第三章 汽轮机组的工作特性与故障现象的分析Word文档下载推荐.docx

1、 大型汽轮机组的转子分高压转子、中压转子和低压转子，它们用刚性联轴器连成一体。 动叶片是汽轮机中数量和规格最多的零件，它装在转子的叶轮（冲动式汽轮机）或转鼓（反动式汽轮机）上，构成动叶栅，承受来自喷嘴或静叶栅的高速汽流的冲击和自身两侧蒸汽的压力差，完成一个级中蒸汽的动能和热能转变为机械能的过程。 叶片的工作条件恶劣，又同时受到拉应力、弯曲应力、挤压应力、剪切应力、扭曲应力作用，所以，叶片是汽轮机中出事故较高的零件之一。因此，叶片的结构不但应使动叶栅具有良好的气体动力特性，以保证能量转换的高效率，而且应当有足够的强度和良好的振动特性。对于在高温区工作的叶片，应当考虑材料的蠕变问题；对于在湿蒸汽区

2、工作的叶片应当考虑材料受湿蒸汽冲蚀的问题。在运行和维护工作中，也要掌握不同叶片各部位的受力情况，进行合理的运行维护，防止叶片长期在低周波状态下运行。任何一个叶片在工作时断裂都有可能造成严重事故，必须引起足够的重视。 动叶片一般由叶型部分、叶顶部分和叶根部分组成。 2静子 （1）汽缸。汽缸是汽轮机的外壳，它是汽轮机中重量大、形状复杂并且处在高温高压下工作的一个部件。汽缸内安装着喷嘴室、隔板、隔板套等零部件。汽缸外连接着进汽、排汽、抽汽等管道。汽缸除了承受内外压差以及汽缸本身和装在其中的各零部件的重量等静载荷外，还要承受由于沿汽缸轴向、径向温度分布不均匀（尤其在启动、停机和工况变化时）而引起的热应

3、力，特别是高参数、大功率汽轮机这个问题更为突出。因此，在考虑汽缸结构时，除了要保证足够的强度、刚度和保证各部分受热时自由膨胀以及通流部分有较好的流动性能外，还应考虑在满足强度和刚度的要求下，尽量减薄汽缸壁和连接法兰的厚度，并力求使汽缸形状简单、对称，以减小热应力。此外，为了节省高级耐热合金钢还应使高温高压部分限制在尽可能小的范围内。 （2）喷嘴组、静叶环和静叶持环。大功率汽轮机基本上都是采用喷嘴调节，这种调节方法具有在部分负荷下效率高的优点。喷嘴调节法是在主汽门后用几个调节汽门分别控制相对应的几个喷嘴弧（喷嘴组），当汽轮机负荷变化时，各调节汽门按规定的顺序依次开或关，以改变进汽量，调节汽轮机的

4、出力。喷嘴调节的汽轮机的第一级称为调节级。调节级喷嘴叶栅通常是由若干个喷嘴组成喷嘴弧段后，再固定在单独设置的喷嘴室的圆弧形槽道中。从汽轮机的第二级开始，以后的各级喷嘴叶栅则固定在静叶环（隔板）上，而静叶环可直接固定在汽缸上，也可固定在静叶持环（隔板套）上，但多半是固定在静叶持环上，静叶持环再固定在汽缸上。 （3）汽封。在汽轮机级内，在静叶环和主轴的间隙处，以及动叶顶部与汽缸（或静叶持环）的间隙处存在漏汽。此外，在汽轮机的高压端或高中压缸的两端，在主轴穿出汽缸处，蒸汽会向外泄漏。这些漏汽都将使汽轮机的效率降低，并增大工质损失。在汽轮机低压端或低压缸的两端，因汽缸内的压力低于大气压力，在主轴穿出汽

5、缸处。会有空气漏人汽缸，使机组真空恶化，并增大抽气器的负荷。为了减少汽轮机各动静间隙处的褥汽和防止空气从轴端漏人汽缸，保证汽轮机正常安全运行，在汽轮机的上述间隙部位都设置了汽封。汽封的结构形式多种多样，目前大型汽轮机组普遍采用迷官式汽封。 （4）轴承。轴承是汽轮机的一个重要组成部件。汽轮机的轴承有支持轴承和推力轴承两种类型。前者用来承受转子的重量、调节级部分进汽引起的不平衡蒸汽作用力和转子不平衡质量的离心力，并确定转子的径向位置，以保证转子的旋转中心和汽缸中心保持一致；后者是用来承受汽轮机运行时蒸汽作用在转子上的轴向推力和发电机传来的轴向力，并确定转子在汽缸中的轴向位置，以保证汽轮机的通流部分

