1、第第三三章章 汽輪機汽輪機的變工況的變工況華北電力大學，能源動力與機械工程學院華北電力大學，能源動力與機械工程學院巨星變工況汽輪機的設計值：效率最高汽輪機的設計值：效率最高設計工況：經濟工況設計工況：經濟工況 設計功率：經濟功率設計功率：經濟功率運行中參數不可能始終保持設計值運行中參數不可能始終保持設計值變工況變工況汽機熱力汽機熱力過程變化（流量、壓力、溫度、比焓降、效率等）、零過程變化（流量、壓力、溫度、比焓降、效率等）、零部件受力變化、熱應力部件受力變化、熱應力/熱膨脹熱膨脹/熱變形情況變化熱變形情況變化典型變工況：啟動、停機、故障典型變工況：啟動、停機、故障一、一、級組的變工況級組的變工

2、況一、定壓運行與滑壓運行定壓運行定壓運行：汽輪機在不同工況運行時，依靠改變調節汽門的開：汽輪機在不同工況運行時，依靠改變調節汽門的開度來改變級組的功率。而汽輪機前的新奇壓力和新汽溫度維持度來改變級組的功率。而汽輪機前的新奇壓力和新汽溫度維持不變。（汽機主調鍋爐跟隨，汽輪機通過改變調門位置改變電不變。（汽機主調鍋爐跟隨，汽輪機通過改變調門位置改變電負荷，鍋爐維持主蒸汽壓力負荷，鍋爐維持主蒸汽壓力爐跟機）爐跟機）滑壓運行滑壓運行：汽輪機在不同工況運行時，不僅主汽門全開，調節：汽輪機在不同工況運行時，不僅主汽門全開，調節汽門也是全開的，這時機組功率的變工是靠汽輪機前主蒸汽壓汽門也是全開的，這時機組功

3、率的變工是靠汽輪機前主蒸汽壓力的改變而實現的。也就是說，主蒸汽壓力隨機組工況變動而力的改變而實現的。也就是說，主蒸汽壓力隨機組工況變動而變動，但此時主蒸汽溫度仍保持不變。變動，但此時主蒸汽溫度仍保持不變。即：機組在額定功率時即：機組在額定功率時按額定壓力運行；低負荷時則以某一低于額定數值的壓力運行按額定壓力運行；低負荷時則以某一低于額定數值的壓力運行，而在工況變動范圍內，汽溫并不變化，仍保持額定值。，而在工況變動范圍內，汽溫并不變化，仍保持額定值。（鍋（鍋爐主調汽機跟隨，鍋爐通過改變主蒸汽壓力改變電負荷，汽輪爐主調汽機跟隨，鍋爐通過改變主蒸汽壓力改變電負荷，汽輪機維持調門位置機維持調門位置機跟

4、爐）機跟爐）一、與定壓運行相比一、與定壓運行相比,滑壓運行的效益主要表現在滑壓運行的效益主要表現在:1）由于壓力隨負荷降低，蒸汽的比熱減小，過熱熱減小。所以）由于壓力隨負荷降低，蒸汽的比熱減小，過熱熱減小。所以過熱蒸汽溫度過熱蒸汽溫度在較寬的負荷范圍內都維持了在較寬的負荷范圍內都維持了穩定穩定（例如：在（例如：在40-100%MCR內可維持額定溫度）；內可維持額定溫度）；2）由于汽輪機節流損失小，）由于汽輪機節流損失小，高壓缸排汽溫度穩定高壓缸排汽溫度穩定（亞臨界機組，（亞臨界機組，負荷從負荷從100%降低到降低到50%MCR，高缸排汽溫度只降低了，高缸排汽溫度只降低了60度左右，度左右，所以

5、所以再熱氣溫也容易維持穩定再熱氣溫也容易維持穩定）；）；3）由于汽輪機節流損失小，）由于汽輪機節流損失小，級前后的壓力比級前后的壓力比與額定負荷相比，與額定負荷相比，幾乎不變幾乎不變；而機內蒸汽的；而機內蒸汽的容積流量也與額定負荷基本相同容積流量也與額定負荷基本相同（由（由于壓力降低）；所以，汽機的于壓力降低）；所以，汽機的級效率保持較高級效率保持較高。與定壓運行相。與定壓運行相比，變壓運行時，汽機的內效率提高了比，變壓運行時，汽機的內效率提高了 ；4）由于負荷變動過程中，汽機內）由于負荷變動過程中，汽機內金屬的溫度變化小金屬的溫度變化小（一般不大（一般不大于于78度），所以，汽機金屬的度），

