汽轮机变工况分解.docx

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汽轮机变工况分解

第三章第三章      汽轮机的变工况

chapter3ThechangingconditionofSteamturbine

设计工况：

运行时各种参数都保持设计值。

变工况：

偏离设计值的工况。

经济功率：

汽轮机在设计条件下所发出的功率。

额定功率：

汽轮机长期运行所能连续发出的最大功率。

研究目的：

不同工况下热力过程，蒸汽流量、蒸汽参数的变化，不同调节方式对汽轮机工作的影响；保证机组安全、经济运行。

第一节喷嘴的变工况

Thechangingconditionofanozzle

分析：

喷嘴前后参数与流量之间的变化关系

一、渐缩喷嘴的变工况

Thechangingconditionofacontractingnozzle

试验：

调整喷嘴前后阀门，改变初压和背压，测取流量的变化。

（一）

（一）  初压P*0不变而背压P1变化

（1）

（1）      εn=1，P1=P*0，G=0，a-b，d

（2）

（2）      0＜εn＜εcr，G＜Gcr，a-b1-c1，1

（3）（3）      εn=εcr，G=Gcr，a-b2-c2，e

（4）（4）      ε1d＜εn＜εcr，G=Gcr，a-b3-c3，3

（5）（5）      εn=ε1d，G=Gcr，a-c4，4

（6）（6）      εn＜ε1d，G=Gcr，a-c4-c5，5

列椭圆方程：

（二）

（二）  流量网图

改变p*0可得出一系列曲线，即流量网图

横坐标：

ε1=p1/p*0m；

纵坐标：

βm=G/G0m；

参变量：

ε0=p*01/p*0m

p*0m、G*0m：

分别为初压最大值和与之相应的临界流量的最大值。

例1：

已知：

p0=9MPa，p01=7.2MPa，p1=6.3MPa，p11=4.5MPa

求：

流量的变化。

解：

取=9Mpa

原工况：

ε0=p0/p0m=1，ε1=p1/p0m=0.7

查出：

βm=G/G0m=0.94

新工况：

ε01=p01/p0m=0.8，ε11=p11/p0m=0.5

查出：

βm1=0.78

则：

例2：

已知：

p0=1MPa，p01=0.9MPa，p1=0.7MPa，p11=0.8Mpa，

t0=320℃，t01=305℃

求：

流量的变化。

解：

原工况：

新工况：

则

二、缩放喷嘴的变工况

Thechangingconditionofacontracting-expandingnozzle

设计背压p1a：

喷嘴喉部保持临界状态的最高背压。

设计背压pca：

保持蒸汽在斜切部分不膨胀的最低背压。

极限背压：

在斜切部分膨胀达到极限。

当p1a＜p1＜pca时，出现突击压缩（正冲波），使p1＞pcr

第二节级与级组的变工况

Thechangingconditionofastageandstagegroup

一、变工况下级前后参数与流量的关系

Therelationshipwiththefront—backparameterofastagewhentheconditionischanged

（一）

（一）  级在临界工况下工作

1、1、 工况变动前后喷嘴均处于临界状态

2、2、 工况变动前后动叶均处于临界状态

（1）

（1）      与喷嘴一样：

（2）

（2）      列动叶进口和进口滞止截面的连续方程

（3）（3）      动叶进出口速度可写成

结论：

级在临界状态下工作，不论临界状态发生在喷嘴或动叶，通过该几的流量均与级前压力成正比，而与级后压力无关。

（二）

（二）  级在亚临界工况下工作

（三）（三）  一种工况处于临界状态，另一种工况处于亚临界状态

若变动前为临界工况，变动后为亚临界工况，则可用临界工况公式计算到εn=εcr处，再用亚临界工式由εn=εcr算到变动后的工况。

反之则计算方法相反。

二、变工况下级组前后压力与流量的关系

therelationshipbetweenthefront—backparameterandflowofstagegroupwhentheconditongischanged

