赵润泽汽轮机变工况的研究.docx

赵润泽汽轮机变工况的研究.docx

《赵润泽汽轮机变工况的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《赵润泽汽轮机变工况的研究.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

赵润泽汽轮机变工况的研究

昌吉学院论文（设计）分类号：

本科毕业论文（设计）密级：

汽轮机变工况的研究

系院物理系

学科门类工学

专业能源工程及自动化

学号1225862040

姓名赵润泽

指导教师王刚前

教师职称

年月日

毕业论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果或作品。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

赵润泽

年月日

毕业论文版权使用授权书

本毕业论文作者完全了解学院有关保存、使用毕业论文的规定，同意学院保留并向有关毕业论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权本学院及以上级别优秀毕业毕业论文评选机构将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库以资检索，可以采用复印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文。

声明人签名：

导师签名：

王刚前

年月日年月日

1、摘要

汽轮机的发明及应用对现代工业的发展有着卓越的贡献，也是现代火力电厂中使用最广泛的原动机。

随着国家能源体系结构的不断变化，汽轮机在社会推动各部门经济的发展具有重大的影响。

汽轮机主要是以锅炉蒸汽为动力来源，依次经过一系列内部环形配置的喷嘴和汽轮机的动叶，将蒸汽的热能通过转化成为机械功的旋转机械设备。

汽轮机在额定出力下的工作状况称为理想工况或设计工况，但是汽轮机在实际的运行过程中，汽轮机的设计工况将根据外界的需求而变化，汽轮机的初始参数值和转速值也有可能变化，这些均会引起汽轮机内部各项参数及零部件受力情况的变化，从而影响汽轮机的经济，安全的运行要求，这种情况与设计条件不相符合的运行工作状况称为汽轮机的非设计工况或变工况。

结合实习经历，分析华电新疆昌吉热电厂二期125MW汽轮机的运行工况，分别从汽轮机变工况所涉及到的渐缩喷嘴和级内这两方面展开讨论及认识，分析工况变化时对汽轮机性能的影响，改善机组变工况时的性能，保证汽轮机在变工况下能安全、经济地连续运行。

关键词：

汽轮机变工况喷嘴安全经济

Studyonthesteamturbine

2、Abstract

Inventionofsteamturbineandapplicationofmodernindustrialdevelopmenthasaremarkablecontribution,isalsothemodernthermalpowerplantusingthemostextensiveoriginalmotivation.Withthechangingofnationalenergysystem,steamturbineinsocietypromotethedevelopmentofthevarioussectorsoftheeconomyhasasignificantimpact.Steamturbineismainlytotheboilersteamasapowersource,followedbyafteraseriesofinternalringconfigurationofnozzleandturbinerotorblade,steamheatbytransformationbecomemechanicalworkofrotatingmachinery.Steamturbineatratedoutputunderworkingconditionknownastheidealconditionanddesigncondition,buttheturbineinthecourseoftheactualoperation,designconditionofsteamturbinewillbebasedonLaunchedadiscussionandunderstandingofexternaldemands,valuesoftheinitialparametersoftheturbinespeedandalsomaychange.Allofthesewillcausedbychangesinthestressconditionsofthesteamturbineinternalparametersandtheparts,thusaffectingtheturbineeconomic,safeoperationrequirements.Thissituationanddesignconditionsdonotconformtotheoperatingstateofsaidforsteamturbineoffdesignconditionsorvariableconditions.CombinedwithpracticeexperienceandoperatingconditionsofXinjiangHuadianChangjiThermalPowerPlantPhaseIIfor125MWSteamTurbine,respectivelyfromthesteamturbinevaryingconditionrelatedtothetaperednozzleandthetwoaspects,theeffectofthechangeofworkingconditionanalysisofsteamturbineperformanceof,improveunitPerformanceistheconditionofsteamturbineundervariableconditionstoensuresafety,economiccontinuousoperation.

