第八講汽輪機組的工作特性

1、第八講 汽輪機組的工作特性與故障現(xiàn)象的分析第一節(jié)汽輪機組的結(jié)構(gòu)特性汽輪機組是利用蒸汽熱能做功的旋轉(zhuǎn)式原動機。它工作時進行兩個能量轉(zhuǎn)換過程，即先使蒸汽通過噴嘴使流速提高(而壓力降低)，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成蒸汽的動能；然后再將蒸汽的動能在動葉柵中轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機械能。 汽輪機組與其他動力機械相比，具有單機功率大、尺寸小、重量輕和效率高等優(yōu)點，并且其所用的工質(zhì)成本低、無污染。所以，汽輪機組是電力工業(yè)、交通運輸、國防工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的原動機之一。 汽輪機是火力發(fā)電廠中的三大主機之。為了提高火電機組運行的安全性和循環(huán)效率，為汽輪機配置了一些輔助設(shè)備和系統(tǒng)。本書將汽輪機與相應(yīng)的輔助設(shè)備及系統(tǒng)統(tǒng)稱為汽輪機組

2、。 汽輪機組由汽輪機本體、凝汽系統(tǒng)、回熱系統(tǒng)、調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)幾大部分組成。下面簡單介紹汽輪機組的基本結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)特點。1一、汽輪機組的基本培構(gòu) (一)汽輪機本體 汽輪機本體是汽輪機組的主要組成部分，它由轉(zhuǎn)動部分(轉(zhuǎn)子)和固定部分(靜子)組成。轉(zhuǎn)動部分包括動葉柵、葉輪、主軸和聯(lián)軸器及緊固件等旋轉(zhuǎn)部件；固定部分包括汽缸、蒸汽室、噴嘴、隔板、靜葉持環(huán)、汽封、軸承、軸承座、滑銷系統(tǒng)、機座以及有關(guān)緊固零件等。 1轉(zhuǎn)子 汽輪機的轉(zhuǎn)動部分總稱轉(zhuǎn)子，由轉(zhuǎn)軸、動葉柵 和聯(lián)軸器組成。汽輪機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可分為轉(zhuǎn)輪式和轉(zhuǎn)鼓式兩種基本類型。轉(zhuǎn)輪式轉(zhuǎn)子具有安裝葉片的葉輪，一般由主軸、葉輪、動葉片和聯(lián)軸器組成；而轉(zhuǎn)鼓式轉(zhuǎn)子沒有葉

3、輪，動葉直接裝在轉(zhuǎn)鼓上。通常沖動式汽輪機的轉(zhuǎn)子采用轉(zhuǎn)輪式轉(zhuǎn)子，反動式汽輪機為避免軸向推力過大而采用轉(zhuǎn)鼓式轉(zhuǎn)子。 轉(zhuǎn)子工作時，高速旋轉(zhuǎn)，它除了要轉(zhuǎn)換能量、傳遞扭矩外，還要承受著葉片、葉輪、主軸本身質(zhì)量離心力所引起的很大應(yīng)力，以及由于溫度分布不均勻引起的熱應(yīng)力和轉(zhuǎn)子振動產(chǎn)生的交變應(yīng)力。所以，要求轉(zhuǎn)子具有很高的強度和均勻的質(zhì)量，以保證其安全工作。運行中要特別監(jiān)視轉(zhuǎn)子的工作狀況。 大型汽輪機組的轉(zhuǎn)子分高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子，它們用剛性聯(lián)軸器連成一體。 2 2靜子 (1)汽缸。汽缸是汽輪機的外殼，它是汽輪機中重量大、形狀復(fù)雜并且處在高溫高壓下工作的一個部件。汽缸內(nèi)安裝著噴嘴室、隔板、隔板套等零部件

4、。汽缸外連接著進汽、排汽、抽汽等管道。在考慮汽缸結(jié)構(gòu)時，除了要保證足夠的強度、剛度和保證各部分受熱時自由膨脹以及通流部分有較好的流動性能外，還應(yīng)考慮在滿足強度和剛度的要求下，盡量減薄汽缸壁和連接法蘭的厚度，并力求使汽缸形狀簡單、對稱，以減小熱應(yīng)力。此外，為了節(jié)省高級耐熱合金鋼還應(yīng)使高溫高壓部分限制在盡可能小的范圍內(nèi)。 (2)噴嘴組、靜葉環(huán)和靜葉持環(huán)。大功率汽輪機基本上都是采用噴嘴調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方法具有在部分負荷下效率高的優(yōu)點。噴嘴調(diào)節(jié)法是在主汽門后用幾個調(diào)節(jié)汽門分別控制相對應(yīng)的幾個噴嘴弧(噴嘴組)，當汽輪機負荷變化時，各調(diào)節(jié)汽門按規(guī)定的順序依次開或關(guān)，以改變進汽量，調(diào)節(jié)汽輪機的出力。噴嘴調(diào)節(jié)的

