汽轮机热力系统的设计.docx
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汽轮机热力系统的设计
毕业设计说明书（论文）
作者：
XX学号：
12345678641661
院系：
XXXXXXXX系
专业：
电厂热能动力工程
题目：
300mw汽轮机热力系统的设计
指导者：
XX
评阅者：
20xx年x月吉林
摘要
本论文主要设计了300MW双缸双排汽，高中压缸合缸，低压缸双流程的反动凝汽式汽轮机，目前在国内是主流的汽轮机机型。
本机组的特点是采用一次中间再热提高机组的发电效率；通过八级抽汽加热给水提高给水温度，从而提高机组的效率。
本机组在设计工况下的热耗率是7955.11kj/（kw.h），汽轮机机组的绝对电效率是45.25％。
故本机组在设计上是安全、经济的。
本机是300MW双缸双排汽反动凝汽式汽轮机设计，主要包括以下内容：
（1）透平机械的热力计算；
（2）通流部分计算；
（3）汽轮机热力系统设计；
（4）总体结构设计。
其中，热力计算主要计算各缸的焓降和加热器抽汽点参数；热力系统设计通流部分主要完成叶片尺寸的计算和校核；热力系统设计部分对整机的热力系统进行了粗略的设计，涉及主蒸汽及再热系统、回热系统等；总体结构设计则对汽轮机各部件的选材、选型等进行了分析
N300型汽轮机采用一次中间再热，也就是新蒸汽经高压缸做功后，再放回到锅炉中，加热后，再进入中压缸在额定工况下，高压缸排汽压力为3.62MPa，温度为347℃，经再热器后压力降为3.26MPu，温度升高到537℃，回到汽轮机中压缸继续做功。
采用中间再热后可降低低压缸末级排汽温度减轻末级叶片水蚀程度，对阻止汽轮机组低压末级叶片水蚀特别有利，提高了机组的可靠性，但采用中间再热后，将使制造复杂，成本升高。
本30MW汽轮机的通流部分由高、中、低三部分组成，共有35级，除高压调节级为冲动级外，其中34级均为反动级。
高压部分有1个单列调节级和11个压力级；中压部分有9个压力级；低压部分为两分流式，每一分流有7个压力级，两个分流对置在低压缸中。
通流部分的详细计算可参照附表格。
本机组可以参加一次调频，调节系统的速度变动率、迟缓率等性能良好。
机组全甩负荷时能维持空转，本机组还装备了各种保安设施。
本300MW汽轮机完成了毕业设计中要求的热力系统设计和结构设计。
而且按照现代汽轮机的发展要求，达到了良好的安全性和经济性。
具体设计请参照相关章节。
关键词：
汽轮机，高压缸，高温高压，给水泵
ABSTRACT
Thisthesismainlydesignof300MWsteamdischarge,highschoolapplingdualcylinderpressureandlowpressurecylindercylinder,doubleprocessofthereactionarysteamturbine,atpresentinChinaisthemainstreamofthesteamturbinemodel.Theunitistheuseofthecharacteristicsofareheatraisetheefficiencyofpower;Throughtheextractionsteamheatingwatersupplywatertemperatureincrease,soastoimprovetheefficiencyoftheunit.Theunitinthedesignconditionoftheheatconsumptionrateis7955.11kj/（kw.H）,steamturbineunitsoftheabsolutepowerefficiencyis45.25%.Thereforethisunitinthedesignissecurity,theeconomy.
Thismachineis300MWapplingdualexhauststeamcondenserreactionaryturbinedesign,mainlyincludesthefollowingcontent:
（1）thethermodynamiccalculationofturbinemachinery;
（2）theflowofcomputing;
（3）steamturbinethermalsystemdesign;
（4）thewholestructuredesign.
