第三章汽轮机配汽系统

第三章 汽轮机配汽系统 汽轮机的配汽方式对汽轮机的运行性能、结构，特别是汽缸高中压部分的布置和结构有很大的影响。

汽轮机最常采用的配汽方式为喷嘴配汽和节流配汽。

在一般情况下,节流配汽的汽轮机在设计工况下的效率稍高于喷嘴配汽的汽轮机，而在部分负荷工况下，前者的效率则低于后者。

图3－1表示了这两种汽轮机的热耗（h ）随流量（G ，即机组功率）而变化的曲线。

在设计工况下节流配汽的汽轮机效率高的原因在于，节流配汽的汽轮机没有调节级，不存在调节级中的部分进汽损失，另外，它的第一级的余速可被下一级利用。

而在部分负荷下效率的降低，则是由于节流损失的增大引起的。

节流损失的大小与机组流量（功率）变化的程度有关，也和机组总理想焓降的大小有关。

流量变化越大，阀门节流程度越大，节流损失就越大，机组的总理想焓降越大，即初压/背压比越大，节流损失则越小（占总焓降的比例越小）。

对于中间再热机组,节流损失仅存在于中间再热之前的高压级内。

由于高压机组的背压远大于凝汽机组的背压，所以，对高压缸来讲，节流损失是相当大的。

中低压缸的焓降一般要占机组总焓降的2/3～3/4,而这一部分不受节流损失的影响，因此对整个汽轮机来讲，节流损失将大为减小。

对于中间再热机组，节流损失的大小随初压力的提高而有所降低。

这是因为初压力的提高对高压级组的初压/背压影响不大（随着初压力的提高，高压级组的背压也将按比例增长），但却会扩大中低压级组焓降在汽轮机总焓降中所占的比例，从而使整个机组的节流损失有所减少。

喷嘴配汽汽轮机在部分负载下的经济性优于节流配汽汽轮机，但它的高压级组在变工况下的蒸汽温度变化比较大，从而会引起较大的材料热应力，因此调节级汽缸壁可能产生的热应力常成为限制这种汽轮机迅速改变负荷的重要因素之一。

而节流配汽汽轮机的情况则与此不同，各级温度随负荷变化的幅度大体相等，而且都很小。

所以节流配汽的汽轮机 虽然部分负荷下的效率较低，但它适应工况变化的能力却高于喷嘴配汽的汽轮机。

大功率汽轮机从安全着眼，控制机组在运行中的热应力具有很大意义，所以带基本负荷的大功率汽轮机目前倾向于采用节流配汽方式。

节流配汽汽轮机在部分负荷下效率低这一缺点，可通过采用滑压运行的方式在一定程度上予以克服。

最为优越的配汽方式是采用了所谓双重配汽方式。

兼顾喷嘴和节流两种配汽方式的优点，将汽轮机设计成高负荷段为喷嘴配汽，低负荷段转为节流配汽的节流－喷嘴混合配汽方式。

国外实践表明，随着蒸汽参数的提高，汽轮机结构的柔性应相应提高。

特别是汽轮机的进汽部分，不管是高压进汽部分还是中压进汽部分，这点都尤为重要，因为该部位是汽轮机的高温区域，尽可能地减小其在变动工况下所固有的热应力，对适应高温运行有很重要的意义。

经验表明，和高参数机组相比，在进汽部分采取一些新的结构方式，增强相互膨胀，防止汽缸与喷嘴室之间产生裂纹等。

这些新的结构方式包括：蒸汽室和汽缸分离并铰接在基础上，蒸汽室和汽缸采用柔性很大的导汽管连接，喷嘴汽室与汽缸采用装配式联接等。

高参数大功率汽轮机多采用喷嘴配汽。

习惯做法是，蒸汽室与喷嘴室单独铸出，然后再分别汽轮机的热耗曲线及其比较图3-1 喷嘴配汽和节流配汽节流配汽喷嘴配汽热耗K G 流量与高压缸焊接，调节汽阀布置在汽缸上（图3－2）。