5、汽輪機的第一級稱為調(diào)節(jié)級。調(diào)節(jié)級噴嘴葉柵通常是由若干個噴嘴組成噴嘴弧段后，再固定在單獨設(shè)置的噴嘴室的圓弧形槽道中。從汽輪機的第二級開始，以后的各級噴嘴葉柵則固定在靜葉環(huán)(隔板)上，而靜葉環(huán)可直接固定在汽缸上，也可固定在靜葉持環(huán)(隔板套)上，但多半是固定在靜葉持環(huán)上，靜葉持環(huán)再固定在汽缸上。 3(3)汽封。在汽輪機級內(nèi)，在靜葉環(huán)和主軸的間隙處，以及動葉頂部與汽缸(或靜葉持環(huán))的間隙處存在漏汽。此外，在汽輪機的高壓端或高中壓缸的兩端，在主軸穿出汽缸處，蒸汽會向外泄漏。這些漏汽都將使汽輪機的效率降低，并增大工質(zhì)損失。在汽輪機低壓端或低壓缸的兩端，因汽缸內(nèi)的壓力低于大氣壓力，在主軸穿出汽缸處。會有空氣

6、漏人汽缸，使機組真空惡化，并增大抽氣器的負荷。為了減少汽輪機各動靜間隙處的褥汽和防止空氣從軸端漏人汽缸，保證汽輪機正常安全運行，在汽輪機的上述間隙部位都設(shè)置了汽封。汽封的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，目前大型汽輪機組普遍采用迷官式汽封。 (4)軸承。軸承是汽輪機的一個重要組成部件。汽輪機的軸承有支持軸承和推力軸承兩種類型。前者用來承受轉(zhuǎn)子的重量、調(diào)節(jié)級部分進汽引起的不平衡蒸汽作用力和轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量的離心力，并確定轉(zhuǎn)子的徑向位置，以保證轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心和汽缸中心保持一致；后者是用來承受汽輪機運行時蒸汽作用在轉(zhuǎn)子上的軸向推力和發(fā)電機傳來的軸向力，并確定轉(zhuǎn)子在汽缸中的軸向位置，以保證汽輪機的通流部分軸向動、靜間隙

7、在允許范圍內(nèi)。(5)盤車裝置。在汽輪機啟動沖轉(zhuǎn)前和停機后，使轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速連續(xù)地轉(zhuǎn)動，以保證轉(zhuǎn)子均勻受熱和冷卻的裝置稱為盤車裝置。4 (二)凝汽系統(tǒng)與設(shè)備 凝汽系統(tǒng)由凝汽器、循環(huán)水泵、抽氣器、凝結(jié)水泵和相應(yīng)的管道與閥門組成。汽輪機的排汽從排汽口排出進入凝汽器，循環(huán)水泵不斷地將循環(huán)水打人凝汽器，吸收蒸汽的凝結(jié)放熱，蒸汽被冷卻并凝結(jié)成水。凝結(jié)水由凝結(jié)水泵抽走。凝汽器內(nèi)壓力很低，比較容易漏人空氣，空氣將阻礙傳熱，因此用抽氣器不斷地將空氣抽走。1凝汽器 凝汽器是凝汽系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。凝汽器有混臺式和表面式兩種。目前，混合式凝汽器由于無法回收工質(zhì)已被淘汰。在電廠中使用的凝汽器全部為表面式。表面式凝汽器

8、的冷卻水在管子內(nèi)部流動，汽輪機排汽在管子外部流動。 2循環(huán)水泵 循環(huán)水泵為汽輪機凝汽器輸送大量冷卻水，使汽輪機排汽凝結(jié)，并保持凝汽器的真空。 由于凝結(jié)1Kg的排汽約需要5060kg冷卻水，而且進人凝汽器的冷卻水不需要很大的壓力，因此循環(huán)水泵的特點是流量大、揚程低。 循環(huán)水泵有軸流泵和離心泵兩大類，采用開式循環(huán)系統(tǒng)的可使用軸流泵和離心泵；采用閉式循環(huán)系統(tǒng)的，絕大多數(shù)使用離心泵。5 3抽氣器 抽氣器的作用是抽出凝汽器內(nèi)的不凝結(jié)氣體，以保持凝汽器的真空和良好的傳熱效果。抽氣器實質(zhì)上起壓氣機的作用，它將蒸汽和空氣混合物從很低的壓力壓到略高于大氣壓，以排人大氣。抽氣器的增壓比一般為1540。抽氣器有噴射