6、所以，汽機金屬的熱應力小熱應力小，負荷變動的速度不受，負荷變動的速度不受汽缸應力的限制；汽缸應力的限制；5）機組低負荷運行時，給水的壓力和流量同時降低，所以與定）機組低負荷運行時，給水的壓力和流量同時降低，所以與定壓相比，壓相比，能耗明顯降低能耗明顯降低。二、缺點：二、缺點：1）負荷變動時，汽包內壓力和溫度隨著變化，）負荷變動時，汽包內壓力和溫度隨著變化，汽包的應力汽包的應力問題問題比定壓運行嚴重，成為限制機組負荷變動速度的主要因素比定壓運行嚴重，成為限制機組負荷變動速度的主要因素2）機組負荷變動，是靠鍋爐調整燃燒和給水進行的，而鍋爐是）機組負荷變動，是靠鍋爐調整燃燒和給水進行的，而鍋爐是熱慣

7、性大的設備，所以，熱慣性大的設備，所以，負荷響應的速度慢負荷響應的速度慢3）低負荷時降低了主蒸汽壓力，從而）低負荷時降低了主蒸汽壓力，從而降低了機組的循環熱效率降低了機組的循環熱效率因此因此,在某一負荷下是否應該采用滑壓運行在某一負荷下是否應該采用滑壓運行,關鍵是綜合上述各項關鍵是綜合上述各項來考察機組的運行經濟性來考察機組的運行經濟性二、級組壓力與流量的關系流量相等而依次串聯的排列的若干級稱為級組。流量相等而依次串聯的排列的若干級稱為級組。級組的亞臨界工況級組的亞臨界工況：各級氣流速度均小于臨界速度：各級氣流速度均小于臨界速度級組的臨界工況級組的臨界工況：級組內至少有一列葉柵的出口流速：級組

8、內至少有一列葉柵的出口流速達到或超過臨界流速達到或超過臨界流速1.1.級組的亞臨界工況級組的亞臨界工況G G0101、P P0101、T T01 01 、P Pg1 g1 變工況下級組流量、初壓、初溫、背壓變工況下級組流量、初壓、初溫、背壓G G0 0、P P0 0、T T0 0、P Pg1 g1 設計工況下級組流量、初壓、初溫、背壓設計工況下級組流量、初壓、初溫、背壓01022021201001TTppppGGgg22021201001ggppppGG若不考慮溫度變化（滑壓運行）：若不考慮溫度變化（滑壓運行）：弗留格爾公式弗留格爾公式：通流部分結構不變時：通流部分結構不變時1.1.級組的臨界

9、工況級組的臨界工況 某級處于臨界狀態，或者級后壓力很低：某級處于臨界狀態，或者級后壓力很低： 忽略溫度的影響忽略溫度的影響 可利用調節級后蒸汽壓力作為測量蒸汽流量的可利用調節級后蒸汽壓力作為測量蒸汽流量的信號或機組功率的信號信號或機組功率的信號010001001TTppGG001001ppGG1001ppGG 1 1、凝汽式汽輪機非調節級各級組、凝汽式汽輪機非調節級各級組對于凝汽式級組，可將包括末級在內的各級作為一個級組，該對于凝汽式級組，可將包括末級在內的各級作為一個級組，該級組后壓力為汽輪機排汽壓力級組后壓力為汽輪機排汽壓力 ，當級數較多時，級組前壓力，當級數較多時，級組前壓力 ，這樣：，

