汽轮机原理讲稿.pptx

1第三章第三章 汽轮机在变工况下工作汽轮机在变工况下工作1，工况：设计工况、额定工况、变动工况。变动工况：当外界负荷变动、蒸汽参数和转速变动，都是变动工况。2，研究变动工况的目的：l了解汽轮机在不同工况下的效率变化，以设法使效率变化不多。l了解汽轮机在不同工况下受力情况，保证机组安全。2第一节 喷嘴在变工况下的工作一，渐缩喷嘴的变动工况及其流量网一，渐缩喷嘴的变动工况及其流量网1，渐缩喷嘴的流量变化渐缩喷嘴的流量变化（1）当喷嘴前后压力比 时，（亚临界），流量为 （31）（2）当喷嘴前后压力比 时，（临界）流量为临界流量 （32）上二式中：、喷嘴前压力、密度；、喷嘴后压力、临界压力；=压力比；喷嘴出口截面积。3分析：对于式（31）（1）当 、不变 时，G只与 （）有关；*当 =，=1，则 G=0；（A点）*当 时，1，G 如图31之AB所示；*当 =时，=，G 达临界值 （B点）*当 时，G 保持临界流量不变，（BC）（2）当 、变为另一值 、时，曲线为ABC。2，用椭圆代替流量曲线：（略）用椭圆代替流量曲线：（略）3，当初压不变，对于任意一背压，当初压不变，对于任意一背压，通过渐缩通过渐缩喷嘴的喷嘴的流量为流量为：=0.648 (34)44 4，当喷嘴前后参数同时变化时，其流量变化为：，当喷嘴前后参数同时变化时，其流量变化为：由于温度比变化不大，则上式为：（35a）5，当两种工况均为临界流量时当两种工况均为临界流量时，则 =1，则式（35a）为 （36）或者 （36a）56，流量网流量网前面所讲流量曲线ABC，每一工况对应一根曲线，不方便。为了扩大适应性，改用压力比、流量比作为坐标，作出流量曲线。横坐标：相对背压，纵坐标：流量比。相对初压，最大初压，（37）则流量比为：根据前面所讲椭圆方程：（38）根据上式作图(32)的流流量量网网。图中，、三个中只要已知其中的二个，则可以求得第三个。然后用温度修正。二、缩放喷嘴的变工况及流量网二、缩放喷嘴的变工况及流量网（略）6作业与思考题：作业与思考题：1、在设计工况下渐缩喷嘴前的蒸汽压力 =2.16MPa，温度 =350 ，喷 嘴后的压力 =0.589MPa，流量为3kg/s。若流量保持为临界值，则最大背压（）可以为多少？若要流量减少为原设计值的1/3，则在初压、初温不变时，背压 应增高 至何值？又设背压维持为0.589MPa不变，则初压 应降低到何数值（假定初温不 变）才能使流量为原设计值的4/7？2、工况变动前，渐缩喷嘴的初压 =8.83MPa，初温 =500 ，背压 =4.9MPa，工况变动后，初压降为 =7.06MPa，背压降为 =4.413MPa。试用分析法和查流量网图解法确定工况变动前后通过喷嘴的流量比系数（温度变化忽略）。7第二节 级组的变动工况一，一，一，一，级组前、后压力和流量的关系级组前、后压力和流量的关系级组前、后压力和流量的关系级组前、后压力和流量的关系（一）（一）级组中各级均未达临界工况级组中各级均未达临界工况：级组为流量相同的若干连续几级组成，级组 中每一级均有 同样的关系存在。将其改写成设级内有Z级，则第一级：8第二级：第Z级：各级相加得：这里，有 为常数，而温度比可看作不变，这样一来，有同理可得=所以经改写得：9当忽略温度影响时，为 ：10上两式称为弗留格尔公式弗留格尔公式。*对于凝汽式汽轮机来说，可把调节级之外的所有级看成一个级组，这样，级组前后压力（、）相差很大，则 （二）级组中级达临界工况（二）级组中级达临界工况11二，弗留格尔公式的应用条件1，通过同一级组各级的流量应相同；电站汽轮机一般都有回热抽汽，回热抽汽口前后级的流量不同，严格地说不能把回热抽汽口前后的级放在同一级组内。