Amongthem,thethermodynamiccalculationofthemaincomputingeachcylinderenthalpydropandheaterextractionsteampointparameters;Thethermalsystemdesign,theflowofthesizeofthemaincompletebladecalculationandcheck;Thethermalsystemdesignofthethermalsystemofthedesignoftherough,involvingthesteamandhotsystem,backagainhotsystems;Generalstructuredesignisonsteamturbineofcomponentsofselectmaterial,selectionwereanalyzed
SteamturbineN300typeusingareheat,alsoisthenewsteamthehigh-pressurecylindersafterwork,putbacktotheboiler,heating,andthenintothempcylinderinundertheratedconditions,highpressurecylinderexhauststeampressureis3.62MPa,temperatureof347℃,thepressuredropof3.26afterreheaterMPu,temperatureto537℃,backtothesteamturbinempcylindercontinuetodowork.
Afterthereheatcanreducelowpressurecylinderlevelattheendoftheexhauststeamtemperaturereducethelaststagebladetopreventwatererosiondegree,lowpressuresteamturbineunitofwatererosionofthelaststagebladespecialfavorable,improvethereliabilityoftheunit,butthereheat,willmakemanufacturingcomplexafter,costisincreased.
The30MWsteamturbine,theflowoftheinpartbythehigh,mediumandlowofthreeparts,atotalof35level,inadditiontohighpressureleveladjustmentforimpulsethelevel,34ofthemlevelarethereactionarylevel.Highpressureparthasasingleadjustleveland11pressurelevel;Mediumvoltagepart9pressurelevel;Lowpressureparttwo,eachforstreamingshuntsevenpressurelevel,twotapintothelowpressurecylinder.Theflowofthepartofthedetailedcalculationcanconsultenclosedform.
TheunitmaytakeaFM,adjustthespeedofthesystemchangerate,ChiHuanLv,suchasperformanceisgood.Allunitsduringloadrejectioncanmaintainidling,theunitisalsoequippedwithallkindsofsecurityfacilities.
The300MWsteamturbinecompletedthegraduationdesignrequirementsofthethermalsystemdesignandstructuredesign.Andaccordingtotherequirementsofthedevelopmentofmodernsteamturbine,achieveagoodsafetyandefficiency.Pleaserefertotherelevantsectionsofthespecificdesign.