10、這樣：0pG結論：1）凝汽式汽輪機各級（除最后一、二級外），無論是否發生 臨界，其流量均與級前壓力成正比。 2）對于最后幾級，由于 相對較低， 就不能忽略，應按弗留格爾公式計算。 3）對于回熱抽汽，可近似應用弗留格爾公式，誤差不大。 gp0gpp2210010,0ggpppp2120122010110112220020011ggggppppppGGpppppp001,pp221001,ggpppp級組gpp0三、各級組的 曲線0011ppGG0100011TTppGG凝汽式汽輪機非調節級各級組的流量壓力關系曲線凝汽式汽輪機非調節級各級組的流量壓力關系曲線負荷較高時，末級為臨界，或即使為亞臨界，

11、最末段抽汽壓力遠大于排汽壓力，故末段級前壓力與流量成正比；負荷很低時，末級為亞臨界，抽汽壓力也較低，排汽壓力不能忽略，流量與抽汽壓力為雙曲線關系。無廠用汽無廠用汽凝汽式汽輪機非調節級各級組的流量壓力關系曲線凝汽式汽輪機非調節級各級組的流量壓力關系曲線少量廠用汽少量廠用汽較多廠用汽較多廠用汽2 2、背壓式汽輪機非調節級各級組、背壓式汽輪機非調節級各級組 背壓式汽輪機的特點，背壓（汽輪機排汽壓力背壓式汽輪機的特點，背壓（汽輪機排汽壓力 ）高于大氣壓）高于大氣壓，排汽比容小，末級直徑較小，末級焓降較小，流速較低。，排汽比容小，末級直徑較小，末級焓降較小，流速較低。一般情況下，背壓級組末級也處于亞臨界

12、工況。一般情況下，背壓級組末級也處于亞臨界工況。所以，只能應用所以，只能應用弗留格爾公式弗留格爾公式計算（呈雙曲線變化）。計算（呈雙曲線變化）。調整抽汽式汽輪機，其調節抽汽口壓力基本保持不變，且大于調整抽汽式汽輪機，其調節抽汽口壓力基本保持不變，且大于大氣壓，所以抽汽口各級都處于亞臨界工況，也用大氣壓，所以抽汽口各級都處于亞臨界工況，也用弗留格爾公弗留格爾公式式計算。計算。 gp熱用戶gp220212011ggppppGG010220212011TTppppGGgg或1.1.弗留格爾公式的應用條件弗留格爾公式的應用條件四、 壓力與流量關系式的應用（1）在不同工況下，級組中各級通流面積不變）在不

13、同工況下，級組中各級通流面積不變 如通流部分結垢或磨損等，應進行修正2201101001122001001,ggpppTTGGaaGpTGppT01p01p 結垢（a 1），則同一流量G1下， 必然降低。（2）在同一工況中，通過級組的流量相等。）在同一工況中，通過級組的流量相等。調節抽汽口（大量抽汽供熱、取暖、其他廠用汽等）應作為分級組的界限。（3）流過級組的蒸汽流應是均質流。）流過級組的蒸汽流應是均質流。不能把調節級取在級組內（4）嚴格講，弗留格爾公式適用于無窮多級數的級組，但一般多于）嚴格講，弗留格爾公式適用于無窮多級數的級組，但一般多于 56級，就能得到滿意的結果級，就能得到滿意的結果。

14、級組內級數越多，精度越高。2.2.用于分析運行問題用于分析運行問題 通常把調節級汽室、各段調整抽汽和非調整抽通常把調節級汽室、各段調整抽汽和非調整抽汽汽室作為壓力的監視點，通稱為監視段壓力。汽汽室作為壓力的監視點，通稱為監視段壓力。 凝汽式汽輪機的監視段壓力與流量成正比，同一凝汽式汽輪機的監視段壓力與流量成正比，同一流量下，若監視段壓力較初投產時的數值高，表明監流量下，若監視段壓力較初投產時的數值高，表明監視點后面級的通流部分可能結垢：當監視段壓力增大視點后面級的通流部分可能結垢：當監視段壓力增大5 51515以上時，軸向推力將增大到威脅機組安全以上時，軸向推力將增大到威脅機組安全的程度。的程

15、度。汽輪機的負荷特性舉例汽輪機的負荷特性舉例 1 1、某臺一次再熱超高壓凝汽式汽輪機的功率突然下降、某臺一次再熱超高壓凝汽式汽輪機的功率突然下降40%40%，此時機組無明顯振動，機組參數變化如下（負號，此時機組無明顯振動，機組參數變化如下（負號表示降低）：表示降低）： 功率降低后，一些參數又基本穩定不變，各監視段壓功率降低后，一些參數又基本穩定不變，各監視段壓力近似成比例降低。力近似成比例降低。負荷負荷給水流量給水流量 調節級后調節級后壓力壓力中間再熱中間再熱后壓力后壓力高壓缸高壓缸效率效率中低壓缸中低壓缸效率效率-40%-40%-36%-36%-42%-42%-44%-44%-1.8%-1.