9、式抽氣器和真空泵兩大類。噴射式抽氣器又分為射水抽氣器和射汽抽氣器。國內(nèi)電站中的小型機組一般用射汽抽氣器；大型單元再熱機組上一般用射水抽氣器；近幾年來，在300MW機組上一般應(yīng)用水環(huán)式真空泵。 4凝結(jié)水泵 凝結(jié)水泵又叫冷凝泵，它的作用是將凝汽器中的凝結(jié)水抽出，經(jīng)過兩條路線進入除氧器。一條是經(jīng)過凝結(jié)水精處理設(shè)備處理后逐級經(jīng)過低壓加熱器，進入除氧器；另一條是不經(jīng)過凝結(jié)水處理設(shè)備，而直接經(jīng)過低壓加熱器進入除氧器。 由于凝汽器在運行時具有較高的真空值，因此凝結(jié)水泵的吸人側(cè)處于高度真空狀態(tài)，而凝結(jié)水溫度又接近于該壓力下的飽和溫度，所以凝結(jié)水泵內(nèi)極易造成汽化或發(fā)生空氣進入泵內(nèi)的現(xiàn)象。6(三) 回熱加熱系統(tǒng)與

10、設(shè)備 回熱加熱系統(tǒng)與設(shè)備是汽輪機組的主要輔助系統(tǒng)與設(shè)備?，F(xiàn)代發(fā)電用汽輪機組的回熱系統(tǒng)由若干個低壓加熱器(簡稱低加)、若干個高壓加熱器(簡稱高加)、除氧器、給水泵、連接管道、閥門等組成。上述設(shè)備組成一個串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如圖所示。為國產(chǎn)N300MW機組回熱系統(tǒng)示意。 在回熱加熱系統(tǒng)中，低壓加熱器因工作壓力和溫度都比較低，所以故障率相對來說比較低。而高壓加熱器的工作壓力是火電機組熱力系統(tǒng)中壓力最高的，并且高壓加熱器的工作溫度也比較高，所以高壓加熱器的事故率比較高，嚴重影響機組的安全穩(wěn)定運行。7 (四)調(diào)節(jié)保護系統(tǒng) 大型電站汽輪機組的調(diào)節(jié)與保護系統(tǒng)由數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、汽輪機本體安全監(jiān)視保護系統(tǒng)(T

11、SI)以及危急保護跳閘裝置(ETS)組成。其中，DEH控制系統(tǒng)由兩大部分組成即EH系統(tǒng)(液壓執(zhí)行機構(gòu))和DEH控制裝置(計算機控制部分)。 EH系統(tǒng)是DEH系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，DEH控制裝置是DEH系統(tǒng)的指揮中心。(1)控制裝置。主要包括數(shù)字計算機、混合數(shù)模插件、接口和電源等設(shè)備，都集中布置在四個柜內(nèi)。主要用于給定和反饋信號、邏輯運算和發(fā)出指令進行控制等。 (2)外圍設(shè)備。外圍設(shè)備包括DEH操作盤、信號指示盤、屏幕顯示器(CRT)及打印機等。它們是機組的控制中心，通常布置在控制室內(nèi)。操作盤和指示盤包括電指示器、按鈕開關(guān)等，主要用于顯示運行中機組主要的狀態(tài)、顯示機組的轉(zhuǎn)速或負荷的目標值和給定值、閥門

12、位置和極限值。 (3)DEH執(zhí)行機構(gòu)。汽輪機所有主汽門和調(diào)節(jié)汽門的開度均由各自的執(zhí)行機構(gòu)來控制。執(zhí)行機構(gòu)則由一個液壓油缸(油動機)和彈簧組成，其開啟靠高壓抗燃油壓力，而關(guān)閉則靠彈簧壓力。油動機與控制塊相連，在控制塊上裝有快速卸載閥、隔離閥和逆止閥，加上相應(yīng)附件組成的執(zhí)行機構(gòu)。 8 (4)EH供油系統(tǒng)。EH供油系統(tǒng)的作用是為油動機提供高壓動力油。油動機根據(jù)DEH調(diào)節(jié)器的電信號來控制各閥門的開度。高壓抗燃油采用三芳基磷酸脂，它具有良好的抗燃性能和穩(wěn)定性。 (5)ETS控制系統(tǒng)。EIS控制系統(tǒng)即危急跳閘系統(tǒng)，主要監(jiān)視汽輪機轉(zhuǎn)速、推力瓦磨損、EH油壓低、凝汽器真空低等。當這些參數(shù)超過其允許極限時，該系

