第二章 火力发电,第一节 火电厂生产过程 第二节 锅炉设备 第三节 汽轮机设备,第三节 汽轮机设备,一、汽轮机的工作原理 汽轮机是一种以蒸汽为工质，并将蒸汽的热能转换为机械功的旋转机械。 英文：Turbine，译名透平 叶轮机械（广义范畴）,级-汽轮机作功的基本单元 定义：级是由喷嘴叶栅（或静叶栅）和它相配合的动叶栅所组成. 蒸汽热能 喷嘴（静叶栅） 蒸汽动能 动叶栅 机械能,一、汽轮机的工作原理,因此，实现蒸汽热能到机械能的转换可分为两个阶段： (1) 在喷嘴中蒸汽的热力势能(焓降)转变为高速汽流的动能。 (2) 在动叶片流道中蒸汽的动能转变为旋转的机械能。,一、汽轮机的工作原理,单级汽轮机 只有一级的汽轮机，只能转换较小的蒸汽焓降，功率不大、效率也低。 多级汽轮机 现代的汽轮机是由串联在同一轴上的若干个级组合而成。多级汽轮机的进汽参数高、蒸汽流量大，蒸汽依次流过每个级，逐级膨胀，最后以很低的压力排出，功率和效率远高于单级汽轮机。,一、汽轮机的工作原理,多级冲动式汽轮机,根据汽流在动叶流道内的膨胀程度和给予动叶作用力的形式，可将级分为三类： (1)纯冲动级：蒸汽在动叶流道内仅改变方向而不膨胀加速，动叶所受到的作用力仅为冲击力，级内蒸汽的焓降全部发生在喷嘴中。 (2)反动级：蒸汽在动叶流道内膨胀加速，动叶所受到的作用力为冲击力和反击力的合力，级内蒸汽焓降中有一半发生在喷嘴中，另一半发生在动叶流道内。 (3)冲动级：介于上述两种级之间的一种级，级的大部分焓降发生在喷嘴中，只有一小部分焓降发生在动叶流道内。,一、汽轮机的工作原理,上述三种级中， 纯冲动级的做功能力最大，但级效率最差； 反动级的级效率高、做功能力较小； 冲动级则介于两者之间，兼有做功能力大和级效率高的特点。因此冲动级在国产汽轮机(尤其是中小型机组)中得到了广泛的应用。 但在近些年直接引进的设备或引进技术在国内生产的300MW以上的大型汽轮机中，则着重于级效率的进一步提高而较多地采用反动级。,一、汽轮机的工作原理,汽轮机本体及其辅助设备由管道和阀门连成一个整体，称为汽轮机设备。汽轮机与发电机的组合称为汽轮发电机组。,二、汽轮机设备的组成及工作过程,汽机本体,辅助设备,汽 轮 机 设 备,由静止部分、转动部分、主汽门、调节汽门等组成。,包括凝汽设备、回热加热设备、调节保安装置、供油系统等,汽轮机的调节系统用来调节进汽量，以适应外界负荷的变化，保证供电的数量和质量。 保护装置则用于监测汽轮机的运行，在危急情况下保证汽轮机的安全。 调节系统和保护装置中用来传递信号和操纵有关部件的压力油，以及用来润滑和冷却汽轮机各轴承的用油，都是来自汽轮机的油系统。,二、汽轮机设备的组成及工作过程,汽轮机本体由静子、转子两大部分组成。静子主要包括汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承等。转子主要包括主轴、叶轮、动叶、联轴器等。 1、汽缸 汽缸是汽轮机的外壳，其作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开，形成蒸汽进行能量转换的封闭汽室。,三、汽轮机本体主要结构,大型汽轮机的汽缸采用双层或多层结构，形成内缸和外缸。,三、汽轮机本体主要结构,1、汽缸,2、喷嘴与隔板 喷嘴也称静叶片，每两片组成喷嘴流道，蒸汽在其中完成热能到动能的转换。 第一级的喷嘴分成4组或6组布置在对应的喷嘴室出口，由相应的调节阀门分别控制进入汽轮机的蒸汽流量来调节功率，就称该级为调节级，以后各级统称为压力级。 喷嘴装在隔板上，隔板同样分成上下两半固定在上下汽缸内(如图l一22所示)。,三、汽轮机本体主要结构,3、转子 汽轮机的转动部分总称为转子。 