16、8%-0.4%-0.4% 分析原因：分析原因： 調節級后壓力和中間再熱后壓力降低，表明蒸汽流量變小，調節級后壓力和中間再熱后壓力降低，表明蒸汽流量變小，這也由給水流量降低證實。符合公式！說明調節級后均工作這也由給水流量降低證實。符合公式！說明調節級后均工作正常！流量突降是調節級或調節級之前流通部分的故障導致正常！流量突降是調節級或調節級之前流通部分的故障導致 未引起振動，說明非轉動部分的機械問題！未引起振動，說明非轉動部分的機械問題！ 調節級噴嘴、動葉損壞？流量增大；調節級葉片斷落？非調調節級噴嘴、動葉損壞？流量增大；調節級葉片斷落？非調節級第一級噴嘴堵塞使調節級后壓力升高；非調節級問題！節級

17、第一級噴嘴堵塞使調節級后壓力升高；非調節級問題！ 調節汽門問題？調節汽門問題？ 調節汽門閥桿斷裂會導致汽門一直處于關閉或近關閉位置。調節汽門閥桿斷裂會導致汽門一直處于關閉或近關閉位置。移動油動機，提起閥桿發現第一調門開大范圍內流量不變！移動油動機，提起閥桿發現第一調門開大范圍內流量不變！ 閥門動作失靈閥門動作失靈第一調節汽門閥桿斷裂第一調節汽門閥桿斷裂負荷負荷給水流量給水流量 調節級后調節級后壓力壓力中間再熱中間再熱后壓力后壓力高壓缸高壓缸效率效率中低壓缸中低壓缸效率效率-40%-40%-36%-36%-42%-42%-44%-44%-1.8%-1.8%-0.4%-0.4%汽輪機的負荷特性舉例

18、汽輪機的負荷特性舉例 2 2、一超高壓汽輪機在運行、一超高壓汽輪機在運行2121個月后發現功率不斷下降個月后發現功率不斷下降，已持續一兩個月。分析每天數據，發現功率是以不變，已持續一兩個月。分析每天數據，發現功率是以不變的速度下降的，而不是突降的。與的速度下降的，而不是突降的。與2121個月前的運行數據個月前的運行數據相比，變化情況如下：相比，變化情況如下：流量流量功率功率調節級后調節級后壓力壓力高壓缸高壓缸效率效率-17.2%-17.2%-16.5%-16.5%+21.2%+21.2%-12.2%-12.2% 分析原因：分析原因： 調節級后壓力增加，但流量不增加。不正常！根據計算公式調節級后

19、壓力增加，但流量不增加。不正常！根據計算公式得出：得出：a1a1a1 各個調節汽門開度下降功率變大：應非調節汽門問題各個調節汽門開度下降功率變大：應非調節汽門問題 調節級通流面積增大：噴嘴腐蝕？葉片損壞？噴嘴弧段漏氣？調節級通流面積增大：噴嘴腐蝕？葉片損壞？噴嘴弧段漏氣？ 前兩種高壓缸效率大為降低。高壓缸效率略有下降：噴嘴腐蝕前兩種高壓缸效率大為降低。高壓缸效率略有下降：噴嘴腐蝕！五、 級的比焓降和反動度的變化規律 級的比焓降變化規律級的比焓降變化規律級的比焓降由120011kktpkhRTkp由上式可知，如忽略溫度的影響，級的比焓降取決于級壓比的大小。汽輪機工況變化時，有了級壓比的變化規律討