13、統(tǒng)就關(guān)閉汽輪機的進汽閥。另外，通過隔膜閥提供一個可接受所有外部跳閘(包括機械超速和手動停機)的接口。從機械超速跳閘和手動停機母管來的潤滑油作用在隔膜閥的上部，使其克服彈簧力將閥門關(guān)閉，同時封閉自動停機危急跳閘母管的高壓抗燃油的泄油通道。只要機械超速跳閘和手動停機按鈕動作，母管中的油壓消失，彈簧就會打開隔膜閏，泄掉高壓抗燃油，使汽輪機停機。潤滑油和抗燃油彼此互不接觸。二、汽輪機組的結(jié)構(gòu)特點分析 隨著汽輪機組容量的增大和進汽參數(shù)的提高，汽輪機本體結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，部件尺寸也變得龐大，為使設(shè)備在高參數(shù)下工作時金屬部件有足夠的強度，汽缸、法蘭、螺栓等設(shè)計制造得十分笨重。龐大的尺寸和重量，使得加工、制

14、造及安裝非常復(fù)雜，也給運行帶來了很多問題。概括地說，現(xiàn)代汽輪機組的結(jié)構(gòu)具有如下特點。 9(1)采用多缸結(jié)構(gòu)。隨著汽輪機組單機功率的增大以及進汽參數(shù)的提高，整機的理想焓降會變得很大，在保證每一級最佳速度比的前提下，需要的級數(shù)會很多。若一個汽缸中容納的級過多，則勢必增加汽輪機轉(zhuǎn)子的長度，這樣將使轉(zhuǎn)子的剛性降低，難以保證強度和振動可靠性，因此必須將轉(zhuǎn)子分成若干段，各段分別支承，因而必須采用多缸結(jié)構(gòu)。當然，采用多缸結(jié)構(gòu)，還利于采用再熱循環(huán)，使單機功率進一步提高，有利于軸向推力的平衡，還可以擴大通流能力?，F(xiàn)代大功率汽輪機均采用了多缸結(jié)構(gòu)。如國產(chǎn)N300MW汽輪機組有一個高壓缸、一個中壓缸和兩個對稱布置的

15、低壓缸。(2)采用多排汽口。采用多排汽口是提高汽輪機組單機功率的有效途徑。在功率不變的情況下，增加排汽口的個數(shù)，可縮短末級葉片的長度，減小末級葉片所受到的離心拉應(yīng)力。如國產(chǎn)N300MW汽輪機組采用3個排汽口；上海汽輪機廠引進美國西屋公司技術(shù)生產(chǎn)的N300MW汽輪機組采用了四個排汽口。 (3)高中壓缸采用分流合缸方式。這種布置方式的優(yōu)點是： 高溫區(qū)集中在汽缸中部，兩蠟的溫度和壓力均較低，從而減少了對軸承和端部汽封的影響，改善了運行條件，并減少了部件的熱應(yīng)力；與分缸設(shè)計比較，減少了一個端部軸段，縮短了主軸長度，減少了軸封漏汽量；縮短機組軸向長度，簡化了機組結(jié)構(gòu)；平衡了部分軸向推力。10(4)采用多

16、層汽缸結(jié)構(gòu)。如果汽缸壁太厚將會產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力。因此，大功率汽輪機組都采用多層缸結(jié)構(gòu)。汽輪機組的高、中、低壓缸均采用雙層缸。高、中壓缸采用雙層汽缸后，內(nèi)缸主要承受高溫，需要用耐熱合金材料制造，但承受的壓力相對較小，故內(nèi)缸尺寸較小。外缸在夾層蒸汽冷卻的作用下，溫度較低只需要一般的合金鋼制造即可。另外，雙層缸結(jié)構(gòu)對于汽輪機啟動、停機時汽缸的加熱和冷卻均有利，可以縮短啟動時間。對于低壓缸，由于蒸汽容積流量的增大，其尺寸較大，一般也采用多層缸結(jié)構(gòu)，外層缸采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，這樣可以減輕低壓缸的重量，節(jié)約材料，增加剛度；內(nèi)缸由于形狀復(fù)雜一般采用鑄造結(jié)構(gòu)。有的大功率汽輪機組低壓缸采用三層缸結(jié)構(gòu)，這樣做的原因

17、是低壓外缸在可能發(fā)生各種變形的情況下，減少了對通流部分間隙的影響。 (5)加長低壓級葉片長度。加長低壓級葉片長度是提高汽輪機單機功率的有效途徑。如東方汽輪機廠生產(chǎn)的首臺300MW汽輪機組，末級葉片長度為1000mm，目前世界上最長的汽輪機葉片為1320mm用于1500MW、1800r/min的原子能汽輪機上。 (6)采用雙軸系結(jié)構(gòu)。為了解決大功率汽輪機排汽口增多使轉(zhuǎn)子過長的問題，可將機組設(shè)計成雙軸系結(jié)構(gòu)，第一軸系高壓缸排汽經(jīng)過一次中間再熱后進人第二軸系的中壓缸，其排汽再分別進人兩個軸系的低壓缸。11(7)機組的自動化水平高。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得汽輪機組的自動化控制水平逐漸提高。利用

