汽輪機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)

汽輪機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)概況

-----鮑玉和汽輪機(jī)設(shè)備概述第一章汽輪機(jī)的發(fā)展史汽輪機(jī)的發(fā)展史汽輪機(jī)時(shí)火力發(fā)電廠的主要設(shè)備之一，它與鍋爐、發(fā)電機(jī)一起被稱作火電廠三大主機(jī)。與其他動(dòng)力機(jī)械相比，汽輪機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、單機(jī)功率高、效率高、安全可靠等特點(diǎn)。自從1883年，瑞典工程師C.G.P.de拉法爾建造了世界第一臺(tái)功率未3.67瓦有實(shí)用價(jià)值的汽輪機(jī)以來(lái)，汽輪機(jī)經(jīng)歷了120年的歷史。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，汽輪機(jī)沿著大單機(jī)容量、提高蒸汽參數(shù)、不斷改進(jìn)材料和制造工藝、加強(qiáng)自動(dòng)化水平的方向發(fā)展。中國(guó)制造的第一臺(tái)容量為6000KW的汽輪機(jī)，與1956年投運(yùn)，以后陸續(xù)制造出12MW、25MW、50MW的中壓和高壓汽輪機(jī)，1959年投運(yùn)了100MW的汽輪機(jī)。1969年9月我國(guó)自行設(shè)計(jì)制造的125MW超高壓中間再熱汽輪機(jī)組正式投產(chǎn)發(fā)電，標(biāo)志著我國(guó)火力發(fā)電設(shè)備的制造和運(yùn)行水平進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期。在此以后，我國(guó)自行設(shè)計(jì)制造了200MW、300MW機(jī)組，并在引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上制造了300MW、600MW汽輪發(fā)電機(jī)組，且陸續(xù)投入運(yùn)行。第一臺(tái)125MW機(jī)組的汽輪機(jī)由上海汽輪機(jī)廠制造，投入30多年以來(lái)，先后已有130余臺(tái)125MW的機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，占全國(guó)電網(wǎng)容量的9%，成為我國(guó)火力發(fā)電機(jī)組之一。30多年來(lái)，125MW機(jī)組經(jīng)過(guò)不斷的設(shè)計(jì)優(yōu)化和技術(shù)完善，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和運(yùn)行實(shí)績(jī)也有了不斷的提高。該汽輪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作一直在進(jìn)行，其中第一階段在1978年—1981年間在生產(chǎn)第35—47臺(tái)機(jī)組中進(jìn)行，其產(chǎn)品編號(hào)仍為151.主要針對(duì)此前生產(chǎn)的34臺(tái)汽輪機(jī)所暴露出來(lái)的問(wèn)題與不足進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。第二階段在1982年—1986年間，在生產(chǎn)第48—58臺(tái)機(jī)組中進(jìn)行，產(chǎn)品編號(hào)為A151.這次改進(jìn)的目的的主要是提高整個(gè)電廠的安全性，同時(shí)在保持其出力不變的前提下主蒸汽和再熱蒸汽溫度均由550℃降低到535℃.第三階段工作是在第59—86臺(tái)機(jī)組中進(jìn)行，產(chǎn)品編號(hào)仍為A151.主要考慮到機(jī)組的運(yùn)行安全性、可靠性及出力，改進(jìn)的內(nèi)容較少。第四階段從第87臺(tái)機(jī)組開(kāi)始，產(chǎn)品編號(hào)為B151，主要目的是提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，使機(jī)組在不抽廠用氣情況下汽耗達(dá)到8499KJ/（KW.h）。