徐州彭城电厂1000MW培训讲义.pptx

上海交通大学热能工程研究所第一讲徐州彭城电厂第一讲徐州彭城电厂1000MW1000MW汽轮机汽轮机基本工作原理基本工作原理汽轮机概述汽轮机概述汽轮机的发展与分类汽轮机的发展与分类 汽轮机的基本工作原理汽轮机的基本工作原理汽轮机的变工况热力特性汽轮机的变工况热力特性1000MW1000MW汽轮机组的主要技术参数与特点汽轮机组的主要技术参数与特点徐州彭城徐州彭城1000MW1000MW汽轮机组的主要经济指标及运行汽轮机组的主要经济指标及运行控制控制上海交通大学热能工程研究所第一节第一节 汽轮机概述汽轮机概述汽轮机是以水蒸汽为工质的旋转式热能动力机械，它接受锅炉送来汽轮机是以水蒸汽为工质的旋转式热能动力机械，它接受锅炉送来的蒸汽，将蒸汽的热能转换为机械能，驱动发电机发电。它具有单的蒸汽，将蒸汽的热能转换为机械能，驱动发电机发电。它具有单机功率大、效率高、运行平稳、单位功率制造成本低和使用寿命长机功率大、效率高、运行平稳、单位功率制造成本低和使用寿命长等优点。等优点。汽轮机设备是火力发电厂的三大主要设备之一，汽轮机设备及系统汽轮机设备是火力发电厂的三大主要设备之一，汽轮机设备及系统包括汽轮机本体、调节保安及供油系统、辅助设备及热力系统等。包括汽轮机本体、调节保安及供油系统、辅助设备及热力系统等。汽轮机本体汽轮机本体是由汽轮机的转动部分（转子）和固定部分（静子）组是由汽轮机的转动部分（转子）和固定部分（静子）组成。成。调节保安及供油系统调节保安及供油系统主要包括调速汽阀、调速器、调速传动机构、主要包括调速汽阀、调速器、调速传动机构、主油泵、油箱、安全保护装置等。主油泵、油箱、安全保护装置等。辅助设备辅助设备主要包括凝汽器、抽气器（或水环真空泵）、高低压加热主要包括凝汽器、抽气器（或水环真空泵）、高低压加热器、除氧器、给水泵、凝结水泵、凝升泵、循环水泵等。器、除氧器、给水泵、凝结水泵、凝升泵、循环水泵等。热力系统热力系统主要指主蒸汽系统、再热蒸汽系统、凝汽系统、给水加热主要指主蒸汽系统、再热蒸汽系统、凝汽系统、给水加热系统、给水除氧系统等。系统、给水除氧系统等。上海交通大学热能工程研究所第二节第二节 汽轮机的发展与分类汽轮机的发展与分类 一、汽轮机的发展一、汽轮机的发展随着电力负荷的快速增长，汽轮机也得到了迅猛发展。在单机容量增大的同随着电力负荷的快速增长，汽轮机也得到了迅猛发展。在单机容量增大的同时，蒸汽参数也向亚临界、超临界、超超临界提高。目前世界上大机组的单时，蒸汽参数也向亚临界、超临界、超超临界提高。目前世界上大机组的单机容量一般在机容量一般在600-1000MW600-1000MW，最大单轴汽轮机为，最大单轴汽轮机为1200MW1200MW，双轴为，双轴为1300MW1300MW，蒸汽，蒸汽压力一般为压力一般为16.5-18MPa16.5-18MPa的亚临界、的亚临界、24MPa24MPa的超临界或者的超临界或者25-30MPa25-30MPa的超超临界，的超超临界，主汽温度在主汽温度在538 538、566566或者或者580-600580-600。大机组一般都配有完善的电液调。大机组一般都配有完善的电液调节保安系统、汽轮机监视仪表和转子应力及寿命检测系统。节保安系统、汽轮机监视仪表和转子应力及寿命检测系统。中国于中国于19561956年投运了自己制造的第一台年投运了自己制造的第一台6MW6MW汽轮机。此后我国分别设计制造了汽轮机。此后我国分别设计制造了5050、100100、200200、300MW300MW等容量的凝汽式汽轮机及不同容量和型式的供热式汽轮等容量的凝汽式汽轮机及不同容量和型式的供热式汽轮机。上世纪八十年代，我国引进消化国外技术自行制造了机。上世纪八十年代，我国引进消化国外技术自行制造了300MW300MW及及600MW600MW亚临亚临界凝汽式机组。为迅速扭转我国火电机组煤耗长期居高不下的局面，缩小我界凝汽式机组。为迅速扭转我国火电机组煤耗长期居高不下的局面，缩小我国火电技术与国外先进水平的差距，以满足我国国民经济迅速发展需要。同国火电技术与国外先进水平的差距，以满足我国国民经济迅速发展需要。