kW.h。

凝汽器运行分析及措施：

在凝汽器内，蒸汽是在汽侧压力相应的饱和温度下凝结。在一定的冷却面积下，蒸汽的凝结温度为t＝t w1+Δt+δt。其中，冷却水进口温度t w1在冷却水开式供水系统中完全取决于自然条件，随季节的变化而变化，在冷却水闭式供水系统中，t w1还决定于冷水塔或冷却水池的冷却效果；冷却水温升Δt＝t w2-t w1的大小主要决定于循环倍率m，一般为5～10℃。当主蒸汽流量一定时，若Δt变大了，则表明冷却水量不足，采取掏脏和增开循环水泵解决；传热端差Δt在一定的蒸汽负荷和冷却水量条件下，主要取决于传热系数K，即凝汽器冷却表面的清洁程度和凝汽器内积存的空气量，一般措施包括冷却水管清洗和真空严密性试验查漏。运行中凝结水水质不良的主要原因是冷却水漏到凝汽器的汽侧。将发生泄漏的水管堵死即可。

试画出300MW机组原则性热力系统图