汽轮机运行笔记.pdf
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1、 汽轮机运行笔记 Die Dampfturbinenbetriebnote 2014.6 能源动力与机械工程学院 华北电力大学 目 录 第一章 汽轮机设备和结构.1 1 汽缸及滑销系统.1 2 隔板和隔板套,静叶环和静叶持环.3 3 转子与盘车装置.4 4 叶片与叶轮.7 5 汽封与汽封系统.8 6 轴承和供油系统.9 第二章 汽轮机运行的关键技术问题.10 1 热应力.10 2 热膨胀.12 3 热变形.14 第三章 汽轮机运行.17 1 汽轮机启动和停运概述.17 2 汽轮机启动.17 3 汽轮机停机.24 第四章 汽轮机调峰和寿命损耗.25 1 汽轮机调峰运行.25 2 汽轮机寿命损耗.
2、27 第五章 汽轮机事故处理.30 1 汽轮机转子发生窜动的原因、危害及保护措施.30 2 大轴弯曲.31 3 汽轮机轴承故障的原因、危害性和保护措施.32 4 凝汽器真空下降的原因、危害性和保护措施.34 5 水冲击.35 6 超速.36 7 叶片损坏故障.36 8 通流部分故障.37 9 机组发生振动的原因、危害性和监视措施.37 第六章 汽轮机振动测试基本技术.39 1 振动理论基础.39 2 汽轮发电机组的振动.41 汽轮机运行笔记 Seite 1 Bill Ling 四种运行工况:VWO调门全开工况进汽量不小于 1.05 倍 TRL TRL铭牌工况安全运行夏季背压 11.8kPa,补
3、给水 3%T-MCR最大连续出力工况背压 5.39kPa,补给水 0%THA热耗率验收工况(额定工况)一般:rh 20%0 第一章第一章 汽轮机设备和结构汽轮机设备和结构 汽轮机本体:静子(汽缸、喷嘴室、隔板、隔板套(静叶持环)、静叶栅、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销系统、有关紧固件)、转子(主轴、叶轮(或转鼓)、动叶栅、联轴器及其紧固件等)1 汽缸及滑销系统汽缸及滑销系统 汽缸的分类:按进汽参数:高压缸、中压缸和低压缸 按每个汽缸的内部层次:单层缸、双层缸和三层缸 按通流部分在汽缸内的布置:顺向布置、反向布置和对称分流布置 按汽缸形状:圆筒形、圆锥形和阶梯圆筒形 汽缸设计的原则:力求简单,均
4、匀,对称能顺利膨胀和收缩,以减少热应力和应力集中,且具有良好的密封保温性能。一、一、大机组汽缸布置的特点大机组汽缸布置的特点 1.高中压缸双层缸高中压缸双层缸 好处:采用双层结构,减少了每层缸的压差和温差,缸壁和法兰相应减薄,减少贵重金属的耗材,降低设备的成本;机组启停及变工况时,内外缸夹层中的蒸汽可使内外缸同步加热,热应力降低,缩短启停时间和提高负荷的适应性;外缸的内外压差比单层缸时降低了许多,因此减少了汽缸结合面漏汽的可能性。2.高中压分流合缸高中压分流合缸 优点:高温区集中在汽缸中部,夜间停机或周末停机温度衰减慢,启动热应力小,适合两班制运行;两端的温度、压力均较低,从而减少高温蒸汽对轴
5、承和端部汽封的影响,改善了运行条件;减少了轴承数,可缩短主轴长度。Bill Ling Seite 2 汽轮机运行笔记 缺点:高中压转子合一而变长、变粗,第一临界转速降低、汽封漏汽量增大,热耗增大 对于大功率汽轮机(600MW 以上机组),中压缸采用分流布置 二、二、低压缸的设计低压缸的设计 1.低压缸的特点低压缸的特点 工作压力不高、体积庞大、排汽温差大 2.主要问题主要问题 解决刚度和挠曲变形、热膨胀 3.低压缸采用三层缸结构低压缸采用三层缸结构 由于低压缸体积庞大,轴向温差大,采用三层缸,即一个外缸和两个内缸,目的在于:将通流部分设在内缸,使体积较小的内缸承受温度变化,而外缸及庞大的排汽缸
6、均处于较低温度状态,减小热变形;#2 内缸两端布置有排汽导流环,与外缸结合,形成排汽扩压通道,充分利用末级叶片排汽速度,提高汽轮机效率;喷水装置固定与排汽导流环出口的外缘上布置有喷水管,出口有喷水喷嘴,启动当转速达到 600rpm 时,自动投入喷水,直到机组带上 15%负荷;低压缸末级处于湿蒸汽区,在末级叶片顶部装有蜂窝式汽封,用于减小漏汽并抽出末级动叶甩出的水分。4.低压外缸喷水减温的作用低压外缸喷水减温的作用 防止机组启动、低负荷或空载运行时排汽温度升高对低压缸中心的影响 防止机组因热膨胀导致的振动等事故 防止凝汽器铜管因排汽温度过高膨胀过大而在胀口泄漏 三、三、汽缸的支汽缸的支承承 1.
