《汽轮机基本知识》PPT课件.ppt

汽轮发电机组的基本知识,汽轮机的基本概念 汽轮机的调节保护系统,一.汽轮机的基本工作原理,汽轮发电机组（steame turbine generator) 具有一定压力、温度的蒸汽，进入汽轮机，流过喷嘴并在喷嘴内膨胀获得很高的速度。高速流动的蒸汽冲动汽轮机转子上的动叶片做功，动叶带动汽轮机转子，按一定的速度转动，这就是汽轮机最基本的工作原理。 从能量转换的角度讲，蒸汽的热能在喷嘴内转换为汽流动能，动叶片又将动能转换为机械能。汽轮机属于透平机械的一种。,透平机械turbomachinery,是装有叶具有叶片的动力式流体机械。透平机械的共同特点片的转子作高速旋转运动，流体（气体或液体）流经叶片之间通道时，叶片与流体之间产生力的相互作用，借以实现能量转化。按能量转化方向的不同，透平机械分为原动机和从动机。原动机将流体的能量（热能、势能或动能）转化为机械能，通过主轴带动发电机或其他从动机。原动机有汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机、水轮机和风力机等。从动机由电动机或其他原动机拖动，将机械能转换为流体的能量 ，即提高流体的压力。从动机有通风机、透平压缩机、离心泵和轴流泵等。从动机和原动机在原理和结构上基本相同，只是工作过程相反。透平机械的工质可以是气体，如蒸汽、燃气、空气和其他气体或混合气体，也可以是液体，如水、油或其他液体。透平机械主要分为轴流式和径流式（离心式或向心式）两种。在轴流式机械中，流体沿轴向流动；径流式机械中，流体主要沿着径向流动。还有一种斜流式机械，流体的流动方向介于上述两者之间。,汽轮机转子通过联轴器与发电机转子连接起来，当汽轮机转子带动发电机转子一起旋转时，由于电磁感应的作用，发电机定子线圈中产生电流，通过变电配电设备向用户供电。 为满足外界负荷变化而能够及时地调节机组负荷，同时为满足供电品质的要求，机组必须能够保证转速在允许的范围内（500.5HZ),汽轮发电机组要设置有调节系统，以及为保证汽轮机设备的安全，防止设备的损坏事故的发生，还应该具有必要的保护装置。,汽轮机的分类,汽轮机按热力过程可分为： （1）凝汽式汽轮机（代号为N）。 （2）一次调整抽汽式汽轮机(代号为C）。 （3）二次调整抽汽式汽轮机(代号为C、C）。 （4）背压式汽轮机（代号为B）。 按工作原理可分为: （1）冲动式汽轮机 （2）反动式汽轮机 按新蒸汽压力可分为: 低压汽轮机 新汽压力为（1.18-1.47MPa) 中压汽轮机 新汽压力为（1.96-3.92MPa) 高压汽轮机 新汽压力为（5.88-9.81MPa) 超高压汽轮机 新汽压力为（11.77-13.75MPa) 9,一种补汽式汽轮机 申请号/专利号： 201020241387 本实用新型公开了一种补汽式汽轮机，包括依次连通的补汽门、汽缸补汽室、顺序调节阀和设置在中间隔板上的喷嘴组；外负荷变化时，顺序调节阀的阀门按照预设顺序开启或关闭。在汽轮机运行时，从低压锅炉进入的低压蒸汽通过补汽门，进入汽缸补汽室，经过顺序调节阀，进入中间隔板的上半的喷嘴组，调节级做功后，与通过中间隔板下半通道的主汽流混合在一起，再做功后，被排到冷凝器。