6、轴向动、静间隙在允许范围内。 （5）盘车装置。在汽轮机启动冲转前和停机后，使转子以一定的转速连续地转动，以保证转子均匀受热和冷却的装置称为盘车装置。 （二）凝汽系统与设备 凝汽系统的主要用途是在汽轮机的排汽室建立并维持要求的真空，使蒸汽在汽轮机中膨胀到指定的压力，以提高汽轮机的可用焙降，将更多的热能转变为机械能；同时凝汽器将汽轮机的排汽凝结成水，达到回收工质的目的。 图3-1是凝汽系统的示意图。它由凝汽器、循环水泵、抽气器、凝结水泵和相应的管道与阀门组成。汽轮机的排汽从排汽口排出进入凝汽器，循环水泵不断地将循环水打人凝汽器，吸收蒸汽的凝结放热，蒸汽被冷却并凝结成水。凝结水由凝结水泵抽走。凝汽器

7、内压力很低，比较容易漏人空气，空气将阻碍传热，因此用抽气器不断地将空气抽走。1凝汽器 凝汽器是凝汽系统中的关键设备。凝汽器有混台式和表面式两种。目前，混合式凝汽器由于无法回收工质已被淘汰。在电厂中使用的凝汽器全部为表面式。表面式凝汽器的冷却水在管子内部流动，汽轮机排汽在管子外部流动。 表面式凝汽器虽有多种型式，但其结构大致相同，主要由喉部接管、壳体、管板和隔板、热水井、冷却水管等组成。 （1）喉部接管（接颈）。喉部接管是汽轮机低压缸排汽口和凝汽器壳体之间的连接管，一般呈梯形，用低碳钢板焊接而成。为增强厚度，在外部和内部焊有大量的加强筋板。大型机组为了充分利用汽轮机的排汽余热，提高机组的热效率，

8、在喉部接管中还布置了最末一级低压加热器。 （2）壳体。壳体用低碳钢板焊接而成，为了增加强度，外部用了大量型钢（槽钢、角钢或钢板）加固。下部焊有支座。壳体两端为水室。根据冷却水在凝汽器中的流程数，可将凝汽器分为单路单流程、单路双流程、双路单流程和双路双流程凝汽器。一般来说，大型机组的凝汽器都采用双路双流程结构。凝汽器壳体中部有抽气口，以便抽出凝汽器内集聚的不凝结气体。（3）管板和隔板。管板和隔板在凝汽器中起固定和支持凝汽器冷却管的作用。在凝汽器两端起固定（胀接）冷却管作用的叫管板，在中间起支撑冷却管作用的叫隔板。所以凝汽器一般有管板两块，隔板若干块。此外，管板和隔板还起到凝汽器的加固和支撑作用，

9、以便增加凝汽器的强度。管板和隔板上管孔的布置和排列方式，是凝汽器设计和制作过程中非常重要的一环，它关系到汽流流动阻力，传热效果（冷凝效果）和除氧效果。凝汽器中管子排列方式有正方形排列方式、三角形排列方式、转移轴线排列方式和辐向排列方式四种。后两种排列方式的传热效果比前两种排列方式的传热效果好。 （4）冷却管。冷却管是凝汽器的主要传热元件，蒸汽的热量通过冷却管传递给冷却水后变成凝结水。冷却管的材料主要有铜和锌的合金，使用海水冷却的凝汽器用钛合金管作冷却管。为了减，J、传热阻力，一般将冷却管制成薄壁管，壁厚在1mm左右。冷却管两端胀接在管板上，中间靠隔板支撑。 （5）热水井。热水井位于凝汽器的下部