7、高中压缸:猫爪支高中压缸:猫爪支承承 下猫爪支承(书 P27)非中分面支承和中分面支承 上猫爪支承(书 P28)2.低压缸:台板支承低压缸:台板支承(书书 P29)四、四、汽轮机的滑销系统汽轮机的滑销系统 1.滑销系统的作用:定汽机位置;保证机组能够在各个方向自由膨胀,中心线的位置保持不变。汽轮机运行笔记 Seite 3 Bill Ling 2.滑销系统的分类:横销、纵销、立销、斜销、角销、猫爪横销。(书 P30 图 2-22)3.横销的作用:保证汽缸在横向的正确膨胀,并限制汽缸沿纵向的移动以确定低压缸的轴向位置,保证汽缸在运行中受热膨胀时中心位置不会发生变化。4.纵销的作用:横向定位,引导轴
8、向自由膨胀 5.气缸的绝对死点:纵销中心线与横销中心线的交点。在汽缸膨胀时,该点始终保持不动,汽缸只能以此点为中心向前、后、左、右方向膨胀。6.低压缸膨胀度小,高中压缸膨胀度大。(书 P30 图 2-23)7.H 型中心推拉梁的作用:助力膨胀;保证汽缸相对与轴承座正确的轴、横向位置。8.机组膨胀状态:整个机组以死点为中心,通过高、中压缸带动前轴承座向前膨胀。9.高中低压缸的绝对膨胀:推力轴承处测得的轴向膨胀。五、五、转子对汽缸的相对膨胀转子对汽缸的相对膨胀 1.转子的相对死点:推力盘轴承与转子的交点。转子相对于推力轴承不动,但推力轴承实际会动。注意注意:转子的相对死点指的是转子相对于汽缸的死点
9、,而不是轴承座。2.汽缸和转子的轴向间隙取决于汽缸和转子之间的相对膨胀。汽缸与转子相对膨胀的差值就是胀差。胀差=转子转子轴向膨胀 汽缸汽缸轴向膨胀。2 隔板和隔板套,静叶环和静叶持环隔板和隔板套,静叶环和静叶持环 一、一、隔板和隔板套隔板和隔板套 要求:要有足够的强度和刚度 良好的汽密封性 合理的支撑与定位 结构,工艺简单,便于加工,安装和检修 1.隔板的类型隔板的类型 焊接隔板:将制造完成的静叶片镶嵌在冲有叶型孔槽的内、外围带上,焊接成环形叶栅。铸造隔板:将已经成型的静叶放入隔板铸型中,在浇注隔板时同时注入。铸造隔板加工制造容易,成本低,一般用于温度低于 350 度的低压缸各级。根据承受的压
10、差和温度进行选择,保证强度。2.隔板套隔板套 隔板套的作用:用来固定几级隔板,将相邻的几级隔板装在同一隔板套中,结构上的分级主要考虑便于抽汽口布置而定。隔板和隔板套均为水平中分式。Bill Ling Seite 4 汽轮机运行笔记 二、二、静叶环和静叶持环静叶环和静叶持环 对于反动式汽轮机,静叶栅直接装在缸内壁的静叶环或静叶持环上,静叶持环的分级主要考虑便于抽汽口布置而定。静叶环和静叶持环也为水平中分式。3 转子与盘车装置转子与盘车装置 汽轮机的转动部分统称转子 转子起能量转换和传递扭矩的作用 转子需要承受离心应力,热应力,扭转力矩,振动的动应力 一、一、转子转子 1.套装转子套装转子 叶轮,
11、轴封,联轴器单独加工,热套在主轴上,为防止部件松动采用过盈配合传递扭矩,单个锻件尺寸小,加工方便,质量易保证,不同部件可采用不同 材料,但高温下会产生金属蠕变,导致过盈配合消失,易松动。高中压转子不适用 2.整锻转子整锻转子 叶轮,轴封,联轴器等部件与主轴由一系列锻件加工而成没有热套部件,不存在高温下松动现象。强度和刚度较大。锻件尺寸大,工艺要求高,加工周期长,贵重材料消耗量大。优点:启动和变工况的适应性较强,适于在高温条件下运行,强度和刚度均大于同一外形尺寸的套装转子,结构紧凑,轴向尺寸短,机加工和装配工作量小。适用性:高温区工作的转子.汽轮机运行笔记 Seite 5 Bill Ling 3
