大学精品课件：汽轮机的运行－第一、二节.ppt

1、*报告人田瑞峰 page 1 汽轮机运行 哈尔滨工程大学核能科学与工程教研室 *报告人田瑞峰 page 2 1.汽轮机启动时应注意的问题 汽轮机的启动过程：汽轮机从静止状态加速到额定转速，并将负荷逐 步加至额定值的过程。 汽轮机的停机过程：将带负荷的汽轮机卸去全面负荷，发电机从电网 解列，切断汽轮机进汽使转子静止的过程。 汽轮机的启动与停机是汽轮机运行中的两个重要阶段，它影响着汽轮机的可 靠性、经济性和使用寿命。由于各部件所处的条件不同，它们被加热或冷却的 速度不同，故在各部件之间或部件本身沿壁厚方向产生明显温差。温差的存在 导致产生热应力、热膨胀、热变形、振动等。 *报告人田瑞峰 page

2、3 1.1汽轮机的受热特点 在汽轮机启停和工况变化时由于掠过汽缸、转子等金属部件的 蒸汽温度变化，汽缸和转子表面的温度首先发生变化，随后，整个 金属部件的温度分布将发生变化。在汽轮机的启功和加负荷过程中 ，由于蒸汽温度比金属部件温度高，蒸汽将热量传给金属部件，使 其温度升高；而在停机和减负荷过程中，蒸汽温度低于金属部件温 度，使其冷却，温度下降。 一般情况汽轮机内的传热过程主要有两种，一种是蒸汽与金属表 面之间的热量传递，称之为换热；另一种是热量在金属部件内部的 传递，称之为导热，整个传热过程则称之为热传导。 蒸汽与金属部件之间的换热方式主要有凝结换热和对流换热两种 *报告人田瑞峰 page

3、4 凝结换热 一般来说，当蒸汽与温度低于蒸汽压力对应的饱和温度的金属表面接触时，在 金属表面容易发生凝结换热现象，蒸汽放出汽化潜热，凝结成液体。汽轮机冷态 启动时，汽缸、转子等金属部件的温度很低，蒸汽容易在金属表面凝结，并形成 水膜。这层水膜把蒸汽与金属表面分开，蒸汽凝结时放出的热量要通过水膜才能 传给金属表面，这种凝结方式，称为膜状凝结。如果蒸汽凝结时在金属表面形不 成水膜，则这种凝结方式称为珠状凝结（汽轮机转子以一定转速旋转，由于离心 力作用，形不成水膜），珠状凝结的放热系数比膜状凝结的放热系数要大得多， 约大1520倍。 由于凝结换热非常剧烈，很容易在汽轮机金属部件内形成很大的 温差。为

4、了减小这个温差，大型汽轮机在冲转前多采用盘车预热的方式，即在汽 轮机启动前盘车时，通入低压低温蒸汽，使汽缸、转子预热，然后再通入较高参 数的蒸汽，冲动转子。 *报告人田瑞峰 page 5 对流换热 当汽轮机部件金属表面温度达到对应蒸汽压力下的饱和温度时、蒸汽对金属表 面的放热总是以对流方式进行的。蒸汽的对流换热系数比凝结放热系数小得多。 在汽轮机轴封处，由于蒸汽流速高，蒸汽的放热系数也大，启动时这些部分会 发生强烈的热交换，使部件产生较大的温差。 *报告人田瑞峰 page 6 1.2热应力 热应力：由于温度的变化引起的物体变形称之为热变形。如果物体的 热变形受到约束，则在物体内就会产生应力，这

5、种应力称为热应力 。拉应力、压应力 汽缸的热应力 汽缸出现裂纹大多由拉应力所引起，因汽缸结构不同，不同的汽室换热情况 不同，其中喷管调节汽轮机以高压缸调节级和中压缸进汽处蒸汽变化最大，热应 力也最高。启停过程中要严格控制调节汽室蒸汽温度的变化率，且汽轮机的快速 冷却比快速加热更加危险。 法兰的热应力 对于大容量汽轮机的法兰，厚度通常很大，热阻很大，因此法兰处常常出现 最大温差，是热应力影响较大的区域。为防止热应力过大，在法兰上常常装有加 热装置，并严格控制其内外壁温差，减小法兰与螺栓间的温度差。此处温差可以 控制汽轮机启动速度的主要指标。 *报告人田瑞峰 page 7 螺栓的热应力 在汽轮机启