冲动式汽轮机的转子为叶轮式结构由主轴、叶轮、动叶片等组成； 反动式汽轮机因在动叶中有较大的焓降，动叶两侧有较大的压力差，不宜采用叶轮式转子而为转鼓式结构，由转鼓和动叶片等组成，没有叶轮。 目前，国产引进型300MW、600MW汽轮机的高、中、低压转子均为整锻转子。,三、汽轮机本体主要结构,相邻的两个动叶片构成一个动叶流道。由喷嘴射出的高速汽流进入动叶流道，推动动叶片旋转，进而带动主轴旋转，使蒸汽动能转变为机械功。 动叶片由叶根、叶型(叶身或称工作部分)和连接件(围带或拉筋)组成。 许许多多的动叶片以同样的间隔和角度通过叶根安装在叶轮的轮缘或转鼓上，排列成动叶栅，形成汽轮机的一级动叶流道。,三、汽轮机本体主要结构,汽轮机动叶片 叶顶（及附带结构） 围带 拉金 叶身（叶片型线部分） 完成做功的场所 叶根（叶片固结于叶轮） 各种类型的叶根结构,三、汽轮机本体主要结构,由于蒸汽体积流量随其压力降低而迅速增大，因而要求动叶长度也随之逐级增大：前几级叶片很短，末几级叶片很长，通流部分呈渐扩形。 长叶片均按等强度原理设计成变截面扭曲叶片，短叶片可采用直叶片即等截面叶片，当然所有叶片都采用扭叶片最合理。,三、汽轮机本体主要结构,安装中的汽轮机（中压转子）,安装中的600MW汽轮机（中压转子）,安装中的600MW汽轮机(就位低压转子),安装中的600MW汽轮机(低压转子局部),安装中的600MW汽轮机（末级叶片）,4、汽封 汽轮机的动、静之间必须留有一定的间隙，在压力差的作用下会形成漏汽，即漏汽损失。汽封就是各动、静间隙处装设的密封装置，由很多薄金属片与主轴的凹凸处形成多个曲折间隙，以减少漏汽。 隔板内孔与主轴间的汽封称为隔板汽封； 动叶片的顶部、根部与静子间的径向、轴向汽封称为叶片汽封； 转子穿出汽缸两端处的汽封称为轴端汽封(轴封)，高压端轴封防止蒸汽外漏，低压缸排汽端轴封防止空气漏入汽轮机。,三、汽轮机本体主要结构,轴封示意图,5轴承 轴承有支持轴承和推力轴承两种。 支持轴承用于支持整个转子的重量以及由于转子质量不平衡所引起的离心力，并固定转子的径向位置，使转子中心与汽缸中心保持一致； 推力轴承则用于承受转子上的轴向推力，并确定转子的轴向位置，以保持动、静之间合理的轴向间隙。 由于汽轮机的重量及轴向推力很大、转速很高，故其轴承不是通常的滚珠轴承而采用油膜润滑的滑动轴承，依靠油膜压力来平衡作用力。,三、汽轮机本体主要结构,6联轴器及盘车装置 联轴器也叫靠背轮，其作用是将汽轮机的高、中、低压转子以及发电机转子连接成一个整体。 汽轮机启动前，需通过转子的低速转动以检查动、静部件是否存在碰撞和摩擦，汽轮机停机后，为使转子在上下温度不同的汽缸内受热均匀，避免转子冷却不均而产生大轴弯曲，也要保持转子的低速转动。 盘车装置就是能够人为盘动转子的一套装置，一般由电动机、蜗轮蜗杆及减速齿轮组、离合器等部件组成。,三、汽轮机本体主要结构,1汽轮机的调节系统 由于电能还不能大量储存，而用户的电负荷随时在不断变化并对电的质量(电压和频率)要求越来越高，因此发电设备必须根据用户的需要，随时调节供电数量并保证供电质量。 汽轮机的调节系统就是根据电负荷的大小自动改变进汽量，调整汽轮机的输出功率以满足用户数量上的需求；控制转速在额定范围以保证供电质量（电压、电频）。 汽轮机的调节系统的实质就是转速调节，其基本原理是利用转速的变化作为调节信号，通过调节系统各部件的一系列连锁反应，最终改变汽轮机进汽量，以适应外负荷的变化。 目前大型汽轮机采用数字电液调节系统(DEH),四、汽轮机的调节与保护系统,2汽轮机的保护装置 作用：当机组调速系统发生故障或者运行工况危急到机组安全时，保护系统动作，实现紧急停机。 