在部分负荷的情况下，几个调节阀中只有一个或两个调节阀未被开启，因此，相同的部分负荷下汽轮机的进汽节流损失较小，汽轮机内部的效率变化也较小，达到充分利用余热的目的，从而提高了汽轮机余热利用效率及稳定性。,汽轮机主要由哪几部分组成： （1）转动部分：由主轴、叶轮、轴封和安装在叶轮上的动叶片及联轴器组成。 （2）固定部分：由喷嘴室、汽缸、隔板、静叶片、汽封等组成。 （3）控制部分：由调节系统、保护装置和油系统等组成。,转子的组成部件： 转子是由合金钢锻件整体加工出来的，除叶轮外，还有高、低压轴封套（小机组有直接式）、推力盘，前部过刚性连接短轴装有主油泵、危急保安器、高速弹性调速器、测量转速及晃度装置、油封组件等。 转子结构： （1）整锻转子：叶轮、轴封套、联轴节等部件与主轴是由一整锻件削而成，无热套部分，这解决了高温下叶轮与轴连接容易松动的问题。这种转子常用于大型汽轮机的高、中压转子。结构紧凑，对启动和变工况适应性强，宜于高温下运行，转子刚性好，但是锻件大，加工工艺要求高，加工周期长，大锻件质量难以保证，造价较高。,（2）套装转子：叶轮、轴封套、联轴节等部件都是分别加工后，热套在阶梯型主轴上的。各部件与主轴之间采用过盈配合，以防止叶轮等因离心力及温差作用引起松动，并用键传递力矩。中低压汽轮机的转子和高压汽轮机的低压转子常采用套装结构。套装转子在高温下，叶轮与主轴易发生松动。所以不宜作为高温汽轮机的高压转子，但易于加工制造，造价较低。 (3）组合转子：由整锻结构套装结构组合而成，兼有两种转子的优点。 联轴器：联轴器用来连接汽轮机各个转子以及发电机转子，并将汽轮机的扭矩传给发电机。现代汽轮机常用的联轴器常用三种形式：刚性联轴器，半挠性联轴器和挠性联轴器,凝气式汽轮机：是指进入汽轮机的蒸汽在做功后全部进入凝汽器，凝结成水全部返回锅炉。进入汽轮机的蒸汽，对于中压机组，约有70%的热量被冷却排汽的冷却水（或空气）带走，对于高压汽轮机来说，由于进汽含热量大些（约3433KJ/Kg），可利用的热量相对大些，但损失仍很大。为减少损失，采用带回热设备的凝汽式汽轮机，把做过一部分功的蒸汽抽出来加热锅炉给水，以提高经济性。 背压式汽轮机：将全部排汽供给其它工厂或用户，使蒸汽的含热量得到利用，排汽的压力高于大气压，因此这种汽轮机称为背压式汽轮机，不设凝汽器，节省设备，简化构造，但其运行负荷受热用户限制，水处理量较大，因此，常与抽凝机组联合使用。 调整抽汽式机组：从机组某一级中经调压器控制抽出已经做了部分功的一定压力范围的蒸汽供给其它工厂或热用户，机组仍然设有凝汽器，当热用户用汽量减少时，仍能够保证一定电负荷。,汽轮机的调节保护系统,1.汽轮机调节系统的任务： 汽轮机是发电厂的原动机，驱动同步发电机旋转产生电能，向电网输送符合数量和供电品质(电压与频率)要求的电力。由同步发电机的运行特性已知，发电机的端电压决定于无功功率，而无功功率决定于发电机的励磁；电网的频率(或称周波)决定于有功功率，即决定于原动机的驱动功率。因此，电网的电压调节归发电机的励磁系统，频率调节归汽轮机的功率控制系统。这样，机组并网运行时，根据转速偏差改变调节汽门的开度，调节汽轮机的进汽量及焓降，改变发电机的有功功率，满足外界电负荷的变化要求。由于汽轮机调节系统是以机组转速为调节对象，故习惯上将汽轮机调节系统称为调速系统。