汽轮机热力计算方法.docx

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汽轮机热力计算方法

1绪论

1.1研究意义

随着我们国家火力电力事业的高速发展，发电机组单机容量逐渐增大，于此同时电网的峰谷差也越来越大。

随着新型能源的并网，大规模火电机组参与调峰、负荷变动已成为必然，大规模储能设施能力不足的情况下,流动性和负载变化能力的研究越来越重要。

传统的火电机组会更频繁的进行调峰，使其到达一个主要部分进行集团交替,从而达到交变温度场的作用,应力场存在于汽轮机启动和操作模式的过程当中,由于汽轮机的温度和流量发生变化,进而使汽轮机汽缸和转子金属的温度也发生相应的改变。

热传导效应在金属表面产生温度梯度引起热应力。

实验研究表明,停止运行的汽轮机热应力的主要因素是现代汽轮机组的疲劳损伤,尤其是汽轮高参数大容量的汽轮机往往由于温度上升速度控制不当,引起汽轮机汽缸的裂纹而导致热应力太大，表面裂纹转子和转子弯曲设备损坏事故等。

那么引起的汽轮机转子热应力的问题应从各方面得到广泛的关注,其主要目的是检测热应力。

热力发电厂中,热与电联合生产,可以使汽轮机显著的降低凝汽损失,并且汽轮机的排汽和抽汽加热提取用于工农业生产和人民生产生活当中,可以实现热电联产，并且显著提高热效率,电力供应煤炭消费量远低于凝汽式汽轮机,远低于超临界电力系统。

与此同时,由于热与电的联合生产,可以避免或取代之前的污染量大的分散的小的低供热锅炉的参数,从而大大减少空汽污染,有利于自然环境保护。

开发的热与电联合生产，实际上容易实现大规模、集中管理、减少社会投资成本,减少操作和维修人员,提热电厂高经济效益。

加快国民经济的高速发展,电力基础设施建设，使高功率单元得到快速发展。

这几年来，热与电的联合生产使得200MW和300MW汽轮机得到了大力发展,普遍大型供热机组主要采用中间再热,这些汽轮机从凝汽式汽轮机功率发展而来,与此同时加热功能主要用于严寒及寒冷地区冬季采暖。

那么基于这种情况,大型加热器具有如下特点:

（1）由于供热时间大约为3~4个月,所以没有加热凝汽式汽轮机,而是通过机、炉、电对冷凝额定负载进行相应的匹配;

（2）加热单位和再热装置,当大量的加热装置的温度相应下降时，进行加热装置的加热;（3）加热取暖的过程,调整抽汽压力降低,从而使调整提取位置排列在中压缸排汽,抽汽管道上的调节抽汽阀控制低压缸联合招生和调整提取的压力和流量，而在控制阀上设置低压管。

大型供热汽轮机设计原则中不同的中、小型工业抽汽热电联供汽轮机,这是相同类型的操作单元。

热力发电厂的原则性热力系统特点就是以规定的符号用以表明工质在完成某种热力循环时所必须流经的各种热力设备之间的系统图。

原则性热力系统的特点：

只表示工质流过时状态参数发生变化的各种必须的热力设备;仅表明设备之间的主要联系，备用设备和管路、附属机构从而除额定工况时所必须的附外，一般附件均不表示。

热电厂原则性热力系统主要是由各个局部热力系统组成:

 主要包括再热蒸汽管道和凝汽设备的链接系统、锅炉和汽轮机、主蒸汽及给水回热系统，除氧器系统，补充水系统，辅助设备系统及“废热”回收系统等等。

对于热力发电厂，全厂的对外供热的管道和设备是连在一起的，同种类型的供热机组和不同类型的供热机组都不可以，原则性热力系统较为复杂。

原则性热力系统实质上反映了发电厂热功能量转换过程的技术完善程度和热经济性工质的能量转换及热能利用的过程。

所以对热电厂汽轮机组的热力系统计算的研究尤为重要。

1.2汽轮机介绍

汽轮机现状简述：

汽轮机是用具有一定温度和压力的蒸汽来做功的回转式原动机。

由于其具有热效率高、运转平稳、输出功率大、事故率低等优点，广泛应用于拖动发电机、大型风机水泵及船舶的动力设备。

依其做功原理的不同，可分为冲动式汽轮机和反动式汽轮机两种类型。

两种类型各具特点，各有其发展的空间。

冲动式汽轮机的主要特点是蒸汽的热能转变为动能的过程，只在喷嘴中发生，而工作叶片只是把蒸汽的动能转变成机械能的汽轮机。

即蒸汽仅在喷嘴中产生压力降，而在叶片中不产生压力降。

反动式汽轮机的主要特点是蒸汽的热能转变为动能的过程，不仅在喷嘴中发生，而且在叶片中也同样发生的汽轮机。

即蒸汽不仅在喷嘴中进行膨胀，产生压力降，并且在叶片中也进行膨胀，产生压力降冲动式与反动式在构造上的主要区别在于：

冲动式为动叶片出和入口侧的横截面相对比较匀称并且汽流通道从入口到出口其面积基本不变。

反动式为动叶片出和入口侧的横截面不对称，而出口侧较薄，叶型入口较肥大并且汽流通道从入口到出口呈渐缩状[2]。

 最简单的汽轮机单级汽轮机结构由轴、转轮、叶片和喷嘴组成，工作原理为具有一定压力和温度的蒸汽进入喷嘴而膨胀加速，与此同时蒸汽压力和温度降低速度增加，蒸汽热能转逐渐变为动能，然后具有较高速度的蒸汽由喷嘴流出，进入动叶片流道并且在弯曲的动叶片流道内，改变汽流方向，给动叶片以冲动力，产生了使叶轮旋转的力矩，带动主轴旋转从而输出机械功，完成动能转化为机械能。

热能→动能→机械能，这样一个能量转换的过程，便构成了汽轮机做功的基本单部分元，那么称这个做功单元是汽轮机的级。

单级汽轮机的功率较小并且损失大，从而使汽轮机发出更大功率，需要将许多级串联起来进而制成多级汽轮机。

可以看出多级汽轮机的第一级又称为调节级，该级在机组负荷变化时，是通过改变部分进汽量来调节汽轮机的负荷，而其它级任何工况下都为全周进汽就称为非调节级。

1.2.1汽轮机的主要分类 

（1）凝汽式汽轮机：

进入汽轮机做功的蒸汽除少量漏汽外，全部或大部分都排入凝汽器，从而形成凝结水。

（2）背压式汽轮机：

蒸汽在汽轮机内做功后就以高于大汽压力被排入排汽室，以居民采暖和社会工农业生产使用。

（3）调整抽汽式汽轮机：

将部分做过功的蒸汽以某种压力下抽出，供工农业使用或居民采暖用。

（4）中间再热式汽轮机：

将在汽轮机高压缸做完功的蒸汽，再送回锅炉过热器加热到新蒸汽温度。

按中、低压缸继续做功。

按蒸汽初蒸汽分类：

a、低压汽轮机：

新汽压力为1.2～1.5MPa； 

b、中压汽轮机：

新汽压力为2.0～4.0MPa；

c、次高压汽轮机：

新汽压力为5.0～6.0MPa； 

d、高压汽轮机：

新汽压力为6.0～10.0MPa；

还有超高压、亚临界压力、超临界压力汽轮机等等[5]。

1.2.2汽轮机静止部分的结构 

汽轮机静止部分的结构基本是汽缸、隔板和喷嘴组、轴封及隔板汽封、轴承组成。

（1）汽缸 

  汽轮机的汽缸主要将调节汽室及喷嘴、隔板和轴封、滑销等连成一体，使其与汽轮机转子组成通流部分，保证蒸汽在汽轮机内做功过程的基础部件。

中小型汽轮机都是单层汽缸和整体呈圆柱形，主要是中分面将汽缸分为上下两部分，上半部分叫上汽缸又称为汽缸盖并且下半部叫下汽缸。

上下汽缸在接合面处用大螺栓连成一体。

  汽缸滑销系统：

无论汽轮机的汽缸前后怎么膨胀，有个点的相对位置却不变而这个点称为汽缸膨胀的死点。

（2）隔板与喷嘴组 

  隔板是由隔板外缘、喷嘴和隔板体构成的圆形板状组合物，主要是装在调节汽室上的喷嘴组合体，汽轮机通过各个调速汽阀和控制各自的喷嘴，进而达到控制汽轮机进汽量的目的从而使机组启动时能平稳地控制转速，进行入电网后稳定地调整负荷。

（3）轴封及隔板汽封 

轴封与隔板汽封统称为汽封，其又被称为轴端汽封，主要是转子穿出汽缸两端处的汽封。

低压端轴封称为低压轴封，主要是用来防止空汽漏进汽缸并且造成真空度下降进而真空恶化。

在单缸汽轮机中又称为后轴封。

密封迷宫填料，分成4或6段在填料盒内用圈弹簧压紧。

汽轮机高压端轴封称为高压轴封，在单缸汽轮机中又称为前轴封，它的作用是防止高压蒸汽漏出汽缸，造成工质损失，汽轮机效率降低，并可使轴颈处被加热或蒸汽冲进轴承造成润滑油质恶化。