同時(shí)，進(jìn)一步提高機(jī)組的安全性和自動(dòng)化水平。改進(jìn)后首臺(tái)機(jī)組于1991年4月出廠，10月投運(yùn)，在此以后，又改進(jìn)制造了產(chǎn)品編號(hào)為C151型機(jī)組。近年來(lái)，在125MW機(jī)組的基礎(chǔ)上，上海汽輪機(jī)廠又研究生產(chǎn)了采用引進(jìn)技術(shù)的135MW汽輪發(fā)電機(jī)組（產(chǎn)品編號(hào)從D151開(kāi)始），其技術(shù)性能有了進(jìn)一步的提高，并采用了數(shù)字式電調(diào)系統(tǒng)，目前不僅135MW機(jī)組業(yè)已有多臺(tái)投入運(yùn)行。且已有較多臺(tái)300MW、600MW機(jī)組投入運(yùn)行。第一節(jié)汽缸汽缸是汽輪機(jī)的最重要的部件之一，它是汽輪機(jī)中重量大，形狀和受力狀態(tài)復(fù)雜的一個(gè)部件。它是汽輪機(jī)的外殼，用于將汽輪機(jī)的通流部分與大氣隔開(kāi)，并在其內(nèi)部支撐固定噴嘴組、隔板組（靜葉持環(huán)）、隔板（靜葉環(huán)）、汽封等靜止部件，以保證蒸汽有可能完成其能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程。汽缸外部還連接有進(jìn)汽、排汽、回?zé)岢槠笆杷裙艿?。缸?yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受工作時(shí)汽缸內(nèi)、外的壓力差的作用力、各零部件的自身重量和管道的作用力，以及沿汽缸軸向、徑向溫度分布不均而引起的熱應(yīng)力。特別是機(jī)組在快速啟、停和運(yùn)行工況變化時(shí)，將引起很大的溫度變化，會(huì)在汽缸和法蘭中生產(chǎn)很大的的熱應(yīng)力和熱變形。不同機(jī)組的汽缸有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它受機(jī)組容量、新蒸汽參數(shù)、排汽參數(shù)、是否采用中間再熱以及制造廠家的制造方法、工藝水平等各方面的影響。一、高、中壓缸

因高、中壓缸內(nèi)的蒸汽壓力、溫度都很高，致使汽缸內(nèi)、外壓差很大，如果采用單層汽缸結(jié)構(gòu)勢(shì)必造成汽缸壁加厚，為保證聯(lián)接螺栓必須的的予緊力來(lái)保證汽缸中分面的汽密性，法蘭的尺寸和螺栓的直徑也要相應(yīng)的加大。在汽輪機(jī)的啟動(dòng)、停止和負(fù)荷變化時(shí)，會(huì)因熱量傳遞其內(nèi)外壁將出現(xiàn)較大的溫差而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和熱變形，這對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行極為不利，還會(huì)縮短其工作壽命。而采用雙層汽缸結(jié)構(gòu)后，把原單層汽缸所受的蒸汽總壓力分?jǐn)偨o了內(nèi)、外兩層汽缸，減少了每層汽缸內(nèi)、外壁之間的壓力差和溫度差，汽缸壁與單層缸相比可以相應(yīng)減薄，有利于保證汽缸結(jié)合面的嚴(yán)密性，而且在內(nèi)、外缸之間有蒸汽流動(dòng)，以調(diào)整內(nèi)、外缸的內(nèi)、外壁溫差，使內(nèi)缸主要承受壓力差，外缸主要承受溫度差。這使機(jī)組在啟停止和變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，內(nèi)、外壁之間的溫度差較小，熱應(yīng)力也較小，有利于縮短啟動(dòng)時(shí)間和提高汽輪機(jī)對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)性具有較強(qiáng)的調(diào)峰能力。但雙缸的結(jié)構(gòu)比單層汽缸復(fù)雜，零部件增多，因而加工工時(shí)、安裝和檢修等方面的工作量有所增加。下附高、中壓缸的圖片現(xiàn)大型汽輪機(jī)高、中壓缸布置均為反向布置，它的優(yōu)點(diǎn)：新蒸汽及再熱器蒸汽的進(jìn)汽部分均集中在汽缸的中部，可減少汽缸的溫度差及熱應(yīng)力，而且溫度最高的部分布置在距離汽輪機(jī)軸承較遠(yuǎn)的位置，使軸承受汽缸溫度的影響較小，改善了軸承的工作條件，同時(shí)還可平衡一部分高、中壓級(jí)的軸向推力。