同时，我国已引进了几座超临界火电机组电站，如上海石洞口二厂时，我国已引进了几座超临界火电机组电站，如上海石洞口二厂2 2台台600MW600MW超超临界火电机组；盘山电厂临界火电机组；盘山电厂2 2台台500MW500MW超临界火电机组；南京电厂超临界火电机组；南京电厂2 2台台300MW300MW超临超临界火电机组；营口电厂界火电机组；营口电厂2 2台台300MW300MW超临界火电机组；伊敏电厂超临界火电机组；伊敏电厂1 1台台500MW500MW超临界超临界火电机组；绥中发电厂一期火电机组；绥中发电厂一期2 2台台800MW800MW超临界火电机组；上海外高桥电厂二期超临界火电机组；上海外高桥电厂二期2 2台台900MW900MW蒸汽参数为蒸汽参数为24.0/538/56624.0/538/566的超临界火电机组。玉环的超临界火电机组。玉环电厂电厂1000MW1000MW超超超超临界汽轮发电机组，单台机组的额定功率临界汽轮发电机组，单台机组的额定功率1000MW1000MW，最大出力，最大出力1049.8MW1049.8MW，是我，是我国目前单机容量最大的火电机组之一。国目前单机容量最大的火电机组之一。上海交通大学热能工程研究所目前国内已具备利用引进技术设计和制造目前国内已具备利用引进技术设计和制造600MW600MW以上容量等级以上容量等级超临界机组的能力。从容量等级来说，国产超临界机组从超临界机组的能力。从容量等级来说，国产超临界机组从600MW600MW起步，更大容量应考虑采用起步，更大容量应考虑采用1000MW1000MW等级，对等级，对1000MW1000MW机组机组选用单轴方案在技术上是可行的，并有利于降低机组造价。选用单轴方案在技术上是可行的，并有利于降低机组造价。从机组参数来说，由于材料技术的发展，国外超临界机组已从机组参数来说，由于材料技术的发展，国外超临界机组已出现逐步提高蒸汽参数的趋势。出现逐步提高蒸汽参数的趋势。目前世界上超超临界机组的参数已达目前世界上超超临界机组的参数已达30MPa30MPa、610/610610/610的的水平，目标是水平，目标是1000MW1000MW等级机组，采用超超临界机组是当今世等级机组，采用超超临界机组是当今世界火电机组一个新的动向。因此，在我国制造超临界机组的界火电机组一个新的动向。因此，在我国制造超临界机组的同时通过引进技术或合作制造的道路，先建设一座同时通过引进技术或合作制造的道路，先建设一座600MW600MW超超超超临界机组的示范电站，以掌握机组的设计技术和运行性能，临界机组的示范电站，以掌握机组的设计技术和运行性能，采取超超临界机组的国产化紧跟超临界机组的国产化的技术采取超超临界机组的国产化紧跟超临界机组的国产化的技术路线，实现技术上的跨越。路线，实现技术上的跨越。上海交通大学热能工程研究所二、汽轮机的分类二、汽轮机的分类 1.1.按工作原理分类按工作原理分类（1 1）冲动式汽轮机）冲动式汽轮机：主要由冲动级组成，在级中蒸汽基本上在喷嘴栅（或主要由冲动级组成，在级中蒸汽基本上在喷嘴栅（或静叶栅）中膨胀，在动叶栅中只有少量膨胀（反动度静叶栅）中膨胀，在动叶栅中只有少量膨胀（反动度0.20.2）。）。（2 2）反动式汽轮机）反动式汽轮机：主要是由反动级组成，蒸汽在汽轮机的静叶栅和动叶主要是由反动级组成，蒸汽在汽轮机的静叶栅和动叶栅中都有相当程度的膨胀（反动度栅中都有相当程度的膨胀（反动度0.50.5）。2.2.按热力特征分类按热力特征分类 凝汽式汽轮机凝汽式汽轮机 、背压式汽轮机、背压式汽轮机 、抽汽背压式汽轮机、抽汽背压式汽轮机 、抽汽凝汽式汽轮机、抽汽凝汽式汽轮机 3.3.按主蒸汽参数分类按主蒸汽参数分类 (1)(1)低压汽轮机低压汽轮机：主蒸汽压力小于主蒸汽压力小于1.5MPa1.5MPa (2)(2)中压汽轮机中压汽轮机：主蒸汽压力为主蒸汽压力为2 2 4MPa4MPa，我国定型产品为，我国定型产品为3.43MPa3.43MPa (3)(3)高压汽轮机高压汽轮机：主蒸汽压力为主蒸汽压力为6 6 10MPa10MPa，我国定型产品为，我国定型产品为8.83MPa8.83MPa (4)(4)超高压汽轮机超高压汽轮机：主蒸汽压力为主蒸汽压力为1212 14MPa14MPa，我国定型，我国定型12.7512.75及及13.24MPa13.24MPa (5)(5)亚亚临临界界压压力力汽汽轮轮机机：主主蒸蒸汽汽压压力力为为1616 18MPa18MPa，我我国国定定型型16.1816.18及及16.67MPa16.67MPa (6)(6)超临界压力汽轮机超临界压力汽轮机：主蒸汽压力超过主蒸汽压力超过22.15MPa22.15MPa (7)(7)超超临界压力汽轮机超超临界压力汽轮机：主蒸汽压力大于：主蒸汽压力大于25MPa25MPa。