18、計算機可以進行運行時的實時監(jiān)控，性能、效率的在線計算，控制汽輪機組的自動啟動、升速、并網(wǎng)、帶負荷等。如300MW汽輪機組的控制可由DCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)完成，而汽輪機的數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)的功能也比較完善。國外有些電廠已進入利用故障診斷技術(shù)，以系統(tǒng)運行管理為目標的超自動化運行的火力發(fā)電時代。 12第二節(jié) 汽輪機組的工作特性分析一、汽輪機組在高參數(shù)條件下工作新投產(chǎn)的汽輪發(fā)電機組以亞臨界和超臨界機組為主，有少量的超高壓機組，并且采用了蒸汽中間再熱。如哈爾濱汽輪機廠生產(chǎn)的300MW汽輪機的主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度分別為16.7MPa、537和537；美國GE公司生產(chǎn)的1300MW超臨界

19、機組的主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度分別為24.13MPa、543和543。 蒸汽參數(shù)的提高，提高了機組的循環(huán)效率，但同時對機組的運行提出了更高的要求。二、汽輪機組在大溫差、大壓差條件下的工作 現(xiàn)代大型汽輪機組的軸向尺寸和徑向尺寸都很大，在運行時，部件承受很大的溫度差和壓力差。在高壓缸進汽處，汽缸內(nèi)與汽缸外的溫差和壓差都很大。在中壓缸的進汽處，汽缸內(nèi)外有很大的溫差。在低壓缸的排汽口處，汽缸內(nèi)部處于真空狀態(tài)，因此，在此處存在反向的壓力差。徑向的大溫差和大壓差的存在，在部件的內(nèi)部產(chǎn)生了很大的壓力梯度和溫度梯度從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生了很大的應(yīng)力。在機組的軸向也有很大的壓差和溫差。軸向的大壓差和大溫

20、差的存在，使得轉(zhuǎn)子和靜子在軸向產(chǎn)生熱膨脹差(簡稱脹差)，并使轉(zhuǎn)子承受一個由高壓端指向低壓端的軸向推力。13三、汽輪機組在高轉(zhuǎn)速、高應(yīng)力狀志下工作 工業(yè)汽輪機的工作轉(zhuǎn)速是變化的，從每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)到每分鐘一萬多轉(zhuǎn)不等。但并網(wǎng)運行的發(fā)電用汽輪機是定速運行的，轉(zhuǎn)速一般為300rmin(原子能汽輪機的轉(zhuǎn)速為1500rrain)，其轉(zhuǎn)動部件的線速度非常大。如哈爾濱汽輪機廠生產(chǎn)的300MW汽輪機的末級葉片的長度達到900mm，葉頂處的直徑達到3528mm，運行時葉頂?shù)木€速度達到554.17ms。 汽輪機工作時，其轉(zhuǎn)動部件受到的應(yīng)力有，汽流力作用產(chǎn)生的應(yīng)力、離心拉應(yīng)力、溫度應(yīng)力、壓差產(chǎn)生的應(yīng)力、振動產(chǎn)生的動應(yīng)力

21、。在這些應(yīng)力的合成應(yīng)力的作用下，轉(zhuǎn)動部件處于很高的應(yīng)力狀態(tài)。值得一提的是，這個合成應(yīng)力既有恒定成分，又有交變成分。四、汽輪機組應(yīng)能長期、連續(xù)、穩(wěn)定地運行 由于電網(wǎng)的頻率要求是基本不變的，因此并網(wǎng)運行的汽輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速應(yīng)恒定。即使在主蒸汽參數(shù)、再熱蒸汽參數(shù)、排汽參數(shù)稍微偏離設(shè)計值時，機組也應(yīng)維持長期、連續(xù)、穩(wěn)定地運行。五、汽輪機組應(yīng)具有變工況運行的能力 汽輪機組除了應(yīng)滿足長期、連續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)出額定負荷的要求外，還應(yīng)具有變工況運行及承受一些極限工況的能力。如蒸汽參數(shù)偏離設(shè)計值、低真空運行、機組甩負荷、發(fā)電機出口母線短路、低頻率運行、冷態(tài)啟動、詞蜂運行等。在這些變動工況和極限工況條件下，機組部件的