另外，前后軸端汽封均處于高中壓缸排汽部位，使軸封漏氣損失顯著減少，此外，高、中壓缸的型式還減少了一至二個(gè)徑向支持軸承，縮短了高、中壓缸轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度。蒸汽從噴嘴高速噴出時(shí)產(chǎn)生的反作用力，通過(guò)隔板傳遞給汽缸，使汽缸承受一個(gè)與轉(zhuǎn)速方向相反的力矩。為了平衡此力矩，在外汽缸左側(cè)的下部裝有一彈簧性支座，其布置在基礎(chǔ)上，以減少左支撐貓爪的壓力，確保汽缸自由膨脹，其中心線位置不變。為了減少運(yùn)行中汽缸法蘭的內(nèi)外壁溫差，高中汽缸采用厚而窄的水平法蘭，高中壓外缸上、下法蘭兩端的左右兩側(cè)都沿軸向伸出貓爪，下貓爪為安裝貓爪，上貓爪為支撐貓爪，分別支撐在前軸承箱和中間軸承箱的相應(yīng)平臺(tái)上。內(nèi)缸的上、下法蘭兩端各伸出兩對(duì)貓爪，下貓爪為安裝貓爪，上貓爪為支撐貓爪，支撐在外缸水平中分面內(nèi)壁的凸臺(tái)上。內(nèi)缸的工作溫度較高，采用優(yōu)質(zhì)的耐熱鉻鉬合金鋼澆鑄，，其上、下內(nèi)缸中間各有四個(gè)進(jìn)汽接口，與外汽缸上的高、中壓進(jìn)汽接口對(duì)應(yīng)。在高壓部分進(jìn)汽口處裝有單獨(dú)鑄造的四個(gè)高壓噴嘴室，每個(gè)噴嘴室中各裝有一個(gè)噴嘴組；中壓部分全周進(jìn)汽的進(jìn)汽噴嘴室與內(nèi)缸鑄成一體。內(nèi)缸高壓部分和中壓部分內(nèi)壁各開(kāi)有幾圈用于裝隔板的凹槽。二、低壓汽缸高參數(shù)大容量、大功率凝汽式汽輪機(jī)的低壓缸，蒸汽容積流量相當(dāng)大，需要有足夠大的通流截面積，即級(jí)的平均直徑和葉片高度都將很大。在目前材料強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，并保證末級(jí)余速損失不致過(guò)大，單排汽口的汽輪機(jī)最大功率只能達(dá)到150MW左右，因此大功率機(jī)組的低壓缸必須采用分流結(jié)構(gòu)。因而低壓汽缸結(jié)構(gòu)尺寸大，是汽輪機(jī)中最龐大的部件。但由于低壓汽缸內(nèi)的壓力、溫度較低，因此氣缸體的強(qiáng)度不是設(shè)計(jì)的主要矛盾，而足夠的剛度、排汽通道良好的氣動(dòng)特性則是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，如果低壓缸強(qiáng)度不夠，將引起機(jī)組動(dòng)、靜部分間隙和中心變化，使機(jī)組發(fā)生振動(dòng)。低壓缸為雙層缸結(jié)構(gòu)，并分為上、下缸。為了便于運(yùn)輸、制造上的方便，低壓缸由鋼板焊接而成，在軸向分為三段，即中間部分和兩端側(cè)的排汽缸，安裝時(shí)三段之間通過(guò)垂直法蘭用螺栓連接成一個(gè)整體，調(diào)整中心定位后，在連接法蘭的外壁接口處燒密封焊，成永久性連接不再拆開(kāi)，以保證汽缸的嚴(yán)密性。低壓汽缸的二個(gè)進(jìn)汽口設(shè)置在頂部中間位置。在低壓缸下部設(shè)置二個(gè)低壓回?zé)岢槠?。低壓汽缸采用向下排汽、鋼板焊接的單層結(jié)構(gòu)的排汽缸，其內(nèi)布置有筋板和撐管，以保證這個(gè)龐大的殼體有足夠的剛度，這種結(jié)構(gòu)具有重量輕、剛性好、材料省和成本低等優(yōu)點(diǎn)。為了得到良好的氣動(dòng)特性，以減少其末級(jí)出口與凝汽器之間的汽流靜壓損失，排汽缸采用徑向擴(kuò)壓式結(jié)構(gòu)。其型線按照空氣動(dòng)力學(xué)的要求設(shè)計(jì)，即盡可能地將末級(jí)動(dòng)葉排除蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，以減少汽輪機(jī)的排汽節(jié)流損失，提高機(jī)組效率。由于低壓缸在運(yùn)行當(dāng)中溫度較低，金屬膨脹不顯著，因此低壓缸的支撐沒(méi)有采用高中壓缸的支撐方式，而是在低壓下汽缸排汽口的四周焊接一個(gè)整圈擱腳將擱腳座落在汽缸基架（基礎(chǔ)臺(tái)板）上，它使得低壓缸的重量均勻地分布在基礎(chǔ)上。為了加強(qiáng)低壓外缸的剛性和嚴(yán)密性，低壓外缸的排汽口直接與凝汽器喉部焊接，外缸兩端有軸封。低壓缸也采用對(duì)稱分流式布置此外，低壓內(nèi)缸在啟動(dòng)和低負(fù)荷及空載情況下，均裝有噴水減溫裝置。