Keywords:

steamturbine；nozzle；safety；economy

引言

汽轮机的热力设定是依据预先要求的锅炉蒸汽初始与结束参数，转速及给定功率进行的，这些给定的参数值都称为设计值，在汽轮机实际运行过程中，如果各种参数都能以保持给定的设计值，那么这种运行工况称之为设计工况，汽轮机在这种状态下运行，效率是最高的，最为经济，也称为经济工况。

然而在实际生产运行过程中，因为各种元素的影响，包括锅炉蒸汽参数，外部负荷和机组转速总是保持不断变化，因此不会保持设计工况运行。

汽轮机偏离设计工况参数运行，就是汽轮机变工况运行。

在变工况条件下运行，汽轮机的效率及各个零部件受力的情况，热膨胀和变形等等都会有变化，进而影响整个机组的经济和安全性。

研究汽轮机变动工况的意义在于：

讨论汽轮机在要求的不同工况下工作效率的变化趋势和主要汽轮机零部件的受力，热膨胀及变形的变化规律，确保在不同工况下汽轮机能够以最安全，经济的方式运行。

由于汽轮机的变工况特性非常复杂多变，影响其运行的因素也有很多，所以本文以华电新疆昌吉热电厂二期#3机组中125MW双抽汽凝汽式汽轮机为汽轮机变工况研究对象，讨论汽轮机在稳态下的变工况运行特性，主要讨论分析125MW汽轮机的负荷变化，锅炉蒸汽的初终参数和在不同的功率控制措施对汽轮机安全，经济性的影响。

本论文所分析的对象为昌吉市昌吉热电厂#3机组的汽轮机，此汽轮机为双抽汽凝汽式汽轮机，此汽轮机设备基本形式为单轴、双汽缸、双排汽抽汽、反动凝汽式，具被两级调整抽汽功能，其额定功率为125MW（纯凝工况时），这种汽轮机是从汽轮机中间级抽出一部分的蒸汽供给用户，在发电的同时兼城市供热的汽轮机，这种汽轮机可以根据不同用户的需求，设计成一次调节或二次调节抽气式汽轮机。

在适应外界负荷变化的时候，就涉及到汽轮机变工况的问题，这对汽轮机的级，级组及调节方式都提出了要求。

本毕业论文就以讨论渐缩喷嘴压力与流量的关系，以及级的变工况展开对汽轮机变工况的认识及理解。

1汽轮机变工况时级的压力和流量的关系

1.1渐缩喷嘴压力和流量的关系

我们都知道，想要了解汽轮机变工况的整体特性，首先要知道汽轮机基本的做功单元，“级”的含义，而汽轮机喷嘴的变工况是分析级，级组和整个汽轮机变工况的重要基础。

想要了解喷嘴的变工况，就要明白喷嘴在前后压力及流量之间的变化，通过学习我们可以知道无论汽轮机喷嘴是否有临界状态的出现，其通过喷嘴的流量变化和喷嘴在前后参数的联系，都可以用下面总结的关系式来表达：

（1-1）

这其中G为工况变动之前通过喷嘴的流量，p0*为变工况蒸汽未通过喷嘴时的蒸汽压力,T0*为变工况之前蒸汽的温度以及流量比β（β=G1/Gcr）。

而汽轮机变工况之后表达式又可以写成：

（1-2）

此时的流量比为β1=G11/Gcr，将蒸汽视作理想的气体，我们就可以利用气体的状态方程pv=RT，忽略汽轮机变工况时的温度变化影响，通过上面的两个公式可以得出并化简得：

（1-3）

以上只是针对大部分情况而言，不管喷嘴中是否有临界状态的存在，在对于汽轮机工况变化前后都是临界状态的情况而言，当前后工况变动后都为临界工况时，则有β1=β=1，就有以下表达式：

（1-4）

当不考虑温度的影响时式（1-3）可以写成：

（1-5）

由上面几个式子可以得出两个结论：

当喷嘴前后两种工况都是非临界工况时，β1<1,β<1,此时流过喷嘴的流量和喷嘴变工况前后的参数变化都有影响；当变化前后的两种工况都是临界工况，即β1=β=1时，通过喷嘴的流量只与喷嘴前的参数变化相关联。