12、.整锻整锻-套装联合转子套装联合转子 4.焊接转子焊接转子 由若干叶轮和两个端轴拼焊而成,每个锻件重量大为减少,锻造质量高,强度好,相对质量小,结构紧凑,刚度大。一般在在低压转子上应用。工作的可靠性取决于焊接的质量。转子无中心孔,中心应力小,一般有中心孔的转子其中心孔切向应力比无中心孔转子大一倍。转子传热性能较好,热应力减小。Bill Ling Seite 6 汽轮机运行笔记 5.转子的结构要点:转子的结构要点:轮盘与轴之间的固定 整体锻造 套装:轮周方向 键:轴向,紧力。紧力的标准:3450 rpm 6.转子的临界转速转子的临界转速 临界转速:汽轮机弯曲振动的自振频率对应的转速。汽轮机不平衡
13、质量产生的离心力能引起转子的弯曲。离心力作为激发弯曲振动的激振力,其频率和转速相同。当转子处于临界转速时,激振力频率与自振频率相同,转子振动较大。二、二、转子的支承和定位转子的支承和定位 径向:滑动轴承(油润滑)轴向:推力轴承(带轴瓦和推力盘)三、三、盘车装置盘车装置 1.盘车装置的定义盘车装置的定义 盘车装置:盘车装置是带动机组轴系缓慢转动的机械装置。机组冲转前盘车,使转子连续转动,避免因阀门漏汽和汽封送汽等因素造成的温差使转子弯曲。同时检查转子是否已出现弯曲和动静部分是否有磨擦现象。2.盘车装置的作用盘车装置的作用 机组的停机后盘车,使转子连续转动,避免因汽缸自然冷却造成的上下缸温差使转子
14、弯曲;机组必须在盘车状态下才能冲转,否则转子在静止状态下因静磨擦力太大而无法启动;较长时间的连续盘车,可以消除转子因机组长期停运和存放或其它原因引起的非永久性弯曲;可以驱动转子作现场简易加工。3.低速盘车和高速盘车低速盘车和高速盘车 盘车转速通常有 35rpm 的低速盘车和 4070rpm 的高速盘车两种。高速盘车优点:高速盘车的鼓风作用可使机内各部分金属温差减少;高速盘车可使轴瓦形成油膜,减少轴瓦干摩擦。高速盘车缺点:汽轮机运行笔记 Seite 7 Bill Ling 从理论上讲,高速盘车利用转子与轴瓦的相对运动,可形成稳定的油膜,盘车稳定后可停止顶轴油系统,但实际上往往始终投入,因此高速盘
15、车的优点不能充分体现。盘车电动机功率过大,装置结构复杂,并且必须装配高压油顶轴装置,且容易发生故障。4.对盘车装置的要求对盘车装置的要求 对盘车装置的要求是:既能盘动转子,又能在汽轮机冲动转子达到一定转速后自动脱开,停止转动;除能自动投入和脱开,盘车装置还可就地手动操作。安装在盘车箱盖上,盘车转速 4.29 rpm,驱动电机功率 22 kW。装置采用传统的蜗轮蜗杆减速机构和摆动齿轮离合机构,用润滑油压驱动,可远方或就地操作;盘车可连续或间断进行,冲转时能自动与转子脱离。5.机组启、停盘车时的注意事项机组启、停盘车时的注意事项 投入盘车前应先投入顶轴油泵,以减小静摩擦力,利于启动,保护轴承。停机
16、后应立即投入盘车,连续盘车到高压内缸下半调节级处内壁金属温度降低到 200时,可改用间歇盘车,降到 150后才能停止盘车。停机时,必须等转子转速降到零后,才能投入盘车,否则会严重损坏盘车装置和转子齿环。4 叶片与叶轮叶片与叶轮 一、一、叶片的结构与分类叶片的结构与分类 1.结构结构 叶片的工作条件复杂表现在:除受到静应力和动应力外,叶片还可能在高温过热区,两相过渡区,湿蒸汽区工作;高温、高压、腐蚀和冲蚀。因此,叶片的结构,材料,加工和装配质量对机组的安全运行意义重大。设计制造叶片的准则:强度足够高;型线良好,以降低局部损失。2.分类与组成分类与组成 静叶片:安装在隔板上 动叶片:安装在叶轮上