6、动过程中，汽缸螺栓断裂的事件屡有发生，特别是对于刚拧紧螺 栓。由于在启动过程中法兰与螺栓之间存在着较大的温差，启动时，法兰温度比 螺栓温度高，由于法兰在厚度方向的膨胀使螺栓被拉长，产生热拉应力。螺栓本 身就承受着安装预紧时的紧力和汽缸内部工作蒸汽对其产生的拉伸应力，三者叠 加后的拉应力和可能超过材料的屈服极限，使螺栓产生塑性变形甚至断裂。 转子的热应力 对于汽轮机转子来说，在机组起停或变工况条件下，高、中压缸的进汽部位 要发生较大的温度变化，往往在调节级后或调节级前汽封处产生最大的热应力。 近几年，由于冶炼技术的提高，一批无中心孔的汽轮机转子相继投入使用。采用 无中心孔转子的最大优点就是降低了

7、转子的工作应力，这主要是因为无中心孔时 心部的离心应力比有中心孔时要小很多；无中心孔转子的另一个优点就是缩短制 造周期、降低生产成本。对子转子，当蒸汽温度升高时，外表面首先被加热，使 得外表面相中心孔面形成温差，外表面产生压应力，中心孔表面产生拉应力 *报告人田瑞峰 page 8 1.3热膨胀和热变形热膨胀 汽缸的绝对膨胀 金属在受热后，其长、宽、高各个方向都要膨胀。高温高压汽轮机从冷态起动到带额定 负荷运行，金属温度的变化很大，因此汽缸轴向、垂直和水平等各个方向的尺寸都有显著 增大。汽轮机启停和工况变化时，汽缸的膨胀、收缩是否自由，直接决定机组能否正常运 行。滑销系统的合理布置和应用，就可以

8、保证汽缸在各个方向能自由运动，同时保证汽轮 机、发电机各部件的相对位置的正确，从而保证汽轮发电机组安全运行。 汽轮机的轴向膨胀值，在汽轮机启停及正常运行中，要经常与正常值对照。当汽缸的膨 胀值在膨胀或收缩过程中有跳跃式增加或减小时，则说明滑销系统存在卡涩现象，应查明 原因子以处理。对汽缸上进汽和抽汽管道的合理布置也应予以重视，否则会发生膨胀不均 匀及动静部分中心发生偏斜等现象。 汽缸与转子的相对膨胀 在开始加热时，转子膨胀的数值大于汽缸，汽缸与转子间发生的热膨胀差值为汽轮机 相对胀差。若转子轴向膨胀大于汽缸值，则为正胀差；反之为负胀差。在启停和工况变化 时，由于转子和汽缸温度变化的速度不同，可

9、能产生较大的胀差，这就意味着汽轮机动静 部分相对间隙发生了较大变化。如果相对胀差值超过规定值，就会使动静间的轴向间隙消 失，发生动静摩擦，可能引起机组振动增大，甚至发生掉叶片、大轴弯曲等事故，因此汽 轮机启停过程中应严密监视和控制胀差。 *报告人田瑞峰 page 9 1.3热膨胀和热变形热变形 汽轮机在启动、停机和工况不稳定时，由于蒸汽对各部件的加热(或冷却)的程 度不同，汽缸和转子在径向和轴向上都会形成温差，此时除了产生热应力、热膨 胀外，还会引起热变形，造成通流部分径向间隙和轴向间隙变化，这不仅使汽封 片卡涩和摩擦，增大漏汽量，经济性下降，而且由于动静摩擦往往会引起机组振 动以及产生大轴弯

10、曲等事故。 上下汽缸温差引起的热变形 汽缸的上、下缸存在温差，将引起汽缸的变形。上、下缸的温度，通常是上 缸温度高于下缸温度，因而上缸变形大于下缸变形引起汽缸向上拱起，发生热翘 曲变形，俗称猫拱背。汽缸的这种变形使下缸底部径向动静间隙减小甚至消失， 造成动静部分摩擦、尤其当转子存在热弯曲时，动静部分摩擦的危险更大。汽缸 发生猫拱背变形后，还会出现隔板和叶轮偏离正常时所在的垂直平面的现象，使 轴向间隙发生变化，进而引起轴向摩擦。 *报告人田瑞峰 page 10 *报告人田瑞峰 page 11 上下汽缸温差引起热变形的原因 u上、下具有不同的重量和散热面积，下缸布置有回热抽汽管道，不仅重量大 、散