根据式（1-4），如果在计算时忽略蒸汽初始温度的变化，我们就可以计算喷嘴变工况的流量，也就是说根据工况确定任意工况下的的流量或是压力。

当级前的温度变化的影响不可消除时，就要用式（1-5）来计算。

1.2昌吉热电厂125MW汽轮机在不同工况下的工况流程图

以下就以昌吉热电厂二期汽轮机的THA工况，TRL工况，VWO工况和TMCR工况这四种工况展开对比分析。

THA工况是指汽轮机最大效率的额定工况，称为汽机的热耗验收工况，一般在设计背压下，也是所说的理想工况；TRL工况是汽轮机的额定负载工况，其额定功率的补水率为3%，这种工况代表机组运行寿命内平均效率的额定工况，在这中工况下真空度有所下降；汽轮机TMCR工况是指用等于TRL工况下的蒸汽总量在THA工况下发电，看能发多少电，对应的是锅炉额定蒸发量；VWO工况就是指汽轮机阀门不节流，即让所有的过热蒸汽做功，，是整个汽轮机发电机组可以发的最大功率。

华电二期的汽轮机总共有6个抽气口，分别是在高压缸的十四级和二十级后；中缸的二十一级，二十六级和二十八级之后；低压缸的三十一级之后，我们能够可以从各工况图中明显的看到六个抽气口，以及标出抽出蒸汽的参数。

1.2.1汽轮机THA工况与TRL工况

本机组汽缸分为高中压缸和低压缸两部分，高中压缸是单层结构，汽缸内装有高压喷嘴室，中压喷嘴室，五级持环，平衡活塞汽封和前后汽封部套,高中压通流部分由两级单列调节级和二十八级压力级组成。

低压缸是双层缸结构，分外缸和内缸，通流部分由左右各六级压力级采用双流，双排汽。

在高中压缸和低压缸之间经两根有柔性补偿能力的连通管连接。

从上图可以看出在额定的工况下，从锅炉中出来的过热蒸汽的参数，蒸汽压力9.50p，535.0℃，焓值为3487.9kj/kg,流量452865kg/h（额定流量450000Kg/h），下表就是由THA工况变为TRL工况时高中压部分和低压部分的喷嘴变工况彭台门系数的比较偏差：

汽轮机THA工况与TRL工况对比偏差

高中压部分

压力MPa

温度℃

流量kg/h

偏差

THA

2.98

377.4

31283

1.105/1.04

TRL

3.12

379.1

34587

THA

1.68

302.4

13404

1.115/0.934

TRL

1.76

303.6

14949

THA

0.946

250

20082

1.10/1.04

TRL

0.987

250.8

22130

THA

0.43

169

13588

1.094/1.13

TRL

0.448

169.7

14877

THA

0.252

127.8

21263

1.073/1.038

TRL

0.263

129.1

22810

低压部分

THA

0.0783

92.9

34048

0.814/1.05

TRL

0.0834

94.6

27704

这其中的偏差是将式（1-4），拆分成两部分计算，表格中偏差一栏中，前一部分是流量比，后一部分是不忽略温度计算所得，前后近似等于1，即β1=β=1，则可以看做工况变动前后都为临界工况。

1.2.2汽轮机THA工况与TMCR工况

用上面相同的方法可以得出这两种工况在变化前后也属于临界工况，通过对比数据，不难发现THA工况在变换TRL工况与TMCR工况时，数据较为相似，因为TMCR工况是将TRL工况的蒸汽总量在THA工况的条件下进行运行，测试最大的发电量。

