1、汽輪機原理 Steam Turbine Theory,第三章 汽輪機的變工況特性,主要內容,概述 噴嘴的變工況特性 級與級組的變工況特性 配汽方式及其對定壓運行機組變工況的影響 滑壓運行的經濟性與安全性 初終參數變化對汽輪機工作的影響 汽輪機的工況圖,第一節 概 述,設計工況：指汽輪機在設計參數下運行的工況，也稱經濟工況。 變工況：汽輪機在偏離設計參數的條件下運行的工況（外界負荷變動、蒸汽參數變動和轉速變動） 研究意義： 了解汽輪機在不同工況下的效率變化，以設法使效率變化不多。 了解汽輪機在不同工況下受力情況，保證機組安全,第二節 噴嘴的變工況特性,漸縮噴嘴初壓不變時背壓與流量的關系 漸縮噴嘴

2、前后參數都變化時的流量變化 漸縮噴嘴 初壓、背壓與流量的關系 縮放噴嘴的變工況,一、漸縮噴嘴初壓不變時背壓與流量的關系,其初壓及出口面積不變時，通過噴嘴的流量為,將BC段用橢圓曲線近似,二、漸縮噴嘴前后參數都變化時的流量變化,設計工況和變工況下噴嘴均為臨界工況,忽略溫度變化,結論： 1、不同工況下噴嘴臨界流量正比于滯止初壓或初壓，反比與噴嘴前滯止熱力學溫度或熱力學溫度平方根。 2、在電站汽輪機中只有凝汽式汽輪機的最末一、二級和調節級的噴嘴可能超過音速,設計工況和變工況下噴嘴均為亞臨界工況,忽略溫度變化,三、漸縮噴嘴 初壓、背壓與流量的關系,函數 關系曲線（流量網圖,流量網圖,流量錐 在實際計算

3、中，大都采用圖解法計算流量，即使用流量錐或是流量網圖。 假設最大初壓為p0m，相應的最大臨界流量為G0m,相對初壓 相對背壓,m、1、 0之間關系的三維顯示為流量錐，二維表示為流量網圖。（oad為等腰直角三角形,流量錐,四、縮放噴嘴的變工況,1、當初壓不變時,2、初終參數同時改變時,第三節、級與級組的變工況特性,級內壓力與流量的關系 級組壓力與流量的關系 各級的p0-G曲線 壓力與流量關系式的應用 級的比焓降和反動度變化規律 撞擊損失,一、級內壓力與流量的關系,級內為臨界工況 級內的噴嘴或動葉柵兩者之一的流速達到或超過臨界速度,結論：級處于臨界工況時，級的流量與滯止初壓或初壓成正比，與滯止初溫

4、或初溫的平方根成反比；不考慮溫度變化時，流量只于滯止初壓或初壓成正比,級內為亞臨界工況 級內噴嘴和動葉出口汽流 速度均小于臨界速度的工況,忽略溫度變化,說明： （1）級內未達到臨界時，通過級的流量不僅與初參數有關，還與終參數有關； （2）流量偏離設計值越小，誤差越小,二、級組壓力與流量的關系,幾個概念 級組：一些流量相等，通流面積不隨工況而變化（或變化程度相同）的依次串聯排列的若干級的組合； 亞臨界級組：級組各級的汽流速度均小于臨界速度的級組； 臨界工況級組：級組內至少有一列葉柵的出口速度達到或超過臨界速度； 級組臨界壓比：臨界工況機組中某一級（一般是最末級）的噴嘴或動葉）流速剛達到臨界速度時

5、，級組前后壓比稱為,工況變化前后級組均為臨界工況,結論： 級組為臨界工況時，級組流量與級前壓力成正比，與級前絕對溫度的平方根成反比；若不考慮溫度變化，則級組流量只與級組前壓力成正比,工況變化前后級組均為亞臨界工況,斯托陀拉實驗,級數無窮大,不考慮溫度變化,弗留格爾公式 給出了亞臨界工況下，級組流量與壓力的關系。 初壓不變時：流量與背壓為橢圓關系； 背壓不變時：流量與初壓為雙曲線關系,三、各級的p0-G曲線,凝汽式汽輪機末級p0-G關系,結論： 對于凝汽式汽輪機，若所取級數較多時，弗留格爾公式可用下式近似,四、壓力與流量關系的應用,應用條件 工況變動前后通流面積不變； 級組內各級流量相同； 流過

6、級組內各級蒸汽應是均質流； 弗留格爾公式適用于具有無窮多級的級組，但一般只要級數多于4-5級就可以得到滿意的結果。 用于運行分析 監視汽輪機通流部分運行是否正常； 可以推算不同流量（功率）時各級的壓差和比焓降，從而計算出相應的功率、效率及零部件的受力情況，也可以由壓力推算出通過各級的流量,五、級的比焓降和反動度變化規律,變工況前 變工況后,一，凝汽式汽輪機 根據前面的討論可知，當工況變動時，通過級的流量與級前壓力成正比，即,所以,上式表明，當工況變動時，凝汽式汽輪機各中間級前后壓力比不變。這樣，代入式焓降表達式后，級的理想焓降不變。當然，級的速度比和級效率也不變。 而級的內功率為： = BG