20、論，也就得到了焓降的變化規律。0112122102001pGpppGpppp1010tthThT凝汽式汽輪機凝汽式汽輪機中間級(除調節級與末級以外)0101 ttTThh 得結論：凝汽式汽輪機中間級,流量變化時級的理想比焓降基本不變。在調節級、中間級、末級的情況不同，分別討論。 末級最大流量工況。th 流量大于臨界流量最小值時，雖p0正比于G，但背壓pc不于G成正比，一般pc不變，有流量增大，ht增大；反之，流量減小，ht減小。 流量小于臨界流量最小值時，p0與G為雙曲線，G下降 時， ht減得稍慢中間級、末級的最危險工況：c)調節級（第三節討論） 背壓式汽輪機背壓式汽輪機 如果背壓式汽輪機的

21、最后一級在工況變動前后均達到臨界狀態，則各壓力級級前壓力與流量成正比。在此情況下，這些級(除末級外)的比焓降的變化規律，與凝汽式汽輪機的中間級一樣。但一般情況下，最后一級也不會達到臨界狀態。此時，忽略溫度變化，由弗留格爾公式可得變工況下理想比焓降與流量的關系曲線 12222211122220111kkggttggpppG GhBhpppG G由圖可知：流量變化越大，級的理想比焓降變化也越大。流量變化時，前面級的焓降變化較小；后面級的焓降變化較大。背壓式汽輪機非調節級焓降變化規律 級的反動度的變化規律級的反動度的變化規律a）工況變化時，若級焓降）工況變化時，若級焓降 減小，反動度減小，反動度 增

22、大；增大； 若級焓降若級焓降 增大，反動度增大，反動度 減小。減小。b）設計工況的反動度較小的級，焓降變化時，反動度變化較大；）設計工況的反動度較小的級，焓降變化時，反動度變化較大； 設計工況的反動度較大的級，焓降變化時，反動度變化較小。設計工況的反動度較大的級，焓降變化時，反動度變化較小。c）反動級變工況時，反動度基本不變。）反動級變工況時，反動度基本不變。thmthm動、靜葉出口面積比變化，引起反動度變化動、靜葉出口面積比變化，引起反動度變化 當制造、安裝誤差、運行后磨損、結垢等原因，使面積比偏離當制造、安裝誤差、運行后磨損、結垢等原因，使面積比偏離設計值，也將引起反動度變化。設計值，也將

23、引起反動度變化。 變化規律：葉柵出口面積比增大，反動度增大。變化規律：葉柵出口面積比增大，反動度增大。 葉柵出口面積比減小，反動度減小。葉柵出口面積比減小，反動度減小。面積比面積比 fAn / Ab六、撞擊損失 當 增大時，C11 C1，u不變， 0，為正沖角。 汽流沖擊在動葉內弧段。定義：沖角 (葉型進汽角汽流進汽角)設計工況時，汽流進汽角與動葉進汽角一致，變工況時，級的焓降變化，汽流偏離設計方向，產生沖角。當 減小時，C11 C1， u不變， 在最大負荷時，流量最大，軸向推力最大。ssppppppppppGG12021012210011GGppFFssZZ111凝汽式機組中間各級變工況時，

24、反動度基本不變。2、噴嘴配汽凝汽式汽輪機軸向推力對于噴嘴配汽，軸向推力變化受到調門開啟的影響，成折線變化。 全機壓力級mszpeF3、背壓式機組的軸向推力 對于背壓式壓力級在工況變化時，其級前、后壓力與流量不成正比，焓降、反動度都變化，所以級的軸向推力不與流量成正比，最大軸向推力都發生在某一中間功率時達到。 滑壓運行：（也稱變壓運行）指單元機組中，汽輪機調節汽門全開或開度不變，負荷改變時，調節鍋爐燃料量、給水量和空氣量，改變鍋爐出口蒸汽壓力與流量，而蒸汽溫度保持不變，來實現汽輪機的負荷變化。 定壓運行：前面講到的配汽方式（節流調節、噴嘴調節，保持主氣閥前蒸汽參數不變，改變調節閥開度）統稱為定壓