10、，由钢板焊接而成，是汇集凝结水的容器。在热水井的下部，有凝结水泵接口，其他排人凝汽器的疏水和补给水，均由凝汽器喉部进入。 2循环水泵 循环水泵为汽轮机凝汽器输送大量冷却水，使汽轮机排汽凝结，并保持凝汽器的真空。 由于凝结1Kg的排汽约需要5060kg冷却水，而且进人凝汽器的冷却水不需要很大的压力，因此循环水泵的特点是流量大、扬程低。 循环水系统有开式循环水系统和闭式循环水系统两种型式。开式循环水系统是从江河上游取水，经凝汽器后直接排人下游，在水源充足的情况下采用此种循环水系统。在水源不足的情况下，采用闭式循环水系统，即冷却水经凝汽器后进人冷却塔，通过淋水装置，蒸发掉一部分，温度降低后，又重新自

11、流到循环水泵人口，如此循环使用。循环水泵有轴流泵和离心泵两大类，采用开式循环系统的可使用轴流泵和离心泵；采用闭式循环系统的，绝大多数使用离心泵。 3抽气器 抽气器的作用是抽出凝汽器内的不凝结气体，以保持凝汽器的真空和良好的传热效果。抽气器实质上起压气机的作用，它将蒸汽和空气混合物从很低的压力压到略高于大气压，以排人大气。抽气器的增压比一般为1540。抽气器有喷射式抽气器和真空泵两大类。喷射式抽气器又分为射水抽气器和射汽抽气器。国内电站中的小型机组一般用射汽抽气器；大型单元再热机组上一般用射水抽气器；近几年来，在300MW机组上一般应用水环式真空泵。 4凝结水泵 凝结水泵又叫冷凝泵，它的作用是将

12、凝汽器中的凝结水抽出，经过两条路线进入除氧器。一条是经过凝结水精处理设备处理后逐级经过低压加热器，进入除氧器；另一条是不经过凝结水处理设备，而直接经过低压加热器进入除氧器。 由于凝汽器在运行时具有较高的真空值，因此凝结水泵的吸人侧处于高度真空状态，而凝结水温度又接近于该压力下的饱和温度，所以凝结水泵内极易造成汽化或发生空气谓人泵内的现象。由于上述原因，凝结水泵具有一些特殊的结构。 一般来说，凝结水泵有卧式和立式两种结构。 卧式凝结水泵一般只在小机组上使用。卧式凝结水泵一般采用多级对称布置结构。首级位于中间且采用双吸式结构，以降低入口流速，增强抗汽蚀的能力。对称式结构可以消除轴向推力。 大型机组

13、普遍采用立式凝结水泵。立式凝结水泵主要由定子和转子两大部分组成。定子一般由下导轴承、推力轴承、锥形导流管、中段导叶、导叶接管等组成。转子由轴、叶轮、平衡鼓、诱导轮等组成。整个泵体放人外简体内。（三） 回热加热系统与设备 回热加热系统与设备是汽轮机组的主要辅助系统与设备。现代发电用汽轮机组的回热系统由若干个低压加热器（简称低加）、若干个高压加热器（简称高加）、除氧器、给水泵、连接管道、阀门等组成。上述设备组成一个串联网络。如图3-2所示。为国产N300MW机组回热系统示意。在回热加热系统中，低压加热器因工作压力和温度都比较低，所以故障率相对来说比较低。而高压加热器的工作压力是火电机组热力系统中压

14、力最高的，并且高压加热器的工作温度也比较高，所以高压加热器的事故率比较高，严重影响机组的安全稳定运行。 （四）调节保护系统 大型电站汽轮机组的调节与保护系统由数字电液控制系统（DEH）、汽轮机本体安全监视保护系统（TSI）以及危急保护跳闸装置（：ETS）组成。其中，DEH控制系统由两大部分组成即EH系统（液压执行机构）和DEH控制装置（计算机控制部分）。EH系统是DEH系统的执行机构，DEH控制装置是：DEH系统的指挥中心。 300MW汽轮机组DEH控制系统，吸收了分散系统可靠性高的优点，主要硬件都采用微处理机，从而可以简化硬件电路，提高系统的可靠性该系统主要由五大部分组成。（1）控制装置。主