级组：

流量相同的若干个相继排列的级组成。

（一）

（一）  变工况前后级组内各级均未达到临界状态

一个级组是否处于临界状态，取决于级组的末级是否处于临界状态。

对某一级：

对于凝汽式汽轮机：

pz1＜＜p01，pz＜＜p0

最末一、二级除外。

（二）

（二）  变工况前后级组内均达到临界状态

设末级达到临界状态：

结论：

变工况时，若级组最后一级始终处于临界状态，则通过该级组的流量与级组中所有各级的初压成正比。

（三）（三）  弗留格尔公式应用条件

1、1、 级组中各级流量相同（有回热抽汽也可应用）；

2、2、 级组中各级的通流面积变工况前后保持不变（结垢后需修正）；

3、3、 级组中级数不少于3~4级。

（四）（四）  弗留格尔公式的应用

1、1、 监视汽轮机通流部分运行是否正常；

2、2、 推算不同流量下各级的级前压力。

三、变工况时各级焓降的变化

thevarietyofeachstage’senthalpydropwhentheconditionischanged

将蒸汽近似当作理想气体

1、1、 凝汽式汽轮机中间各级

负荷偏离设计值较大时，中间各级焓降也要发生变化。

2、2、 末级

无论末级是否达到临界状态，在不同的流量下，级前后压力比pz/pz-1不是常数，而是随流量G的变化而变化。

3、3、 调节级

调节级后压力正比于流量G，级前压力变化较小

4、4、 背压机

若末级均处于临界，则级前后压力与流量成正比，焓降变化规律同凝汽式一样。

但末级通常达不到临界，背压较高，不可忽略，此时：

初压越小，越接近末级，流量变化对这些级焓降的影响越大，因此，当级组的流量变化时，各级焓降的变化以末级为最大。

喷嘴调节的凝汽式汽轮机，当流量发生变化时，焓降的变化主要发生在调节级和末级中，而全机总的理想焓降基本保持不变。

在低负荷时，中间级的焓降也会减少，而最后几级减少的最多。

四、变工况时各级反动度的变化

thevarietyofeachstage’sdegreeofreactionwhentheconditionischanged

（一）

（一）  动叶进口处的汽流撞击损失

汽流打在动叶的内弧，形成正冲角。

正冲角加剧了汽道内横向压力差，它也是引起端部二次流损失的根源。

汽流打在动叶的背弧，形成负冲角。

无论正冲角，还是负冲角，都将产生撞击损失。

为减少撞击损失，进汽边做成园弧型。

汽轮机设计时一般采用接近于零或稍偏向于负值的冲角。

（二）

（二）  焓降变化时级内反动度的变化

若忽略动静间隙中比容的变化及间隙漏汽，则：

只有符合此条件，汽流才符合连续条件。

说明流入动叶的相对速度较小，不能使喷嘴中流出是汽流全部进入动叶内，动叶对汽流形成阻塞，动叶前压力增加，动叶中焓降增加，因此反动度增加。

反动度原设计值越小，则焓降改变引起反动度的变化值越大。

反动式汽轮机变工况时反动度基本不变，冲动级反动度在变工况时变化较大。

（三）（三）  通流面积变化时级内反动度的变化

F降低，动叶前压力增加，反动度增加；

F增加，动叶前压力降低，反动度减少。

（四）（四）  工况变动时级内反动度变化的估算

1、1、 速比变化引起级内反动度的变化

2、2、 面积比

变化引起的反动度的变化

3、3、 压比变化引起反动度的变化

第三节汽轮机的功率调节方式及调节级变工况

thegoverningwayofturbinepowerandthevariableoperatingmodeofcontrolstage

调节汽轮机的功率→调节汽轮机的流量：

节流、喷嘴、旁通、滑压

一、一、          节流调节

throttlinggoverning

特点：

所有进入汽轮机的蒸汽都经过一个或几个同时启闭的调节阀，然后流向第一级喷嘴。

各级通流面积不变，变工况时各级级前压力与流量成正比，δht几乎不变，Ω、x1、ηi基本不变（凝汽式汽轮机），但整机效率降低。

ηth的大小与通流部分结构无关，而与蒸汽初终参数和进汽量的大小有关。

背压机不宜采用节流调节，一般用在小机组上及承担基本负荷的机组。

二、二、          喷嘴调节及调节级变工况

nozzlegoverningandthevariableoperatingmodeofcontrolstage

（一）喷嘴调节的工作原理

当汽轮机负荷变化时，依次开启和关闭调节阀（3~10个调节阀），以调节汽轮机的进汽量。

在部分负荷下，只有一个调节阀部分开启，调节级总是部分进汽的。

（二）调节级的变工况

假设：

（1）Ω=0；

（2）调节阀全开压后p‘0不随流量的增加而降低；

（3）各调节阀之间无重叠度；

（4）调节级后压力与蒸汽流量成正比。

1、1、 调节级的内效率

设：

第一、二阀已全开，第三阀部分开启

则进入汽轮机的蒸汽分两股，一股通过全开的阀门，过程线为0‘2‘；另一股通过部分开启的调节阀，过程线为0‘‘2‘’。

