汽轮机变工况特性

3.1 级与级组非设计工况下的特性
开始分析。 例如：某凝汽式汽轮机共有 10 级，第 6 级因故障被迫拆除。试问拆 除第6 级后若流量仍为设计值，则调节级汽室的压力变化多少？哪 个级所受影响最大？ 解：将通流部分划分为3个级组，第I级组是调节级到第5级，第II级 级次 调节
2
3
4
5
6
7
8
9
10
级后 1.176 0.862 0.612 0.426 0.282 0.179 0.104 0.062 0.032 0.004 压力 MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa 2MPa 3MPa 9MPa
第 3章
汽轮机非设计工况的运行特性
任务
研究汽轮机在偏离设计(off-design)工况下各级流量与热力 参数的相对变化关系，以及由此产生的反动度、内功率、效率和轴 向推力等的改变，分析和估算这些变化对机组安全、经济运行产生 的影响。
研究方法
在选定参考工况 (如额定设计工况或最大工况 )下，以 喷嘴非设计工况的运行特性和小参数变化简化分析为基础，将汽轮 机通流部分划分为调节级、中间级组和末级组三部分，分析、估算 流量与热力参数相对于参考工况的相对变化。
3.1 级与级组非设计工况下的特性
调节级汽室压力是多少？ 解：排汽压力远小于调节级汽室压力，故用工况变化前、后的流量 比等于压力比的计算公式，并略去温度变化的影响。有
p01 G1 p01 90 , , G p0 132.6 1.67
通流部分结垢后面积减少5％，则
p01 1.133Mpa
则该级组为临界工况
级组亚临界工况 级组内的汽流速度均小于当地音速。 stodola试验 早在上世纪20年代初，stodola在转速为4000rpm、8
3.1 级与级组非设计工况下的特性
级反动式机组上对非设计工况的流量与压力关系进行试验研究，通 过改变初压和背压研究流量、功率的对应关系。其主要结论是：
求解得
依次类推，得级组临界时工况中流量的相对变化关系
px 1,1 Gc1 px1 Gc px 1 px
Gc1 p01 Gc p0
T0 T01
级组亚临界工况
G1 G
级组亚临界时，由单级亚临界计算公式作递推 计算，在各级初温相对变化相等假设下，得
2 p01 p2 z1 2 p0 p2 z
i

i
htT

th 为节流效率， i 为叶栅通流部分相对内效率。一般地，相对内效 率基本不变。所以，节流配汽在部分负荷下相对内效率下降的主要 原因是调节汽门的节流损失，并且随负荷下降而损失增大。
3.2.2 喷嘴配汽 将汽轮机高压缸的第一级设为调节级，并将该级的喷嘴分成 4 组 或更多组。每一喷嘴组由 1个独立的调节汽门供汽，通常认为调节 级后的压力相等。为减小喷嘴配汽调节级的漏汽量，调节级采用低 反动度(约0.05）的冲动式。
流量网、流量锥
描述了初、终参数改变时，相对于最大工况的
流量相对变化。即由工况改变时的初参数求得临界流量相对于最大
工况最大流量的相对变化，由终参数相对于最大工况的压比求得新
工况下流量相对于最大工况最大流量的相对值。
第三章
汽轮机非设计工况的运行特性
3.1 级与级组非设计工况下的特性
3.1.1 级内流量与级前压力、温度的关系
p01 p
2
p p
2 0
2 6 2 5