上海交通大学热能工程研究所超超超临界汽轮机超超超临界汽轮机超临界汽轮机超临界汽轮机(supercritical steam(supercritical steam turbine)turbine)有明确的物理意义。由水蒸汽有明确的物理意义。由水蒸汽性质图表知道，水的临界点参数为临界性质图表知道，水的临界点参数为临界压力压力p pc c=22.064MPa=22.064MPa，临界温度，临界温度t tc c=373.946=373.946，临界焓，临界焓h hc c=2087.5kJ/kg=2087.5kJ/kg，临界熵，临界熵s sc c=4.412kJ/(kg=4.412kJ/(kgK)K)，临界比，临界比容容v vc c=0.003106m=0.003106m3 3/kg/kg。当水的压力。当水的压力p p p pc c，水在定压下加，水在定压下加热逐渐变为过热蒸汽，无汽化过程，无热逐渐变为过热蒸汽，无汽化过程，无相变点。工程上，把主蒸汽压力相变点。工程上，把主蒸汽压力p p0 0 p pc c的汽的汽轮机称为超临界汽轮机。轮机称为超临界汽轮机。900MW机组T-S图 上海交通大学热能工程研究所超超临界定义（超超临界定义（USC)USC)它是一个商业概念，也称为高效超临界机组(High Efficiency Supercritical)。从5070年代起，以美国GE和西屋公司为核心发展超临界技术机组，至今已有40多年的历史。通常把蒸汽压力高于27MPa的超临界机组称为超超临界机组，国际上普遍认为在常规超临界参数的基础上，压力和温度再提升一个档次，也就是工作压力超过24.2MPa或者主蒸汽(或再热蒸汽)温度超过566，都属于超超临界机组的范畴。目前国外超超临界机组参数为初压力24.131MPa、主蒸汽/再热蒸汽温度580600/580610。国内正在建设的超超临界机组参数为初压力2527MPa、主蒸汽/再热蒸汽温度600/600。上海交通大学热能工程研究所目前超超临界汽轮机容量和参数情况目前超超临界汽轮机容量和参数情况进汽温度进汽温度-日本：主汽均达到日本：主汽均达到600600，再热最高，再热最高610610-西门子：西门子：ISOGO 600/610ISOGO 600/610-不论功率大小，所有机组均采用不论功率大小，所有机组均采用566-600566-600进汽压力进汽压力-日本：除日本：除8989年东芝年东芝2700MW2700MW外（外（31MPa31MPa），其余），其余9090年以来均年以来均 25MPa25MPa；-欧洲：欧洲：1997/19981997/1998丹麦两台丹麦两台29MPa29MPa，两次再热，两次再热415MW415MW机组，西门子也有较机组，西门子也有较高业绩高业绩-但目前大功率机组的进汽压力均不超过但目前大功率机组的进汽压力均不超过26.5MPa;26.5MPa;机组容量机组容量-双轴双轴三菱三菱 1050MW 20011050MW 2001年投运年投运-单轴单轴东芝东芝 （60Hz60Hz）1000MW 20021000MW 2002年投运年投运 西门子西门子 1025MW1025MW最大，多台最大，多台 900MW 98900MW 98年后年后上海交通大学热能工程研究所国际上对大容量汽轮发电机组功率等术语国际上对大容量汽轮发电机组功率等术语的一般定义的一般定义额定功率（铭牌功率，铭牌出力TRL）：指汽轮机在额定主蒸汽和再热蒸汽参数工况下，排汽压力为11.8kPa(a)、补水率为3%，能在发电机接线端输出供方所保证的功率。汽轮机的进汽量属供方的保证值，它与所保证的额定工况相对应。机组的保证最大连续工况（T-MCR):指汽轮机在通过铭牌功率所保证的进汽量、额定主蒸汽和再热蒸汽参数工况下，排汽压力为4.9kPa(a)、补水率为0%，机组能保证达到的功率。汽轮机的设计流量（计算最大进汽量）：在所保证的进汽量基础上增加一定的裕量，即(1.03-1.05)保证进汽量，且调节阀全开。调节汽阀全开（VWO）时计算功率：机组在调节汽阀全开时，通过计算最大进汽量和额定的主蒸汽、再热蒸汽参数工况下，并在额定排汽压力为4.9kPa(a)、补水率为0%条件下计算所能达到的功率。高加切除工况：汽机在滑压运行、额定背压，回热系统正常投运，补给水率为0时，三级高加全部切除，汽机连续运行发出铭牌功率，此工况称为高加切除工况。