装在隔板汽封槽中的汽封称为隔板汽封，用来阻碍蒸汽绕过喷嘴而造成的能量损失，并使叶轮上的轴向推力增大。

采用曲径式汽封，一方面漏汽间隙减小，另一方面汽封片较多，每一个汽封片形成一个缩孔，产生一次节流作用，漏汽量逐级减少。

减少隔板汽封闭损失方法：

a、加装隔板汽封片，减少漏汽量； 

b、在动叶片根部安装径向汽封片； 

c、在叶轮上开平衡孔，使隔板漏汽经平衡孔漏向级后。

 通流部分汽封是动叶柵顶部和根部处的汽封，用来阻碍蒸汽从动叶柵两端散逸，使做功能力降低。

（4）支持轴承和推力轴承是两种轴承汽轮机的轴承按受力方的分类。

A、支持轴承   

使其用于支承汽轮机转子的重力，保持动静件中心一致，并且保证动静件之间的间隙在规定范围内。

B、推力轴承   

使其用于平衡转子轴向推力，用于确定转子膨胀的死点，并且保证动静件之间的轴向间隙在设计范围内。

汽轮机转子的结构

汽轮机转子为其最重要的部件，其主要由主轴、叶轮和叶片、推力盘和轴套、联轴器等组成。

1.3国内外汽轮机发展介绍

1.3.1国内汽轮机发展介绍

伴随着改革开放以来,我们国家电力工业基础发展迅速,现在已经拥有巨大的实际装机容量。

我国经济的长期稳定发展可以保持电力发展的迅猛势头，随着电力工业的发展离不开汽轮机组设计更新的持续和有效的发展基础电力设施。

电厂的大型电力建设快速发展,已经成为主要的电力行业发展未来，伴随着大型机组的投入使用,近年来新的火电机组基本以300mw~600mw为主。

200mw火电机组的大约占火电机组总容量的50%[5]。

汽轮机的发展取决于我国电力工业的巨大发展,大型发电机组占国内50%以上,国内300mw、600mw机组总计超过100台已投入商业运营。

汽轮机主要以引进国外先进技术,逐步消化和吸收,借鉴和发展本国技术，从而使汽轮机热效率,安全性和可靠性、负载适应性和自动化程度都得到大大提高，而其他基本技术性能逐渐达到国外同类型机组的先进水平,逐步开展实验创新,来解决设计计算和制造工艺从而获得成功。

我国汽轮机行业在常规汽轮机领域内,包括各种功率亚临界、常规超临界参数的火电机组及百万千瓦等级的汽轮机组已具备了与国际质量水平相当的产品设计开发及制造能力。

这是我国近二十年所实行的以市场换技术政策及我国汽轮机行业广大职工努力奋斗的成果。

在常规汽轮机的领域内,我国的汽轮机设计发展已经取得重大突破。

近年来我国有许多老机组都在超额使用,改造服务超过十年的100mw汽轮机组技术的措施进行在不同的阶段,新技术可以显著降低单位热耗,延长机组寿命，升高安全性和可靠性,提高单位产量,并减少环境污染。

积极推动科学实验。

燃汽蒸汽联合循环燃汽轮机,整体汽化联合循环和增压流化床联合循环的发展向我们揭示了科学和技术的发展,并充分吸收先进技术,尽快缩短差距,结合国情,大步向前。

广泛使用的工业汽轮机并且加大使用数量,提高水平,更好的满足用户的需求,必须在开发过程中大量的配置效率高的锅炉给水泵、可靠的驱动用工业汽轮机。

在早期中国设计和制造的超高压200mw和300mw亚临界压力机组的能力,但其技术水平还有相当大的差距与国际先进水平相比。

我国汽轮机发展起步比较晚。

1955年上海汽轮机厂制造出第一台6MW汽轮机。

1964年哈尔滨汽轮机厂第一台100MW机组在高井电厂投入运行；1972年第一台200MW汽轮机在朝阳电厂投入运行；1974年第一台300MW机组在望亭电厂投入运行。

70年代进口了10台200—320MW机组，分别安装在了陡河、元宝山、大港、清河电厂。

70年代末国产机组占到总容量70%，1987年采用引进技术生产的300MW机组在石横电厂投入运行；1989年采用引进技术生产的600MW机组在平圩电厂投入运行；2000年从俄罗斯引进两台超临界800MW机组在绥中电厂投入运行。

我国于70年代和美国西屋公司签订了亚临界压力300MW汽轮机组技术转让合同,通过坚持不懈的努力，使我国的汽轮机技术得到长足进步，引进技术的消化吸收和国产化技术攻关,正在让我们国家的汽轮机技术慢慢和国际接轨。

1987年6月第1台按引进技术由上海汽轮机厂生产的300MW和1989年11月由哈尔滨汽轮机厂生产的600MW汽轮机分别在山东石横和安徽平圩电厂投入运行,原机电部