大型汽輪機及特種汽輪機

1汽輪機原理

Principleofsteamturbine廣東工業(yè)大學(xué)能源工程系

GDUT

Dept.ofEnergyEngineering27.大型汽輪機及特種汽輪機7-1大型汽輪機簡介7-2超臨界壓力汽輪機7-3核電站汽輪機7-4工業(yè)汽輪機37-1大型汽輪機簡介大型汽輪機指單機功率較大的汽輪機，從20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)初，電站汽輪機在單機功率和蒸汽參數(shù)方面都在不斷發(fā)展，同時其可靠性、機動性、控制水平和經(jīng)濟性都有了巨大地進(jìn)步。近20年以來，我國電力工業(yè)以發(fā)展亞臨界壓力、超臨界壓力300MW和600MW機組為主。目前，國產(chǎn)超臨界與超超臨界壓力機組已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展和提高的階段。1000MW容量等級的超臨界壓力國產(chǎn)機組也開始投入商業(yè)運行，這標(biāo)志著我國火力發(fā)電機組的發(fā)展跨上了新的臺階。47-1大型汽輪機簡介一、300MW汽輪機我國曾經(jīng)自主設(shè)計和制造過300MW汽輪機。東方汽輪機廠1975年自主研發(fā)、研制高中壓合缸、兩缸、兩排汽300MW汽輪機，該機采用1m長的末級葉片。1984年，又開發(fā)了三缸兩排汽300MW凝汽式和供熱抽汽凝汽式汽輪機，這兩種機型均采用“851mm”末級葉片。第一批機組分別于1991年7月和8月在山西太原第一熱電廠和河北沙嶺子電廠投入商業(yè)運行，如圖7-1所示。57-1大型汽輪機簡介圖7-1國產(chǎn)300MW汽輪機縱剖面圖67-1大型汽輪機簡介20世紀(jì)80年代，我國引進(jìn)N300-16.67/537/537型汽輪機的設(shè)計和制造技術(shù)。該型號汽輪機為亞臨界、單軸、雙缸雙排汽、高中壓缸合缸、低壓缸雙流程的反動式凝汽汽輪機。該機通流部分由高、中、低壓三部分組成，共有34級，除高壓調(diào)節(jié)級為沖動級外，其余33級均為反動級，如圖7-2所示。77-1大型汽輪機簡介圖7-2國產(chǎn)300MW汽輪機（引進(jìn)型）縱剖面圖（a)高中壓部分（b)低壓部分1-超速脫扣裝置；2-主軸泵；3-轉(zhuǎn)速傳感器+零轉(zhuǎn)速檢測器；4-振動檢查器；5-軸承；6-偏心+鑒相器；7-差脹檢測器；8-外軸封；9-內(nèi)軸封；10-汽封；11-葉片；12-中壓1號持環(huán)；13-中壓2號持環(huán)；14-高壓1號持環(huán)；15-低壓平衡持環(huán)16-高壓平衡持環(huán)；17-中壓平衡持環(huán)；18-內(nèi)上缸；19-聯(lián)軸器；20-低壓持環(huán)；21-推力軸承；22-軸向位置+推力軸承脫口檢測器；23-測速裝置（危急脫扣系統(tǒng)）87-1大型汽輪機簡介除此之外，我國還直接引進(jìn)了多個國家的300MW等級的汽輪機。表7-1列出了我國主要在役300MW容量等級汽輪機的基本情況97-1大型汽輪機簡介（續(xù)表）107-1大型汽輪機簡介117-1大型汽輪機簡介127-1大型汽輪機簡介二、600MW汽輪機20世紀(jì)90年代以后，600MW火電機組已經(jīng)成為我國新建電廠的首選機型。華北、東北和山東電網(wǎng)先后裝備600MW級火電機組，主要是引進(jìn)國外設(shè)備或技術(shù)的機組。我國自20世紀(jì)80年代起開始投入運行的600MW等級汽輪機發(fā)電機組的基本特征和參數(shù)見表7-2和表7-3。圖7-3、圖7-4分別為典型600MW汽輪機組的總體結(jié)構(gòu)圖。137-1大型汽輪機簡介平圩電廠1、2號汽輪機組為亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、反動式、雙背壓、凝汽式，北倉電廠1、2號汽輪機組為亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、沖動式、背壓式、凝汽式，石洞口第二廠1、2號汽輪機組為超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、反動式、單背壓、凝汽式。147-1大型汽輪機簡介（續(xù)表）157-1大型汽輪機簡介ABB引進(jìn)型汽輪機組所配鍋爐為由蘇爾壽公司設(shè)計、CE公司和蘇爾壽公司聯(lián)合制造的超臨界螺旋管圈直流爐，設(shè)計蒸汽流量為1900t/h，過熱蒸汽壓力為25.4MPa.西屋引進(jìn)汽輪機組蒸汽流量為2008t/h（MCR），主蒸汽壓力為18.3MPa,主蒸汽溫度為540.6°C，再熱蒸汽壓力和溫度分別為3.64MPa/540.6°C東方—日立合作生產(chǎn)應(yīng)用于山東鄒縣電廠的600MW汽輪機是亞臨界、一次中間再熱的凝汽式汽輪機，機組型號為DH-600-40-T，參數(shù)為16.7MPa/538°C/538°C。167-2超臨界壓力汽輪機一、

