汽轮机配汽系统培训教材.doc

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1、汽轮机配汽系统培训教材4.1 概述汽轮机的配汽方式对汽轮机的运行性能、结构，特别是汽缸高中压部分的布置和结构有很大的影响。汽轮机最常采用的配汽方式为喷嘴配汽和节流配汽。在一般情况下,节流配汽的汽轮机在设计工况下的效率稍高于喷嘴配汽的汽轮机，而在部分负荷工况下，前者的效率则低于后者。右图表示了这两种汽轮机的热耗（h ）随流量（G，即机组功率）而变化的曲线。在设计工况下节流配汽的汽轮机效率高的原因在于，节流配汽的汽轮机没有调节级，不存在调节级中的部分进汽损失，另外，它的第一级的余速可被下一级利用。而在部分负荷下效率的降低，则是由于节流损失的增大引起的。节流损失的大小与机组流量（功率）变化的程度有关

2、，也和机组总理想焓降的大小有关。流量变化越大，阀门节流程度越大，节流损失就越大，机组的总理想焓降越大，即初压/背压比越大，节流损失则越小（占总焓降的比例越小）。对于中间再热机组,节流损失仅存在于中间再热之前的高压级内。由于高压机组的背压远大于凝汽机组的背压，所以，对高压缸来讲，节流损失是相当大的。中低压缸的焓降一般要占机组总焓降的2/33/4,而这一部分不受节流损失的影响，因此对整个汽轮机来讲，节流损失将大为减小。对于中间再热机组，节流损失的大小随初压力的提高而有所降低。这是因为初压力的提高对高压级组的初压/背压影响不大（随着初压力的提高，高压级组的背压也将按比例增长），但却会扩大中低压级组焓

3、降在汽轮机总焓降中所占的比例，从而使整个机组的节流损失有所减少。喷嘴配汽汽轮机在部分负载下的经济性优于节流配汽汽轮机，但它的高压级组在变工况下的蒸汽温度变化比较大，从而会引起较大的材料热应力，因此调节级汽缸壁可能产生的热应力常成为限制这种汽轮机迅速改变负荷的重要因素之一。而节流配汽汽轮机的情况则与此不同，各级温度随负荷变化的幅度大体相等，而且都很小。所以节流配汽的汽轮机 虽然部分负荷下的效率较低，但它适应工况变化的能力却高于喷嘴配汽的汽轮机。大功率汽轮机从安全着眼，控制机组在运行中的热应力具有很大意义，所以带基本负荷的大功率汽轮机目前倾向于采用节流配汽方式。节流配汽汽轮机在部分负荷下效率低这一

4、缺点，可通过采用滑压运行的方式在一定程度上予以克服。最为优越的配汽方式是采用了所谓双重配汽方式。兼顾喷嘴和节流两种配汽方式的优点，将汽轮机设计成高负荷段为喷嘴配汽，低负荷转为节流配汽的节流喷嘴混合配汽方式。国外实践表明，随着蒸汽参数的提高，汽轮机结构的柔性应相应提高。特别是汽轮机的进汽部分，不管是高压进汽部分还是中压进汽部分，这点都尤为重要，因为该部位是汽轮机的高温区域，尽可能地减小其在变动工况下所固有的热应力，对适应高温运行有很重要的意义。经验表明，和高参数机组相比，在进汽部分采取一些新的结构方式，增强相互膨胀，防止汽缸与喷嘴室之间产生裂纹等。这些新的结构方式包括：蒸汽室和汽缸分离并铰接在基

5、础上，蒸汽室和汽缸采用柔性很大的导汽管连接，喷嘴汽室与汽缸采用装配式联接等。高参数大功率汽轮机多采用喷嘴配汽。习惯做法是，蒸汽室与喷嘴室单独铸出，然后再分别与高压缸焊接，调节汽阀布置在汽缸上。这种结构方式，布置紧凑，调节汽阀的传动控制集中，从调节阀到汽轮机之间的中间容积小，有利于提高调节系统的稳定性。特别是防止甩负荷后的动态超速。但这种结构使高压缸结构复杂化，特别是会使汽缸在运行中由于温度不均匀而产生过大的热应力，不能很好适应蒸汽参数提高和单机功率增大对高温运行提出的要求。目前应用较多的是将喷嘴配汽汽轮机的蒸汽室及其调节阀从高压缸缸体上分离出来，成为单独的汽阀体。其实节流配汽的汽轮机一向就采用