7、這就說明：在計算汽輪機各中間級的變動工況時，不需要逐級進行詳細計算，只需求得各級前的壓力，然后將熱力過程曲線平移即可。而調節級和末級的變動工況，則要進行詳細計算,結論： 凝汽式汽輪機初壓、背壓均與流量成正比的非調節級，流量變化時級的理想比焓降基本不變； 對凝汽式汽輪機的末級， 處，雖p0正比于G，但背壓pc不與G成正比，若pc不變，則流量增大，比焓降增大；反之，流量減小，比焓降減小； 對凝汽式汽輪機的末級， 處，雖p0與G的關系為雙曲線關系，流量下降時，比焓降減得稍慢,二，背壓式汽輪機 1，如果背壓式汽輪機最后一級達臨界，則各級前的壓力與流量成正比。其焓降、效率、反動度、功率的變化規律和凝汽式

8、汽輪機各中間級一樣。 2，但是，背壓式汽輪機的末級一般不會達臨界，其壓力與流量的關系應按弗留格爾公式進行計算,推導得： 上式表明，當背壓不變時，背壓式汽輪機各級前壓力與流量的關系按雙曲線規律變化。離末級越遠，越近于直線,從圖上分析： 1，對于背壓式汽輪機的前幾級，當工況偏離設計值不遠時，級前壓力與流量的關系近于直 線； 2，當流量在設計值附近變化時，可認為各中間級焓降不變，或變化很小； 3，當流量變化較大時，各級焓降都要變化，并且最后一、二級變化最大,總結： 采用噴嘴調節的凝汽式汽輪機，當流量改變時，比焓降的變化主要發生在調節級和最后一級中；所有中間級在流量變化時，比焓降近乎不變；但在低負荷時

9、，中間級比焓降也會變小。 當流量增加時，調節級焓降減小，末級焓降增加，各中間級焓降近乎不變； 當流量減小時，調節級焓降增大，末級焓降減小，各中間級焓降近乎不變； 背壓式汽輪機除調節級比焓降變化外，最后幾級的比焓降也發生變化，負荷變化越大，則受影響的級數越多,級的反動度變化規律,固定轉速汽輪機反動度變化主要由級的比焓降變化引起； 級的比焓降減小，即速比xa增大時，反動度增大；級的比焓降增大，即速比xa減小時，反動度減??； 設計反動度較小的級，比焓降變化時，反動度變化較大；反之，變化較??；反動級的反動度基本不變； 凝汽式汽輪機末級（臨界工況），流量不變，pc降低，反動度增大；pc 升高，反動度減小

10、,撞擊損失 設計工況下，汽流進入動葉柵相對運動方向角與動葉幾何進口角應一致； 變工況時，當比焓降變化，二者不再一致，使汽流進入動葉的相對運動方向改變，從而使動葉附面層厚度改變，葉型損失增加，這一增加損失稱為撞擊損失。 近似公式,六、撞擊損失,撞擊損失的形成圖 (a)比焓降減??；(b)比焓降增大,第四節 配汽方式及其對定壓運行機組變工況的影響,配汽方式概述 節流配汽 噴嘴配汽 調節級壓力與流量關系 配汽方式對定壓運行級組變工況的影響 軸向推力的變化規律,一、配汽（調節）方式概述,配汽機構：汽輪機通流部分是按經濟功率設計的，設計中，外界負荷不斷改變，為保證機組出力與用戶所需功率相適應，需利用配汽機

11、構改變機組的出力； 配汽方式：根據改變對象（流量或理想比焓降）不同，配汽方式有節流配汽、噴嘴配汽、旁通配汽等,二、節流配汽(調節,1、節流調節定義：這種調節方式就是用一個（或兩個）調節閥對進入汽輪機的全部進汽量D0進行調節。當功率增加時，開大調節閥的開度（L）。在額定工況下，全開（L=1）。當功率減小時，關小調節閥的開度（L），進入汽輪機的全部進汽量都受到節流作用。當機組功率變化時，流量和焓降都要變化,2、節流調節熱力過程線,3、節流調節的效率 蒸汽經節流之后，焓值不變壓力降低（ 降到 ），節流后的內效率為： 式中， 通流部分的相對內效率； 調節閥的節流效率，為部分開啟和全開時理想焓降之比,三