15、要包括数字计算机、混合数模插件、接口和电源等设备，都集中布置在四个柜内。主要用于给定和反馈信号、逻辑运算和发出指令进行控制等。 （2）外围设备。外围设备包括DEH操作盘、信号指示盘、屏幕显示器（CRT）及打印机等。它们是机组的控制中心，通常布置在控制室内。操作盘和指示盘包括电指示器、按钮开关等，主要用于显示运行中机组主要的状态、显示机组的转速或负荷的目标值和给定值、阀门位置和极限值。 （3）DEH执行机构。汽轮机所有主汽门和调节汽门的开度均由各自的执行机构来控制。执行机构则由一个液压油缸（油动机）和弹簧组成，其开启靠高压抗燃油压力，而关闭则靠弹簧压力。油动机与控制块相连，在控制块上装有快速卸载

16、阀、隔离阀和逆止阀，加上相应附件组成的执行机构。 （4）EH供油系统。EH供油系统的作用是为油动机提供高压动力油。油动机根据DEH调节器的电信号来控制各阀门的开度。高压抗燃油采用三芳基磷酸脂，它具有良好的抗燃性能和稳定性。 （5）ETS控制系统。EIS控制系统即危急跳闸系统，主要监视汽轮机转速、推力瓦磨损、EH油压低、凝汽器真空低等。当这些参数超过其允许极限时，该系统就关闭汽轮机的进汽阀。另外，通过隔膜阀提供一个可接受所有外部跳闸（包括机械超速和手动停机）的接口。从机械超速跳闸和手动停机母管来的润滑油作用在隔膜阀的上部，使其克服弹簧力将阀门关闭，同时封闭自动停机危急跳闸母管的高压抗燃油的泄油通

17、道。只要机械超速跳闸和手动停机按钮动作，母管中的油压消失，弹簧就会打开隔膜闰，泄掉高压抗燃油，使汽轮机停机。润滑油和抗燃油彼此互不接触。二、汽轮机组的结构特点分析随着汽轮机组容量的增大和进汽参数的提高，汽轮机本体结构变得越来越复杂，部件尺寸也变得庞大，为使设备在高参数下工作时金属部件有足够的强度，汽缸、法兰、螺栓等设计制造得十分笨重。庞大的尺寸和重量，使得加工、制造及安装非常复杂，也给运行带来了很多问题。概括地说，现代汽轮机组的结构具有如下特点。 （1）采用多缸结构。随着汽轮机组单机功率的增大以及进汽参数的提高，整机的理想焓降会变得很大，在保证每一级最佳速度比的前提下，需要的级数会很多。若一个

18、汽缸中容纳的级过多，则势必增加汽轮机转子的长度，这样将使转子的刚性降低，难以保证强度和振动可靠性，因此必须将转子分成若干段，各段分别支承，因而必须采用多缸结构。当然，采用多缸结构，还利于采用再热循环，使单机功率进一步提高，有利于轴向推力的平衡，还可以扩大通流能力。现代大功率汽轮机均采用了多缸结构。如国产N300MW汽轮机组有一个高压缸、一个中压缸和两个对称布置的低压缸。 （2）采用多排汽口。采用多排汽口是提高汽轮机组单机功率的有效途径。在功率不变的情况下，增加排汽口的个数，可缩短末级叶片的长度，减小末级叶片所受到的离心拉应力。如国产N300MW汽轮机组采用3个排汽口；上海汽轮机厂引进美国西屋公

19、司技术生产的N300MW汽轮机组采用了四个排汽口。 （3）高中压缸采用分流合缸方式。这种布置方式的优点是：高温区集中在汽缸中部，两蜡的温度和压力均较低，从而减少了对轴承和端部汽封的影响，改善了运行条件，并减少了部件的热应力；与分缸设计比较，减少了一个端部轴段，缩短了主轴长度，减少了轴封漏汽量；缩短机组轴向长度，简化了机组结构；平衡了部分轴向推力。 （4）采用多层汽缸结构。如果汽缸壁太厚将会产生过大的热应力。因此，大功率汽轮机组都采用多层缸结构。如国产200MW汽轮机组的高压缸采用内、外双层缸；国产300MW。汽轮机组的高、中、低压缸均采用双层缸。高、中压缸采用双层汽缸后，内缸主要承受高温，需要

