汽轮机基础知识

汽轮机
汽轮机设备主要由汽轮机主机及其辅助设备组成。

汽轮机是火力发电厂的关键设备之一，它的任务是将蒸汽的热能转变为汽轮机转子旋转的机械能。

蒸汽进入汽轮机，先经过喷嘴，使压力和温度降低，流速增加，蒸汽的热能转变为高速动能，这种高速汽流冲动叶片，带动汽轮机转子旋转，将蒸汽的高速动能转变为转子旋转的机械能。

在汽轮机内做完功的蒸汽(又叫乏汽)，排入凝汽器。

汽轮机的辅助设备主要有凝汽器、高低压加热器、除氧器、给水泵、循环水泵、凝结水泵等。

凝汽器的作用是把汽轮机排出的乏汽凝结成水，在汽轮机排汽口建立并保持高度的真空。

高、低压加热器是用汽轮机中间不同压力的抽汽来加热供给锅炉的给水，这就避免了部分蒸汽在凝汽器中的热量损失，提高了机组的效率。

有回热加热系统的汽轮机其排汽量减少了1/3发电煤耗可降低13%左右。

除氧器的任务是将送给锅炉的水进行除氧，除去溶解在给水中的气体，以防止氧气对锅炉、汽轮机及其管道的腐蚀。

给水泵的作用是把除氧器贮水箱内除过氧的给水送入锅炉。

循环水泵的作用是向凝汽器提供冷却汽轮机排汽的冷却水。

而凝结水泵的作用是抽出凝汽器中的凝结水，并将其输到除氧器。

凝结水在除氧器中经过除氧后用作锅炉的给水。

凝结水和给水系统
凝汽设备主要由凝汽器、凝结水泵、循环水泵和抽气装置等组成，是火力发电厂热力系统中的一个重要组成部分。

凝汽设备的作用主要有：(1)在汽轮机排汽口建立并保持高度真空，提高汽轮机的循环热效率；(2)冷凝汽轮机的排汽，再用水泵将凝结水送回锅炉，以方便地实现热功转换的热力循环。