这种结构方式，布置紧凑，调节汽阀的传动控制集中，从调节阀到汽轮机之间的中间容积小，有利于提高调节系统的稳定性，特别是防止甩负荷后的动态超速。

但这种结构使高压缸结构复杂化，特别是会使汽缸在运行中由于温度不均匀而产生过大的热应力，不能很好适应蒸汽参数提高和单机功率增大对高温运行提出的要求。

目前应用较多的是将喷嘴配汽汽轮机的蒸汽室及其调节阀从高压缸缸体上分离出来，成为单独的汽阀体。

其实节流配汽的汽轮机一向就采用这种进汽部分的布置方式。

需要说明的是，再热机组高压部分不论采用何种配汽方式, 中压进汽部分一般均采用全周进汽的节流配汽方式（仅低负荷时参加调节）。

大功率汽轮机的主蒸汽进汽管和再热蒸汽进汽管多为双路布置，这样较有利于对称布置。

所以独立的汽阀体通常总是与主汽阀（或再热主汽阀）制成一体，而且一般总是制造成同样结构和大小的两个或四个。

对称布置并固定在汽缸的两侧，阀体与汽缸之间用较长的并按大曲率半径弯成的管道连接，以避免结合部分受到过大的应力。

图3－2 进汽室、喷嘴室与汽缸的焊接连接阀体与汽缸分离并固定在基础上的布置方式，增加了导汽管中贮存新汽的容积，在甩负荷时容易引起机组超速，对调节系统稳定性有不利影响。

为了克服这一缺点，采用使阀体尽量靠近汽缸但又不单独固定的方法，同时将主汽阀和调节阀合装在一个壳体内来简化汽阀体的结构。

这种布置方式也同样有一些缺点，主要是由于汽阀体不单独固定在基础上，主蒸汽管道的不对称推力可能传到汽缸上，这就要求汽缸能承受这部分额外的力量。

下面就本机组配汽系统的布置方式作一介绍，本汽轮机在选择进汽部分的布置方式时，主要考虑了一下几个方面：蒸汽管道对汽缸的推力在允许的范围内，任何工况下管道对汽缸的总推力不得大于汽缸总重量的5％。

1）管道和阀门在任何工况下的热应力和热变形在允许的范围内，同时也不会使之与连接的汽缸产生不允许的热应力和热变形。

2）调节阀后至配汽室的容积应尽可能小，避免调节阀快关后，阀后有过多的“余汽”进入汽轮机，造成汽轮机组超速。

3）安装、运行操作、检修方便，结构紧凑、整齐、美观。

图3—3是本汽轮机组配汽系统的布置方式。

主蒸汽管道位于汽轮机运行层下部，经过2个高压主汽阀和4个高压调节汽阀，分四路进入高压缸。

2个高压主汽阀的出口与4个调节汽阀的进口对接焊成一体，4个高压调节汽阀合用一个壳体。

4根高压导汽管的一端与高压调节阀出口焊接，另一端则采用法兰、螺栓与高压缸上4根进汽短管的垂直法兰相连接。

高压缸上的4根进汽短管以钟罩型结构与高压外缸焊接在一起，它们与喷嘴室的短管采用插入式连接。

高压缸共有4个喷嘴室（喷嘴组），对称地布置于高压缸上下汽缸上。

再热蒸汽经过位于高、中压缸中部两侧的中压主汽联合调节汽阀（布置在运转层），进入中压缸。

中压联合汽阀的进口与热段再热蒸汽管道连接，出口通向中压缸下部的进汽口，这种布置方式能有效缩短中联阀至中压缸之间的管道长度，减少管道蒸汽容积，避免阀门快关后汽轮机的超速。

超临界机组主蒸汽及再热蒸汽压力、温度较高，产生的冲击力大、应力大，所以要求阀门采用的材质要好，要求机组正常停机或紧急停机时，所有阀门都应迅速关闭，所有阀门开关灵活无卡涩，同时保证所有阀门关闭严密，以保证设备的安全。