上海交通大学热能工程研究所机、炉、电容量匹配机、炉、电容量匹配发电机容量：一般发电机的功率应与VWO工况的功率相匹配，即等于VWO工况功率/功率因数(MVA)锅炉最大连续蒸发量(B-MCR)：应与汽轮机的设计流量（即计算最大进汽量）相匹配，不必再加裕量。若汽轮机按VWO工况计算最大功率，B-MCR蒸发量等于汽轮机VWO工况的最大进汽量；若采用美国设计的机组，则B-MCR蒸发量可等于汽轮机VWO工况+5%OP工况的最大进汽量。上海交通大学热能工程研究所以德国2002年投运的Nieseraussem电厂超超临界一台1012MW机组为例，与1976年亚临界600MW机组相比，采取了包括超超临界参数在内的各种先进技术，整个电厂投资12亿欧元(约相当每千瓦1.2万欧元)。热效率比亚临界提高了7.7%，具体得益分解。如表所示：上海交通大学热能工程研究所从上表可见，在德国BoA的超超临界高效优化燃煤电厂热效率提高的7.7%的份额中，超超临界参数提高也仅占1.3%。超超临界玉环机组与超临界外高桥II期机组相比，热耗降低3.9%，电厂热效率高1.7%；其中超超临界参数使热耗相对下降2.5%，效率提高1.1%。超超临界参数可明显地提高经济性；主蒸汽及再热蒸汽温度每提高10，热耗将下降0.25%0.2%；压力每升高1MPa，热耗将下降0.25%0.1%。上海交通大学热能工程研究所上图为日本日立公司超超临界机组的发展中参数的变化历程。上海交通大学热能工程研究所上图为东芝公司超超临界机组的发展中参数的变化历程。上海交通大学热能工程研究所上图给出超超临界机组与常规超临界机组的热效率改进方面的比较，其中1区表示常规蒸汽温度，2区表示当前技术能够达到的蒸汽状态，3区表示将来发展的技术。上海交通大学热能工程研究所超超临界机组的容量，普遍达到了1000MW等级（采用一次或二次再热，但以一次再热的机组为多），并且都不约而同地从双轴的布置结构，优化设计为单轴结构。对1000 MW等级的超超临界机组而言，排汽口的数目也由六排汽变为四排汽，极大地减小了投资和运行费用。高温材料和转子冷却技术是该阶段超超临界机组发展的关键。新高温铁素体-马氏体9%12%Cr材料已成功用于31MPa，600/610 参数，经过汽轮机各高温高压部件近十多年的应用，该材料系列已相当成熟，并形成标准的市场采购规范。目前国际上正在开发更高温度650、700及760的新奥氏体钢种系列。汽轮机长叶片的发展也很快，新开发的1146mm叶片、极小动应力整圈自锁阻尼型(ILB)1218mm叶片、钛合金1320mm叶片已能满足1000MW等级机组的要求。上海交通大学热能工程研究所上海交通大学热能工程研究所三、超超临界机组的技术发展趋势与展望三、超超临界机组的技术发展趋势与展望 为进一步降低能耗和减少为进一步降低能耗和减少COCO2 2排放，改善环境，在材料技术发展的支持下，排放，改善环境，在材料技术发展的支持下，超临界机组正朝着更高参数的超超临界的方向发展。目前高参数的超临界超临界机组正朝着更高参数的超超临界的方向发展。目前高参数的超临界机组已达到成熟、高效和商业化程度，其最大容量已达机组已达到成熟、高效和商业化程度，其最大容量已达1300MW1300MW，最高效率，最高效率达达49%49%，具有极高的推广前景。超超临界机组技术也正趋于成熟，国外超超，具有极高的推广前景。超超临界机组技术也正趋于成熟，国外超超临界机组发展的近期目标为参数为临界机组发展的近期目标为参数为31MPa31MPa、600/600/600600/600/600的的1000MW1000MW级级机组，机组，并正在向更高的水平发展。并正在向更高的水平发展。世界各国超临界机组的起步容量各有不同，如前苏联定为世界各国超临界机组的起步容量各有不同，如前苏联定为300MW300MW，日本定为，日本定为450MW450MW。目前。目前600MW600MW级机组在技术上也属于成熟产品，考虑到国内级机组在技术上也属于成熟产品，考虑到国内5 5个大电网个大电网对单机容量对单机容量600MW600MW的需求和国内已有亚临界的需求和国内已有亚临界600MW600MW火电机组产品的实际情况，火电机组产品的实际情况，我国发展超临界火电机组的起步容量定为我国发展超临界火电机组的起步容量定为600MW600MW。从技术、经济性以及机组。从技术、经济性以及机组配用材料方面考虑，参数定为压力配用材料方面考虑，参数定为压力242425MPa25MPa、温度、温度538538566566、一次再、一次再热。