除此之外，凝汽器还对凝结水和补给水有一级真空除氧的作用。

并且可回收机组启停和正常运行中的疏水，接收机组启动和甩负荷过程中汽轮机旁路系统的排汽，减少工质的损失。

在机组启动时，凝汽器真空是靠抽气器抽出其中的空气建立起来的，此时所能达到的真空值较低。

在汽轮机正常运行时，低压缸的排汽进入凝汽器，凝汽器内的真空主要是依靠排汽的凝结形成的。

在4.9kPa的压力下，1kg蒸汽的体积比1kg水的体积大两万多倍。

这样，当蒸汽凝结成水后，其体积骤然缩小，原来被蒸汽充满的空间就形成了一定的真空。

此时抽气器的作用是抽出真空系统中漏入的空气及其它不凝结气体，维持凝汽器的真空。

汽轮机的排汽进入凝汽器冷凝后的凝结水，汇集在凝汽器的下部，由凝结水泵送至除氧器，做为锅炉的给水。

循环水泵供给凝汽器工作时所需的冷却水(一般为水质较差的循环水)，冷却水进入凝汽器内吸收并带走汽轮机排汽凝结时所放出的热量。

给水回热设备
回热加热器是指从汽轮机的某些中间级抽出部分蒸汽来加热凝结水或锅炉给水的设备。

按传热方式的不同，回热加热器可分为混合式和和表面式两种。

混合式加热器通过汽水直接混合来传递热量，表面式加热器则通过金属受热面来实现热量传递。

混合式加热器可将水直接加热到加热蒸汽压力下的饷温度，无端差，热经济性高，没有金属受热面，结构简单，造价低，且便于汇集不同温度的汽水，并能除去水中含有的气体。

但是，混合式加热的严重缺点是：每台加热器的出口必须配置升压水泵，这不仅增加了设备和投资，还使系统复杂化；而且当汽轮机变工况运行时，升压水泵的入口还容易发生汽蚀。

如果单独由混合式加热加热器组成回热系统投入实际运行，其厂用电量将大大增加，经济性反而降低，因此火力发电厂一般只将它用作除氧器。

表面式加热器由于金属受热面存在热阻，给水不可能被加热到对应抽汽压力下的饱和
温度，不可避免地存在着端差。

因此，与混合式相比，其热经济性低，金属耗量大，造价高，而且还要增加与之相配套的疏水装置。

但是，由表面式加热器组成的回热系统比混合式的回热系统简单，且运行可靠，因而得到了广泛采用。

根据侧的布置和流动方向不同表面式加热器可分为立式和卧式两种。

卧式加热器内给水沿水平方向流动，立式加热器内给水沿垂直方向流动；立式加热器便于检修，占地面积小，可使厂房布置紧凑。

卧式加热器传热效果好，结构上便于布置蒸汽冷却段和疏水冷却段，因而在现代大容量机组上得到了广泛采用。

在整个回热系统中，一般将除氧器之后经给水泵压过的回热加热器称为高压加热器，这些加热器要承受很高的给水压力；而将除氧器之前仅承受凝结水泵较低压力的回热加热器称为低压加热器。

为了提高回热效率，更有效地利用抽汽的过热度，加强对疏水的冷却，高参数大容量机组的高压加热器，甚至部分低压加热器又把传热面分为蒸汽冷却段、凝结段和疏水冷却段三部分。

蒸汽冷却段又称为内置式蒸汽冷却器，它利用蒸汽的过热度，在蒸汽集态不变的条件下加热给水，以减小加热器内的换热端差，提高热效率。

疏水冷却段又称为内置式疏水冷却器，它是利用刚进入加热器的低温水来冷却疏水，既可减少本级抽汽量，又防止了本级疏水在通往下一级加热器的管道内发生汽化，排挤下一级抽汽，增加冷源损失。

随着加热器容量的发展，还有的机组将蒸汽冷却段或疏水冷却段布置于该级加热器壳体之外，形成单独的热交换器，称为外置式蒸汽冷却器或外置式疏水冷却器。

除氧器
电厂热力设备发生腐蚀主要原因是水中溶解有活性气体，这些游离气体在高温条件下可以直接和钢铁产生化学反应，腐蚀设备，降低机组安全性；另外在热交换器中如有气体聚集，将会使传热恶化，降低机组的经济性。

因此必须处去给水中溶解的气体。

溶解于水中的活性气体主要是氧气，除氧器的作用就是除去给水中的氧气，保证给水品质。

同时除氧器也是一级混合式加热器。

1.加热除氧原理
气体的溶解定律告诉我们：在一定温度下，当液体和气体之间处于平衡状态时，单位体积水中溶解的气体量与水面上该气体的分压力成正比。

这就是加热除氧的理论基础。

加热除氧器的工作原理是这样的：用压力稳定的蒸汽通入除氧器内，把水加热到除氧器压力下的饱和温度，在加热过程中，水面上蒸汽分压力逐渐增加，气体分压力逐渐降低，使溶解在水中的气体不断地逸出，待水加热到饱和温度时，气体分压力接近于零，水中气体也就被除去了。

为了增强除氧效果，增加除氧速度，除氧器都采用机械方法把水分成细流、水膜、雾状等状态，以增强传热效果，降低水的表面张力和粘滞力对气体逸出的影响，缩短水中氧气逸散到水面的距离和时间，使水中气体更快更多地分离。

2.除氧器的给水溶氧量
运行中应定期化验给水溶氧量是否在正常范围内。

除氧器内部结构是否良好，一、二次蒸汽配比是否适当，是降低溶氧量的先决条件。

如喷嘴偏斜使雾化不良，淋水盘堵塞使水流不畅等，都将直接影响除氧效果。

一次加热蒸汽汽门开度偏小时，会使淋水盘下部二次蒸汽压力升高，从而可能形成汽把水托住的现象，使蒸汽自由通路减少，并且一次加热蒸汽量的不足将直接影响除氧效果；而一次加热蒸汽汽门开度过大时，二次蒸汽量不足，将会影响深度除氧的效果。