20、用耐热舍金材料制造，但承受的压力相对较小，故内缸尺寸较小。外缸在夹层蒸汽冷却的作用下，温度较低只需要一般的合金钢制造即可。另外，双层缸结构对于汽轮机启动、停机时汽缸的加热和冷却均有利，可以缩短启动时问。对于低压缸，由于蒸汽容积流量的增大，其尺寸较大。为了使得低压缸巨大外壳的温度分布均匀，不产生翘曲变形，低压缸一般也采用多层缸结构，外层缸采用钢板焊接结构，这样可以减轻低压缸的重量，节约材料，增加剐度；内缸由于形状复杂一般采用铸造结构。有的大功率汽轮机组低压缸采用三层缸结构，这样做的原因是低压外缸在可能发生各种变形的情况下，减少了对通流部分间隙的影响。 （5）加长低压级叶片长度。加长低压级叶片长度

21、是提高汽轮机单机功率的有效途径。如东方汽轮机厂生产的首台300MW汽轮机组，末级叶片长度为1000mm，目前世界上最长的汽轮机叶片为1320mm用于1500MW、1800r/min的原子能汽轮机上。 （6）采用双轴系结构。为了解决大功率汽轮机排汽口增多使转子过长的问题，可将机组设计成双轴系结构，图33为日本三菱公司制造的600MW汽轮机双轴系结构示意图，两轴系的转速均为3000r/min，第一轴系高压缸排汽经过一次中间再热后进人第二轴系的中压缸，其排汽再分别进人两个轴系的低压缸。值得提出的是，我国生产的大功率汽轮机组一般采用单轴系结构。（7）机组的自动化水平高。随着计算机技术的发展和应用，使得

22、汽轮机组的自动化控制水平逐渐提高。利用计算机可以进行运行时的实时监控，性能、效率的在线计算，控制汽轮机组的自动启动、升速、并网、带负荷等。如300MW汽轮机组的控制可由DCS协调控制系统完成，而汽轮机的数字电液调节系统（DEH）的功能也比较完善。国外有些电厂已进入利用故障诊断技术，以系统运行管理为目标的超自动化运行的火力发电时代。第二节 汽轮机组的工作特性分析汽轮机组是以蒸汽为工作介质的原动机，它将蒸汽的热能转换成转子旋转的机械能。它既可用来直接驱动其他机械（如水泵、风机、压缩机、螺旋桨），又可用来驱动发电机生产电能。由于汽轮机组有单机功率大等优点，能长期、连续、稳定运行，能量转换效率高，目前

23、是火力发电厂中唯一的原动机。在我国，占总容量70左右的发电机是由汽轮机组驱动的。下面以发电用汽轮机为例，来说明汽轮机组的工作特点。一、汽轮机组在高参数条件下工作 汽轮机组根据进汽压力来分，可分为中压、高压、超高压、亚临界和超临界机组。但是，即使是容量较小的中小型机组，其新蒸汽压力和温度也分别达到了3.43MPa和435。目前，中温中压机组正在逐步淘汰。现代大功率机组从高温高压机组，发展到超高压、亚临界机组，以至现在采用了超临界机组。从今以后，新投产的汽轮发电机组以亚临界和超临界机组为主，有少量的超高压机组。因此，大型汽轮机组的进汽参数非常高，并且毫不例外地采用了蒸汽中间再热。如哈尔滨汽轮机厂生

24、产的300MW汽轮机的主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽温度分别为16.7MPa、537和537；美国GE公司生产的1300MW超临界机组的主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽温度分别为24.13MPa、543和543。 蒸汽参数的提高，提高了机组的循环效率，但同时对机组的运行提出了更高的要求。二、汽轮机组在大温差、大压差条件下的工作 现代大型汽轮机组的轴向尺寸和径向尺寸都很大，在运行时，部件承受很大的温度差和压力差。 在汽轮机组的径向，汽缸内部为蒸汽，汽缸外部为大气。在高压缸进汽处，蒸汽的温度和压力非常高，汽缸内与汽缸外的温差和压差都很大。虽然再热蒸汽的压力较主蒸汽压力大为降低，但再热蒸汽温度与主