Keywords:
Steamturbine,highpressurecylinders,hightemperatureandhighpressure,thepump
第1章绪论
1.1汽轮机简介
汽轮机是以水蒸气为工质，将热能转变为机械能的外燃高速旋转式原动机。
它具有单机功率大、效率高、运转平稳、单位功率制造成本低和使用寿命长等优点。
汽轮机是现代化国家中重要的动力机械设备。
汽轮机设备是火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、调节保安油系统、辅助设备及热力系统等。
汽轮机本体是由汽轮机的转动部分（转子）和固定部分（静子）组成，调节保安油系统主要包括调节气阀、调速器、调速传动机构、主油泵、油箱、安全保护装置等；辅助设备主要包括凝汽器、抽气器、高低压加热器、除氧器、给水泵、凝结水泵、凝升泵、循环水泵等；热力系统主要指主蒸汽系统、再热蒸汽系统、旁路系统、凝汽系统、给水回热系统、给水除氧系统等。
汽轮机是现代火力发电厂应用最广泛的动力机械，并且通常在高温、高压和高转速的条件下工作，是一种较为精密的重型机械。
它的制造和发展涉及到许多工业部门和科学领域，如高强度耐热合金钢的研制，优质的大型锻铸件的供应，高效长叶片的设计和研制，在加工制造中，新工艺新技术的应用等。
因此，汽轮机制造业的发展是反映国家工业技术发展水平的标志之一。
目前，我国的汽轮机制造业还比较落后，还需要继续努力发展，将我国的汽轮机设计、制造水平提高上去。
1.2电站高参数大容量汽轮机技术研究和国内外发展现状
随着我国工农业的日益发展，电力工业对汽轮机制造业提出的要求不断提高，汽轮机向大容量、高参数、低污染、高可靠性、负荷适应性高、自动化程度高、安全、经济方向发展。
现代大型汽轮机一般都采用级数多、多汽缸、多排汽的结构；汽缸采用内、外双层或者多层缸的结构。
汽轮机设计必须选择合理的热力循环，汽轮机的通流部分应有良好的热力和气动特性，汽轮机主、辅机及其主要零件应具有满意的强度和振动特性，良好的自动调节性能以及合理的制造工艺。
现在国内外电站汽轮机的技术不断发展，其发展的趋势［ ］是：
（1）增大单机功率，提高蒸汽初参数，改进汽轮机的通流设计，优化中间再热和给水回热系统，以提高汽轮机的热经济性；
（2）发展大型热电联产机组和燃气—蒸汽联合循环机组，以提高一次能源的利用率；
（3）开发计算机和电子元器件为基础的汽轮机自动控制系统，以提高汽轮机控制的自动化水平；先进
（4）采用的加工制造设备和工艺，按标准化的质管要求确保产品质量，提高机组的可靠性和可利用率。
汽轮机的末机长叶片一直是提高汽轮机效率的研究方向。
国内外的汽轮机制造厂商在长叶片的设计研究中采用了一系列气动及强度振动方面的最新技术成果。
在长叶片设计中主要的新技术有：
（1）三元气动理论的设计方法，应用可控涡流型，提高反动度分布，减少二次流损失，改善出口流场的均匀性，减少排汽损失和漏气损失；
（2）应用CAD软件进行叶型设计，保证其能满足气动参数的要求；
（3）跨音速叶栅的设计，采用直线背弧以减少叶型的激波损失；
（4）新的动强度考核准则，对高阶振型的安全性作出评估。
1.3本课题设计意义
本课题设计了一台300MW的中间再热式汽轮机，在设计过程中我参考了以前的设计数据，同时参考了当前汽轮机的最新进展。
针对当前节能减排的要求，对低压缸的末几级叶片采用技术成熟的长叶片，从而尽量提高汽轮机的一次能源利用效率。
在设计的过程中避免了同类型机组给水回热系统的缺点，优化了给水回热系统。
通过对本课题的设计，使我加深了对汽轮机原理的认识，也熟悉了整台汽轮机的设计过程，为我以后的创新打下了良好的基础。
虽然这次的毕业设计课题比较传统，汽轮机设计的方法是不变的。
同时通过本课题的设计也让我了解到了当前国内外汽轮机的发展现状。
第2章热力系统设计
2.1机组的主要技术规范
1、主要的技术规范［9］
（1）型号N300-16.7/537/537型
（2）形式亚临界、一次中间再热、单轴、双缸双排汽反动凝汽式汽轮机
（3）额定功率300MW
（4）保证最大功率（T-MCR）326MW
（5）VWO＋5％OP工况功率329MW
（6）主汽阀前额定蒸汽压力16.7MPa