为保证除氧效果，还应特别注意排气门的开度，开度过小会影响除氧器内的蒸汽流速，减慢对水的加热，更主要的是对气体排出不利；而开度过大不仅会增大汽水热量损失，还可能造成排气带水，除氧头振动。

排气门开度应通过调整试验确定。

汽轮机
火力发电厂供水系统
火力发电厂在生产过程中需要大量的用水。

包括冷却汽轮机排汽的冷却水，发电机冷却用水，汽轮发电机组润滑油的冷却水，辅助机械轴承的冷却水，锅炉给水的补充水，除尘及生活用水等。

由水源、取水、供水设备和管路组成的系统叫做发电厂的供水系统。

按地形条件和水源江河日下的多少，可分为以下两种形式的供水系统。

一、直流供水系统
直流供水系统也叫开式供水系统。

以江河、湖泊或海洋为水源，供水直接由水源引入，经凝汽器等设备吸热后返回水源系统，它又分下述三种系统：
1.岸边水泵房直流供水系统
这种系统把水泵装在水源岸边的水泵房内，经水泵升压的冷却水沿铺设在地下的供水管道送到机房。

2.中继泵直流供水系统
这种系统设置两个水泵房，一个在岸边，另一个靠近发电厂，称为中继泵房，其间用明沟或水管连接。

3.水泵置于机房内的直流供水系统
这种系统多以明沟把水直接引进机房的吸水井中，再用机房内的水泵抽出供水。

二、循环供水系统
冷却水经凝汽器等吸热后进入冷却设备(如喷水池或冷却塔)冷却，被冷却后的水由循环水泵再送入凝汽器，如此循环使用，这种系统称为循环供水系统，也叫闭式供水系统。

循环供水系统根据冷却设备的不同又分为冷却水池、喷水池和冷却塔三种类型。

1.冷却水池循环供水系统
这种系统直接利用湖泊、水库或在河道上筑坝构成冷却水池，循环水排入冷却水池，依靠与周围空气的对流换热自然冷却。

2.喷水池循环供水系统
这种系统由喷嘴、喷水池和管道组成。

循环水由循环水泵打入凝汽器，吸热后经过压力配水总管进入置于喷水池上的若干配水管内，由喷嘴喷出，喷出的循环水呈伞形细雨状，被空气冷却后落入池中，经水沟流入循环水泵的吸水井，由循环水泵重新送入凝汽器。

3.冷却塔循环供水系统
大容量火力发电厂一般采用冷却塔循环供水系统。

按冷却塔的通风方式冷却塔又分为自然通风冷却塔和机力通风冷却塔两种。

自然通风冷却塔循环供水系统：循环水由循环水泵打入凝汽器，吸热后送至冷却塔。

在冷却塔内距离地面高约8~10m处，经过配水槽从塔心流向四周，再经滴水管、溅水碟等淋水装置的作用，形成细小水滴和水膜自由下落。

冷却塔呈双曲线形，在冷却塔中，空气被抽吸由下向上流动，与下落的淼进行换热，冷却循环水。

这种空气自然流动的冷却塔叫自然通风冷却塔。

机力通风冷却塔的工作原理与自然通风冷却塔基本相同，只是冷却塔的通风方式不一样，机力通风冷却塔是依靠电动机带动的风机使空气强迫流动来冷却循环水的。

汽轮机的基本工作原理和类型
汽轮机是一种以具有一定温度和压力的水蒸气为工质，将热能转变为机械能的回转式原动机。

它在工作时先把蒸汽的热能转变成动能，然后再使蒸汽的动能转变成机械能。

一、汽轮机的基本工作原理
最简单的汽轮机(单级汽轮机)由喷嘴、动叶片、叶轮和轴等基本部件组成。

具有一定压
力和温度的蒸汽通入喷嘴膨胀加速，这时蒸汽的压力、温度降低，速度增加，使热能转变成动能。

然后，具有较高速度的蒸汽由喷嘴流出，进入动叶片流道，在弯曲的动叶流道内，改变汽流方向，给动叶片以冲动力，产生了使叶轮旋转的力矩，带动主轴旋转，输出机械功，即在动叶片中蒸汽推动叶片旋转做功，完成动能到机械能的转换。