6、这种进汽部分的布置方式。需要说明的是，再热机组高压部分不论采用何种配汽方式,中压进汽部分一般均采用全周进汽的节流配汽方式（仅很低负荷时参加调节）。大功率汽轮机的主蒸汽进汽管和再热蒸汽进汽管多为双路布置，这样较有利于对称布置。所以独立的汽阀体通常总是与主汽阀（或再热主汽阀）制成。如上图进汽室、喷嘴室与汽缸的焊接连接一体，而且一般总是制造成同样结构和大小的两个或四个。对称布置并固定在汽缸的两侧，阀体与汽缸之间用较长的并按大曲率半径弯成的管道连接，以避免结合部分受到过大的应力。阀体与汽缸分离并固定在基础上的布置方式，增加了导汽管中贮存新汽的容积，在甩负荷时容易引起机组超速，对调节系统稳定性有不利影响

7、。为了克服这一缺点，采用使阀体尽量靠近汽缸但又不单独固定的方法，同时将主汽阀和调节阀合装在一个壳体内来简化汽阀体的结构。这种布置方式也同样有一些缺点，主要是由于汽阀体不单独固定在基础上，主蒸汽管道的不对称推力可能传到汽缸上，这就要求汽缸能承受这部分额外的力量。选择机组配汽系统的布置方式，主要考虑了一下几个方面：蒸汽管道对汽缸的推力在允许的范围内，任何工况下管道对汽缸的总推力不得大于汽缸总重量的5。1） 管道和阀门在任何工况下的热应力和热变形在允许的范围内，同时也不会使之与连接的汽缸产生不允许的热应力和热变形。2） 调节阀后至配汽室的容积应尽可能小，避免调节阀快关后，阀后有过多的“余汽”进入汽轮

8、机，造成汽轮机组超速。3） 安装、运行操作、检修方便，结构紧凑、整齐、美观。下图为汽轮机组配汽系统高压主汽阀、调节汽阀布置（MSV为主汽阀；CV为调节阀）的布置方式。与一期阀门外形一致材料稍有不同。主蒸汽管道位于汽轮机运行层下部，经过2个高压主汽阀和4个高压调节汽阀，分四路进入高压缸。2个高压主汽阀的出口与4个调节汽阀的进口对接焊成一体，4个高压调节汽阀合用一个壳体。四根高压导汽管的一端与高压调节阀出口焊接，另一端则采用法兰、螺栓与高压缸上4根进汽短管的垂直法兰相连接。高压缸上的4根进汽短管以钟罩型结构与高压外缸焊接在一起，它们与喷嘴室的短管采用插入式连接。高压缸共有4个喷嘴室（喷嘴组），对称

9、地布置于高压缸上下汽缸上。再热蒸汽经过位于高、中压缸中部两侧的中压主汽联合调节汽阀（布置在运转层），进入中压缸。中压联合汽阀的进口与热段再热蒸汽管道连接，出口通向中压缸中部的进汽口，这种布置方式能有效缩短中联阀至中压缸之间的管道长度，减少管道蒸汽容积，避免阀门快关后汽轮机的超速。超临界机组主蒸汽及再热蒸汽压力、温度较高，产生的冲击力大、应力大，所以要求阀门采用的材质要好，要求机组正常停机或紧急停机时，所有阀门都应迅速关闭，所有阀门开关灵活无卡涩，同时保证所有阀门关闭严密，以保证设备的安全。二期机组阀门采用经过实验研究及实际验证的高效低损，低噪音、高稳定性的阀座、阀蝶及合理的卸载防漏机构，减小各

10、项损失。4.2 高压主汽阀高压主汽阀工作性能主汽阀位于调节汽阀前面的主蒸汽管道上。从锅炉来的主蒸汽，首先必须经过主汽阀，才能进入汽轮机。对于汽轮机来说，主汽阀是主蒸汽的总闸门。主汽阀打开，汽轮机就有了汽源，有了驱动力；主汽阀关闭，汽轮机就切断了汽源，失去了驱动力。汽轮机正常运行时，主汽阀全开；汽轮机停机时，主汽阀关闭。主汽阀的主要功能有两点：一是当汽轮机需要紧急停机时，主汽阀应当能够快速关闭，切断汽源。二是在启动过程中控制进入汽缸的蒸汽流量（高压缸方式启动时）。主汽阀的关闭速度主要由其控制系统的性能所决定。对于600MW等级的汽轮机组，要求主汽阀完成关闭动作的时间小于0.2秒。我厂主汽门关闭时