22、應(yīng)力水平不得超過允許值。14六、汽輪機組應(yīng)具有較高的經(jīng)濟性汽輪機組是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，在確保安全性和可靠性的前提下，機組應(yīng)具有較高的經(jīng)濟性。當然，沒有安全性就談不上經(jīng)濟性，因此，機組在使用過程中首先應(yīng)樹立“安全第一”的思想。一旦機組的可靠性降低，甚至發(fā)生了故障，將導(dǎo)致重大的經(jīng)濟損失。在確保安全性和可靠性的前提下，機組應(yīng)有良好的熱力性能具有較高的熱效率。 提高機組運行經(jīng)濟性的主要措施有：提高機組的可靠性，提高可用率；減少工質(zhì)泄漏，對泄漏的工質(zhì)進行回收；輔助設(shè)備正常投入使用；維持額定進汽和排汽參數(shù)；采取合適的啟停機操作方式；改善通流部分的流動特性。15第三節(jié)汽輪機組的故障與結(jié)構(gòu)因素之間的關(guān)系 導(dǎo)致

23、汽輪機組故障的原因很多，總的來說有設(shè)計、材質(zhì)、制造工藝、安裝與維護、運行等方面的原因。本節(jié)簡單討論汽輪機組的故障與結(jié)構(gòu)因素之間的關(guān)系。一、機組故障與機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜性之間的關(guān)系 現(xiàn)代大型汽輪機組是一個復(fù)雜的機電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的復(fù)雜度隨機組容量的增加而增加。系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，增加了可能發(fā)生故障的設(shè)備和部件的數(shù)量，同時還增加了部件間的接口或接頭的數(shù)量，水和蒸汽管道數(shù)量的增加，將增加可能發(fā)生故障的數(shù)量和種類。例如，機組的很多機械故障涉及到焊縫和螺栓，而大部分電氣或電子故障涉及到元件的接頭，這種焊縫、螺栓和接頭越多，故障也就越多。水和蒸汽管道數(shù)量的增加，將使工質(zhì)泄漏的可能性增加。 另外，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度越大

24、，勢必要減少各部件原始性能與期望性能間的裕度(即設(shè)備的所“能”離人們的“想要”更近)，這就減少了故障發(fā)生前的劣化余地。 系統(tǒng)的復(fù)雜度提高后，不但系統(tǒng)的故障率提高，同時系統(tǒng)的故障模型也會發(fā)生變化，由原來簡單系統(tǒng)的與工齡有關(guān)的確定性故障模型逐步演變成隨機性故障模型，使得對系統(tǒng)故障的預(yù)測更加困難。16 二、機組振動故障與軸系結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系 機組容量越大，組成軸系的轉(zhuǎn)子數(shù)越多，軸系的長度越長，橫向振動的臨界轉(zhuǎn)速和扭轉(zhuǎn)振動的臨界轉(zhuǎn)速越低，即轉(zhuǎn)子系統(tǒng)顯得更加“軟”。將會帶來如下幾個方面的問題： (1)容易發(fā)生轉(zhuǎn)子不對中故障。若軸系是由若干個轉(zhuǎn)子經(jīng)靠背輪連接而成，在連接時可能因靠背輪偏差或轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的中

25、心偏差而使得軸系產(chǎn)生預(yù)載荷。這種預(yù)載荷大到一定程度時，將使得軸系在靜態(tài)時產(chǎn)生撓曲變形，在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生振動。 (2)容易產(chǎn)生不平衡故障。對于大型機組而言，轉(zhuǎn)子軸向的尺寸越大，轉(zhuǎn)子上的輪盤數(shù)越多，發(fā)生轉(zhuǎn)子原始質(zhì)量不平衡故障的可能性就越大，并使不平衡質(zhì)量在空間上連續(xù)分布。 (3)增加了產(chǎn)生油膜振蕩故障的可能性。軸系長度增加，其相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速值將降低?，F(xiàn)代大型汽輪發(fā)電機組各轉(zhuǎn)子的第一階臨界轉(zhuǎn)速都低于其工作轉(zhuǎn)速，個別轉(zhuǎn)子的第一階臨界轉(zhuǎn)速的兩倍比工作轉(zhuǎn)速還低，這大大增加了轉(zhuǎn)子產(chǎn)生油膜振蕩故障的可能性。 (4)容易產(chǎn)生軸系扭轉(zhuǎn)振動故障。軸系長度增加后，抗扭轉(zhuǎn)剛度與降低，阻尼也降低，只要電網(wǎng)有一點電氣擾動或