12、、噴嘴配汽,1、定義： 這是一種應用最廣泛的調節方式。每一個調節閥控制一組噴嘴組。中小型機組一般有3-7個調節閥，大型機組一般有4個調節閥。 在這種調節方式中，機組運行時，只有一組噴嘴的蒸汽受到節流作用，節流損失小。第四調節閥一般是在過負荷時（或者在初參數降低而要求發額定負荷時）才使用,2、噴嘴調節熱力過程線,3、調節級的內效率： 根據熱力過程曲線，有： 熱平衡： 混合后的焓值,四、調節級壓力與流量關系,簡化的調節級的壓力與流量關系,1、級后溫度的影響 2、反動度的影響,3、調節汽門重疊度的影響 4、主/調節汽門節流損失的影響,五、配汽方式對定壓運行級組變工況的影響,定壓運行 通過改變主蒸汽流

13、量來適應外界負荷變化的運行方式。在該方式下，在汽輪機負荷變化范圍內， 主蒸汽壓力和溫度參數都保持額定值，不予改變。 定壓運行調節方式 節流調節 噴嘴調節 節流-噴嘴混合調節,六、軸向推力的變化規律,沖動式汽輪機 凝汽式汽輪機 （1）節流配汽凝汽式：除了最末一、二級外，各級焓降和反動度近似不變，可導出軸向推力與功率（流量）成正比；但最末一、二級焓降和反動度要變化，但對總推力影響不大。因此，最大軸向推力發生在最大功率時； （2）噴嘴配汽凝汽式：在工況變動時，壓力級焓降和反動度近似不變，可導出軸向推力與功率（流量）成正比；而調節級的軸向推力變化復雜，但對總的軸向推力影響不大。因此，最大軸向推力發生在

14、最大功率時,背壓式汽輪機 （1）調節級的軸向推力變化同上； （2）壓力級的軸向推力不與流量成正比，最大軸向推力發生在中間負荷。 反動式汽輪機 對于反動式汽輪機，由于設計反動度大，因此變化小。軸向推力只與動葉前后壓力差成正比，最大軸向推力發生在最大功率時,結論： （1）汽輪機軸向推力變工況計算相當復雜，難以計算準確。 （2）在實際運行中，常用測量推力軸承工作瓦塊溫升的方法監視軸向推力的變化,七、蒸汽量調節方式的比較和選擇 1、調節方式的選擇： （1）承擔基本負荷的機組：要求效率高，多采用節流調節和單列級作調 節級的噴嘴調節方式； （2）承擔尖峰負荷的機組：要求負荷適應性好，當工況變動時效率 變化

15、不大，常選用雙列級作調節級的噴嘴調節方式。 （3）背壓機：采用噴嘴調節方式。 2、調節級焓降大小的選用：調節級焓降大小對機組經濟性影響很大： 設計工況下，調節級焓降大（ ），流量減小時焓降變化（ ）?。?設計工況下，調節級焓降小（ ），流量減小時焓降變化（ ）大； * 承擔基本負荷的機組，運行時，負荷變化不大，則調節級焓降應取小些， 以求較高的效率； * 承擔尖峰負荷的機組，運行時，負荷變化大，則調節級焓降應取大些（雙 列級），使之在工況變動時，調節級焓降變化不大，效率變化不大,第五節 滑壓運行的經濟性與安全性,火電機組的調峰運行方式 滑壓運行方式 機組滑壓運行的熱經濟性 滑壓運行機組的安全性

16、與靈活性,一、火電機組的調峰運行方式,兩班制運行調峰方式 少汽（無汽）空負荷運行調峰方式 變負荷運行調峰方式,二、滑壓運行方式,滑壓運行定義 汽輪發電機組在額定出力以下，如帶額定負荷的1/2或1/3等部分負荷下運行時，保持調節汽門全開或開度不變，根據負荷大小調節進入鍋爐的燃料量、給水量、空氣量，使鍋爐出口汽壓和流量隨負荷升降而升降，但出口汽溫不變，因而汽輪機進汽溫度不變，而進汽壓力、流量隨負荷的升降而增減，以調節汽輪機的功率。也稱變壓運行、低壓運行或減壓運行。 分類 純滑壓運行 節流滑壓運行 復合滑壓運行,三、機組滑壓運行的熱經濟性,分析經濟性四因素： 循環熱效率降低 高壓缸內效率提高 給水泵

17、動力消耗減小 再熱蒸汽溫度升高引起熱效率提高 當第一項小于后三項之和時采用滑壓運行經濟。 結論：主汽壓力為臨界壓力以下的機組不適宜采用滑壓運行,四、滑壓運行機組的安全性與靈活性,運行安全性與靈活性 部分負荷下，蒸汽壓力降低，而溫度基本不變，因此當負荷變化，尤其在機組啟、停時，汽輪機金屬溫度變化小，可以減小熱應力和熱變形，提高機組運行的安全性和快速加減負荷的性能，縮短機組啟、停時間，延長使用壽命,噴嘴配汽： A1B1C1 A1B2C2 A1B3C3 滑壓運行： A1D1 A2D2 A3D3,第六節 初終參數變化對汽輪機工作的影響,初終參數變化過大對安全性的影響 p0、pr變化過大對安全性影響 蒸