11、间小于0.15秒，延迟时间小于0.1秒。主汽阀在工作中承受高温、高压。为了在高温、高压条件下可靠的工作，其构件必须采用热强钢，阀壳也做得比较厚。为了避免产生太大的热应力，阀壳各处厚度应均匀，阀壳外壁面必须予以良好的保温，阀腔内应采取良好的疏水措施，并在运行时注意疏水通道的畅通。在启动、负荷变化或停机过程中，应注意主汽阀部件金属表面避免发生热冲击，以免金属表面产生热应力疲劳裂纹。急剧的温度变化，对主汽阀上螺栓的危害是很严重的。这些螺栓在高温环境中承受着极大的拉伸应力，会产生缓慢的蠕变，其材料随之逐渐硬化、韧性降低；温度急剧变化所产生的热交变应力，将会使其产生热疲劳裂纹。螺栓工作的时间越长，蠕变就

12、越大，材料就越脆，就越容易在热交变应力的作用下螺栓产生裂纹，甚至断裂。温度的急剧变化，将使阀盖与阀壳之间产生明显的膨胀差，致使螺栓的受力面倾斜，螺栓发生弯曲，从而在已承受极大拉伸应力的螺栓上又增加了弯应力。温度的急剧变化，还造成阀盖内外表面很大温差，阀盖产生凹凸变化，又增加了螺栓的弯应力。这种交变的热应力和弯应力，将导致螺栓很快产生裂纹，甚至折断。因此，对螺栓应当有计划地进行检查。阀杆在工作过程中，将承受很大的冲击力，阀杆应选用冲击韧性良好的热强钢，而且其截面尺寸的选取应保证能承受这种冲击力，应避免阀杆截面尺寸的突变，尽量避免应力集中。由于密封的要求，阀杆与阀套之间的间隙比较小，因此要求阀杆、

13、套筒配合表面平直，并予以硬化处理或涂、敷耐磨金属层，还要注意防腐，以保证其光滑耐磨。高压主汽阀结构高压主汽阀位于汽轮机调节阀前的主蒸汽管道上，每个高压主汽阀有一个进汽口和一个连接到调节阀腔室的出汽口。高压主汽阀阀为立式结构，主要包括阀壳、阀座、阀蝶（其中#1高压主汽阀阀碟内装有预启阀），阀杆、阀杆套筒、阀盖、蒸汽滤网等部件。阀门各部结构特点如下：该主汽阀为单座球形阀，#1高压主汽阀阀蝶上钻有通孔，阀杆端部从孔中穿过。预启阀置于阀杆的端部，并采用螺纹、定位销与阀杆连成一体。预启阀与主阀蝶的密封面呈圆锥型，并经过淬硬处理，主阀蝶与阀座的密封面也经过硬化处理。主阀蝶开启时，由阀杆上的凸肩推动向上移动

14、，关闭时由预启阀向下压紧。为了防止阀蝶的转动，在阀蝶的内孔两侧开有导向槽，而一个横穿阀杆的销子两端则嵌入该槽内。高压主汽门结构图1阀盖2阀壳3阀蝶4阀座5套筒6密封7阀杆8执行机构9滤网10阀腔阀蝶与阀盖之间有一定的自由度，这样既为阀蝶之间的上下移动起导向作用，又能使阀蝶在阀座上找中。主阀蝶下游的阀座成扩展形状，做为主阀蝶下游的扩压段，以便使流过阀座蒸汽的流速转化为压力能，提高蒸汽的做功能力。不带预启阀的阀蝶则通过阀杆的凸尖与阀杆端部的螺母（另加定位销）直接紧密地连成一体。主汽阀开启时用油动机推动，关闭时由弹簧压下。机组4只高压调节阀共用一个蒸汽室，而且与高压主汽阀焊接在一起，每只高压主汽阀座

15、前后都有疏水，所以根据高压主汽阀与高压调节阀布置结构特点，#1高压主汽阀预启阀开启时，进入的少量蒸汽可以对高压调节阀阀壳进行预热，#2高压主汽阀阀座后疏水同时开启，可以暖到#2高压主汽阀阀蝶下游，以减少启动时的热应力，也可以减小2号高压主汽阀前后的压差，便于#2高压主汽阀的开启，预启阀对#2高压主汽阀同时有效，所以#2高压主汽阀就不设预启阀了，以简化结构。在蒸汽室均装有温度测点，以确定暖阀的情况。4.3 高压调节阀高压调节汽阀工作性能调节阀的工作条件与主汽阀基本相同，因此在设计或选用调节阀及其部件时应注意的事项与主汽阀的基本相同。然而，调节阀的功能与主汽阀有较大区别。调节阀的功能是通过改变阀门