25、運行。 調節汽門主汽門p0 , t0不變主汽門調節汽門全開t0不變p0 鍋爐燃料量和給水量滑壓運行定壓運行滑壓運行與定壓運行的比較可靠性，對部分負荷下運行的適應性增加 ， ，而 保持不變，熱應力減少；提高部分負荷下的熱效率（經濟性） 調節汽門全開 節流損失小 新蒸汽 ， 不變。末級濕度降低，濕汽損失 低負荷時， ，鍋爐給水壓力相應降低，給水泵耗功 但循環熱效率，汽耗采用滑壓運行：0pmacth0T0p0T0p滑壓運行適應工況的大幅度的變化，調峰機組。超臨界、超超臨界機組在負荷低至25%左右采用滑壓運行，熱效率可改善23%。12.75MPa以下的機組，壓降使循環熱效率下降過大，一般不用滑壓調節。

26、節流損失濕汽損失給水泵耗功循環熱效率滑壓運行的優點滑壓運行方式 p0Pel純滑壓方式純滑壓方式：不需要調節級，第一級全周進汽，調節汽門全開，只靠鍋爐出口蒸汽壓力和流量的改變來調節機組負荷。鍋爐熱容量大，適應性差。節流滑壓方式節流滑壓方式：不需要調節級，第一級全周進汽，節流調節汽門預先關小5%15%，進行滑壓運行。有節流損失。復合滑壓方式復合滑壓方式（定-滑-定）：高負荷區(80%95%)，定壓運行（初壓高，熱循環效率高）；中間負荷(8050%)，滑壓運行（節流損失小）；低負荷(25%50%)初壓水平較低的定壓運行（避免經濟性下降太多）。熱經濟性。滑壓運行機組的安全性與靈活性滑壓運行機組的安全性

27、與靈活性所謂安全性，主要考核機組在變負荷時，汽輪機零部件熱應力大小；靈活性是指允許機組負荷變化速率的大小。汽輪機零部件的熱應力，主要與溫度變化大小及變化速率有關，溫度變化越大，熱應力越大，安全性越差。對于同等幅度的負荷變化，溫度變化越大，靈活性就越差。因此，安全性和靈活性是統一的。P02=8.58MPaP01=12.8MPaP0=17.2MPashB1P=1.62MPaP=2.45MPaP=3.43MPat=320t=295t=262t0=540B2A1A2D2A3D3D1C2B3C375%負荷50%負荷100%負荷不同運行方式時，高壓缸溫度變化不同運行方式時，高壓缸溫度變化噴嘴配汽定壓運行機

28、組，負荷下降時，高壓缸各級溫度下降較多，引起較大熱應力和熱變形。滑壓運行機組高壓各級溫度基本不變。結論：結論：滑壓運行機滑壓運行機組的安全性和靈活組的安全性和靈活性都高于定壓運行。性都高于定壓運行。 噴嘴配汽定壓運行汽輪機調峰時，若迅速改變負荷，將引起高壓缸內各級，特別是調節級處較大的溫度變化，這是限制該機組調峰靈活性的主要原因，也是影響機組的安全可靠運行的關鍵問題。 滑壓運行機組，負荷變化時，高壓缸各級溫度幾乎不變。 節流配汽定壓運行時，高壓缸各級溫度變化雖不大，但節流損失較大，熱經濟性較低。 大容量汽輪機調峰時，采用滑壓運行方式，在安全性和負荷變化靈活性上，都優于定壓運行方式，一定條件下的經濟性也優于定壓運行方式。蒸汽參數變化對汽輪機運行的影響 主、再熱蒸汽壓力變化的影響 主、再熱蒸汽溫度的影響 排汽壓力變化的影響 蒸汽品質對汽輪機運行的影響主、再熱蒸汽壓力變化的影響 經濟性調節汽門開度不變：壓力升高，進汽量增大，理想焓降增加，功率增加，經濟性越好。維持功率不變：節流損失和朗肯循環效率的影響相互抵消，壓力變化，經濟性基本不變。 安全性：壓力過高，承壓部件和調節級葉片危險。壓力過低，若要保持功率，則流量增大，末級葉片危險。主、再熱蒸汽溫度的影響 經濟性溫度升高，朗肯循環效率升高，末級濕度下降，汽輪