这两股蒸汽都膨胀到压力p2，并在级后的汽室中混合，然后再一起流入第一非调节级。

为使这两股汽流混合均匀，调节级后的汽室容积较大，混合后的焓值为h2。

2、2、 调节级前后压力与流量的关系

（1）

（1）      解析法

对于凝汽式汽轮机，调节级后的压力p2∝D，即

（2）

（2）      几何做图法

调节阀后即各喷嘴组前的压力p01、p02是变动的，其值取决于各调节阀的开度大小，喷嘴后压力p1各喷嘴都相同。

各调节阀全开时所能通过的最大流量，彼此不一定相等，最后一个开启的调节阀通常在超负荷时投入。

调节级的焓降是随工况变动而变化的，当流量增加时，调节级的焓降先增大而后减少。

在第一个调节阀全开而第二个调节阀未开时，p2/p‘0达到最小，而级前温度上升到最高值，调节级焓降达到最大值。

而后随着流量的增加，由于级前压力p‘0基本不变，而p2上升，所以焓降逐渐减少。

最危险的工况不是在汽轮机的最大工况。

3、调节级效率曲线

为一有明显波折的曲线，因调节阀全开时，节流损失小，效率较高；调节阀部分开启时，汽流受到较大的节流，效率将下降。

效率最高点为设计工况。

三、三、          滑压调节

thevariablepressuregoverning

滑压调节：

汽轮机调节阀保持全开或基本全开状态，通过锅炉调整新蒸汽压力（初温不变），达到改变蒸汽流量使其适应汽轮机不同负荷的要求。

定压调节：

保持汽轮机主汽阀前蒸汽参数不变，通过改变调节汽阀的开度来改变进汽流量。

（一）滑压调节的特点

1、提高了机组运行的可靠性和机动性

蒸汽压力低，温度基本不变，变工况时各部件金属温度变化小，热应力、热变形小。

2、提高了机组在部分负荷下运行的经济性

　　调节阀全开，节流损失小，提高了高压缸的内效率。

滑压与定压对中、低压缸工作不产生影响。

低负荷时，蒸汽压力低：

1①    循环效率下降，热耗率下降；

2②    给水压力降低，给水泵耗功减少；

3③    再热蒸汽温度升高，循环效率提高。

因此，在较高负荷时，采用滑压调节不经济，只有当负荷减少到一定的数

值时，节流损失较大，才有利。

即当循环效率的降低小于高压缸内效率的提高、给水泵耗功的减少和再热温度的升高引起的热效率提高的三者之和时，才采用滑压调节。

（二）滑压调节的方法

1、1、 纯滑压调节

锅炉热惯性大，反应迟缓，适应负荷变化慢。

2、2、 节流滑压调节

调节阀不开足，留有5～15%的开度，负荷降低时滑压，负荷增加时定压，待负荷稳定后，调节阀再回原位。

3、3、 复合滑压调节（定－滑－定）

低负荷：

滑压调节，除1~2个调节阀全关，其余全开；

高负荷：

定压，改变通流面积；

极低负荷（20%～30％额定负荷）：

为保证锅炉的水循环工况和燃烧的稳定，进行较低水平的定压。

300MW机组：

280MW以上，定压p0=17.4Mpa，t=540℃；

80MW以下，定压p0=4.9MPa

　600MW机组：

＜25%～30%额定负荷，定压；＞80％额定负荷，定压。

第四节凝汽式汽轮机的工况图

theoperatingmodedrawingofacondensingturbine

汽耗特性：

汽轮发电机组的功率与汽耗量之间的关系

汽耗特性方程式：

Pel=f（D）

工况图：

Pel=f（D）曲线

一、一、          节流调节汽轮机的工况图

theoperatingmodedrawingofthrottlinggoverningturbine

汽轮机内功率为有效功率Pel/ηg与机械损失ΔPm之和，汽轮机内效率为通流部分内效率与节流效率乘积。

Δpm在转速一定时是常数，此时η‘i、ηth、ηg变化不大。

背压机的空载汽耗量大于凝汽式汽轮机；喷嘴调节的空载汽耗量小于节流调节。

二、二、          喷嘴调节汽轮机的工况图

theoperatingmodedrawingofnozzlegoverningturbine

因调节级内效率随负荷变化呈波浪线形状，所以d与ηel也呈波折状，D0与Pel的关系不是一直线。

第五节蒸汽参数变化对汽轮机工作的影响

theinfluenceofvariablesteamparametersonturbineoperatingmode

流量变化——汽轮机变工况

蒸汽初终参数变化——汽轮机变工况。

参数波动在一定范围内允许，只影响机组的经济性，但超限则影响安全性。

一、一、          初压变化对功率的影响（初温、背压不变）

theinfluenceofthevariablep0onturbinepower

（一）经济上的影响（初压变化较小）

1、1、 调节阀开度不变

此时p0变化，引起流量变化。

（1）凝汽式汽轮机

（2）

（3）p0变化不大时，

背压越高，p0对P的影响越大。