25、蒸汽温度是一样的，因此，在中压缸的进汽处，汽缸内外仍然有很大的温差。在低压缸的排汽口处，汽缸内部处于真空状态，因此，在此处存在反向的压力差。径向的大温差和大压差的存在，在部件的内部产生了很大的压力梯度和温度梯度从而在材料内部产生了很大的应力。 在汽轮机组的轴向，进汽处的蒸汽参数非常高，而排汽处的蒸汽压力远远低于一个大气压，排汽温度也只有数十摄氏度。因此，在机组的轴向也有很大的压差和温差。轴向的大压差和大温差的存在，使得转子和静子在轴向产生热膨胀差（简称胀差），并使转子承受一个由高压端指向低压端的轴向推力。三、汽轮机组在高转速、高应力状志下工作工业汽轮机的工作转速是变化的，从每分钟数千转到每分钟

26、一万多转不等。但并网运行的发电用汽轮机是定速运行的，转速一般为300rmin（原子能汽轮机的转速为1500rrain）。由于大型汽轮机的部件尺寸大，当汽轮机以3000min旋转时，其转动部件的线速度非常大。如哈尔滨汽轮机厂生产的300MW汽轮机的末级叶片的长度达到900mm，叶顶处的直径达到3528mm，运行时叶顶的线速度达到554.17ms。 汽轮机工作时，其转动部件受到的应力有，汽流力作用产生的应力、离心拉应力、温度应力、压差产生的应力、振动产生的动应力。在这些应力的合成应力的作用下，转动部件处于很高的应力状态。值得一提的是，这个合成应力既有恒定成分，又有交变成分。四、汽轮机组应能长期、连

27、续、稳定地运行由于电网的频率要求是基本不变的，因此并网运行的汽轮发电机组的转速应恒定。同时，在保证额定主蒸汽参数、额定再热蒸汽参数、额定排汽压力及辅助设备和系统正常投入的前提下。汽轮机应能长期、连续、稳定地发出额定负荷。即使在主蒸汽参数、再热蒸汽参数、排汽参数稍微偏离设计值时，机组也应维持长期、连续、稳定地运行。五、汽轮机组应具有变工况运行的能力汽轮机组除了应满足长期、连续、稳定地发出额定负荷的要求外，还应具有变工况运行及承受一些极限工况的能力。如蒸汽参数偏离设计值、低真空运行、机组甩负荷、发电机出口母线短路、低频率运行、冷态启动、词蜂运行等。在这些变动工况和极限工况条件下，机组部件的应力水平

28、不得超过允许值。六、汽轮机组应具有较高的经济性汽轮机组是一种能量转换设备，在确保安全性和可靠性的前提下，机组应具有较高的经济性。当然，没有安全性就谈不上经济性，因此，机组在使用过程中首先应树立“安全第一”的思想。一旦机组的可靠性降低，甚至发生了故障，将导致重大的经济损失。在确保安全性和可靠性的前提下，机组应有良好的热力性能具有较高的热效率。 提高机组运行经济性的主要措施有：提高机组的可靠性，提高可用率；减少工质泄漏，对泄漏的工质进行回收；辅助设备正常投入使用；维持额定进汽和排汽参数；采取合适的启停机操作方式；改善通流部分的流动特性。第三节汽轮机组的故障与结构因素之间的关系导致汽轮机组故障的原因

29、很多，总的来说有设计、材质、制造工艺、安装与维护、运行等方面的原因。本节简单讨论汽轮机组的故障与结构因素之间的关系。一、机组故障与机组结构复杂性之间的关系现代大型汽轮机组是一个复杂的机电系统。该系统的复杂度随机组容量的增加而增加。系统复杂度的提高，增加了可能发生故障的设备和部件的数量，同时还增加了部件间的接口或接头的数量，水和蒸汽管道数量的增加，将增加可能发生故障的数量和种类。例如，机组的很多机械故障涉及到焊缝和螺栓，而大部分电气或电子故障涉及到元件的接头，这种焊缝、螺栓和接头越多，故障也就越多。水和蒸汽管道数量的增加，将使工质泄漏的可能性增加。 另外，系统结构的复杂度越大，势必要减少各部件原始性能与期望性能间的裕度（即设备的所“能”离人们的“想要”更近），这就减少了故障发生前的劣化余地。 系统的复杂度提高后，不但系统的故障率提高，同时系统的故障模型也会发生变化，由原来简单系统的与工龄有关的确定性故障模型逐步演变成随机性故障模型，使得对系统故障的预测更加困难。二、机组振动故障与轴系结构之间的关系