p01 0.179
2 2
2 2
1.176 0.282
1,
p01 1.1556MPa
显然，在拆除第6 级后，对调节级汽室的影响较小，受影响最大者 为第5级，因为
p41 p
2
p 0.179 1, 2 2 2 p4 p 0.426 0.282
略去温度影响，得
(1 cr ) 2 (11 cr ) 2 11 2 2 (1 cr ) (1 cr ) 1
0 T01 p01 0 T01 p0
0 Gcr1 p01 方程解为 11 1 。这样，有 0 Gcr p0
T0 T01
3.1 级与级组非设计工况下的特性
2 41 2
2 6 2 5
p41 0.36459MPa
即第5级的压差由0.144MPa上升到0.18559MPa，约增大28.9%。
3.2 功率调节的配汽方式及其运行特性
改变汽轮机的运行功率，可采取的措施是改变蒸汽在叶栅通流部 分的焓降和改变进汽量。这种改变进汽量和焓降的方式称为汽轮机 的配汽。 汽轮机的配汽主要有节流配汽、喷嘴配汽和旁通配汽三种方式。 3.2.1 节流配汽
通流面积不变、高真空运行时，机组的流量近似正比于初压； 电功率近似正比于初压； 高真空运行时，中间级的级前压力比例于初压； 高背压且初压不变时，流量与背压呈椭圆关系；反之，保持高背
压，则流量与初压按双曲线关系变化。
stodola试验结果的数学描述和Flugel公式
p01 ； G p0 p01 G1 基于前面分析，考虑温度变化的影响，则 G p0
为第6级，第III级组为第7～10级。这样，第I、III级组在第6级拆除 前、后的结构没变。 在第6级拆除后，第III级组前的压力没有变化，因为通过的流量和
3.1 级与级组非设计工况下的特性
级组后压力没变；第I级的级后压力发生了变化，第6级拆除前，第I 级组后压力为0.282MPa，第6级拆除后第I级组后的压力即为第III级 组前的压力，即0.179MPa。由此得调节级后压力的变化
即有
G1 G
2 2 pA p 1 C1 2 2 pA pC
3.1 级与级组非设计工况下的特性
通流部分面积按比例变化
在通流部分面积按比例变化时，将流 量公式折算为单位面积流量进行计算。
例如：机组长期运行后通流部分产生均匀性结垢，通流面积减小， 导致第一级前的蒸汽压力升高。如果蒸汽流量不变，结垢前后第一 级前的蒸汽压力分别为 p0 , p01 ，试求通流部分面积的变化率。 设结垢前、后通流面积分别为 A , A ，则工况改变前后的单位面积 1 流量与初压的关系为： G1 / A1 p01 T0 G/ A p0 T01 p0 T01 A1 由此求得 A p T0 01 例：某汽轮机设计工况下蒸汽流量为 132.6t/h ，调节级汽室压力为 1.67MPa 。当机组流量降为 90t/h时，试问此工况下调节级汽室的压 力为多少？又压力级结垢后使通流面积减少5%，则在90t/h工况下
高真空时，级组的流量比例于初压，即 G1