但若回热抽汽只供加热本机凝结水用，虽各段回热抽汽量不与总流量成正比，可是大多与总流量G同方向增减，因此仍可近似地把回热抽汽口前后的级放在同一级组内来应用压力与流量关系式，误差不会太大。2，在不同工况下，组各级的面积应保持不变。而调节级是部分进汽，而且进 汽度要发生变化，因此调节级不能同压力级合为一组。假设级组内各级通流 面积发生了相同程度的变化，则弗留格尔公式须作修正：或者其中，面积变化之比。若级组通流部分结垢(a1)，则同一G1下，p01必然降低。12l3 流过级组内各级的蒸汽应是一股均质流。然而对于调节级，多数工况下是流过两股初压不同的汽流，级前压力既不能采用较高的初压，也不能采用较低的初压，所以这种工况下，整个调节级不能包括在级组内，其流量也不能单独地用级的压力与流量的关系式进行计算。但调节级的某个喷嘴组及其后动叶可以看成级，其压力或流量计算可应用级的压力与流量关系式。l由于许多工况下调节级都不能包括在级组之内，常使汽轮机的初参数不能作为巳知量参与运算，故级组常从未级算起，以便把排汽参数作为巳知量参与运算。l4 严格地讲，弗留格尔公式适合具有无穷多级数的级组，但一般只要级数多于45级就可以得到满意的结果。如果只做粗略地估算甚至可运用于一个级。13l三、在工程中的应用 l弗留格尔公式不仅形式简单，而且使用方便，在汽轮机运行中可以用来：l(1)监视汽轮机通流部分运行是否正常。在已知汽轮机功率或流量的条件下，根据弗留格尔公式的计算结果监视某些级组(监视段)前的压力，借此判断该级组是否损坏或结垢等异常现象。l(2)可以推算出不同流量(功率)时各级的压差和比焓降，从而计算出相应的功率、效率及零部件的受力情况。也可以由压力推算出通过各级的流量。14l某台一次再热超高压凝汽式汽轮机的功率突然下降40，此时机组无明显振动，机组参数变化如表3-2所示，负号表示降低。功率降低后，一些参数又基本稳定不变，各监视段压力近似成比例降低。l分析原因：调节级后压力和中间再热后压力降低，表明蒸汽流量变小，这由给水流量也相应变小而证实。由于各监视段压力与流量近似成正比，故可以认为各非调节级的工作是正常的，流量的突降是调节级或调节级之前的通流部分故障所致。负荷给水流量调节级后压力中间再热后压力中低压缸效率高压缸效率-40-36-42-441.80.415l由于通流部分故障并未引起机组振动情况的改变，因而可以认为流量突降不是转动部分的机械损坏所致，调节级喷嘴、动叶损坏常使流量增大；调节级叶片断落可能使非调节级第一级喷嘴堵塞而使调节级后压力升高。但上述情况均与事实相反，因此不大可能是调节级的损坏。16l一超高压汽轮机在运行21个月后发现功率不断下降，已持续了一两个月。分析每天数据，发现功率是以不变的速率下降的，而不是突降的。与21个月前的运行数据相比，变化情况如表3-3所示。流量 功率 调节级后压力 高压缸效率-17.2-16.5+21.2-12.217l分析原因：调节级后压力增加21.2，既然不是由于流量增加，那就只能是由于非调节级通流部分堵塞，由于这种堵塞是稳定增加的，故不是机械损坏所致，极大的可能是通流部分结垢所致。又因为高压缸效率大为降低，故可能是高压缸结垢。l开缸检查，结果发现高压缸通流部分严重结垢，垢的成分中不少是铜。18第三节 汽轮机的调节方式和调节级的变动工况 汽轮机的内功率为：=B 当当初初参参数数不不变变或或变变化化不不大大时时，汽汽轮轮机机的的内内功功率率就就取取决决于于进进汽汽量量 的的大大小小。