本机组阀门采用经过实验研究及实际验证的高效低损，低噪音高稳定性的阀座阀蝶型线及合理的卸载防漏机构，减小各项损失。

图3－3 高压主汽阀、调节汽阀布置（MSV为主汽阀；CV为调节阀）一、高压主汽阀１．高压主汽阀工作性能主汽阀位于调节汽阀前面的主蒸汽管道上。

从锅炉来的主蒸汽，首先必须经过主汽阀，才能进入汽轮机。

对于汽轮机来说，主汽阀是主蒸汽的总闸门。

主汽阀打开，汽轮机就有了汽源，有了驱动力；主汽阀关闭，汽轮机就切断了汽源，失去了驱动力。

汽轮机正常运行时，主汽阀全开；汽轮机停机时，主汽阀关闭。

主汽阀的主要功能有两点：一是当汽轮机需要紧急停机时，主汽阀应当能够快速关闭，切断汽源。

二是在启动过程中控制进入汽缸的蒸汽流量。

主汽阀的关闭速度主要由其控制系统的性能所决定。

对于600MW等级的汽轮机组，要求主汽阀完成关闭动作的时间小于0.2秒。

本机组主汽门关闭时间小于0.15秒，延迟时间小于0.1秒。

主汽阀在工作中承受高温、高压。

为了在高温、高压条件下可靠的工作，其构件必须采用热强钢，阀壳也做得比较厚。

为了避免产生太大的热应力，阀壳各处厚度应均匀，阀壳外壁面必须予以良好的保温，阀腔内应采取良好的疏水措施，并在运行时注意疏水通道的畅通。

在启动、负荷变化或停机过程中，应注意主汽阀部件金属表面避免发生热冲击，以免金属表面产生热应力疲劳裂纹。

急剧的温度变化，对主汽阀上螺栓的危害是很严重的。

这些螺栓在高温环境中承受着极大的拉伸应力，会产生缓慢的蠕变，其材料随之逐渐硬化、韧性降低；温度急剧变化所产生的热交变应力，将会使其产生热疲劳裂纹。

螺栓工作的时间越长，蠕变就越大，材料就越脆，就越容易在热交变应力的作用下螺栓产生裂纹，甚至断裂。

温度的急剧变化，将使阀盖与阀壳之间产生明显的膨胀差，致使螺栓的受力面倾斜，螺栓发生弯曲，从而在已承受极大拉伸应力的螺栓上又增加了弯应力。

温度的急剧变化，还造成阀盖内外表面很大温差，阀盖产生凹凸变化，又增加了螺栓的弯应力。

这种交变的热应力和弯应力，将导致螺栓很快产生裂纹，甚至折断。

因此，对螺栓应当有计划地进行检查。

阀杆在工作过程中，将承受很大的冲击力，阀杆应选用冲击韧性良好的热强钢，而且其截面尺寸的选取应保证能承受这种冲击力，应避免阀杆截面尺寸的突变，尽量避免应力集中。

由于密封的要求，阀杆与阀套之间的间隙比较小，因此要求阀杆、套筒配合表面平直，并予以硬化处理或涂、敷耐磨金属层，还要注意防腐，以保证其光滑耐磨。

２．高压主汽阀结构高压主汽阀位于汽轮机调节阀前的主蒸汽管道上，每个高压主汽阀有一个进汽口和一个连接到调节阀腔室的出汽口。

图3－4为高压主汽门示意图。

1．阀盖2．阀壳3．阀蝶4．阀座5．套筒6．密封7．阀杆8．执行机构9．滤网10．阀腔图3－4 高压主汽门示意图高压主汽阀阀为立式结构，主要包括阀壳、阀座、阀蝶（其中1号高压主汽阀阀碟内装有预启阀），阀杆、阀杆套筒、阀盖、蒸汽滤网等部件。

阀门各部结构特点如下：该主汽阀为单座球形阀，1号高压主汽阀阀蝶上钻有通孔，阀杆端部从孔中穿过。

预启阀置于阀杆的端部，并采用螺纹、定位销与阀杆连成一体。

预启阀与主阀蝶的密封面呈圆锥型，并经过淬硬处理，主阀蝶与阀座的密封面也经过硬化处理。

1）主阀蝶开启时，由阀杆上的凸肩推动向上移动，关闭时由预启阀向下压紧。

为了防止阀蝶的转动，在阀蝶的内孔两侧开有导向槽，而一个横穿阀杆的销子两端则嵌入该槽内。

2）阀蝶与阀盖之间有一定的自由度，这样既为阀蝶之间的上下移动起导向作用，又能使阀蝶在阀座上找中。

3）主阀蝶下游的阀座成扩展形状，做为主阀蝶下游的扩压段，以便使流过阀座蒸汽的流速转化为压力能，提高蒸汽的做功能力。

4）不带预启阀的阀蝶则通过阀杆的凸尖与阀杆端部的螺母（另加定位销）直接紧密地连成一体。

主汽阀开启时用油动机推动，关闭时由弹簧压下。

因为本机组4只高压调节阀共用一个蒸汽室，而且与高压主汽阀焊接在一起，每只高压主汽阀座前后都有疏水，所以根据高压主汽阀与高压调节阀布置结构特点，1号高压主汽阀预启阀开启时，进入的少量蒸汽可以对高压调节阀阀壳及高压导汽管进行预热，2号高压主汽阀阀座后疏水同时开启，可以暖到2号高压主汽阀阀蝶下游，以减少启动时的热应力，也可以减小2号高压主汽阀前后的压差，便于2号高压主汽阀的开启，预启阀对2号高压主汽阀同时有效，所以2号高压主汽阀就不设预启阀了，以简化结构。