11、热面积也大，在同样的加热或冷却条件下， 下缸加热慢而散热快。所 以上缸的温度要高于下缸温度。 u在汽缸内，蒸汽上升，其凝结水流至下缸，使下缸受热条件恶化。在周围空 间，运转平台以上的空气温度高于运转平台以下的空气温度。气流从下向上 流动，造成上下汽缸的冷却条件不同，使上缸的温度高于下缸。 u当调节汽门开启的顺序不当造成部分进汽时，也会使上下缸温度不均匀。 u在汽轮机启动过程中，汽缸疏水不畅；停机后有冷蒸汽从抽汽管道返回汽缸 ，都会造成下汽缸温度突降。 u下汽缸保温不良，如保温层容易与下缸脱离，使保温层与汽缸之间有空隙， 空气冷却下缸，使下缸温度低于上缸。 *报告人田瑞峰 page 12 1.3

12、热膨胀和热变形热变形 汽缸内外壁和法兰内外壁温差引起的热变形 *报告人田瑞峰 page 13 在启动和停机过程中，控制蒸汽温度的变化率，并采用法兰加热装 置，能够减少法兰内外壁温差，减小变形。此时应监视调节级处法兰 内外壁温差，因为汽缸内外壁温差要比法兰内外壁温差小得多，控制 了调节级处法兰内外壁温差，实际上也就控制了该处汽缸内外壁的温 差。一般要求调节级处法兰内外壁温差小于100 C，对装有法兰加热装 置的汽轮机应把此温差控制在30 C左右。 *报告人田瑞峰 page 14 1.3热膨胀和热变形热变形 转子的热弯曲 引起转子弯曲的原因主要有：启停时上下缸温差大，启动盘车装置 过晚或停止过早，

13、使转子局部过热，产生弯曲；处于热态的机组，汽缸 内进冷汽、冷水，使转子上下出现过大温差，产生的热应力超过屈服极 限，产生转子弯曲；转子材料本身存在过大内应力，在高温下工作转子 使转子弯曲；套装在转子上的叶轮偏斜产生相对位移，造成转子弯曲； 上下缸法兰内外壁存在较大的温差，汽缸变形较大，此时冲动转子，使 动静部分发生摩擦、过热引起转子弯曲等。 转子发生热弯曲后，不仅会使机组产生异常振动，还可能造成汽轮 机动静部分摩擦。为了防止或减小大轴热弯曲，启动前和停机后，必须 正确使用盘车装置。冲转前应盘车长时间；停机后，应在转子金属温度 降至规定的温度以下方能停止盘车。此外，大型机组都应装备转子挠度 指示

14、装置，可直接测量大轴弯曲度。 *报告人田瑞峰 page 15 2.汽轮机的启动与停机 暖管：指汽轮机在启动前，用新蒸汽加热电动主闸阀前主蒸汽管 道 的过程。 暖机：汽轮机在启动过程中，为保证各部件不致产生过大的热应 力 而在一定转速下停留一段时间的过程。 *报告人田瑞峰 page 16 2.汽轮机的启动与停机 在汽轮机启停过程中，各零部件会受到热应力，产生热变形，引起机 组振动，而以上均与蒸汽的温度变化率有关。在启动初期，因蒸汽的放 热系数偏小，可适当提高温升率，带负荷后蒸汽参数提高，放热系数增 大，应适当减小温升率，在汽轮机的停机过程中，蒸汽的降温速度比升 温速度要缓慢些，因为此时转子承受拉

15、应力，允许极限较小，加上转子 转动时受到离心拉伸力，故蒸汽的降温速度一般不大。 在汽轮机的启停过程中，除了控制蒸汽的温升率外，还应监视汽缸内 外壁温差、法兰内外壁温差、法兰与螺栓之间的温差、左右法兰间的温 差、上下缸温差、汽缸的绝对膨胀值、转子与汽缸的胀差、轴或轴承的 振动值以及高中压缸机组的主蒸汽和再热蒸汽温差等不超过允许值。 *报告人田瑞峰 page 17 2.1汽轮机的启动方式 按冲转时进汽方式分类 高中压缸联合启动：高中压缸联合启动时，主蒸汽同时进入高压缸和中压缸， 冲动转子。这种启动方式对于高中压合缸的机组，可以使分缸处均匀受热， 减小热应力，缩短启动时间。 中压缸启动：中压缸启动方