附圖片第二節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的總稱，是汽輪機(jī)最重要的部件之一。它的作用是將蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成其旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，對(duì)外輸出電功率。汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子按結(jié)構(gòu)可分為：輪盤式和轉(zhuǎn)鼓式兩種基本類型。沖動(dòng)式汽輪機(jī)采用輪盤式轉(zhuǎn)子，它具有葉輪，葉輪的外緣安裝動(dòng)葉柵，隔板裝在葉輪之間，以縮小隔板內(nèi)孔的尺寸，減少隔板漏氣。反動(dòng)式汽輪機(jī)采用轉(zhuǎn)鼓式轉(zhuǎn)子，而轉(zhuǎn)鼓式轉(zhuǎn)子則沒(méi)有葉輪，葉片直接安裝在轉(zhuǎn)鼓的凸環(huán)上。轉(zhuǎn)子圖片第三節(jié)聯(lián)軸器聯(lián)軸器是轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的連接部分。汽輪機(jī)各轉(zhuǎn)子之間以及汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間均用聯(lián)軸器連接，以傳遞扭矩和軸向推力。聯(lián)軸器又稱靠背輪、對(duì)輪或聯(lián)軸節(jié)，可分為剛性、半擾性和擾性三種。第四節(jié)噴嘴汽輪機(jī)的第一級(jí)噴嘴葉柵（也稱之為靜葉片）通常是由若干個(gè)噴嘴組成噴嘴弧段后，在固定在單獨(dú)設(shè)置的噴嘴室的圓弧形槽道中。它的作用：高速汽流通過(guò)噴嘴時(shí)，在其內(nèi)膨脹加速，流速增加，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，改變汽流方向，推動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)。第五節(jié)葉片動(dòng)葉片由葉型、葉頂部分、葉根三部分組成。葉片截面的周線稱為葉片的型線，葉片中保證流道形狀的部分稱為型線部分，葉根鑲嵌在葉輪或轉(zhuǎn)鼓的槽道內(nèi)，為了減少葉頂?shù)穆?、減少蒸汽作用力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，以及調(diào)整葉片的自振頻率，一般在葉柵頂部裝有圍帶，其作用：防止頂部漏氣。具有一定壓力、溫度的蒸汽，在壓力差的作用下，通過(guò)噴嘴葉柵時(shí)進(jìn)行膨脹加速，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變成高速汽流的動(dòng)能，高速汽流以一定的方向進(jìn)入動(dòng)葉柵，在動(dòng)葉柵中繼續(xù)膨脹加速，并改變其速度的大小和方向，推動(dòng)動(dòng)葉柵高速旋轉(zhuǎn)，將蒸汽的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械功。動(dòng)葉片承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和蒸汽的長(zhǎng)期作用力；在葉片內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、擠壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力和扭曲應(yīng)力，另外，動(dòng)葉片振動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)力，內(nèi)部溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力。為了增強(qiáng)葉片的強(qiáng)度、剛度，一般動(dòng)葉片除在頂部裝設(shè)圍帶外，還在葉片中部裝有拉緊。