背压机功率的变化比凝汽式汽轮机大。

i

2、2、 流量保持不变

流量不变，则要改变调节阀的开度，可采用喷嘴调节和节流调节方法。

节流调节：

G不变，则第一级前压力不变，ΔHt不变，Pi不变，只是阀门开度改变，节流损失改变。

喷嘴调节：

初压变化，改变最后一个调节阀开度。

若忽略最后一个调节阀的节流损失，则

对于中间再热机组，初压的改变只影响高压缸的理想焓降，对汽轮机的功率的影响较小。

（二）安全性的影响（初压变化较大）

初压增加：

①若初温不变，热力过程线左移，末级叶片处蒸汽湿度增加，工作条件恶化。

②调节级在危险工况，即第一阀全开，第二阀未开时，因初压与流量成正比，使动叶片应力增加，超过材料许用应力，因此初压增加较多时，要对调节级叶片强度进行核算。

初压降低：

若功率保证，则流量要增加，各级前压力增加，末级焓降增加，末级易过负荷，轴向推力增加，因此初压降低较多时，要限制汽轮机的出力。

二、二、          初温变化对功率的影响（初压、背压不变）

theinfluenceofthevariablet0onturbinepower

初温变化→功率变化→蒸汽在锅炉内吸热量变化→初焓变化。

假设：

蒸汽在锅炉中吸收的总热量

不变，则：

（一）

（一）  经济性的影响（初温变化不大）

1、

2、

3、

初温升高30~50℃，相对内效率约升高1%。

（二）

（二）  安全性的影响（初温变化较大）

初温增加：

金属材料高温蠕变增加，许用应力降低，不允许超过上限值。

初温降低：

各级焓降降低，反动度增加，轴向推力增加；

若此时流量增加，则末几级隔板应力增加，末级动叶片应力增加；

因此，初温降低时，要减负荷，使零件内应力和轴向推力不超限；或当初温降低的同时，要使初压降低，以减少末级叶片处的湿度。

三、三、          背压变化对功率的影响（初压、初温不变）

theinfluenceofthevariablepconturbinepower

凝汽设备变化→背压变化→汽轮机内功率变化。

变化情况与末级汽流是否达到临界有关。

设：

原工况的末级出口压力等于pcr，

由连续方程：

（一）

（一）  背压由临界压力p2cr升高

将引起：

1、汽轮机理想焓降减少；

2、最后级余速损失的改变；

3、最后几级效率的改变；

4、凝结水温度升高引起最后一级回热抽汽量的改变。

背压改变前：

背压改变后：

（二）

（二）  背压由临界压力p2cr降低

此时功率的改变只是由于末级功率的变化引起的

（三）（三）  通用曲线

1、汽轮机的背压变化时，单位蒸汽流量的功率变化量

与

之间的关系曲线。

2、凝汽器真空修正曲线

不同流量下，背压变化引起功率变化的曲线。

在很大范围内，功率的增加与背压成直线关系，而与流量无关。

（图3~28）

3、背压对安全性的影响

背压升高（真空恶化）：

①

；

②排汽部分法兰、螺栓应力增加，同时排汽温度升高，热膨胀、热应力、热变形增大，通流间隙降低，转子中心破坏，机组振动加剧，另外凝汽器胀口松动，冷却水漏入汽空间；

③转子在排汽室部分没有阶梯时，背压升高，轴向推力增加；

④转子在排汽室部分有阶梯时，背压升高，轴向推力降低，造成反推力；

⑤夏季，排汽温度升高时，使排汽压力升高，采用后汽缸喷水减温。

背压降低（真空提高）：

若流量不变，则

，易出现膨胀不足，或末级过负荷，应限制流量。

第六节变工况时轴向推力的变化

thechangingthrustofaxialwhentheoperatingmodeischanged

一、一、          蒸汽流量变化对轴向推力的影响

theinfluenceofthevariablesteamflowontheaxialofthrust

1、1、 凝汽式汽轮机压力级

作用在一个级上的轴向推力，主要取决于级前后的压力差和反动度的乘积。

而末级轴向推力占总轴向推力较小，因此，轴向推力随负荷的增大而增大，在最大负荷时达最大值。

2、2、 凝汽式汽轮机的调节级

第一个阀全开，第二个阀部分开启，因级后压力很低，使动叶内达到临界（b）

从a点起为节流过程，

。

反动式汽轮机的轴向推力变化比冲动式汽轮机小。

节流调节的汽轮机，G增加时，除最后一、二级外，焓降基本不变，则反动度也基本不变，但各级前后压差增加。

3、3、 背压机

FZ最大值不是发生在最大负荷，而是在中间某一负荷。

二、二、          几种特殊工况的变化对轴向推力的影响

theinfluenceofseveralspecialoperatingmodeontheaxialofthrust

1、1、 新蒸汽温度降低

2、2、 水冲击

水冲击

3、3、 负荷突增

4、4、 甩负荷

若阀门卡涩，则

。

5、5、 叶片结垢

动叶结垢严重时，

，应测量轴承的工作瓦块温升，以监视轴向推力的变化。