16、式，是冲动转子时高压缸不进汽而中压缸进汽，待 转子升速到20002500rmin后，才逐步向高压缸送汽。这种启动方式对控 制胀差有利，但启动时间较长。 *报告人田瑞峰 page 18 2.1汽轮机的启动方式 按启动过程中新蒸汽参数是否变化分类 额定参数启动：在汽轮机冲转、升速、分段暖机、定速、并网升负荷直至升至额定负 荷为止的整个启动过程中，由于电动主闸阀前的主蒸汽参数(汽压和汽温)始终保持 在额定值，所以主蒸汽与汽轮机金属部件之间的温差很大。为了控制金属的温升速 度，保证设备安全，在额定参数启动方式中，只能将主蒸汽的进汽量控制得很小， 从而延长了升速、暖机和升负荷时间；在冲动转子前，锅炉需要

17、将蒸汽参数提高到 额定值，必然要消耗大量的燃料，再加上整个启动过程需要较长时间，从而会降低 电厂的经济效益；在机组启动前，主蒸汽管道暖管过程中，需要对空排掉大量疏水 和蒸汽，并产生噪音；综合以上这些缺点，大容量汽轮机几乎都不采用这种方式启 动。 滑参数启动：所谓“滑参数”，是指电动主闸阀前的主蒸汽参数值随着机组转速和负荷 的变化，按规定滑动升高(启动时)或降低(停机时)。滑参数启动大多采用压力法(在 单元制机组中应用广泛)，启动时的冲转参数一般为0.81.5MPa，220250，在 此参数下，汽轮机可以完成定速及超速试验。整个启动过程中，操作简单，控制方 便。有时还可根据某些机组的特点，采用中

18、参数启动方式，冲转参数为3.0 3.55MPa，300左右。 *报告人田瑞峰 page 19 2.1汽轮机的启动方式 按控制进汽量的阀门分类 调节汽门启动：用调速汽门（调速汽阀）启动时，电动主闸阀和自动主汽阀全部 开启，进入汽轮机的蒸汽量由调速汽阀来控制。这种方式的优点是有利于冲转和 控制进汽量，缺点是调速汽阀有节流，致使调节级蒸汽室和喷嘴局部受热。 自动主汽门和电动主汽门（旁路门）启动：启动前，调速汽阀全部开启，进入汽 轮机的蒸汽量由自动主汽阀或电动主闸阀的旁路阀来控制。这种启动方式的优点 是调速汽阀和调节级蒸汽室能均匀受热，缺点是用自动主汽阀或电动主闸阀的旁 路阀来节流控制蒸汽流量时，旁路

19、阀的阀口、阀柄容易不严密而漏汽，有时自动 主汽阀还容易发生自动关闭现象。 *报告人田瑞峰 page 20 2.1汽轮机的启动方式 按启动前汽轮机金属（调节级处高压内缸或转子表面）温度水平或 停机时数分类 冷态启动：金属温度低于150180（或停机一周及以上）。 温态启动：金属温度在180350（或停机48h）。 热态启动：金属温度在350450（或停机8h）。 极热态启动：金属温度在450以上（或停机2h）。 *报告人田瑞峰 page 21 汽轮机禁止启动的情况 u调节系统无法维持机组空负荷运行或者在机组甩负荷后，不能将汽轮机 转速控制在危急保安器的动作转速之内。 u危急保安器动作不正常，自动

20、主汽阀、调速汽阀、抽汽逆止阀卡涩或关 闭不严。 u汽轮机保护装置，如低油压保护、窜轴保护、背压保护等保护装置不能 正常投入。 u主要表计，如主蒸汽压力表和温度表；排汽压力表、转速表、调速油压 表、汽缸的主要被测点的金属温度表等不齐备或指示不正常。 u交、直流油泵不能正常投入运行。 u盘车装置不能正常投入运行。 u润滑油质不合格或主油箱油位低于允许值。 *报告人田瑞峰 page 22 2.2额定参数启动过程 一、启动前的准备 为了保证汽轮机组的安全启动和缩短启动时间，充分做好启动前的准备工作 是十分必要的。其主要任务是使各种设备、汽水系统、监测仪表、信号、保护等 都处于准备启动状态，以保证随时可