由上述可知，汽轮机在工作时，首先在喷嘴叶栅中蒸汽的热能转变成动能，然后在动叶栅中蒸汽的动能转变成机械能。

喷嘴叶栅和与它相配合的动叶完成了能量转换的全过程，于是便构成了汽轮机做功的基本单元。

通常称这个做功单元为汽轮机的级。

二、汽轮机的分类
汽轮机不仅用于火电厂，也被广泛应用于其他行业，因而汽轮机的类型繁多。

实际应用中，常按下列方法来对汽轮机进行分类。

1.按工作原理分类
(1)冲动式汽轮机：按冲动作功原理工作的汽轮机称为冲动式汽轮机。

它工作时，蒸汽的膨胀主要在喷嘴中进行，少部分在动叶片中膨胀。

(2)反动式汽轮机：按反动作功原理工作的汽轮机称为反动式汽轮机。

它工作时，蒸汽的膨胀在喷嘴、动叶片中各进行大约一半。

(3)冲动反动联合式汽轮机：由冲动级和反动级组合而成的汽轮机称为冲动反动联合式汽轮机。

2.按热力过程分类
(1)凝汽式汽轮机：进入汽轮机做功的蒸汽，除少量漏汽外，全部或大部分排入凝汽器的汽轮机。

蒸汽全部排入凝汽器的汽轮机又称纯凝汽式汽轮机；采用回热加热系统，除部分抽气外，大部分蒸汽排入凝汽器的汽轮机，称为凝汽式汽轮机。

(2)背压式汽轮机：蒸汽在汽轮机中做功后，以高于大气压的压力排出，供工业或采暖使用，这种汽轮机称为背压式汽轮机。

若排汽供给中、低压汽轮机使用时，又称为前置式汽轮机。

(3)调整抽气式汽轮机：将部分做过功的蒸汽在一种或两种压力(此压力可在一定范围内调整)下抽出，供工业或采暖用汽，其余蒸汽仍排入凝汽器，这类汽轮机叫调整抽汽式汽轮机。

调整抽汽式汽轮机和背压式汽轮机统称为供热式汽轮机。

(4)中间再热式汽轮机：将在汽轮机高压缸部分做守功的蒸汽，引至锅炉再热器再次加热到某一温度，然后重新返回汽轮机的中、低压缸部分继续做功，这类汽轮机叫中间再热式汽轮机。