热。我国国家电力公司提出发展超超临界并建立示范电厂的我国国家电力公司提出发展超超临界并建立示范电厂的863863高技术发展计划，高技术发展计划，经过专家论证，并结合我国动力制造业发展的前提条件，认为我国发展容经过专家论证，并结合我国动力制造业发展的前提条件，认为我国发展容量为量为7007001000MW1000MW，蒸汽参数为，蒸汽参数为25MPa25MPa、593/593593/593 C(600/600C(600/600 C)C)的超超的超超临界发电机组是合适的。临界发电机组是合适的。上海交通大学热能工程研究所第三节第三节 汽轮机基本工作原理汽轮机基本工作原理一、级的基本概念一、级的基本概念多级汽轮机是由同一轴上的若干级串联组合而成的，徐州彭城多级汽轮机是由同一轴上的若干级串联组合而成的，徐州彭城1000MW1000MW机组机组由由4 4个缸体共个缸体共6464级组成。汽轮机级由喷嘴栅和与之相匹配的动叶栅组成，级组成。汽轮机级由喷嘴栅和与之相匹配的动叶栅组成，它是汽轮机做功的基本单元。当具有一定温度和压力的蒸汽通过汽轮机级它是汽轮机做功的基本单元。当具有一定温度和压力的蒸汽通过汽轮机级时，在动叶栅中将其动能转化为机械能，从而完成汽轮机做功的任务。时，在动叶栅中将其动能转化为机械能，从而完成汽轮机做功的任务。图图1-2-1 1-2-1 蒸汽在冲动级中的流动蒸汽在冲动级中的流动 图图1-2-2 1-2-2 蒸汽在反动级中的流动蒸汽在反动级中的流动 1 1喷嘴喷嘴 2 2动叶动叶上海交通大学热能工程研究所蒸汽的动能转变为机械能，主要是利用蒸汽通过动叶时，发生动量蒸汽的动能转变为机械能，主要是利用蒸汽通过动叶时，发生动量变化对该叶栅产生冲击力，使动叶栅转动做功而获得的。工作蒸汽变化对该叶栅产生冲击力，使动叶栅转动做功而获得的。工作蒸汽的质量流量越大，速度变化量越大，作用力也越大。这种作用力分的质量流量越大，速度变化量越大，作用力也越大。这种作用力分为冲动力和反动力。当汽轮机在动叶通道内不膨胀加速，而只是随为冲动力和反动力。当汽轮机在动叶通道内不膨胀加速，而只是随汽道形状改变其流动方向时，汽流改变流动方向对汽道产生的离心汽道形状改变其流动方向时，汽流改变流动方向对汽道产生的离心力，叫冲动力。这时蒸汽所作的机械功等于它在动叶栅中动能的变力，叫冲动力。这时蒸汽所作的机械功等于它在动叶栅中动能的变化量。这种级叫冲动级，如图化量。这种级叫冲动级，如图1-2-11-2-1。当蒸汽在动叶汽道内随汽道改变流动方向的同时，仍继续在膨胀加当蒸汽在动叶汽道内随汽道改变流动方向的同时，仍继续在膨胀加速，即汽流不仅改变方向而且因膨胀使其速度也有较大的增加，则速，即汽流不仅改变方向而且因膨胀使其速度也有较大的增加，则加速的汽流流出汽道时，对动叶栅施加一个与汽流流出方向相反的加速的汽流流出汽道时，对动叶栅施加一个与汽流流出方向相反的反作用力，这个作用力叫反动力。依靠反动力推动的级叫反动级，反作用力，这个作用力叫反动力。依靠反动力推动的级叫反动级，如图如图1-2-21-2-2。从图从图1-2-11-2-1和图和图1-2-21-2-2中还可以看出，冲动级叶片和反动级叶片断面中还可以看出，冲动级叶片和反动级叶片断面形状不同，冲动级叶片断面形状沿其中心线对称，而反动级叶片则形状不同，冲动级叶片断面形状沿其中心线对称，而反动级叶片则不然。不然。一般情况下，动叶栅受冲动力和反动力作用。这两个力的合力作用一般情况下，动叶栅受冲动力和反动力作用。这两个力的合力作用使动叶栅转动而产生机械功。使动叶栅转动而产生机械功。上海交通大学热能工程研究所二、汽轮机级的工作过程二、汽轮机级的工作过程 多级汽轮机经过必要的简化，得到汽轮机级在热力计算中所用的可压缩多级汽轮机经过必要的简化，得到汽轮机级在热力计算中所用的可压缩流体的一元流动基本方程式，以此来表述汽轮机级的工作过程。有以下流体的一元流动基本方程式，以此来表述汽轮机级的工作过程。有以下五种形式：五种形式：1)1)连续方程式连续方程式对于稳定流动而言，单位时间内流过流管各截面的蒸汽量是相等的。对于稳定流动而言，单位时间内流过流管各截面的蒸汽量是相等的。其方程式为：其方程式为：式中：式中：G G 单位时间的蒸汽质量流量，单位时间的蒸汽质量流量，kg/skg/sA A 管道内任一横截面积，管道内任一横截面积，m m2 2；c c 垂直于截面垂直于截面A A的蒸汽速度，的蒸汽速度，m/sm/s；截面截面A A上蒸汽密度，上蒸汽密度，kg/mkg/m3 3。