21、以投入运行；反之，如果准备工作有疏忽， 启动中某些未准备好的设备系统等将可能发生临时故障，使启动过程延长，甚至 使启动工作半途而废。 启动前的准备工作，应主要注意以下几个方面。 1）运行场地检查 检查所有进行过检修工作的地方，要确知检修工作已全部结束，主辅设备及 周围场地均已清扫干净，影响通行和操作的杂物已经清除，现场整齐清洁，照明 完好。 2）工具及仪表检查 准备好启动时需要用来开关闭门的钩子、扳子、听音棒、手电简、秒表、振 动表、手携式转速表、温度计、油壶、接油盘、记录纸等。 3）水泵及油泵检查 设备应完整，盘动转子时应无卡涩现象，轴承润滑油质合格，油量充足。 *报告人田瑞峰 page 2

22、3 2.2额定参数启动过程 一、启动前的准备 4）填写与办理操作票 按照机组所处的状况(属大小修后或一般停运状态)决定启动方式。依照运行规程 和临时启动技术措施等，由操作人员填写好操作票，并由监护人、值长办理审批 手续。 5）汽、水、油系统检查 启动前对各个系统要进行详细的检查、调整，使所有的阀门都处于运行规程 要求的开或关的位置。电动阀门要经过开关定位试验，尤其当机组经过大修或系 统有所改进后，更要逐个系统、逐台阀门地检查，按启动前的要求进行准备和试 验调整。如发现异常，及时联系有关方面进行处理，使之达到正常。 6）联系工作 联系相关岗位人员。 *报告人田瑞峰 page 24 2.2额定参数

23、启动过程 二、投入汽轮机辅助系统 1）启动密封油系统，发电机冲氢。 2）启动润滑油泵，投入盘车机构，盘车前有顶轴油泵的应先投入运行。 3）调节保安装置静态检查试验。 l 危急保安器手动试验 l 低油压保护试验 l 低真空保护试验 l 轴向位移保护试验 l 抽汽逆止阀手动试验 l 自动主汽阀联动水压逆止阀试验 l 活动中低压调压器 4）投入循环水系统。 5）凝结水系统和发电机冷却系统启动 。 6）启动空气抽出设备。 *报告人田瑞峰 page 25 2.2额定参数启动过程 二、投入汽轮机辅助系统 7）旁路系统试验。 8）投入除氧器加热，启动给水泵。 三、点火、升压、暖管 1）完成以上操作正常后，锅

24、炉、反应堆点火。 2）暖管 在暖管过程中，蒸汽在主蒸汽管内放出潜热后会凝结成水，因此在这个过程中 需要充分排放管内的疏水，以防止在冲转时，疏水进入汽轮机内，造成水冲击。 暖管时，为了避免主蒸汽管道突然受热，造成管道过大的热应力和水冲击， 使管道产生永久变形或裂纹，要求按运行规程的规定，分低压暖管和升压暖管两 步进行。暖管过程中可以启动汽动辅助油泵，同时投入凝汽设备以便加大蒸汽流 量，加速暖管过程，并可减少凝汽器建立真空时间。暖管过程中注意检查和疏水 ，油温、油压等。 *报告人田瑞峰 page 26 2.2额定参数启动过程 三、点火、升压、暖管 3）冲转 转子冲转后，一般立即关闭冲转阀门，在低速

25、下对机组进行听音全面检查，确信 无异常后，开启冲转阀门，重新启动汽轮机。 四、升速暖机 因为汽轮机在冷态启动时，蒸汽和各部件的温差很大，为防止各部件受热不均产 生过大的热变形，在冲转后的升速过程中需要有一定时间的暖机。 暖机一般分为低速暖机（200500r/min），中速暖机（10001400r/min），和 高速暖机（ 22002400r/min ）。低速暖机对中参数汽轮机约为2030min，中速暖 机为30min，高速暖机一般为30min，具体时间和机组的参数有关系。 升速暖机是转速和各部件温度逐渐升高的过程，为使各项指标在控制范围内要严 格监视上下缸，左右法兰等温差，控制升速速度，监视机