（7）主汽阀前额定蒸发温度537℃
（8）再热汽阀前额定蒸汽压力3.26MPa
（9）再热汽阀前额定蒸发温度537℃
（10）额定转速3000r/min
（11）旋转方向自机头往发电机方向看，为顺时针方向
（12）额定冷却水温25℃
（13）维持额定功率的最高冷却水温度35℃
（14）额定排汽压力0.0054MPa
（15）维持额定功率时的排汽压力0.012MPa
（16）额定工况时汽轮机主蒸汽流量921.4t/h
（17）额定工况时再热蒸汽流量744.3t/h
（18）额定给水温度272.5℃
（19）回热系统三个高压加热器，一个除氧器，四个低压加热器，共8段回热抽汽
（20）额定工况下净热耗率7955.11kj/（kw.h）
（21）汽轮机级数35级
高压缸调节级+11个反动级
中压缸9个反动级
低压缸2×7个反动级
（22）配汽方式喷嘴配汽
（23）给水泵驱动方式小汽轮机
（24）制造厂家上海汽轮机厂
※注：
本设计的压力值均指绝对压力
2、机组的主要热力工况设计要求
（1）额定工况：
汽轮机在额定进汽参数、额定排汽压力、补水率为0％、回热系统正常投运的条件下，能发出的额定功率为300MW，进汽量为921.4t/h，保证热耗率为7955.11KJ/（kw.h）。
（2）夏季工况：
在额定进汽参数、排汽压力为12kPa，补水率为3％条件下，能保证发出额定功率为300MW，进汽量为985t/h，热耗率为8386kJ/（kW.h）。
机组允许的最高排汽压力为18.8kPa。
（3）阀门全开工况（VWO）：
在额定进汽参数、额定排汽压力、补水率为0％、回热系统正常投运的条件时，调节汽阀全开工况下，最大进汽量为985t/h，功率为315MW。
（4）VWO＋5％OP超压工况：
蒸汽参数为17.5Mpa/538℃/538℃，排汽压力为5.4kpa，补水率为0％，阀门全开、回热系统正常投运时，机组的计算最大进汽量为1028t/h，功率为329MW。
（5）当3台高压加热器全部切除后，在额定的进汽参数、额定的排汽压力、补水率为0％的条件下，机组仍能发出额定功率。
2.2给水回热加热系统及设备
机组的热力系统由主系统即给水回热系统和多个既独立又与主系统互相关联的辅助系统组成，主要包括阀杆及汽封漏汽、补充水、减温水、给水泵小汽轮机，以及厂用汽等。
本机组的具体热力系统设计见附图4。
汽轮机的热力系统的热力计算的基本任务就是确定抽汽参数。
根据给定的蒸汽及汽轮机的初参数，参考母型汽轮机的某些参数和学过的专业知识，初步确定所设计汽轮机的回热抽汽级数、流量和再热流量，最后进行校核。
本文正是按照这样的步骤确定给水回热系统各参数。
从汽轮机某些中间级后抽出部分做功的蒸汽进入若干换热器，逐渐加热给水和主蒸汽给水，不进入凝汽器。
这部分抽汽的热量用于加热给水，热焓被充分利用，而不被冷却水带走，使汽轮机的冷源损失减少了，循环效率可显著提高。
在采用回热抽汽后，汽轮机主蒸汽参数，排汽压力和功率不变的情况下，可使进汽量增加，排汽量减少，有利用于提高汽轮机的内效率。
采用回热加热后，汽轮机的总汽耗量增大了，而汽轮机的每千克新蒸汽所做功减少了，而热耗和煤耗的下降是因为冷源损失减少使给水温度提高，而衡量循环热经济性好坏的指标是汽轮机的热耗率和发电厂的煤耗率，所以采用回热加热系统后的热经济性提高了。
另外，采用回热加热系统，可以提高锅炉设备的可靠性。
所以现代大型汽轮机机组一般都采取回热加热给水系统。
2.2.1给水回热级数和给水温度的确定
给水回热和热经济性主要取决于给水的最终温度和回热级数。
给水温度越高，回热级数越多，循环的热效率越高［8］。
不同的回热级数，各有一个最佳给水温度，在此温度下，循环效益最大。
回热级数越多，最佳给水温度越高。
给水温度提高后，使锅炉设备投资增多或锅炉排烟温度升高而使锅炉效率降低。
增加回热级数不但设备投资及维修费用将随之增加。
而且随回热级数增加，热效率的相对增加减少。
因此，过多的回热级数和过高的给水温度也是不利的。
实际采用的最有利的给水温度要低于最佳给水温度，这是因为给水温度不仅与循环效率有关，而且还影响装置的技术经济性。
因此，实际采用的给水温度，需要根据热经济性与装置的技术经济生综合分析比较才能确定。
通常给水温度大约为蒸汽初压下饱和温度的65%--75%，常用的给水温度，回热级数见表2—1。
表2-1汽轮机系列参数表