汽轮机THA工况与TMCR工况对比偏差

高中压部分

压力MPa

温度℃

流量kg/h

偏差

THA

2.98

377.4

31283

1.072/1.047

TMCR

3.13

379.6

33541

THA

1.68

302.4

13404

1.073/1.044

TMCR

1.76

304.2

14392

THA

0.946

250

20082

1.075/1.046

TMCR

0.993

251.5

21454

THA

0.43

169

13588

1.062/1.045

TMCR

0.451

170.2

14429

THA

0.252

127.8

21263

1.062/1.045

TMCR

0.265

129.3

22577

低压部分

THA

0.0783

92.9

34048

1.069/1.039

TMCR

0.0819

94.1

36410

1.2.3汽轮机THA工况与VWO工况

汽轮机THA工况与VWO工况对比偏差

高中压部分

压力MPa

温度℃

流量kg/h

偏差

THA

2.98

377.4

31283

1.115/1.075

VWO

3.22

380.7

34892

THA

1.68

302.4

13404

1.117/0.958

VWO

1.81

305.1

14979

THA

0.946

250

20082

1.109/1.073

VWO

1.02

252.2

22267

THA

0.43

169

13588

1.098/1.07

VWO

0.463

170.9

14928

THA

0.252

127.8

21263

1.098/1.069

VWO

0.272

130.2

23357

低压部分

THA

0.0783

92.9

34048

1.110/1.062

VWO

0.084

94.8

37801

在通常汽轮机的运行过程中，蒸汽是要节流的，换句话说就是没有彻底的将阀门打开，而在VWO工况中，阀门全开，将锅炉中过来的过热蒸汽全部用于做功，考核汽机最大进气量与锅炉的最大连续出力的保证值。

1.2.3汽轮机THA工况与采暖抽气工况

汽轮机THA工况与采暖抽气工况对比偏差

高中压部分

压力

温度

流量

偏差

THA

2.98

377.4

31283

1.009/0.993

采暖抽气

2.96

377.6

31562

THA

1.68

302.4

13404

1.062/0.873

采暖抽气

1.64

301.7

14233

THA

0.946

250

20082

1.697/0.953

采暖抽气

0.898

246.8

34092

THA

0.43

169

13588

3.892/0.934

采暖抽气

0.396

164.2

52890

THA

0.252

127.8

21263

8.674/1.02

采暖抽气

0.259

128.6

184452

低压部分

THA

0.0783

92.9

34048

0.195/0.431

采暖抽气

0.029

68.4

6650

厂外的热水网热源由二期的两台125MW双抽供热式机组供给，分别通过两台机组的四五、厂段可调整抽气在热网加热器中与热网循环进汽水换热,加热后的热网循环水由热网循环泵向市区供热。

之前的三种情况都是假设前后变动工况都为临界工况，然后通过公式验算得到的，然而用公式计算THA工况与采暖抽气工况时，发现前后的工况变动不全是临界工况，所以这里采暖抽气工况不属于临界工况。

通过以上的比较及数据的分析，喷嘴的变工况对汽轮机运行的影响是最为根本的因素。

其次过热蒸汽的品质也决定了汽轮机变工况时的效率高低，变工况的过程是复杂的，其中涉及到设备的热膨胀，负荷需求等等。

2级的变工况

2.1级的前后流量与压力的关系

2.1.1在临界工况下级的工作情况

在喷嘴变工况的中，式（1-4），（1-5），对于动叶而言，在临界工况状态下也同样适用，从式（1-5）中，我们能得到这样的结论，级只要工作在临界工况状态下，无论喷嘴或是动叶中存在临界状态，其流通该级的流量和级前压力成正比例，和它的级后压力没有关系，同理当温度变化不能忽略时，就要用式（1-4）来计算。

2.1.2亚临界工况下级的工作状态

蒸汽的流动在喷嘴和动叶中流动未达到临界状态下时，就可用一下公式表达任何一级喷嘴出口横截面的流量：

（2-1）

对比可以写出另一工况的流量方程式：

（2-2）

式（2-1）和（2-2）中

为反动度，衡量蒸汽在动叶片膨胀程度的参数指示，这两式相比可以的得到下式：

在一般的情况下式中的最后一部分认为

=1，忽略体积变化，而

为反动度的变化，而反动度由焓降计算得到，假如我们认为级的径向与轴向间隙较大时，

就可以认为是零，最终化简式（2-3），得到：

（2-3）

在针对亚临界情况，前后的蒸汽压力变化较大，所以上式中的

就远大于

，式（2-4）进一步化简得到

（2-4）

在忽略温度变化，又能写成：

（2-5）

所以当级内流动或变工况没有达到临界状况时，级前的压力与级后压力都会影响到流过该级的流量大小。

2.1.3两种工况，分别工作在临界工况与亚临界工况

当初出现这种情况时，由于变工况较为复杂，很难给出流通级中流量和蒸汽参数之间的表达式。

在凝汽式汽机的最后一级与调节级中，通常会发生这类情况，而且变工况的核算也较为复杂。

2.2级组的前后流量与压力的关系

前面介绍过华电二期汽轮机的基本情况，高中压通流部分由两级单列调节级和二十八级压力级组成，低压缸是双层缸结构，分外缸和内缸，通流部分由左右各六级压力级采用双流，双排汽。