16、开度来控制汽轮机的进汽量。在汽轮发电机组带负荷之前，调节阀不同的开度（在蒸汽参数不变的情况下）对应不同的转速，开度大则进汽量大，相应的转速高；在汽轮发电机组并网带负荷之后，调节阀不同的开度（在蒸汽参数不变的情况下）应对不同的负荷，即开度大发出的功率也大。调节阀在部分开度的情况下，蒸汽将发生节流的现象，造成蒸汽在不作功的情况下的熵增，损失一部分的能量，做功能力降低。因此，在汽轮机的配汽设计时，应使调节阀在正常运行时接近全开状态，或部分调门全开状态。汽轮机功率的调节是通过改变高压调节汽阀的开启个数及开度，进而改变汽轮机的进汽量实现的，调节阀由执行机构驱动，是调节系统的终端元件。机组有4个高压调节阀

17、，根据不同运行方式的要求，可实现汽轮机的复合配汽方式，在启动时采用节流调节方式，减小汽轮机各部温差，在低负荷时，采用喷嘴调节方式，而在定压运行的高负荷段实现节流调节方式。高压调节阀结构高压调节阀本体的结构主要有以下部分组成。由阀壳、阀盖（以及紧固件及密封件）、阀杆套筒（密封、定位、对中、防振）、阀杆、阀蝶、阀蝶套筒（导向、对中）、阀座（其喉部下游有扩压管）、操纵座等。调节阀各主要部件的配合特性如下：阀座与阀壳之间采用过盈配合，并用销子固定，以防止阀座转动。阀座喉部下游有一扩压段能够回收一部分动能，减少流动损失。阀杆与阀芯做成一体，阀芯的头部（即与阀座配合部位）为球形面，阀芯与阀座的接触面处，二

18、者均镶有司太立合金，以提高阀门的耐磨性、严密性。阀芯与阀杆均设有套筒。阀芯、阀杆套筒与阀罩之间设有叠片式阻汽片，该阻汽片能够游动，可以自动找中，调节阀设有两处阀杆漏汽孔，它们与汽轮机的轴封系统相连。4.4 中压联合汽阀中压联合汽阀简称中联阀，它由中压主汽阀和中压调节汽阀组成。中联阀为立式结构，上部为中压调节汽阀，下部为中压主汽阀，二阀合用同一壳体和同一腔室、同一阀座，而且两者的阀蝶呈上下串联布置，这样布置的好处是结构紧凑、布置方便和减少蒸汽流动损失。二阀各自配有执行机构，一个位于中联阀侧面的油动机和弹簧操纵座通过杠杆控制调节阀的开启和关闭；而位于中联阀下部的另一个油动机和弹簧操纵座控制主汽阀的

19、开启和关闭。两只中压联合汽阀布置在13.7米中压缸两侧，从再热热段来的蒸汽，进入每个阀进口，依次经过中压调节汽阀和中压主汽阀经中压导汽管进入中压缸， 中压主汽门结构中压主汽门由以下部分组成，阀杆、阀蝶、阀座（与调节阀共用）、阀壳（与调节阀共用）、阀杆套筒、配汽杠杆、执行机构等组成。中压主汽阀是单座阀，中压主汽阀的阀蝶为倒置式，位于中压调节汽阀的阀芯内部，具有上下移动不受钟罩式调节阀开、关位置的限制，阀内侧斜面与阀杆套筒外侧斜面相接触，以防止主汽阀在运行中振动。阀座喉部下游设有一个扩压段以减少汽流的流动损失。阀座与阀壳之间用销子固定，阀杆配有阀杆套筒，且两者连为一体。阀芯通过门杆与布置在下方的油