,汽轮发电机组是将蒸汽的热能转变成电能的设备，而电能不能大量地储存，因此，机组应与外界负荷相适应，机组也能够在一定的转速下稳定运行，蒸汽冲动汽轮机转子产生的主动力矩Mt等于发电机转子受到的制动力矩Mg,当外界负荷发生变化时，发电机制动力矩随之变化，在未对机组机械调节时，会有剩余力矩存在，即M0，由力学可知，M=j=J/t,J-转子的转动惯量，/t-转子的角加速度，显然，外界负荷增加，机组转速降低，外界负荷减少，则机组转速增加。 机组转速变化，会影响供电质量，供电质量标准主要有两个，频率和电压，电压主要是对励磁电流的调整进行调节，而频率只取决于机组转速，关系式为，f=Pn/60,P-发电机磁极对数，我国供电频率要求为500.5赫兹，因此不允许机组转速有太大的变化。,也就是说，汽轮机调节保护系统的任务是：正常运行时，通过改变汽轮机的进汽量，使汽轮机的功率输出满足外界的负荷要求，且使调节后的转速偏差在允许的范围内；在危急事故工况下，快速关闭调节汽门或主汽门，使机组维持空转或快速停机。 汽轮机调节系统的基本组成和种类 汽轮机调节系统的原理性构成如图所示。转速感受机构是将转子的转速信号转变成一次控制信号；中间放大器对一次控制信号作功率放大，并按调节目标作控制运算，产生油动机的控制信号；油动机是一种液压位置伺服马达，按中间放大器的控制信号产生带动配汽机构动作的驱动力，并达到预定的开度位置；配汽机构是将油动机的行程转变为各调节汽门的开度，通过配汽机构的非线性传递特性，汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线性关系；同步器作用于中间放大器，产生控制油动机行程的控制信号，单机运行时改变汽轮机的转速，并网运行时改变机组的功率；启动装置在机组启动时用于冲转、并提升转速至同步器动作转速。,汽轮机的同步器,有关调节的几个概念,（1）调节对象 被调节的生产设备称为调节对象，例如凝汽器。 （2）调节系统 调节设备和调节对象构成的具有调节功能的统一体叫调节系统，例如凝汽器水位调节系统。 （3）被调量 调节对象中需要加以控制和调节的物理量叫做被调量，例如凝汽器水位。 （4）扰动 引起被调量变化的各种因素称为扰动，调节系统因内部原因或外来因素引起的扰动称为内部扰动或外部扰动。 （5）调节 通过外加控制作用使被调量保持规定值，或按一定规律变化，称为调节。依靠自动调节设备来实现这种作用的，叫做自动调节。,汽轮机调节系统方框图,调节系统应满足以下要求,（1）当主汽门全开时，能维持空负荷运行。 （2）由满负荷突降至零负荷时，能使汽轮机转速保持在危急保安器动作转速以下。 (3)当增减负荷时，调节系统应动作平稳，无摆动现象。 （4）当危急保安器动作后，应保证高、中压主汽门、调节汽门迅速关闭。 （5）调节系统速度变动率应满足要求（一般在4%-6%），迟缓率越小越好，一般应在0.5%以下。,汽轮机调节系统各组成部分的作用：,（1）转速感受机构：感受汽轮机转速变化，并将其变换成位移变化或油压变化的信号送至传动放大机构。按其原理分为机械式、液压式、电子式三大类。 （2）传动放大机构：放大转速感应机构的输出信号，并将其传递给执行机构。 （3）执行机构：通常由油动机、传动机构、调节汽门组成，根据传动放大机构的输出信号，改变汽轮机的进汽量。 （4）反馈装置:为保持调节的稳定，调节系统必须设有反馈装置，使某一机构的输出信号对输入信号进行反向调节，这样才能使调节过程稳定。