也可以用微分形式表示成：也可以用微分形式表示成：它表明了稳定流动中，气流的通流面积、气流速度和蒸汽密度之间的变它表明了稳定流动中，气流的通流面积、气流速度和蒸汽密度之间的变化关系。化关系。上海交通大学热能工程研究所2)2)运动方程式运动方程式运动方程是作用于汽流上的力和蒸汽流动速度变化之间的关系式。一元稳定运动方程是作用于汽流上的力和蒸汽流动速度变化之间的关系式。一元稳定无损失流动的动量方程为：无损失流动的动量方程为：式中：式中：p p 作用于截面作用于截面A A上的压力；上的压力；截面截面A A上的蒸汽密度，上的蒸汽密度，kg/mkg/m3 3；c c 微段的流动速度，微段的流动速度，m/sm/s。式中的负号说明流动过程中的压力和阻力是与流速相反方向变化的。式中的负号说明流动过程中的压力和阻力是与流速相反方向变化的。3)3)能量方程式能量方程式对于稳定绝热流动，汽流进入系统的能量必须等于离开系统的能量。若在流对于稳定绝热流动，汽流进入系统的能量必须等于离开系统的能量。若在流动系统中，忽略摩擦力作功和势能等因素，则系统的能量方程式可写为：动系统中，忽略摩擦力作功和势能等因素，则系统的能量方程式可写为：式中：式中：h h0 0，h h1 1 分别为蒸汽进入和流出系统的焓值，分别为蒸汽进入和流出系统的焓值，J/kgJ/kg；c c0 0，c c1 1 分别为蒸汽进入和流出系统的速度，分别为蒸汽进入和流出系统的速度，m/sm/s；w w 每千克质量蒸汽通过系统时对外界所做的机械功。每千克质量蒸汽通过系统时对外界所做的机械功。上海交通大学热能工程研究所4)4)状态方程式状态方程式理想气体的状态方程式为：理想气体的状态方程式为：式中：式中：p p 绝对压力，绝对压力，PaPa；气体密度，气体密度，kg/mkg/m3 3；T T 绝对温度，绝对温度，K K；R R 通用气体常数，对于蒸汽通用气体常数，对于蒸汽R R=461.5J/(kg=461.5J/(kgK)K)。5)5)气体方程式气体方程式气体的音速是压力波的传播速度。气体的音速是压力波的传播速度。气体流动状态的另一个流动指标是马赫数：气体流动状态的另一个流动指标是马赫数：上海交通大学热能工程研究所3 3喷嘴喷嘴1)1)蒸汽在喷嘴中的流动蒸汽在喷嘴中的流动设喷嘴进口处的压力为设喷嘴进口处的压力为p p0 0，温度为，温度为t t0 0，流速为，流速为c c0 0，则进汽状态点为，则进汽状态点为0 0，滞止状态点为滞止状态点为0 0*，如图，如图1-2-31-2-3所示。若蒸汽在喷嘴中作无损失的理想所示。若蒸汽在喷嘴中作无损失的理想流动，则按等熵线膨胀至出口压力流动，则按等熵线膨胀至出口压力p p1 1，出口状态点为，出口状态点为l lt t，则蒸汽流出，则蒸汽流出喷嘴的理想出口速度为：喷嘴的理想出口速度为：图1-2-3 蒸汽的实际膨胀过程实际上蒸汽在喷嘴中的流动是有损失的。实际上蒸汽在喷嘴中的流动是有损失的。速度系数：速度系数：上海交通大学热能工程研究所2)2)实际流量与流量系数实际流量与流量系数通过喷嘴的理想流量为：通过喷嘴的理想流量为：通过喷嘴的实际流量为：通过喷嘴的实际流量为：其中其中 A An n 喷嘴出口面积；喷嘴出口面积；v v1t1t、v v1 1 分别为喷嘴出口截面上蒸汽的理想比容和实际比容。分别为喷嘴出口截面上蒸汽的理想比容和实际比容。令令 ，称之为流量系数。，称之为流量系数。从上式可以看出，流量系数不单决定于喷嘴的速度系数从上式可以看出，流量系数不单决定于喷嘴的速度系数，还与具有损失下的比容变，还与具有损失下的比容变化有关，即流量系数化有关，即流量系数 的大小与蒸汽的状态有关。的大小与蒸汽的状态有关。当整个喷嘴都在过热区工作时，由于蒸汽吸收了由损失转变来的热量使当整个喷嘴都在过热区工作时，由于蒸汽吸收了由损失转变来的热量使v v1 1 v v1t1t，且比，且比值值v v1t1tv v1 1不受过热度的影响，又因不受过热度的影响，又因 l11，即实际流量大于理想流量。，即实际流量大于理想流量。实验证明，不论是干饱和蒸汽实验证明，不论是干饱和蒸汽(=1.02)=1.02)，还是过热蒸汽，还是过热蒸汽(=0.975)=0.975)，通过喷嘴的实，通过喷嘴的实际临界流量都是际临界流量都是。