超臨界壓力汽輪機當(dāng)蒸汽壓力增加至22.12MPa時，相應(yīng)的飽和溫度為374.15°C，此時不再有等溫汽化過程，在這一狀態(tài)點，水立刻全部汽化，再加熱就成為過熱蒸汽。這個狀態(tài)點是水被等壓加熱變成蒸汽的臨界點，其壓力稱為臨界壓力。進(jìn)汽壓力超過臨界壓力22.12MPa的汽輪機稱為超臨界壓力汽輪機，簡稱超臨界汽輪機，其效率比亞臨界機組有大幅度提高，具有節(jié)能和環(huán)保雙重效益。（一）、

超臨界壓力汽輪機的特點177-2超臨界壓力汽輪機圖7-5所示為蒸汽參數(shù)與機組效率的關(guān)系。研究表明，主蒸汽壓力每提高1MPa,機組的熱耗率可下降0.13%~0.15%；主蒸汽溫度每提高10°C，機組的熱耗率可下降0.25%~0.30%；再熱汽溫度每提高10°C，機組的熱耗率可下降0.15%~0.20%。事實表明，提高蒸汽參數(shù)與發(fā)展大容量機組相結(jié)合是提高常規(guī)火電廠效率及降低單位容量造價最有效的途徑。與同容量亞臨界火電機組的熱效率相比，采用超臨界參數(shù)理論上可提高效率2%~2.5%。目前，世界上先進(jìn)的超臨界機組熱效率已達(dá)到45%以上，當(dāng)溫度達(dá)到700°C時，熱效率可達(dá)到48%—~50%。187-2超臨界壓力汽輪機超臨界壓力汽輪機的特點1.熱效率高（1）朗肯循環(huán)在提高蒸汽溫度、壓力后可以提高效率。（2）由于初壓提高，水的沸點也增高，增加了凝結(jié)水加熱到飽和狀態(tài)所需熱量，從而擴大了使用回?zé)岬姆秶?，進(jìn)一步改善了循環(huán)熱效率。2.蒸汽體積流量降低高壓時蒸汽比體積顯著減小，從而可以減小裝置的尺寸和質(zhì)量，特別是管道、閥門等部件的尺寸和質(zhì)量。3.承壓件壁厚增大由于超臨界而引起的承壓件壁厚增大時不可回避的問題，需要合理解決。197-2超臨界壓力汽輪機（二）、

國外超臨界壓力機組技術(shù)概況世界上目前最大的雙軸超臨界壓力機組功率是1300MW，首臺于1972年在美國坎伯蘭電廠投運。主要技術(shù)參數(shù)見表7-4.雙軸轉(zhuǎn)速都是3600r/min，一根軸帶動一個雙流高壓缸和兩個雙排汽低壓缸，另一根軸帶動一個雙流中亞缸和兩個雙排汽低壓缸。汽輪機全部采用焊接轉(zhuǎn)子，是反動式機組。由于機組承擔(dān)基本負(fù)荷，因此采用節(jié)流配汽調(diào)節(jié)方式。高壓缸采用水平部分無法蘭結(jié)構(gòu)，用紅套環(huán)保證其氣密性。207-2超臨界壓力汽輪機（二）、

國外超臨界壓力機組技術(shù)概況世界上目前最大的單軸超臨界壓力機組是前蘇聯(lián)列寧格勒金屬工廠（LMZ）生產(chǎn)的1200MW機組，1968年開始設(shè)計，1977年試制完成，1980年12月在科斯特羅姆電廠投運。主要技術(shù)參數(shù)見表7-5.高壓缸采用雙層回流式結(jié)構(gòu)，中部進(jìn)汽。新蒸汽先經(jīng)過調(diào)節(jié)級和三級壓力級，排汽經(jīng)過內(nèi)、外缸夾層反向流入高壓缸的另外四級壓力級。高、中壓轉(zhuǎn)子為整段式，低壓轉(zhuǎn)子采用焊接結(jié)構(gòu)。機組采用節(jié)流配汽。217-2超臨界壓力汽輪機（三）、