反馈一般有动态反馈和静态反馈两种。,调节系统各组成部分的类型：,热电合供汽轮机,既驱动发电机发电又向外界供热的汽轮机称为热电合供汽轮机。与纯凝汽式汽轮机相比，它可以避免或减少凝汽器中的热能损失，因而有较高的热经济性。热电合供汽轮机主要有两种型式： 背压式汽轮机：蒸汽在汽轮机内作功后，以高出大气压力的压力排出供工业或采暖用，不设凝汽装置的汽轮机称为背压式汽轮机，这种汽轮机可以完全避免凝汽器中的热损失。 抽汽式汽轮机：从某一个或两个中间级后将作过功的部分蒸汽抽出，供工业或采暖用，其余的蒸汽仍进入凝汽器的汽轮机称为抽汽式汽轮机。这种汽轮机向热用户提供的抽汽量和压力能够根据用户的需要进行调节，可以部分减少凝汽器中的热损失。,一次调节抽汽式汽轮机的调节原理,一次抽汽式调节汽轮机的内功率等于高、低压（以抽汽节点划分）级组产生的内功率之和。在某一热负荷情况下，如果改变进汽量可以得到不同的电功率；反之，对应于某一电负荷，调节进汽量也可以得到不同的抽汽量。也就是说，抽汽式汽轮机能同时满足热、电负荷的需要。 抽汽式汽轮机的热、电比例约为（1-3）：1，即抽汽式汽轮机的主要任务是发电，其次是供热，因此抽汽式汽轮机的调节系统必须对转速的变化和抽汽压力的变化同样敏感，既要保证转速的稳定，又要保持抽汽压力的稳定，以保证热、电的稳定。 抽汽式汽轮机的显著特点除抽汽口相邻两级的距离较大外，主要是增加了控制设备旋转隔板和调压器。,1.电负荷不变，热负荷变化 当电负荷不变，热负荷增大时，抽汽室压力降低，在调压器作用下，开大高压调节汽阀，增大进汽量以满足热负荷的需要。由于电负荷未变，进汽量的增大将会引起发电量过多，引起转速或周波的变化，因此在开大高压调节汽阀的同时，关小旋转隔板，减少低压缸的发电量，以抵消进汽量增加后在高压缸中多发出的电量，从而维持电功率不变。 电负荷不变，热负荷减少的原理与此相同，但动作过程相反。 2.热负荷不变，电负荷变化 当热负荷不变，电负荷增大时，调速器动作，高压调节汽阀开大，增大进汽量，以满足电负荷增长的需要，但热负荷未变，为此必须同时开大旋转隔板，使增加的蒸汽流入低压缸作功发电，以维持抽汽量不变。 电负荷增大，热负荷不变的调节原理与此相同，动作过程相反。,电液调节的原理及特点,以转速为信号的机械液压式调节系统很难满足电厂综合自动控制的要求，因此二三十年前出现了电液调节，该系统保留了液压执行元件，从测取信号开始，采用电子元件组成的调节器，尤其是固态集成电路出现后，使得自动化控制更加完善。电液调节系统具有以下特点： （1）系统灵敏度高，稳态精度高，动态响应快； （2）可采用各种调节规律；容易满足各种运行方式； （3）容易综合各种信号； （4）容易实现各种逻辑电路； （5）便于与计算机联接，实现进一步自动化。 由于电液调节系统中大部分都采用了电子元件，灵敏度大为提高，所剩下的执行元件油动机的灵敏度和动态响应速度的提高就显得重要，另外，由于机组容量的增加，蒸汽参数提高，目前均向高压抗燃油方向发展，压力可达13Mp，因此可大大减小油动机尺寸和油量，缩小油动机的时间常数（可达0.15s以下）。,电液调节能根据运行要求，组成功频电液调节系统，二次自动调频系统，还能组成机、炉、电协调控制系统，确保电力系统稳定。 电液调节系统的基本部套： 1.