17、直叶片、扭叶片;不调频叶片,调频叶片 组成:叶根、叶型部分 叶顶连接件(主要是围带或拉筋)1)叶根:将叶片固定在叶轮或轮毂上的连接部分 叶根和轮缘的固定要求:牢靠,任何运行工况不松动;结构简单,加工安装方便,并使轮缘的轴向尺寸尽可能缩短 Bill Ling Seite 8 汽轮机运行笔记 2)叶根常用的结构型式 T 型叶根 菌型叶根 叉型叶根 枞树型叶根 二、二、叶型叶型 叶型:叶片的横截面形状 工作部分必须满足气动特性要求、强度和加工工艺要求、减少损失,提高效率。三、三、叶顶连接部分(围带和拉筋)叶顶连接部分(围带和拉筋)1.围带围带 作用:减少漏汽;增加叶片的抗弯刚度。整体围带(多用于短叶
18、片)铆接围带(35mm 厚的扁平钢带铆接或铆接加焊在叶片顶部)考虑到热膨胀,各成组叶片围带间留有 1mm 间隙。2.拉筋拉筋 作用:调整叶片的自振频率;增加叶片振动系统的阻尼。5-12mm 金属丝或金属管 但拉筋存在一定影响,流动效率和降低叶片的刚度 末级可选自由叶片,但叶顶削薄,减轻叶片质量,改善叶片自振频率。5 汽封与汽封系统汽封与汽封系统 一、一、汽封的分类和结构型式汽封的分类和结构型式 1.分类分类 轴端汽封、隔板汽封、通流部分汽封(叶顶、叶根汽封)、平衡活塞汽封(仅反动式)汽轮机运行笔记 Seite 9 Bill Ling 2.结构型式结构型式 现代电站汽轮机采用的都是曲径式(迷宫式
19、)。叶顶径向间隙 1mm(反动式),0.650.75mm(冲动式)隔板(或静叶环)径向间隙选取原则:汽缸允许的上下缸温差 3550;(注意:上缸温度高于下缸)每变化 10,间隙减少 0.1mm。平衡活塞汽封:反动式汽轮机设置平衡活塞,减小汽轮机轴向推力,设置汽封,可以在平衡活塞两侧形成压差并减少蒸汽的泄漏。平衡活塞汽封采用高低齿汽封。轴端汽封:大型汽轮机汽缸内外压差较大,一般汽封较长,通常将汽封分为若干段,相邻两段之间有一环形腔室,腔室与管道相连,可以抽出或供应蒸汽。Y 腔室靠外,为负压,外抽汽,与轴封抽汽管相连;X 腔室靠内,为正压,向低压缸内供气,与轴封供汽母管相连。(书 P71 图 2-
20、79)二、二、轴封系统(书轴封系统(书 P75 图图 2-83)轴封系统的自密封:在正常运行时,靠向中压缸两端轴封漏汽作为低压缸两端的轴端供汽,不需另供轴封用汽,这种系统称为自密封系统。15%负荷高压自密封 25%负荷中压自密封 70%负荷全自密封 6 轴承轴承和供油系统和供油系统 一、一、轴承(详见书轴承(详见书 P81)径向支持轴承:承担转子的质量和旋转的不平衡力,并确定转子的径向位置,以保持转子旋转中心与汽缸中心一致,从而保证转子与汽缸、汽封、隔板等静止部分正确的径向间隙。轴向推力轴承:承受蒸汽作用在转子上的轴向推力,并确定转子的轴向位置,以保证通流部分动静间正确的轴向间隙。二、二、供油