我國發(fā)展超臨界機組概況自20世紀(jì)80年代初引進(jìn)亞臨界壓力300MW和600MW機組制造技術(shù)后，大大縮短了我國大型火電機組與國際先進(jìn)水平的差距。目前，我國已具有設(shè)計、制造和運行大型亞臨界和超臨界壓力火電機組的經(jīng)驗。我國引進(jìn)的超臨界壓力火電機組及其主要參數(shù)如表7-6所示。227-2超臨界壓力汽輪機二、

超臨界汽輪機的性能及綜合技術(shù)經(jīng)濟分析（一）初壓提高對機組熱耗率的影響汽輪發(fā)電機組的凈熱耗率為kJ/(kW.h)kJ/(kW.h)汽輪發(fā)電機組的毛熱耗率為式中：ho為新汽比焓，kJ/kg；hfw為給水比焓，kJ/kg;

hrh為再熱汽比焓，kJ/kg；hn為再熱前蒸汽（高壓缸排汽）比焓，kJ/kg；ηg為發(fā)電機效率；Go為新蒸汽流量，kg/h;Grh為再熱汽流量，kg/h;

Pel為發(fā)電機功率，kW;Pp為給水泵功率，kW。237-2超臨界壓力汽輪機二、

超臨界汽輪機的性能及綜合技術(shù)經(jīng)濟分析（二）超臨界壓力機組的熱耗率（三）超臨界壓力機組的初溫和再熱溫度在相同的假設(shè)條件比較超臨界壓力機組。蒸汽初壓為23.5MPa與初壓為16.2MPa相比較，300MW機組凈熱耗率下降約1.3%，600MW機組下降約1.6%，1000MW機組下降約1.8%?？梢婋S著機組容量的增大，采用超臨界壓力所得的效益將更加明顯。在相同的假設(shè)條件比較超臨界壓力機組。蒸汽初壓為23.5MPa與初壓為16.2MPa相比較，300MW機組凈熱耗率下降約1.3%，600MW機組下降約1.6%，1000MW機組下降約1.8%?？梢婋S著機組容量的增大，采用超臨界壓力所得的效益將更加明顯。247-2超臨界壓力汽輪機二、

超臨界汽輪機的性能及綜合技術(shù)經(jīng)濟分析（四）超臨界壓力機組的兩次再熱溫度（五）超臨界壓力機組的末級葉片理論上，兩次再熱比一次再熱可降低熱耗率1.5%-2.0%,單系統(tǒng)復(fù)雜，造價增加，一般只有在燃料價格昂貴且?guī)Щ矩?fù)荷情況下才考慮。末級是反映汽輪機可靠性、調(diào)峰和周期運行能力的關(guān)鍵部件，末級出力占汽輪機總出力的10%。257-2超臨界壓力汽輪機二、

超臨界汽輪機的性能及綜合技術(shù)經(jīng)濟分析（六）綜合技術(shù)經(jīng)濟分析燃料消耗投資回收期267-2超臨界壓力汽輪機三、

超超臨界壓力汽輪機壓力大于27MPa，溫度大于600C，在經(jīng)濟性方面優(yōu)勢明顯。目前全世界投運70余臺。上汽：27MPa/600C/600C。

哈汽東汽：25MPa/600C/600C。

國內(nèi)首臺：玉環(huán)電廠，26.25MPa/600C/600C277-2超臨界壓力汽輪機四、

超臨界和超超臨界壓力汽輪機主要技術(shù)特點（一）高性能材料（二）冷卻技術(shù)1.高壓汽缸2.高壓進(jìn)汽閥門3.雙流調(diào)節(jié)級（三）高壓部件設(shè)計287-2超臨界壓力汽輪機四、

超臨界和超超臨界壓力汽輪機主要技術(shù)特點（四）固粒腐蝕防護（五）汽流激振預(yù)防（六）末級優(yōu)化設(shè)計297-3核電站汽輪機自20世紀(jì)50年代第一座核電站出現(xiàn)至今已有50年，核電事業(yè)已進(jìn)入輝煌的高速發(fā)展階段。國際原子能機構(gòu)統(tǒng)計表明，已有近50個國家和地區(qū)超過500座核電站在運行。一、

濕蒸汽汽輪機的特點307-3核電站汽輪機各種堆型的核電站都采用汽輪機作為原動機，核電站汽輪機分為過熱蒸汽汽輪機和飽和蒸汽汽輪機兩大類，前者用于石墨氣冷堆、高溫氣冷堆和快中子增殖堆等堆型的核電站，而后者用于壓水堆和沸水堆堆型核電站。（一）、