20、动机相连，油动机为单侧进油油动机，关闭时依靠弹簧的作用力，正常运行时处于全开状态，不能调节，只有在启停机或事故时才能迅速关闭，保证机组的安全。中压主汽阀的密封采用良好的密封，中压主汽阀门杆漏汽接至主机轴封回汽管。中压调速汽门结构中压调节汽阀由阀杆、阀杆套筒、阀蝶、阀座（与主汽阀共用）、阀壳（与主汽阀共用）、执行机构等组成。阀芯采用钟罩式结构，这种阀芯主要承受四周径向力，在加上设计有预启阀，可以减小阀门开启时所需的提升力，二是它可以内含中压主汽阀的阀芯，使总体结构紧凑，保证中压调节汽阀的开启或关闭，不受中压主汽阀开关状态的影响。阀碟通过门杆与传动杠杆相连，传动杠杆一端铰链固定，另一端受油动机控制

21、，当单侧进油油动机活塞上、下移动时，通过传动杠杆带动阀碟动作。中压调节汽阀在中压缸启动时调节进汽量，中压缸启动结束切缸后处于全开位置，在汽轮机甩负荷时可以迅速关闭，防止汽机超速。4.5 导汽管和喷嘴室导汽管和喷嘴室是把从调节阀来的蒸汽送进汽轮机的部件。它们的工作压力、温度与调节阀的基本相同。对它们的要求如下：1） 能够安全地承受工作压力、非汽流通道处有良好的密封性。2） 导汽管与喷嘴室连接处能够自由地相对膨胀。3） 喷嘴室与汽缸的配合既要良好对中，又能自由地相对膨胀。4） 结构设计时应注意避免应力集中，特别应避免热应力集中。喷嘴室是把蒸汽送进汽轮机通流部分的最直接部套，其通道应具备良好的通流性

22、能。右图为汽轮机的进汽短管和喷嘴室结构示意图。机组的4根进汽短管及4个喷嘴室上下、左右轴对称布置，圆周整圈布置，分别镶嵌在高压缸内缸，通过固定环及搭子将其与内缸固定。#3、#4喷嘴室外径处还设有导向键，用于喷嘴室的膨胀导向。导汽管的进汽端以焊接的结构形式与调节阀出汽口相连接，另一端则采用法兰、螺栓与高压缸上4根进汽短管的垂直法兰相连接。导汽管出汽端钟罩型外层管采用法兰焊接形式与高压外缸相连接。出汽端内层管与喷嘴室则用直接插入方式，并用活塞环式的密封圈予以密封。这种带弹性密封环的直接插入方式，既能达到密封的目的，又能保证短管与喷嘴室的对中和自由膨胀。喷嘴室汽道的走向沿圆周的切线方向布置，这样由短

23、管进来的蒸汽在喷嘴室内避免了冲击和旋涡，顺利地进入喷嘴组，具有较好的汽动性能。汽轮机高调门布置同一期，即面对主汽阀高调门自左向右布置为#1、#2、#4、#3高调门。#1高调门对应#1喷嘴组设喷嘴46个，通流面积7792.75cm2，#2高调门对应#2喷嘴组设喷嘴36个，通流面积6098.7cm2，#3高调门对应#3喷嘴组设喷嘴46个，通流面积7792.75cm2，#4高调门对应#4喷嘴组设喷嘴56个，通流面积9486.8cm2。高压主汽门主阀直径为305mm，预启阀为89mm，主汽阀总行程为158.7mm。高调门主阀直径为203.2mm，预启阀为63.5mm，主阀阀杆行程为50.8mm，预启阀

24、行程为5mm。对应高调门油动机行程228.8mm。中压主汽门主阀直径为673.1mm，预启阀为200mm，阀杆行程主阀为204.7mm，预启阀行程为15.4mm。中压调门主阀直径为749.3mm，预启阀为210mm，阀杆行程主阀为177.8mm，预启阀行程为30.6mm。汽轮机主要部件材质表零部件材料牌号抗拉强度b(N/mm2)屈服强0.02(N/mm2)持久强度105 (N/mm2)使用温度脆性转变温度 高中压转子KT5000DLS6758585119(560)590100低压转子30Cr2Ni4MoV826654-1.1高中压外缸ZG15Cr1Mo1V551344105(560)600高中压内缸改良型ZG15Cr1Mo1V551344105(560)600低压外缸Q235-B400510215127(425)370低压内缸20gQ235-B41055040051022521593(450)127(425)370喷嘴室KT5100BS17551413105(560)600调节级中压15级KT5300BS5965689229(649)580高级28级叶片KT5301HS20965619179(649)500低压级叶片AISI4031Cr12Ni3Mo2VN低压末级叶片1Cr12Ni3Mo2VN1102758300