21、系统供油系统 润滑油系统的组成:组合油箱 主油泵:2700 rpm 射油器 冷油器 直流事故油泵(蓄电池驱动)滤网 交流辅助油泵 排烟风机 油烟分离装置 Bill Ling Seite 10 汽轮机运行笔记 第二章第二章 汽轮机运行的关键技术问题汽轮机运行的关键技术问题 1 热应力热应力 一、一、汽轮机的受热特点汽轮机的受热特点 1.汽轮机的受热特点汽轮机的受热特点 启动过程温度变化剧烈,各部件受热条件不同,汽轮机金属部件存在温度梯度,导致热应力,热变形。启动时温度变化:内壁与蒸汽直接接触,温度上升比较快;外壁温度上升比较慢,造成温度差。汽缸部件由于受到约束,不能自由膨胀,因此将产生热应力。其
22、中温度高部件受压;温度低部件受拉伸作用。2.热应力和热变形热应力和热变形 汽轮机启停中的限制因素:热应力、热膨胀、热变形 热应力:在汽轮机启动、停机或变负荷过程中,其零部件由于温度变化而产生膨胀或收缩变形,称为热变形。当热变形受到某种约束(包括金属纤维之间的约束)时,则要在零部件内产生应力,这种由于温度(或温差)引起的应力称为温度应力或热应力。二、二、汽轮机的热应力(书汽轮机的热应力(书 P244)1.汽缸的热应力汽缸的热应力 汽缸内外壁温度差 t 的数学表达式:6210)(2tsct 汽缸内外表面的热应力与汽缸内外温差成正比,温差大小取决于壁厚和换热方式。受力分析:启动过程内表面受压,外表面
23、受拉;停机过程相反;汽缸受拉伸作用容易产生裂纹;受挤压则产生弯曲;汽缸内外表面热应力高于其他位置热应力;汽缸内表面热应力为外表面热应力的 2 倍。应控制任何工况下汽缸的热应力小于材料许用应力,严格控制内外温差。汽轮机运行笔记 Seite 11 Bill Ling 1)内外壁温差允许值的确定 根据金属特性工作温度,确定许用最大应力,推出允许的最大温差;停机或甩负荷冷却时时以内壁拉应力计算;冷态启动时综合考虑计算热应力;冷态启动比停机甩负荷时允许的内外壁温差要大些。2)内外温差取决与汽缸壁加热或冷却的速度以及缸壁厚和汽缸内壁温度变化率成正比,和汽缸壁厚平方成正比(故采用双层缸)。汽缸启动停机,转速
24、和负荷变化的快慢影响内壁温度的变化。3)汽缸最大热应力存在于调节级汽室,且启动时调节级汽室温度变化最剧烈。4)热应力无法直接测量,只能通过测温度变化率获得。启动过程为降低热应力和减少寿命损耗采取的措施 合理选择机组冲转的原始参数,严禁出现热冲击;合理控制各阶段的温升和温降率;合理控制各启动过程升速率和升负荷率;合理选择暖机以及暖机时间的长短。2.转子的热应力转子的热应力 转子启停时单向受热,包括冷却,转子表面和轴心温度存在温差,产生热应力;同时承受离心应力;在稳定工况运行一段时间后,内部温度平衡,转子截面温度均匀,热应力消失,只承受其他应力;合成应力若超过材料的许用应力,则局部会产生塑性变形,
25、在转子表面出现残余应力,缩短转子的使用寿命;冷态启动时转子表面承受压应力,中心孔表面承受热拉应力,中心孔的强度低于其他部位,所以在启动和加负荷过程中限制转子内外温差,减小中心孔热应力的目的;热态启动,极热态启动转子表面温度会暂时下降被冷却,转子表面形成热拉伸应力 停机过程转子表面热拉伸应力;甩负荷时,所带负荷越大,引起热应力越大,而且甩部分负荷转子表明的热应力更大;热应力最大部分:调节级,中压第一级,高压转子前轴封,中压转子前轴封处。三、三、热冲击热冲击 蒸汽与汽缸,转子等金属部件产生极强的热交换,短时间内金属部件温差剧烈上升,热应力急剧增大,甚至超过材料的屈服极限,造成部件损坏。启动时蒸汽温
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