因此，对汽轮机的功率进行调节，主要是对进汽量进行调节。常用的调节方式有：节流调节、旁通调节、喷嘴调节、变压调节。一，一，节流调节节流调节1，节节流流调调节节：这种调节方式就是用一个（或两个）调节阀对进入汽轮机的全部进汽量 进行调节。当功率增加时，开大调节阀的开度（L）。在额定工况下，全开（L=1）。当功率减小时，关小调节阀的开度（L），进入汽轮机的全部进汽量都受到节流作用。当机组功率变化时，流量和焓降都要变化。如图319、3-20所示。2，节流调节的热力过程曲线节流调节的热力过程曲线（图320）；193，节流调节的效率节流调节的效率 蒸汽经节流之后，焓值不变压力降低（降到 ），节流后的内效率为：=(34-3)式中，通流部分的相对内效率；调节阀的节流效率，为部分开启和全开时理想焓降之比。节流效率曲线（图3-21）（根据曲线分析）20l节流配汽的优点是：没有调节级，结构比较简单，制造成本较低；在工况变动时，各级比焓降(除最末级)变化不大；其过程线可在h-s图上水平移动，故级前温度变化较小，从而减小了热变形及热应力，提高了机组运行的可靠性和对负荷变化的适应性。l现代大型节流配汽汽轮机若是滑压运行，则既可用于承担基本负荷，也可用于调峰；若定压运行，则因其部分负荷下经济性较差，故节流调节只适用于辅助性的小功率汽轮机以及担负基本负荷且设计功率等于额定功率的大型电站汽轮机。21二，二，喷嘴调节喷嘴调节 这是一种应用最广泛的调节方式。每一个调节阀控制一组喷嘴组。中小型机组一般有47个调节阀，大型机组一般有46个调节阀。在这种调节方式中，机组运行时，只有一组喷嘴的蒸汽受到节流作用，节流损失小。第四调节阀一般是在过负荷时（或者在初参数降低而要求发额定负荷时）才使用。图3_2522调节级的变工况调节级的变工况先假定：（1）调节级的反动度 =0，则 =；各阀无重叠度。（一一）调调 节节 级级 的的 热热 力力 过过 程程 曲曲 线线（图 3-25,图 3-26）：在某一工况下，第一、二阀全开，阀后压力为 =；第三阀部分开启，阀后压力为 ，流量为亚临界，点n之后，）；（3）喷嘴组后的压力：；（4）亚临界流动。4，第四阀开启过程，第四阀开启过程：L4=01.0时，过负荷，亚临界流动。5，调节级的焓降变化：，调节级的焓降变化：从图327a可见，随着流量增加，压差（-）是逐渐减少的，焓降也是逐渐减少的。相反，则压差（-）和焓降也是逐渐增加的。特别是第一调节阀全开而第二阀还未开启之时，焓降最大，压差（-）最大，是调节级的最危险工况。6，调节级后的变化较大，不能忽略，在计算时应修正；，调节级后的变化较大，不能忽略，在计算时应修正；28l喷嘴调节的优缺点 l由前面的讨论可知，喷嘴调节汽轮机在工况变动时，调节级始终为部分进汽。因此，调节级存在部分损失。尽管如此，由于在任一工况下，只有通过尚未完全开启调节阀的那部分蒸汽才有节流作用，所以在部分负荷时喷嘴调节的效率仍较高。喷嘴调节使机组的高压部分(尤其是调节汽室中)在工况变动时温度变化较大，从而引起较大的热应力。因此这种机组在调节级汽室处的汽缸壁可能产生的较大热应力常常成为限制这种机组迅速改变负荷的重要因素。l 为了综合节流调节和喷嘴调节的优点，担任基本负荷的机组往往设计成在低负荷下两个调节阀同时动作，以扩大节流调节控制的部分负荷范围，从而也减轻了调节级动叶在第一调节阀全开时所受到的蒸汽弯曲应力。