上海交通大学热能工程研究所3)3)蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀蒸汽在喷嘴斜切部分的膨胀在汽轮机中，为了保证喷嘴出口汽流进入动叶时有良好的方向，在喷嘴出口在汽轮机中，为了保证喷嘴出口汽流进入动叶时有良好的方向，在喷嘴出口处都具有一段斜切部分处都具有一段斜切部分ABCABC，如图，如图1-2-41-2-4所示。喷嘴的中心线与动叶运动方向所示。喷嘴的中心线与动叶运动方向成成 1g1g角，这种喷嘴称斜切喷嘴。角，这种喷嘴称斜切喷嘴。当喷嘴压力比小于临界压力比时当喷嘴压力比小于临界压力比时(ncr)，在最小截面上保持临界压力，而出口截面上的压力为在最小截面上保持临界压力，而出口截面上的压力为p1，且，且p1ccr，获得超音速汽流。同时汽流在斜切部，获得超音速汽流。同时汽流在斜切部分将偏离中心线而产生偏转使分将偏离中心线而产生偏转使1=1g+即即11g。为斜切喷嘴的汽流偏转角。为斜切喷嘴的汽流偏转角。图1-2-4 斜切喷嘴结构示意图（a）斜切部分两侧压力分布情况 （b）斜切部分内汽流的偏斜上海交通大学热能工程研究所4 4蒸汽在动叶片中的流动蒸汽在动叶片中的流动1)1)蒸汽在动叶片中的能量转换蒸汽在动叶片中的能量转换蒸汽在动叶片中除按冲动原理将蒸汽在喷嘴中已获得的动能转变成机械能外，蒸汽在动叶片中除按冲动原理将蒸汽在喷嘴中已获得的动能转变成机械能外，一般情况下蒸汽还要在叶片中膨胀，压力由喷嘴后的压力一般情况下蒸汽还要在叶片中膨胀，压力由喷嘴后的压力p pl l降至动叶后的压降至动叶后的压力力p p2 2。若动叶片中没有损失，由等熵膨胀的焓降。若动叶片中没有损失，由等熵膨胀的焓降h ht t=h h1 1-h h2t2t，全部用来使汽，全部用来使汽流加速，汽流内能按反动作用原理转变为机械能。流加速，汽流内能按反动作用原理转变为机械能。通常动叶片中理想焓降的大小用反动度通常动叶片中理想焓降的大小用反动度 来衡量。来衡量。显然级的反动度越大，动叶片中的焓降就越大。显然级的反动度越大，动叶片中的焓降就越大。2)2)动叶片速度三角形动叶片速度三角形动叶本身做匀速圆周运动，其圆周速度动叶本身做匀速圆周运动，其圆周速度u u可以由下式决定：可以由下式决定：式中：式中：d db b 动叶片的平均直径，动叶片的平均直径，m m；n n 汽轮机转速，汽轮机转速，r/minr/min。上海交通大学热能工程研究所动叶片的进、出口速度三角形动叶片的进、出口速度三角形 图1-2-5 动叶的进出口速度三角形上海交通大学热能工程研究所动叶片的进、出口速度三角形动叶片的进、出口速度三角形 上海交通大学热能工程研究所5 5级的轮周功率与轮周效率级的轮周功率与轮周效率1)1)蒸汽作用在动叶片上的力蒸汽作用在动叶片上的力蒸汽作用在动叶片上的力蒸汽作用在动叶片上的力F F通常可以分解为沿圆周速度方向的分力通常可以分解为沿圆周速度方向的分力F Fu(u(称为周向力称为周向力)和沿汽轮机轴线方向的分力和沿汽轮机轴线方向的分力F Fz(z(称为轴向力称为轴向力)。这两个分力都可以用动量方程求得。这两个分力都可以用动量方程求得,如如图图l-2-6l-2-6所示。所示。(1)(1)周向力周向力F Fu u蒸汽作用在动叶片上的周向力蒸汽作用在动叶片上的周向力F Fu u为：为：图1-2-6 蒸汽通过动叶片的作用力周向力周向力F Fu u是对动叶片做功的力，这个是对动叶片做功的力，这个力越大，汽轮机的功率越大。力越大，汽轮机的功率越大。(2)(2)轴向分力轴向分力F Fz z蒸汽作用在动叶片上的轴向分力为：蒸汽作用在动叶片上的轴向分力为：F Fz z只能对叶轮产生轴向推力而不做功，为了减小推力轴承的负担，要求它越小越好。只能对叶轮产生轴向推力而不做功，为了减小推力轴承的负担，要求它越小越好。上海交通大学热能工程研究所2)2)轮周功率轮周功率P Pu u单位时间内周向力在动叶片上所作的功称为轮周功率，可单位时间内周向力在动叶片上所作的功称为轮周功率，可由下式求得：由下式求得：上式亦可以写成：上式亦可以写成：由此可见，由此可见，为蒸汽带入动叶片的动能；为蒸汽带入动叶片的动能；为蒸汽带出动叶为蒸汽带出动叶的动能；的动能；为蒸汽在动叶片中因理想焓降为蒸汽在动叶片中因理想焓降 而造成的实而造成的实际动能的增加际动能的增加(在冲动级中在冲动级中 ，动叶损失使，动叶损失使 ，该项为负，该项为负值值)。轮周功率是以上各项能量的代数和。轮周功率是以上各项能量的代数和。