葉片型式：第六節(jié)汽封為了保證機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)，避免動(dòng)（轉(zhuǎn)子）、靜（汽缸、隔板）部分發(fā)生摩擦和碰撞，因此，動(dòng)靜部分之間必須保持一定的間隙，然而這些間隙的存在必然會(huì)導(dǎo)致漏氣，這樣不僅會(huì)降低機(jī)組的出力，還會(huì)影響機(jī)組的安全。同時(shí)，為了保證蒸汽的漏出和空氣的漏入，而裝設(shè)了軸封系統(tǒng)。汽封包括：軸端汽封、隔板汽封、圍帶汽封汽封按型式分：迷宮式汽封、炭精式汽封、水封軸端汽封的作用：1）高壓端汽封是為了防止蒸汽的漏出低壓端汽封是為了防止空氣的漏入隔板汽封是為了防止級(jí)間漏氣圍帶汽封是為防止蒸汽沿葉片頂部漏出第六節(jié)軸承箱與軸承汽輪機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，軸承是一個(gè)重要組成部分。為了保證汽輪機(jī)工作是的轉(zhuǎn)子正常旋轉(zhuǎn)，機(jī)組都設(shè)置支持軸承和推力軸承。支持軸承的作用：承受轉(zhuǎn)子的全部重量以及部分進(jìn)汽引起的附加力和轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量的離心力，確定轉(zhuǎn)子的徑向位置，保證轉(zhuǎn)子中心與汽缸中心一致。推力軸承的作用：承受汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)蒸汽作用在轉(zhuǎn)子上軸向力和發(fā)電機(jī)傳來(lái)的的軸向力，并確定轉(zhuǎn)子在汽缸中的軸向位置，保證汽輪機(jī)的通流部分與靜止部分的軸向間隙。它們?nèi)坎捎靡詣?dòng)壓液體潤(rùn)滑理論為基礎(chǔ)的潤(rùn)滑原理。借助具有一定的壓力油在軸頸與軸瓦之間形成的油膜而建立液體潤(rùn)滑。其工作原理：軸承箱：一般軸承箱坐落在各自的基礎(chǔ)臺(tái)板上，接觸均勻，使其能在基礎(chǔ)臺(tái)板上順利滑動(dòng)。在軸承箱和基礎(chǔ)臺(tái)板的滑動(dòng)面間，裝有沿汽輪機(jī)中軸線方向的導(dǎo)向縱銷，兩側(cè)配有滑動(dòng)的壓板壓住。各軸承箱的下箱體均設(shè)有法蘭，與軸承進(jìn)油母管和排油母管連接，在進(jìn)油與排油管上都設(shè)有窺視連管，通過(guò)窺視孔可觀察進(jìn)油、回油流動(dòng)情況。為了防止從軸封漏出的蒸汽進(jìn)入軸承箱中使油質(zhì)惡化，同時(shí)也為了防止軸承箱中的潤(rùn)滑油甩出來(lái)，在主軸穿過(guò)軸承箱座的地方裝有檔油環(huán)和阻汽片。支持軸承推力軸承第七節(jié)盤車裝置汽輪機(jī)在啟動(dòng)、沖轉(zhuǎn)以前或停機(jī)以后，為了防止轉(zhuǎn)子彎曲，使轉(zhuǎn)子連續(xù)低速轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置，稱為盤車裝置。對(duì)它的要求：既能長(zhǎng)時(shí)間低速盤動(dòng)轉(zhuǎn)子，又能在沖轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)速超過(guò)盤車轉(zhuǎn)速時(shí)能自動(dòng)脫開(kāi)，停止盤車。盤車轉(zhuǎn)速可分為：·1、低速盤車2、中速盤車3、高速盤車盤車裝置一般裝在后軸承箱蓋上，利用一定的轉(zhuǎn)速盤動(dòng)轉(zhuǎn)子，目的是為了：1）停機(jī)后保證汽缸上、下缸溫度比較均勻，減小上下缸的溫差，減小汽缸的熱變形，減小轉(zhuǎn)子的熱彎曲；2）開(kāi)機(jī)時(shí)便于轉(zhuǎn)子的沖轉(zhuǎn)，防止轉(zhuǎn)子產(chǎn)生過(guò)大的沖擊熱應(yīng)力；盤車由分為手動(dòng)盤車和自動(dòng)盤車。第二章汽輪機(jī)輔助設(shè)備第一節(jié)凝汽器凝汽器是汽輪機(jī)主要的輔助設(shè)備之一。一、凝汽器的作用：1、在汽輪機(jī)的排汽室建立并維持所要求的真空；2、將汽輪機(jī)的排汽凝結(jié)成水，再通過(guò)某些設(shè)備經(jīng)升壓后作為鍋爐的給水，已降低制水成本；3、一級(jí)低壓除氧。另外，凝汽器又是熱力系統(tǒng)中壓力最低的汽、水匯集器，接受機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)時(shí)旁路系統(tǒng)排出的蒸汽，凝結(jié)水再循環(huán)及各種疏放水。二