其再热次数可以是一次、两次或多次，但一般多采用一次中间再热。

3.按蒸汽初参数分类
(1)低压汽轮机：新蒸汽压力为1.176~1.47MPa。

(2)中压汽轮机：新蒸汽压力为1.96~3.92MPa。

(3)高压汽轮机：新蒸汽压力为5.88~9.8MPa。

(4)超高压汽轮机：新蒸汽压力为11.76~13.72MPa。

(5)亚临界压力汽轮机：新蒸汽压力为15.68~17.64MPa。

(6)超临界压力汽轮机：新蒸汽压力为22.06MPa以上。

4.按蒸汽流动方向分类
(1)轴流式汽轮机：蒸汽流动总体方向大致与轴平行。

(2)辐流式汽轮机：蒸汽流动总体方向大致与轴垂直。

(3)周流式汽轮机：蒸汽大致沿叶轮轮周方向流动。

此外，还有一些分类方法，例如按汽缸的数目分为单缸、双缸、多缸汽轮机，按汽轮机转轴数目分为单轴、双轴汽轮机等。

汽轮机的合理启动方式
汽轮机的启动过程是将转子由静止或盘车状态加速至额定转速并接带负荷直到正常运行的过程。

汽轮机冷态启动时，转子和汽缸温度等于室温(约25℃)。

而在正常运行中，转子、汽缸的温度很高，如国产300MW汽轮机在满负荷时调节级处金属温度为510℃左右。

这就是说在整个启动过程中，调节级处的金属温度要升高约485℃。

相反，停机时，汽轮机金属温度从一很高的水平降至一个很低的水平。

因此，从传热学观点来说，汽轮机的启停过程是一个不稳定的加热和冷却过程。

汽轮机启动时，由于各金属部件均受到剧烈的加热，使得启动速度受到了以下一些因素的制约：汽轮机零部件的热应力和热疲劳；转子和汽缸的胀差；各主要部件的热变形以及机组振动等。

所谓合理启动，就是寻求合理的加热方式，使启动过程中使机组各部分的热应力、热变形、转子和汽缸的胀差以及振动值均维持在允许范围内，尽快把机组的金属温度均匀地提高到工作温度，进入正常运行状态。

汽缸和转子的热应力、热变形、转子与汽缸的胀差均与蒸汽的温升率有关。

在汽轮机启停过程中，有效的控制蒸汽的温升率，就能使金属部件的热应力、热变形、胀差等维持在其允许范围内。

汽轮机的启停应以转子的寿命分配方案所确定的寿命损耗率、寿命管理曲线作为依据，按分配给每次启动的寿命损耗，确定部件允许的最大热应力，然后确定部件允许的温升率。

但是根据转子寿命所确定的温升率(温降率)只能满足热应力的要求，不一定能满足热变形和胀差的要求。

因此，机组启停速度要综合考虑各方面的，通过试验确定最佳的温升率。

在一般情况下，规定主蒸汽温升率不应大于2℃/min。

在换热系数较小的情况下可以加快到3~4℃/min，对于一些采用无足以孔转子的机组，由于转子没有内表面，转子应力降低，温升率即使选的稍大一些，也不会增加转子的寿命损耗。

除了温升率(温降率)以外，影响汽轮机热应力、热变形和胀差的因素还很多。

例如，汽缸、转子结构不合理、滑销系统有缺陷、管道阻碍汽缸的膨胀以及汽缸保温不良等。

因此，在启动及停机过程中除了主要监控蒸汽的温升(降)率外，还应当监视汽缸内外壁温差、法兰内外壁温差、上下缸温差、汽缸的绝对膨胀、转子与汽缸的胀差、轴及轴承振动等。

上述监视指标，只要有一个超过允许值，都可能会引起设备的损坏。

为了使汽轮机汽缸变形和胀差不成为启动关卡，大型汽轮机从结构上均采取了一系列的改进措施。

例如，东方汽轮机厂300MW汽轮机放大了动静部分的轴向间隙，改进了滑销系统，同时加强了叶栅动静部分的径向密封，叶片顶部设有径向汽封，以减小由于轴向间隙放大而增加的级间漏汽，提高机组的热效率。

在汽轮机启停过程中，锅炉蒸汽参数应尽可能地密切配合汽轮机的要求，使汽温呈线性变化，以保证满足汽轮机寿命损耗所要求的温升率。

汽轮机启动方式很多，归纳起来大致有以下四种分类方法。

一、按新蒸汽参数分类
1.额定参数启动
额定参数启动时，从冲转至汽轮机带额定负荷，汽轮机前蒸汽参数始终保持额定值。

额定参数启动汽轮机，使用的新蒸汽压力和温度都相当高，蒸汽与汽轮机汽缸和转子等金属部件的温差很大，而大机组启动中又不允许有过大的温升率，为了设备的安全，只能将蒸汽的进汽量控制得很小，但即使如此，新蒸汽管道、阀门和机体的金属部件仍产生很大的热应力和热变形，使转子与汽缸的胀差增大。