26、汽輪機有一點機械擾動，就可能激起軸系的劇烈扭轉(zhuǎn)振動。17三、油膜失穩(wěn)故障與軸承結(jié)構(gòu)型式及支承方式之間的關(guān)系 汽輪機組的轉(zhuǎn)子是靠支持軸承支承起來進行工作(旋轉(zhuǎn))的。油膜失穩(wěn)故障與軸承的結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)參數(shù)及軸承的支承方式有著密切的關(guān)系。 1軸瓦的型式對油膜穩(wěn)定性的影響 目前，在現(xiàn)場使用的軸瓦有圓筒瓦、橢圓瓦、三油楔瓦和可傾瓦。使用在汽輪發(fā)電機組上穩(wěn)定性最好的是可傾瓦其次是橢圓瓦，再次是三油楔瓦，最后是圓筒瓦。 2軸瓦的結(jié)構(gòu)參數(shù)時油膜穩(wěn)定性的影響 一般來說，減小長徑比可以提高軸瓦的工作穩(wěn)定性。原因：一是提高了軸承的比壓；二是使下瓦的油膜力減小，軸瓦偏心率增大。長徑比太小，就會導(dǎo)致單位面積軸瓦上的載荷

27、太大，危及軸瓦的安全。 3軸承的標高及標高變化對油膜穩(wěn)定性的影響 各軸承的標高設(shè)置會使得有些軸承的載荷太重，而有些軸承的載荷太輕。載荷輕的軸承在動態(tài)情況下可能失穩(wěn)，而載荷過重的軸承在動態(tài)條件下可能燒瓦。在動態(tài)條件下，各軸承的動態(tài)載荷與靜態(tài)載荷相比是不一樣的。這種改變一方面來自轉(zhuǎn)子的動態(tài)力，另一方面來自各軸承的標高變化。引起軸承動態(tài)標高變化的原因較多，其中主要原因是運行時溫度變化和軸承基礎(chǔ)的變化。 機組在，可通過導(dǎo)熱、對流(熱空氣、軸封漏汽)和輻射的形式將熱量傳至軸承座上，使得軸承座的溫度較冷態(tài)時的溫度要高。 18四、動靜間隙與機組故障之間的關(guān)系為了防止機組轉(zhuǎn)動部件和靜止部件之間發(fā)生接觸摩擦，在

28、轉(zhuǎn)動部件和靜止部件之間設(shè)置了一定的徑向間隙和軸向間隙。如果動靜間隙的選擇不恰當，將給機組運行造成以下幾個方面的影響： (1)動靜間隙過大，造成工質(zhì)泄漏。如果軸封的間隙太大，將有大量的工作介質(zhì)從軸端漏出，使得做功的工作介質(zhì)量減少；若靜葉環(huán)汽封的間隙太大，將有大量的蒸汽從靜葉前漏至靜葉后，擾亂了做功蒸汽的主流；如果動葉頂部汽封間隙太大，將有較多蒸汽從靜葉和動葉間隙處漏至級后，減少了級的做功蒸汽量。由此可知，動靜間隙過大，將降低機組運行的經(jīng)濟性。 (2)動靜間隙過小，引起動靜碰磨。若動靜間隙設(shè)置過小，在熱態(tài)條件下，由于部件熱膨脹的原因，可能使得部分動靜間隙為零甚至為負，此時機組會發(fā)生動靜碰磨，引起機

29、組劇烈振動，嚴重危及機組的安全。動靜碰磨是汽輪機組的常見故障。 (3)動靜間隙周向不均勻，引起蒸汽渦動。機組若因安裝或檢修的原因造成動靜間隙周向不均勻，在運行時，將在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個渦動力，此渦動力推動轉(zhuǎn)子作渦動運動。此種渦動運動是一種自激振蕩，渦動的頻率低于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)額率。轉(zhuǎn)子的這種渦動運動將導(dǎo)致機組劇烈振動，嚴重影響機組的安全。19第四節(jié)汽輪機組的故障與運行因素之間的關(guān)系運行因素是導(dǎo)致機組故障的重要外因。下面簡單討論導(dǎo)致汽輪機組故障的運行原因。 一、機組故障與主生蒸汽狀態(tài)和凝汽器真空之間的關(guān)系 1主蒸汽狀態(tài)與機組故障之間的關(guān)系 主蒸汽(包括再熱蒸汽)狀態(tài)對機組運行安全性和經(jīng)濟性都有很大的影響

30、。 (1)蒸汽溫度的影響。如果主蒸汽溫度(或再熱蒸汽溫度)長期高于額定值，則關(guān)鍵部件的材料長期處在較高的熱應(yīng)力作用下而產(chǎn)生高溫蠕變，引起機組故障，并縮短材料的使用壽命。如果主蒸汽溫度特別是再熱蒸汽溫度低于額定值，而蒸汽的壓力維持額定值，將使得排汽的濕度增加，低壓缸的最末幾級在濕蒸汽區(qū)工作，輕則引起動葉汽蝕，重則使動葉產(chǎn)生疲勞裂紋甚至動葉斷裂，且產(chǎn)生過大的軸向推力，影響推力軸承的安全。如果進入汽輪機的蒸汽溫度低于汽缸金屬溫度，不僅使轉(zhuǎn)子脹差負值過大，還可能引起汽缸產(chǎn)生拱背彎曲，造成機組動靜部分發(fā)生摩擦引起大軸彎曲。 (2)蒸汽溫度變化率的影響。當蒸汽溫度的變化率較大時，部件表面的溫度隨蒸汽溫度的