变送器 1.1转速敏感元件磁阻发送器：将汽轮机的转速转换成相应频率的电压信号，由永久磁钢及位于磁钢前端的铁芯以及套在铁芯上的线圈组成，当与汽轮机相联的齿轮旋转时，齿顶接近和离开铁芯时，铁芯中的磁力线发生增减，从而在线圈中感应出电动势，该电动势的频率等于齿轮齿数乘以转速。,大功率汽轮机为何要采用功频电液调节系统,传统的机械、液压式调节系统是一种速度调节系统，它在并网的情况下能起到频率调节作用（一次调频）。改变同步器的位置，可以改变调节汽门的开度，因而改变汽轮机负荷，但这种调节机组功率的方法是有前提条件的，即某些如蒸汽参数、凝汽器真空的变化等干扰（简称内扰），同样会引起机组功率的改变，因此速度调节系统是没有抗内扰能力的。并网时即使同步器位置和外界负荷未变，由于内扰的原因也会使机组负荷发生变化。,为此，我们在速度调节系统中引入功率信号，对机组功率实行自动控制，将机组功率自动维持在给定值上，这种调节称为功率频率调节，简称功频调节，一般采用电液调节系统来实现。 电液调节是将一些非电量的被调参数利用变送器转换成电量，经综合放大后去推动液压执行机构而起调节作用的系统。 电液调节的特点是发挥了电子装置灵敏度高、非电量-电量转换实现容易及综合方便的特点，同时发挥了液压执行机构工作能力大、体积小、动作迅速平稳的特点，因而适合大功率中间再热机组的功频调节。,汽轮机调节系统的静态特性曲线:,调节系统的静态特性曲线是在稳定状态下机组负荷与转速之间的关系曲线。 调节系统静态特性曲线应该是一条平滑下降的曲线，中间不应该有水平部分，曲线两端应较陡。 如果中间有水平部分，运行时会引起负荷的自发摆动或不稳定现象。 曲线左端较陡，主要是使汽轮机容易稳定在一定的转速下进行发电机的并列和解列。右端较陡是当电网频率下降时，使汽轮机带上的负荷较小，防止汽轮机发生过负荷。,汽轮机静态特性曲线,n,P,调节系统做静态、动态特性曲线的目的：,调节系统静态特性试验的目的是测定调节系统的静态特性曲线、速度变动率、迟缓率，全面了解调节系统的工作性能是否正确、可靠、灵活；分析调节系统产生缺陷的原因，以便正确地消除缺陷。 调节系统动态特性试验的目的是测取甩负荷时转速飞升曲线，以便正确地评价过渡过程的品质，改善调节系统的动态调节品质。,汽轮机为什么必须有保护装置？,为了保证汽轮机设备的安全，防止设备损坏事故的发生，除了要求调节系统动作可靠以外，还应该具有必要的保护装置，以便当汽轮机遇到调节系统失灵或其它事故时，能及时动作，迅速停机，避免造成设备损坏等事故发生。 保护装置应特别可靠，并且汽轮机容量越大，造成事故的危害越大，因此对保护装置的可靠性要求就越高。 从自动调节的角度来看，保护装置也是一种自动调节装置，与调节系统一样，也由感受、放大、执行机构三部分组成，所不同的只是调节方式不一样，调节系统是根据参数给定值进行跟踪调节，使运行参数始终维持在给定值附近；而保护装置只有当保护参数大于给定值时，才使执行机构动作，其调节只有两种形式，即全开或全关，因此叫双位调节。,通常汽轮机保护装置有以下几项：,（1）自动主汽门保护装置动作后迅速切断汽源，是保护装置的执行元件。 （2）超速保护装置危急保安器、危急遮断油门、电超速保护装置、超速附加保护装置。 （3）轴向位移保护装置当转子的轴向推力过大，致使推力轴承乌金融化，转子将产生不允许的轴向位移，造成动静摩擦，导致设备严重损坏，按感受元件结构可分为机械式、液压式、电气式（“山”形铁芯和线圈组成，初级、次级线圈）。