因此，采用额定参数启动的汽轮机，必须处长升速和暖机的时间。

另外，额定参数下启动汽轮机时，锅炉需要将蒸汽参数提高到额定值才能冲转，在提高参数的过程中，将水泵大量的燃料，降低了电厂的经济效益。

由于存在上述缺点，大容量汽轮机几乎不采用额定参数启动方式。

2.滑参数启动
滑参数启动时，汽轮机前蒸汽参数随机组的转速和负荷的增加而逐渐升高。

滑参数启动有真空法和压力法两种方式。

真空法滑参数启动指锅炉点火前，锅炉到汽轮机蒸汽管道上所有的阀门全部开幕词，汽轮机抽真空一直到锅炉汽包或汽水分离器，锅炉点火产生一定蒸汽后，转子即被自动冲动，此后汽轮机升速和接带负荷全部由锅炉工况来控制调整。

在该方式下启动时，系统疏水困难、蒸汽过热度低、依靠锅炉热负荷来控制汽轮机转速难以符合技术要求。

压力法滑参数启动指冲转前汽轮机前具有一定的蒸汽压力，冲转和升速是由汽轮机调节汽门控制进汽来实现的，从冲转、升速、带初负荷过程中锅炉维持一定的压力，汽温按一定规律升高，到初负荷后，锅炉汽温、汽压一同升高，滑参数接带大负荷。

滑参数压力法启动参数一般为3.0~5.0MPa、300~350℃，在此参数下汽轮机能够完成定速及超速试验、并网接带初负荷。

这种方式在冲转升速过程中，汽轮机侧留有一定的调整余地，便于采取控制手段，在冲转前能有效的排除过热器和再热器中积水以及管道疏水，有利于安全启动。

因此，目前大多数高参数大容量的汽轮发电机组均采用滑参数压力法启动。

二、按冲转时进汽方式分类
1.高中压缸联合冲动
高中压缸联合冲动时，蒸汽同时进入高压缸和中压缸冲动转子，这种启动方式可使合缸机组分缸处均匀加热，减小热应力，并能缩短启动时间。

2.中压缸启动
中压缸启动冲动转子时，高压缸不进汽，而是中压缸进汽，待转速升到2000~2500r/min 或机组带10%~15%负荷(根据机组核算工况而定)后，切换成高中压缸同时进汽。

这种方式对控制胀差有利，可以不考虑高压缸的胀差问题，达到安全启动的目的。

但冲转参数选择要合理，以保证高压缸开始进汽时高压缸没有大的热冲击。

三、按汽轮机金属温度分类
1.冷态启动
汽轮机汽缸金属温度(高压内缸上半内壁温度)在150℃以下时启动，称为冷态启动。

2.温态启动
上述汽缸金属温度在150~300℃之间启动时，称为温态启动。

3.热态启动
上述汽缸金属温度在300℃以上启动时，称为热态启动。

热态启动又可分为热态(300~400℃)和极热态(400℃以上)两种。

有的国家是按停机后的时间划分汽轮机启动方式的，即停机一周为冷态；停机48h为温态；停机8h为热态；停机2h为极热态。

四、按控制进汽的阀门分类
1.调节汽门启动
调节汽门启动时，电动主汽门和自动主汽门全部开启，进入汽轮机的蒸汽由调节汽门控制。

2.自动主汽门或电动主汽门的旁路门启动
启动前，调节汽门大开，进入汽轮机的蒸汽流量由自动主汽门或电动主汽门的旁路门来控制。

汽轮机的停机方式可根据停机后再启动的需要，采用额定参数停机或滑参数停机。

一般以维修为主要目的停机时，可采用滑参数停机，停机后汽轮机金属温度水平较低，可尽快冷却下来进入检修状态；消除缺陷或两班制运行停机时，可采用额定参数停机或滑压停机，以保持较高的金属温度水平，便于再次快速启动。