18、汽溫度t0、tr變化過大對安全性的影響 真空惡化和排汽溫度過高對安全性的影響 初終參數變化對汽輪機功率的影響 初壓p0改變對汽輪機功率的影響 蒸汽溫度t0改變對汽輪機功率的影響 真空改變對汽輪機功率的影響,工況變動時，除流量變化之外，汽輪機的初終參數也有變動。當初終參數變化超過一定范圍后，不僅影響機組的經濟性，對機組的安全也會有影響。 一、初溫、背壓不變，初壓變化對功率的影響 蒸汽初壓的變化，將會引起進汽量、理想焓降和內效率的變化。汽輪機 的內功率為： 當初壓變化不大時，汽輪機的內功率變化為,一）當初壓變化而調節閥開度不變， 進行簡化、推導可得,相對值,上式表明，當初溫、背壓不變時，功率變化量

19、（ ）正比于初壓改變量 （ ），而背壓越高，初壓對功率的影響就越大，即對背壓機影響更大。如圖所示，在不同背壓下，功率增加與初壓的關系,二）初壓（ ）變化，保持流量（D）不變 1，對于噴嘴調節汽輪機來說：初壓（ ）變化，保持流量（D）不變，則必需改變調節閥的開度。若忽略節流損失，則功率要改變，這種功率要改變是焓降變化所引起的，則 或者 2, 對于節流調節汽輪機來說，當初壓（ ）變化，流量（D）不變，必需改變調節閥的開度，則第一級前的壓力不變。因此，理想焓降不變。初壓變化不會引起功率變化，但有節流損失。 3，對于中間再熱機組，初壓（ ）變化只會對高壓缸起作用。而高壓缸的功率一般只占總功率的1/41

20、/3，對功率影響不大,三）初壓（ ）變化，要求功率（ ）不變，則流量要變化 所以： 或者 上式表明，當上升，理想焓降增加，效率 提高，流量D減少。當忽略效率變化時，上式為,二、初壓、背壓不變，初溫變化對功率的影響 當初溫在一定范圍內變化時，要影響功率；初焓變化，也會影響蒸汽在鍋爐內的吸熱量Q。 （一）蒸汽總吸熱量Q不變 這時，功率為 當初溫變化時，理想焓降 、初焓 和效率 都要變化。 對上式進行推導得,390,二）調節閥的開度不變 這種情況下，初溫變化對功率的影響為： 其中， 。 （三）流量保持不變 這種情況下，初溫變化對功率的影響為： （四）初溫變化對機組安全的影響： 初溫變化對機組安全的影

21、響，主要對主汽閥、調節閥、調節級的影響，引起較大的熱應力,三、初壓、初溫不變，背壓變化對功率的影響 背壓變化對汽輪機的影響主要在末級。為了方便，假定在設計工況下，末級級后壓力為臨界壓力（ ）。工況變化后有兩種情況：（1）末級級后壓力由臨界壓力（ ）上升；（2）末級級后壓力由臨界壓力（ ）下降,通常， =320 m/s，k=1.13， =1.012， 所以,一）背壓由臨界壓力（ ）上升 當背壓由臨界壓力（ ）上升到 時，（1）級的焓降（ ）減少；（2）余速損失改變；（3）級效率改變；（4）凝結水溫度改變。這四方面都會引起功率變化，最后可得,3100,對于凝汽機組， 為常數（370m/s）， 、

22、u 、k、 為定值，則由上式可得單位流量的功率增量（ ）只與壓力比（ ）有關。 = f ( ) 結合式（395），有 因此，根據不同的( )，就可以算出相應的功率增量（,二）背壓由臨界壓力（ ）下降： 當背壓由臨界壓力（ ）下降時，使汽流在動葉的斜切部分膨脹，反動度增加， 發生偏轉，變成（ + ）。對喉部前的流動沒有影響。因此，功率變化只是由于 的大小和方向改變所引起的，經過推導可得：對于一定機組，當背壓由臨界壓力（ ）下降時，所引起單位流量的功率變化為,三）通用曲線 從以上分析，當背壓變動時，單位蒸汽流量的功率變化均與（ ）有關。為了方便，將上述兩種情況繪成統一的曲線。這條曲線具有通用性，如圖366所示：BA線，按背壓上升的情況繪制，BD線，按背壓下降的情況繪制；C 點對應噴嘴斜切部分剛好用完的極限狀態。從C點起，再繼續降低背壓，功率不再增加。 在BA段， ，功 率呈直線下降； 在BC段， ，功