本机组有两个主汽阀（TV）和四个高压调节汽阀（GV），一个主汽阀和两个高压调节汽阀组成一组，共分两组布置在高中压缸的两侧。

从锅炉来的新蒸汽分两路分别进入两边的主汽阀，再进入高压调节阀,从四个高调阀出口经主蒸汽管与高中压进汽缸内的四个高压蒸汽室焊接相连。

昌热二期的汽机级组是由流量相等的好几个排列连续的级来组成，可以是其中几个流量相同的连续级组成，也可以是整个汽轮机，讨论昌热二期的级组的变工况主要讨论的就是级组的前后压力和流量之间的关系，为了方便起见，假设级组中的各级的流通面积在处于工况变化时不发生变化。

在变工况下，各级的流通状态都不尽相同，流经级组的流量和级组前后蒸汽参数之间的变化规律不一样，所以就要分别进行讨论。

2.2.1级组中内各级均未达到临近状态

判断级组中的流量是否为临界状态，就要根据它的末级是否为临界状态。

只要末级为临界状态时，级组就是处于临界状态，否则级组就处于亚临界状态。

昌吉热电厂的汽轮机高压转子为整锻转子有两级调节级及二十八级压力级叶片，低压转子为焊接结构；两边各装有六级压力级叶片。

所以假设级组中共有n级，根据式（2-4），级组内第i级的流量和压力的关系式可以表达为，

然后将所有级相加可以得到：

（2-6）

通常，变工况时各级级前热力学温度的比值的变化几乎一样，利用级组级前的热力温度比值表示，即（

/

）i=T01/T0。

我们都知道，某一级的级前压力就是前一级的级后压力，就有

，

，以此类推就有，

以上两种关系式代入式（2-6）得

（2-7）

或

（2-8）

式（2-7）和式（2-8）都是级组未达到临界状态时，级组中前后蒸汽参数与流量之间的关系式，称为弗留格尔公式。

这其中，汽轮机级组内级数可以依据级组的定义而取不同的整数。

二期的汽轮机也为凝汽式汽轮机，而对于凝汽式汽轮机，如果级组的级数取得较多时，那么

与

就趋近于零，因此弗留格尔公式又简化为:

（2-9）

和

（2-10）

式（2-10）可以说明，在凝汽式汽轮机中，除最后的一、二级外，各级级组前压力成正比例。

2.2.2级组中内各级均达到临近状态

在汽轮机的热力设计中，各个压力级的比焓降的变化趋势是从高压向低压逐级增加的。

因此级内首先是末级先达到临界流动，如下图得出结论：

；

；

最终可以得到一个结论：

无论工况发生什么变动，只要级组的最后一级始终处于临界状态下，那么流通该级组的流量与级组中的所有各级的级前压力成正比关系。

如果需要温度的变化时，则可以写成：

2.3弗留格尔公式的应用

2.3.1应用弗留格尔公式的条件

我们通过假设一些条件将流量与压力的关系式推导出来，所以在应用弗留格尔公式时要符合以下的假设条件。

2.3.1.1假设工况变动时，级组内蒸汽流通各级的流通面积不变。

2.3.1.2通过级组内各级做功的流量都应当相同。

2.3.1.3弗留格尔公式只适用于具有“无穷多级”的级组。

一般级数多于4~5时，就已经可以基本满足工程计算的精度的要求。

2.3.2弗留格尔公式的应用

弗留格尔公式的形式简单，使用方便，之前不光可以进行变工况的计算，其实也可以作为分析机组运行问题的方法。

通常使用弗留格尔公式有以下作用

2.3.2.1监视汽轮机变工况时通流部分的运行是否正常

2.3.2.2可以推算出不同功率或流量时，每一级的压力差和比焓降，从而计算出一系列影响汽轮机运行的因素，如功率、速度比、效率以及主要零部件的受力情况

3昌吉热电厂汽轮机DEH控制系统介绍

3.1汽轮机DEH控制系统概述

汽轮机变工况是一个能量转化复杂的过程，这就需要一个控制系统代替运行维护人员实时监控汽轮机的各项参数以及在变工况时能快速高效的切