为保证汽轮发电机组安全运行，设有必要的保护系统，在事故或异常情况下及时切断汽源(关闭高中压主汽门和调节汽门)，系统主要由超速(110-114额定转速)、轴向位移保护、低油压保护、低真空保护。,四、汽轮机的调节与保护系统,1凝汽设备 凝汽设备是凝汽式汽轮机必不可少的辅助设，作用： 建立和保持汽轮机排汽口的高度真空，获得较高的循环热效率； 回收汽轮机排汽凝结的水，作为锅炉给水循环使用。,五、汽轮机的主要辅助设备,1凝汽设备 凝汽设备主要包括凝汽器、抽气器/真空泵、凝结水泵等。,五、汽轮机的主要辅助设备,2回热加热系统提高循环热效率的有效手段。 除氧器：即利用汽轮机的抽汽来加热给水至沸腾以除去水中所含的气体。 表面式加热器：凝结水泵和除氧器之间的表面式加热器，其水侧压力为凝结水泵的出口压力，称为低压加热器(低加)；除氧器下的给水泵与炉给水操作台之间的表面式加热器，其水侧压力为给水泵出口压力，称为高压加热器(高加)。 国内300MW、600MW机组，其回热系统采用八级回热，即三台高、台低加和一台除氧器，简称“三高、四低、一除氧”。,五、汽轮机的主要辅助设备,机组回热加热系统总图示意图,11.33MPa,536.4,2.10MPa,537.5,0.50MPa,346,254.5,35.7,401.0,0.47MPa,349.6,6.53kP,5.52kP,N600-l6.7/537/537型机组的发电厂原则性热力系统,要点： 汽轮机:单轴四缸四排汽，高压缸、双流程中压缸、2个双流程低压缸； 锅炉：强制循环汽包炉，中间再热； 锅炉连续排污利用系统：单级，扩容蒸汽接入除氧器； 回热系统：三高四低一除氧，轴封冷却器，高加均设有内置式疏水冷却器和内置式蒸汽冷却器，低加均设有内置式疏水冷却器SG。高加疏水采用逐级自流方式，最后流入除氧器；低加也采用疏水逐级自流，最后流入凝汽器热井。 除氧器系统：给水泵FP正常运行采用汽泵，配置前置泵TP，小汽机排汽接入主凝汽器； 凝结水系统：凝结水泵CP，升压泵BP，除盐装置DE（低压系统）； 补充水引入系统：Dma引入凝汽器。,汽轮机的分类方法很多，常见的有如下几种： (1)按工作原理分：冲动式和反动式两种。 大多数级是冲动级的汽轮机称为冲动式汽轮机；大多数级是反动级的汽轮机称为反动式汽轮机。一般反动式汽轮机的调节级仍为冲动级。 (2)按初参数分： 超高压、亚临界压力及超临界压力的三种。 (3)按热力过程的特点分： 凝汽式、背压式及调整抽汽式汽轮机。,六、汽轮机的分类和型号,凝汽式汽轮机：进入汽轮机的蒸汽除回热抽汽及轴封漏汽外，全部排入凝汽器， 背压式汽轮机：进入汽轮蒸汽做功后以高于当地大气压的压力排出，可用于对外供热。 调整抽汽式汽轮机：从汽轮机中间的某些级后抽出部分蒸汽去对外供热，其余的蒸汽做功后仍然排入凝汽器，且抽汽压力可以在一定范围内调整。,六、汽轮机的分类和型号,背压式汽轮机,调整抽汽式汽轮机,汽轮机内效率对比： 凝汽式： 45%,背压式：100%,调节抽汽式： 45100% 视调整抽汽供热量定。,全厂效率分别为:40%,85%,40-85%,汽轮机的型号：用来表示汽轮机的热力特点、输出功率及进汽参数规范等。 N300167538538 表示：凝汽式汽轮机、额定功率300MW，新蒸汽压力167MPa、温度538 ，再热蒸汽温度538 。,六、汽轮机的分类和型号,七、汽轮机本体的损失,1、前后端轴封的漏汽损失 2、汽轮机进、排汽机构的压力损失 进汽机构（主汽阀、调节阀、导汽管和蒸汽室）进汽机构中节流所引起的压损。 3、级内损失 （1）叶高损失（端部损失）；（2）扇形损失；（3）叶轮摩擦损失；（4）部分进汽损失；（5）漏汽损失；（6）湿汽损失。 4、余速损失,