,相对膨胀保护装置设在低压缸膨胀死点处，转子和汽缸有各自的膨胀方向及数值，当在正负两方向胀差超过限制数值时，会造成动静摩擦，此时保护装置动作，关闭主汽门和调节汽门，紧急停机。常用的有电气式保护装置。 低油压保护装置机组润滑油油压过低，将导致轴瓦润滑油膜破坏，不但损坏轴瓦及轴颈，而且还会造成动静摩擦等恶性事故。 低油压保护装置一般具备以下作用： （1）润滑油压低于正常要求数值时，首先发出信号，同提醒运行人员注意并采取必要措施。 （2）油压继续下降至某数值时，自动投入辅助油泵（交流、直流油泵） （3）此时如油压继续下降到某一数值应打闸停机，再低时停止盘车。,低真空保护装置机组运行中真空降低，不仅会影响汽轮机的出力和降低热经济性，而且还会因真空降低过多排汽温度过高、轴向推力增加影响汽轮机安全。 当真空降低至一定数值时，发出报警信号，真空降低至规定的极限数值时，能自动停机，真空降至零，排汽缸产生正压时，还会使安全门（大气阀）动作，保护汽轮机免受损坏。,自动主汽门,保证安全,要求自动主汽门动作迅速并关闭严密，对高压汽轮机来说，在正常进汽参数和排汽压力的情况下，自动主汽门关闭后（调节汽门全开），汽轮机转速应能够降低至1000r/min以下,为了自动主汽门的作用是在汽轮机保护装置动作以后，迅速切断汽源，使汽轮机停止运行，因此，它是保护装置的执行机构。 自汽轮机保护系统动作到主汽门完全关闭的时间，通常要求不大于0.5-0.8s。 自动主汽门通常由油压控制和操纵座（也叫主汽门油动机、自动关闭器等）和主汽门门体两部分组成。,汽轮机自动关闭器原理图,N100-90/535型汽轮机调节原理,该机组是哈尔滨汽轮机厂生产的高压凝汽式汽轮机，采用高速弹簧片调速器作感应机构的液压调节系统。 1.供油系统：该机组采用离心式主油泵供油系统，正常运行时，主油泵入口由号注油器供油，油压为0.1Mpa，主油泵出口压力油油压为2Mpa，压力油经逆止阀后分别向调节系统、保护系统、以及注油器供油。号注油器出口油压为0.3Mpa，经冷油器后进入各个轴承。润滑系统设有溢油阀，如油压过高，可经溢油阀将一部分油排入油箱，保持润滑油压稳定。冷油器设有两台，并联运行。供油系统中设有高压交流电动辅助油泵，出口油压为2Mpa，供汽轮机启动、停机时使用。此外还设有交、直流电动润滑油泵，供停机过程中、盘车、及事故时向润滑系统供油。,2.调节系统简述：机组运行时，若外界负荷减少，机组转速增加，调速器调速块右移，随动活塞右移，调速器错油门活塞右移，脉冲油泄油口开大，脉冲油压P降低，油动机错油门活塞下降，高压油动机活塞下移，关小调节汽门，机组功率减少，与外界负荷相适应。随着油动机活塞下移，反馈错油门进油窗口开大，压力油进入脉冲油路的油量增加使脉冲油恢复到原来数值，错油门回到断开位置，调节系统重新稳定。若外界负荷增加，其动作与上述相反。,抽凝机组计算公式,抽凝机汽耗=机组进汽量*1000/机组发电量，单位：kg/kWh 抽凝机热耗=（机组进汽量*进汽焓-各级抽汽量*各级抽汽焓-排汽量*排汽焓-轴封漏汽量*轴封漏汽焓）*1000/机组发电量，单位：kj/kWh 抽凝机综合热效率=机组发电量*3.6+给水流量*（给水温度-除盐水温度）*4.1868/(机组进汽量*进汽焓)*100%,