26、组的振动等。 当转速升高到95%的额定转速时，调速系统开始投入工作，此时应全开冲转阀门 、汽轮机转速则由调速系统控制，此后即可操作同步器继续提升转速到额定值。 *报告人田瑞峰 page 27 2.2额定参数启动过程 五、并列和接带负荷 汽轮机定速后，应对各项指标进行全面检查，并进行调节及保护系统的静态试验 ，当确定一切正常且试验合格后，方可将机组与电网并列和接负荷。 汽轮机与电网并列后，应立即带少量负荷而不宜在空负荷下运行时间过长。因为 在空负荷时通过汽轮机的蒸气量太小，容易产生小容积流量带来的问题。 汽轮机空负荷至满负荷的加负荷过程中，也是汽轮机金属温度继续升高的过程， 而且温度变化比升速过

27、程更为剧烈，除应严格控制金属温升率外，还应在几个不同 负荷停留一段时间暖机，以控制各部件的温差不致过大。 *报告人田瑞峰 page 28 *报告人田瑞峰 page 29 2.3热态启动 n热态启动不需要暖机，只需要按启动程序进行冲转子、升速、并网带负荷 ，但升速过程也要进行全面检查。 n短时间停机后，金属温度开始不同程度降低，温差的存在也可能导致动静 擦碰。 n如果用低温蒸汽冲转子，可能对汽缸金属表面造成热冲击。 *报告人田瑞峰 page 30 2.4中压缸启动 中压缸启动方式，开始是在引进的大型机组上采用的，后来在一些已投产的国 产机组上进行了试验，并取得了良好的效果。优越性如下： l缩短启

28、动时间。由于汽机冲转前对高压缸进行倒暖，这样，在启动初期启动速度 不受高压缸热应力和胀差的限制；另外，由于高压缸不进汽做功，在同样的工况 下，进入中压缸的蒸汽流量大，暖机更充分迅速，从而缩短了整个启动过程的持 续时间。 l汽缸加热均匀：中压缸启动时，高中压缸加热均匀，温升合理，汽缸易于胀出， 胀差小。与常规的高中压缸联合启动相比虽然多一个切换操作，但从整体上可 提高启动的安全性和灵活性。 l对殊工况具有良好的适应性，主要体现在空负荷和极低负荷运行工况。 l抑制低压缸尾部温度水平，采用中压缸进汽、启动初期流经低压缸的蒸汽流量较 大，这样就能更有效地带走低压缸尾部由于鼓风产生的热量，保持低压缸尾部

29、温 度在较低的水平。 l提前越过脆性转变温度：中压缸启动时，高压缸倒暖，启动初期中压缸进汽量大 ，这样可使高压转子和中压转子尽早越过脆性转变温度，提高了机组高转速运转 的安全可靠性。 *报告人田瑞峰 page 31 2.5汽轮机的停机 汽轮机的停机过程是汽轮机的冷却过程。和启动过程一样，也会在各零 部件中产生热变形、热应力和胀差等，其情况与启动过程相反。因此停机 也应保持必要的冷却工况，以防止发生事故。分为正常停机；故障停机 正常停机 正常停机是在停机过程中，电动主闸阀前的主蒸汽参数一直保持额定参 数值。这种方式能保持汽缸处于较高的温度水平，便于下一次启动，热应 力小，负胀差小，但靠调节汽门节流，使汽轮机各部件降温速度较慢，检 修工期长，温度场也不均匀，只适用于调峰或消缺后立即恢复运行的大容 量机组和母管式供汽小机组。 故障停机 分为一般故障停机；紧急事故停机。 *报告人田瑞峰 page 32 2.6汽轮机停机后的快速冷却 随着汽轮机参数、容量及其保温性能的提高，汽轮机停机后，冷却时间 大大加长。冷却时间的增长，增加了电厂的能力损耗包括盘车、润滑和滑 停时的能量消耗，为了缩短机组停运时间以检修工期，提高机组可用系数 ，采用强制冷却是非常必要的。一般采用蒸汽强制冷却和空气强制冷却。