29三，滑压调节三，滑压调节1，电网负荷变化问题：，电网负荷变化问题：峰谷差问题；电网调峰：水电，抽水蓄能，火电。而火电调峰办法：（1）低负荷运行；（2）两班制启停。2，滑压运行：，滑压运行：对于调峰机组，启停频繁，负荷变化大。为了适应这一特点，通常采用滑压运行。根据外界负荷变化情况，调整燃烧量和给水压力，使锅炉出口蒸汽压力变化，而温度不变。汽轮机调节阀全开，没有节流损失。3，滑压运行的特点：，滑压运行的特点：（1）提高了部分负荷下的经济性：*调节阀全开，无节流损失；*变速给水泵，减少厂用电；*提高了末级的干度，减少了湿汽损失；（2）提高了机组运行的可靠性和负荷的适应性。4，滑压运行的方式：，滑压运行的方式：（1）纯滑压运行：（2）节流滑压运行：机组稳定运行时，调节阀有一定余量；降负荷时，采用滑压运行；升负荷时，采用定压运行。（3）复合滑压运行：高负荷时，定压运行；中间负荷时，变压运行；低负荷时，定压运行。30四，蒸汽量调节方式经济性的比较和选择：四，蒸汽量调节方式经济性的比较和选择：滑压运行机组高压缸在部分负荷时的相对内效率高于定压运行机组，这是因为滑压运行时主蒸汽温度不变，虽然主蒸汽质量流量和压力都随负荷减小而减小，但各种负荷下新汽容积流量Gv01基本不变，如50额定负荷时的Gv01与设计值只相差2左右。容积流量不变就使各级喷嘴、动叶出口的流速不变，比焓降和内效率都不变，而喷嘴配汽定压运行机组在部分负荷下调节级效率下降较多，节流配汽定压运行机组在部分负荷下节流损失较大。31l滑压运行机组在部分负荷下的锅炉给水压力降低，用变速给水泵就可降低给水泵耗功。l这是一个不小的数值，因为随着机组初压设计值升高，给水泵功率越来越大，超高压机组给水泵功率占主机发电功率2左右，亚临界压力机组占34，超临界压力机组占57。因此，低负荷时给水泵耗功的减少将给滑压运行机组的热经济性带来明显益处。l滑压运行机组在部分负荷下运行的不利因素是循环热效率tl低于定压运行机组。因滑压运行机组部分负荷下的锅炉内平均吸热温度T1、随吸热压力下降而下降，而冷源平均放热温度T21基本不变，这就必然使其tl低于定压运行机组的t。32第四节第四节 工况变动时，汽轮机轴向推力的变化工况变动时，汽轮机轴向推力的变化一，冲动式汽轮机轴向推力的变化级的轴向推力的大小取决于级前后压力差和反动度。因此级的轴向推力的变化可近似表示为：式中，。1 1，凝汽式汽轮机轴向推力的变化：，凝汽式汽轮机轴向推力的变化：（1）对于节流调节凝汽式汽轮机：各级焓降和反动度近似不变，可导出轴向推力与功率（流量）成正比；因此，最大轴向推力发生在最大功率时；（2）对于喷嘴调节凝汽式汽轮机：在工况变动时，压力级焓降和反动度近似不变，可导出轴向推力与功率（流量）成正比；而调节级的轴向推力变化复杂，但对总的轴向推力影响不大。因此，最大轴向推力发生在最大功率时。332，背压式汽轮机轴向推力的变化：背压式汽轮机轴向推力的变化：（1）调节级的轴向推力变化同上；（2）压力级的轴向推力不与流量成正比，最大轴向推力发生在中间负荷。二，反动式汽轮机轴向推力的变化：对于反动式汽轮机，由于设计反动度大，因此变化小。轴向推力只与动叶前后压力差成正比，最大轴向推力发生在最大功率时。三，轴向推力的监督：由于轴向推力难以准确计算，在实际中，通常通过测量推力轴承的油膜温度来监督轴向推力的变化。34第五节 蒸汽初终参数的波动对经济性的影响 工况变动时，除流量变化之外，汽轮机的初终参数也有变动。当初终参数变化超过一定范围后，不仅影响机组的经济性，对机组的安全也会有影响。