蒸
汽
参
数
初压MPa
1.3
2.4
3.5
9.0
13.0
16.5
23.5
初温℃
340
390
435
535
535/535
565/565
540/540
背压kPa
~7.8
~7.8
7.8
5.1
4.8
3.24
3.43
功率范围MW
0.75~1.5
2.5~4.5
6~25
50~100
50~200
300~600
800
回热系数
2
3～4
4～5
5～6
6～7
7～8
7～8
给水温度℃
104
150
150～170
210～230
230～250
270～275
270～275
对于本N300MW型汽轮机组，参照同类机组可选取给水温度tfw为272.5℃，回热级数n为8级，从而确定热力系统及结构任务书。
任务书：
300MW汽轮机热力系统及结构设计
初温：
537℃
初压：
16.6Mpa
再热温度：
537℃
背压：
5.4kPa
给水温度：
272.5℃
回热级数：
8级
2.2.2回热加热器形式确定
回热加热器按汽水传热方式不同，可分为表面形式和混和式两种，目前火力发电厂除了除氧器采用混合加热器外，余者均为表面式加热器。
根据加热器在系统中的位置和压力不同，又分为高压加热器和低压加热器两种。
在承受给水压力下工作，置于给水泵与锅炉之间的加热器称高压加热器；在凝结水泵出口压力下工作，置于凝结水泵与除氧器之间的加热器称为低压加热器。
无论是高压加热器还是低压加热器均属压力容器。
本机组采用8级回热抽汽，根据抽汽段数采用混合式加热器作为除氧器和七台表面式加热器。
其中低压加热器4台，高压加热器3台，除除氧器外均有疏水冷却器一台。
一段抽汽从第8级后抽出，供1号高压加热器。
二段抽汽从第12级后抽出，即从高压缸排汽管引出，供2号高压加热器。
当高压加热器发生故障时，为有效地冷却外缸，将二段抽汽引至再热器冷段。
三段抽汽从第17级后抽出，供3号高压加热器。
四段抽汽从第21级后抽出，即从中压缸排汽管引供出，供除4号除氧器外，还为驱动给水泵供汽。
五段抽汽从第30级后抽出，供5号低压加热器
六段抽汽从第25级后抽出，拱6号低压加热器。
七段抽汽从第26、33级后抽出，供7号低压加热器。
八段抽汽从第27、34级手抽出，供8号低压加热器。
注：
级数从调节级算起，即调节级为第1级。
低压缸级数从中部开始算起，先中压缸侧，后电机侧。
2.2.3热力系统的热力计算
1、高压缸部分
主蒸汽压力Po=16.7
MPa，参考参考文献［9］知：
高压缸的进汽损失
，故高压缸进口压力
。
由
，t0=537℃，查he-s图，hi0=3395.78KJ/kg。
因为高、中压缸分缸压力一般为入口压力的18%~26%，所以选取排汽压力为
MPa。
由
MPa等熵，查h-s知
KJ/Kg故H01=h0-hHS=3395.78–2981=415KJ/kg。
初步估计高压缸效率为
［1］，则实际焓降为：
Kg
KJ/Kg
由以上数据，可画出高压缸近似膨胀过程曲线如图2-1。
2、中、低压缸部分
如第一部分所述，高压缸排出蒸汽通过再热器后压力降为3.26MPa，温度升高为537℃。
选取再热损失△P＝9.58%［3］，所以Pzr=（1-△P）PzH=90.42%×3.62=3.272MPa。
考虑中压缸进汽损失，有PI＝（1-1.74%）Pzr=（1-1.74%）×3.282MPa。
由tzr=537℃，查h-s图可知，hzr=3537.7KJ/kg，中压缸效率可初步估计为oim=90%，将中压缸分缸压力选为入口压力的25.5%，中压缸的排汽压力为
PzI=25.5%×PI=25.5%×3.224=0.81MPa。
由PzI=0.81MPa等熵，查h-s图，知hzs=3106.7KJ/kg，
H02=hzs=3537.7-3106.7=431KJ/kg
实际焓降Hi=oim×H02=90%×431=387.9KJ/kg，所以蒸汽通过中、低压缸间的管道时，压力将会降低，取低压缸进汽损失△P=2%PzI，则低压缸进汽压力：
PL=（1-△P）PzI=（1-2%）×0.81=0.80MPa
由排汽压力Pk=5.4KPa，等熵查h-s图可知，hks=2273.8KJ/kg，所以：
H03=h2-hks=hzr-h’i
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