T0 T01
3.1 级与级组非设计工况下的特性
级组临界工况
对级组中第一个达到临界的级，由单级流量特性 知，流量的相对变化正比于级前的压力相对变化，即 Gc1 px1
该级的前一级为亚临界，流量相对变化为
Gc
px
Gc1 Gc
2 p2 p x1,1 x1 2 p2 p x1 x
p01 G1 / A1 p01 90 1 , , G/ A p0 132.6 0.95 1.67
p01 1.193Mpa
级数增、减情况下流量和压力关系
在工程实际应用中，因某种需要拆除某此级，此种情况下分析拆除
前后一些级的压力、流量关系和分析一些级的强度等。针对这些综 合应用问题，分析的原则是合理划分级组，从结构没有改变的级组
Flugel公式的应用 使用条件 亚临界 通流面积不变 级组中各级流量相等 蒸汽充满流道 级组处于临界工况时，背压可略去不计，即流量比例于初压。
3.1 级与级组非设计工况下的特性
当背压很小时，略去背压的影响，由流量锥来分析。 Flugel公式的推广应用 有抽汽回热级组 大量试验表明：Stodola实验的结论对抽汽回热、
利用调节汽门的节流、等焓过程特点，由
一个或多个调节汽门同时开启来改变汽轮 机的进汽量和焓降。
采用节流配汽的汽轮机，不设专门的调节
级，调节汽门后的压力即为汽轮机的进口 压力。在部分负荷运行时，阀后压力决定 于流量比，进汽温度基本保持不变。
3.2 功率调节的配汽方式及其运行特性
在汽轮机背压保持不变时，节流后通流部分的有效焓降减小，相对 内效率下降。 hT hT hT
Gex kG1 , G2 (1 k )G1
中间再热机组同样成立。即在所研究级组中含有抽汽级时，只要是 非调整抽汽，抽汽量通常比例于主流流量，此时流量公式仍能使用。
设
对这2个级组建立Flugel计算式
2 2 2 2 pB p 求解得 p A1 pC1 1 C1 2 2 2 2 pA pC pB pC
临界工况
参数有关。
喷嘴或动叶在临界工况下，通过的流量仅与进口初
0 Gcr1 p01 0 Gcr p0
喷嘴临界
T00 0 T01
0 G p 动叶临界 cr1 11 0 Gcr p1
T10 p11 0 T11 p1
T1 T11
0 T00 G1 1 p01 p11 T1 0 0 通过喷嘴的流量及流量平衡 G p0 T01 p1 T11
h h
t i T t T t th i
根据机组负荷和运行方式不同，各调门可顺序开启或同时开启。
3.2 功率调节的配汽方式及其运行特性
顺序开启时，可使调门的节流损失减小。同时开启时，退化为节 流调节。 喷嘴配汽时机组的运行特性，着重研究部分负荷工况下通过调节
3.2 功率调节的配汽方式及其运行特性
3.1 级与级组非设计工况下的特性
假设比容变化较小、反动度基本不变。简化得
G1 G
2 2 p01 p21 2 2 p0 p2
T0 T01
亚临界与临界的混合工况
对工况变化前亚临界、变化后为临界， 或相反的混合工况，流量相对变化估算时，应分步进行。
3.1.2 级组非设计工况的流量特性
结构与工况划分原则 级组 由流量相等集依次串联排列的若干级组成 级组临界工况 级组内只要有一列叶栅(喷嘴或动叶)达到临界时，
T00 。一般地，滞止参数的焓值与非滞止参数的焓相差不 0 T01
大，因此，在非设计工况流量估算时，可略去滞止参数的影响，即
Gcr1 p 01 Gcr p0
0 Gcr1 p01 T0 0 。 低温区可略去温度的影响，即 Gcr p0 T01 0 1 p01 T00 G1 1 Gcr1 一般地， 0 0 G Gcr p0 T01
亚临界工况
喷嘴和动叶的设计工况与非设计工况均为亚临界。 由假想流量建立起通过喷嘴的流量与级前后蒸汽参数的关系。
1t G n An c1t 1t [ n An 2t 2ht0 ] 1 m 2t
假想流量 Ga n An 2t 2ht 实际流量 G Ga
t v2 v1t 1 m
喷嘴非设计工况的运行特性 初参数不变时的流量特性 由压比 求得彭台门系数 ，参考 工况的流量 G Gc 。工况改变时， G1 / G 1 / 。 初、终参数都改变时的流量特性 不同初参数时的最大流量关系
第三章
0 Gcr1 p01 0 Gcr p0
汽轮机非设计工况的运行特性
Ga Gcr 0.648 An
设计工况与非设计工况的流量比
p2 pc p0 1 v0 p p c 0
2
2 2 ( p01 p21 ) ( p01 p21 ) 2 nc /(1 nc ) m T0 G1 1 2 2 2 G ( p0 p2 ) ( p0 p2 ) nc /(1 nc ) 1 m T01
级各喷嘴组的流量、调节级后状态点和调节级各喷嘴组前的进汽 状态点。通常假设：调节级的反动度为零，级后压力比例于流量， 各调节汽门顺序开启时没有重迭度。 喷嘴配汽的重要特点是通过多个调节汽门的顺序开启，减小部分 负荷下调节汽门的节流损失。
T0 T01
3.1 级与级组非设计工况下的特性
上世纪 30 年代初， Flugel 源自文库无穷级、亚临界、各级效率相同且不 变、反动度为常数等假设下，理论上对上式作了证明，故称此上式 为stodola-Flugel公式，简称Flugel公式。 由上式知，初压不变时，流量与背压为椭圆关系；背压不变时， 流量与初压为双曲关系。