上海交通大学热能工程研究所3)3)轮周效率轮周效率1 1千克蒸汽在级中所作的功与该级的理想焓降的比值称为级的轮周效千克蒸汽在级中所作的功与该级的理想焓降的比值称为级的轮周效率，即率，即式中：式中：喷嘴能量损失系数，喷嘴能量损失系数，；动叶能量损失系数，动叶能量损失系数，；余速能量损失系数，余速能量损失系数，。上海交通大学热能工程研究所1)1)纯冲动级的速比与轮周效率的关系纯冲动级的速比与轮周效率的关系6 6速比与轮周效率的关系速比与轮周效率的关系圆周速度圆周速度u u与喷嘴出口速度与喷嘴出口速度c c1 1之比值定义为速比，用之比值定义为速比，用x x1 1表示，即表示，即 速比对轮周效率有很大的影响。速比对轮周效率有很大的影响。对于纯冲动级：对于纯冲动级：纯冲动级的最佳速比为：纯冲动级的最佳速比为：2)2)反动级速比与轮周效率之间的关系反动级速比与轮周效率之间的关系反动级的最佳速比为：反动级的最佳速比为：在在1 1相同时，反动级的最佳速比正好比纯冲动级的大一倍。相同时，反动级的最佳速比正好比纯冲动级的大一倍。3)3)纯冲动级与反动级的比较纯冲动级与反动级的比较(1)1)在最佳速比下做功能力的比较在最佳速比下做功能力的比较当当1 1与与u u相等时，纯冲动级与反动级的速比之比值相等时，纯冲动级与反动级的速比之比值上海交通大学热能工程研究所为：为：即：即：上式说明反动级的焓降比纯冲动级小一倍，若全机的理想焓降相同，则反上式说明反动级的焓降比纯冲动级小一倍，若全机的理想焓降相同，则反动式汽动式汽 轮机的级数将比冲动式汽轮机多一倍。轮机的级数将比冲动式汽轮机多一倍。(2)(2)轮周效率的比较轮周效率的比较a.a.在各自的最佳速比下，反动级的轮周效率高于纯冲动级。这是由于反在各自的最佳速比下，反动级的轮周效率高于纯冲动级。这是由于反动级的动叶片内蒸汽有膨胀，动叶损失较小，另外反动级的级间距离小，动级的动叶片内蒸汽有膨胀，动叶损失较小，另外反动级的级间距离小，余速能够被下级所利用，使级的效率有所提高。余速能够被下级所利用，使级的效率有所提高。b.b.当速比在最佳速比附近变化时，反动级的轮周效率曲线变化平缓，所以当速比在最佳速比附近变化时，反动级的轮周效率曲线变化平缓，所以反动级的变工况性能较好。反动级的变工况性能较好。上海交通大学热能工程研究所三、汽轮机的级内损失和级效率三、汽轮机的级内损失和级效率1.1.汽轮机的级内损失汽轮机的级内损失蒸汽在汽轮机级内并不能把级的理想焓降全部转变成为轴上的机械功。蒸汽在汽轮机级内并不能把级的理想焓降全部转变成为轴上的机械功。因为在实际能量转换过程中，级内有各种损失存在，级内损失包括喷嘴因为在实际能量转换过程中，级内有各种损失存在，级内损失包括喷嘴损失损失 h hn n、动叶损失、动叶损失 h hb b、余速损失、余速损失 h hc2c2、叶高损失、叶高损失 h hl l、扇形损失、扇形损失 h h、叶、叶轮摩擦损失轮摩擦损失 h hf f、部分进汽损失、部分进汽损失 h he e、漏汽损失、漏汽损失 h h和湿汽损失和湿汽损失 h hx x。必须指出，并非各级都同时存在以上各项损失，如全周进汽的级中就没必须指出，并非各级都同时存在以上各项损失，如全周进汽的级中就没有部分进汽损失；采用转鼓的反动式汽轮机就不考虑叶轮摩擦损失；在有部分进汽损失；采用转鼓的反动式汽轮机就不考虑叶轮摩擦损失；在过热蒸汽区域工作的级就没有湿汽损失；采用扭叶片的级就不存在扇形过热蒸汽区域工作的级就没有湿汽损失；采用扭叶片的级就不存在扇形损失。这些损失结合损失。这些损失结合1000MW1000MW汽轮机的技术特点表现在以下几方面汽轮机的技术特点表现在以下几方面：1)1)喷嘴损失喷嘴损失 h hn n和动叶损失和动叶损失 h hb b2)2)余速损失余速损失3)3)漏汽损失漏汽损失4)4)湿汽损失湿汽损失 上海交通大学热能工程研究所2 2级效率级效率级效率是反映级内损失大小、衡量级内热力过程完善程度的重要指标。根级效率是反映级内损失大小、衡量级内热力过程完善程度的重要指标。根据所包含的损失内容不同，级效率分为轮周效率和级的相对内效率。据所包含的损失内容不同，级效率分为轮周效率和级的相对内效率。1)1)轮周效率轮周效率轮周效率只考虑了喷嘴、动叶和余速这三项损失。轮周效率只考虑了喷嘴、动叶和余速这三项损失。或或 显然，轮周效率是只决定于叶型、叶高和速比。显然，轮周效率是只决定于叶型、叶高和速比。2)2