31、變化較快，而部件內(nèi)部材料的溫度變化較慢，從而在部件中產(chǎn)生溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力的效應(yīng)是使靜止部件(如汽缸)變形，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱態(tài)彎曲，導(dǎo)致機組振動。如果蒸汽溫度經(jīng)?？焖俚卦黾雍徒档?，則會使部件產(chǎn)生交變的熱應(yīng)力，導(dǎo)致材料出現(xiàn)裂紋。20 (3)蒸汽中帶水的影響。蒸汽攜帶水或冷蒸汽(低溫的飽和蒸汽)進入汽輪機，會導(dǎo)致嚴重的結(jié)構(gòu)損壞、機械故障和非計劃停機。蒸汽帶水產(chǎn)生的影響有：使葉片特別是較長的葉片受到水沖擊而損傷或斷裂；使轉(zhuǎn)子永久彎曲、汽缸變形、相對脹差急劇變化，并導(dǎo)致動靜部分軸向和徑向碰磨，機組產(chǎn)生劇烈的振動；引起金屬裂紋；閥門或汽缸結(jié)合面漏汽；軸向推力急劇增加，甚至推力瓦燒壞。 (4)主蒸汽品質(zhì)的影響

32、。如果蒸汽品質(zhì)長期不合格，蒸汽攜帶的鹽分會沉積在動葉表面，這種現(xiàn)象稱為通流部分結(jié)垢。動葉汽道結(jié)垢使汽道的通流面積減少，從而導(dǎo)致級的做功能力下降，級效率降低，軸向推力增加。如果動葉結(jié)垢不均勻，將使機組產(chǎn)生振動。 2凝汽器真空與機組故障之間的關(guān)系 凝汽器的真空度有一個最佳值，若將凝汽器真空值維持在最佳值附近，機組的經(jīng)濟性和安全性將大為提高。如果真空度偏離最佳值較遠，不但會降低機組運行的經(jīng)濟性，同時還會降低機組運行的安全性。凝汽器真空度太低，意味著排汽壓力和排汽溫度都會提高，引起排汽缸變形，導(dǎo)致機組振動。凝汽器真空度太高，除了增加抽氣系統(tǒng)的負擔，降低抽氣系統(tǒng)的可靠性外，還會使蒸汽在最末級動葉外膨脹，

33、擾亂排汽流場，給末級動葉增加一個擾動源。 21二、機組故障與電氣擾動之間的關(guān)系 發(fā)電機或電力系統(tǒng)出現(xiàn)電氣擾動，必然通過發(fā)電機將擾動以一定的方式作用到汽輪機上。出現(xiàn)電氣故障時，將在發(fā)電機上產(chǎn)生交變電流，從而在發(fā)電機上產(chǎn)生交變的阻力矩，激起軸系扭轉(zhuǎn)振動，在軸系中產(chǎn)生很大的交變扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。發(fā)電機的電氣故障有氣隙不均勻和發(fā)電機匝間短路，這些故障將使軸系產(chǎn)生橫向振動。電氣操作(包括故障切除和重合閘)也會在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生短時間的交變電流，在發(fā)電機上產(chǎn)生交變的阻力矩，激起軸系扭轉(zhuǎn)振動。三、機組調(diào)峰與機組故障之間的關(guān)系 汽輪機組的調(diào)峰運行是指機組用于驅(qū)動發(fā)電機的一種運行方式。隨著電網(wǎng)峰谷差的增大，火電機組參與調(diào)峰勢在盼行。國外火電機組參與調(diào)峰的運行方式主要有兩班制運行和低負荷運行，國內(nèi)除上述兩種調(diào)峰方式外，還有少汽無功運行和低速旋轉(zhuǎn)熱備用兩種方式。這里主要討論前兩種調(diào)峰運行方式與機組故障之間的關(guān)系。 1低負荷運行：汽輪機組在低負荷運行時，會帶來以下兩個方面的向題。 (1)低壓級葉片顫振。當汽輪機低負荷運行時，葉片頂部出現(xiàn)較大的負沖角，并出現(xiàn)脫流，因而容易引起顫振。葉片發(fā)生顫振后，導(dǎo)致葉片內(nèi)部動應(yīng)力顯著增加，從而易引起葉片裂紋。 (2)排汽缸