過熱蒸汽核電站汽輪機高溫氣冷堆和改進(jìn)型石墨氣冷堆的核電站汽輪機，進(jìn)氣參數(shù)已全達(dá)到常規(guī)火電廠的標(biāo)準(zhǔn)。也可采用中間再熱，容量已達(dá)到甚至超過常規(guī)火電廠317-3核電站汽輪機（二）、

飽和蒸汽核電站汽輪機飽和蒸汽核電站汽輪機又稱濕蒸汽汽輪機（包括微過熱蒸汽汽輪機）。目前飽和蒸汽汽輪機約占核電站總裝機容量的89%，其中絕大部分機組用輕水堆（包括壓水堆和沸水堆）產(chǎn)生的蒸汽。由于受反應(yīng)堆冷卻劑溫度的限制，一般壓水堆平均出口溫度低于310°C，所以二回路只能產(chǎn)生壓力較低（5~7MPa)的飽和蒸汽（或微過熱蒸汽）。這種汽輪機具有以下特點（1）低蒸汽參數(shù)（2）腐蝕和侵蝕（3）汽水分離再熱器（4）半轉(zhuǎn)速（5）甩負(fù)荷超速327-3核電站汽輪機二、

反應(yīng)堆和核電站汽輪機參數(shù)核電站的三個主要部分是：反應(yīng)堆，熱交換裝置和汽輪機發(fā)電機組。核反應(yīng)堆按照所用裂變?nèi)剂稀⒅凶訙p速劑、冷卻工質(zhì)（或載熱質(zhì)）以及中子速度不同等情況，可以分為許多類型。

產(chǎn)生飽和蒸汽或低過熱度蒸汽的反應(yīng)堆叫做輕水反應(yīng)堆，它是以重水為中子減速劑的重水反應(yīng)堆相對而言。目前已經(jīng)發(fā)展成熟并大量應(yīng)用的輕水反應(yīng)堆有壓水反應(yīng)堆和沸水反應(yīng)堆。目前壓水堆在數(shù)量上占很大比重。圖7-16是一個壓水堆的基本系統(tǒng)圖圖7-16壓水堆系統(tǒng)圖337-3核電站汽輪機三、

濕蒸汽汽輪機的水蝕347-3核電站汽輪機四、

核電站汽輪機的可靠性圖7-18核電汽輪機的可靠性指標(biāo)逐漸提高

隨著汽輪機設(shè)計和制造技術(shù)、運行和維護技術(shù)的進(jìn)步，大型核電站汽輪機的可靠性不斷提高，事故發(fā)生的強迫停機率已經(jīng)降到很低的數(shù)值。圖7-18是1978年~2002年間，安裝在法國的ALSTOM公司制造的58臺核電站汽輪機強迫停機率的變化情況?？梢钥闯觯?990年以后，核電汽輪機的可靠性達(dá)到了很高的水平。357-4工業(yè)汽輪機工業(yè)汽輪機是供工業(yè)企業(yè)用來驅(qū)動發(fā)電機或其他旋轉(zhuǎn)機械（如泵、壓縮機和鼓風(fēng)機等）的動力機械。在工藝流程中采用工業(yè)汽輪機可以提高系統(tǒng)熱效率和能源利用率，實現(xiàn)節(jié)能。工業(yè)汽輪機廣發(fā)采用與冶金、煉油、化工、紡織、制糖、制堿、造紙、食品和城市加壓煤氣等部門。367-4工業(yè)汽輪機一、

工業(yè)汽輪機的分類及其特點工業(yè)汽輪機在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用的主要原因有幾下幾點。（1）可達(dá)到較高轉(zhuǎn)速（2）經(jīng)濟性好（3）具有與其他汽輪機相同的固有特性。377-4工業(yè)汽輪機（一）工業(yè)汽輪機分類1.按驅(qū)動對象劃分（1）機械驅(qū)動用，即驅(qū)動壓縮機、風(fēng)機和泵等工作機械用的工業(yè)汽輪機；（2）自備電站用，即在企業(yè)內(nèi)部驅(qū)動發(fā)電機的工業(yè)汽輪機。2.按驅(qū)動方式劃分（1）直接驅(qū)動，用于驅(qū)動中等以上功率的發(fā)電機、高速離心泵、離心式和軸流式鼓風(fēng)機或壓縮機等；（2）間接驅(qū)動，通過變速器驅(qū)動小發(fā)電機、低速泵、鼓風(fēng)機、壓縮機和壓榨機等。387-4工業(yè)汽輪機（一）工業(yè)汽輪機分類3.按熱力過程特性分類（1）凝汽式，由