一，初温、背压不变，初压变化对功率的影响蒸汽初压的变化，将会引起进汽量、理想焓降和内效率的变化。汽轮机 的内功率为：（378）当初压变化不大时，汽轮机的内功率变化为：（379）35（一）（一）当初压变化而调节阀开度不变，当初压变化而调节阀开度不变，对式（379）的各项进行简化、推导可得：（383）上式两边同除以式（378）得相对值：（383a）上式表明，当初温、背压不变时，功率变化量（）正比于初压改变量（），而背压越高，初压对功率的影响就越大，即对背压机影响更大。如图358所示，在不同背压下，功率增加与初压的关系。图35836（二）（二）初压（初压（）变化，保持流量（）变化，保持流量（D D）不变）不变1，对于喷嘴调节汽轮机来说：初压（）变化，保持流量（D）不变，则必需改变调节阀的开度。若忽略节流损失，则功率要改变，这种功率要改变是焓降变化所引起的，这样式（383）变为 （384）或者 （384a）2,对于节流调节汽轮机来说，当初压（）变化，流量（D）不变，必需改变调节阀的开度，则第一级前的压力不变。因此，理想焓降不变。初压变化不会引起功率变化，但有节流损失。3，对于中间再热机组，初压（）变化只会对高压缸起作用。而高压缸的功率一般只占总功率的1/41/3，对功率影响不大。37（三）（三）初压（初压（）变化，要求功率（）变化，要求功率（）不变，则流量要变化）不变，则流量要变化 所以：（385）或者 （385a）上式表明，当上升，理想焓降增加，效率 提高，流量D减少。当忽略效率变化时，上式为：（386）38二，初压、背压不变，初温变化对功率的影响二，初压、背压不变，初温变化对功率的影响当初温在一定范围内变化时，要影响功率；初焓变化，也会影响蒸汽在锅炉内的吸热量Q。（一）蒸汽总吸热量Q不变这时，功率为 当初温变化时，理想焓降 、初焓 和效率 都要变化。对上式进行推导得：（390）39（二）（二）调节阀的开度不变调节阀的开度不变这种情况下，初温变化对功率的影响为：其中，。（三）（三）流量保持不变流量保持不变 这种情况下，初温变化对功率的影响为：（四）（四）初温变化对机组安全的影响：初温变化对机组安全的影响：初温变化对机组安全的影响，主要对主汽阀、调节阀、调节级的影响，引起较大的热应力。40三，初压、初温不变，背压变化对功率的影响三，初压、初温不变，背压变化对功率的影响 背压变化对汽轮机的影响主要在末级。为了方便，假定在设计工况下，末级级后压力为临界压力（）。工况变化后有两种情况：（1）末级级后压力由临界压力（）上升；（2）末级级后压力由临界压力（）下降。通常，=320 m/s，k=1.13，=1.012，所以，（一）（一）背压由临界压力（背压由临界压力（）上升）上升当背压由临界压力（）上升到 时，（1）级的焓降（）减少；（2）余速损失改变；（3）级效率改变；（4）凝结水温度改变。这四方面都活引起功率变化，最后可得：（3100）41对于凝汽机组，为常数（370m/s），、u 、k、为定值，则由上式可得单位流量的功率增量（）只与压力比（）有关。=f ()(3-101)结合式（395），有 （3-102）因此，根据不同的()，就可以算出相应的功率增量（）。（二）（二）背压由临界压力（背压由临界压力（）下降：）下降：当背压由临界压力（）下降时，使汽流在动叶的斜切部分膨胀，反动度增加，发生偏转，变成（+）。对喉部前的流动没有影响。因此，功率变化只是由于 的大小和方向改变所引起的，经过推导可得：对于一定机组，当背压由临界压力（）下降时，所引起单位流量的功率变化为：和式（3102相同