1、第八講 汽輪機(jī)組的工作特性與故障現(xiàn)象的分析第一節(jié)汽輪機(jī)組的結(jié)構(gòu)特性汽輪機(jī)組是利用蒸汽熱能做功的旋轉(zhuǎn)式原動(dòng)機(jī)。它工作時(shí)進(jìn)行兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，即先使蒸汽通過(guò)噴嘴使流速提高(而壓力降低)，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成蒸汽的動(dòng)能；然后再將蒸汽的動(dòng)能在動(dòng)葉柵中轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。 汽輪機(jī)組與其他動(dòng)力機(jī)械相比，具有單機(jī)功率大、尺寸小、重量輕和效率高等優(yōu)點(diǎn)，并且其所用的工質(zhì)成本低、無(wú)污染。所以，汽輪機(jī)組是電力工業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的原動(dòng)機(jī)之一。 汽輪機(jī)是火力發(fā)電廠中的三大主機(jī)之。為了提高火電機(jī)組運(yùn)行的安全性和循環(huán)效率，為汽輪機(jī)配置了一些輔助設(shè)備和系統(tǒng)。本書將汽輪機(jī)與相應(yīng)的輔助設(shè)備及系統(tǒng)統(tǒng)稱為汽輪機(jī)組

2、。 汽輪機(jī)組由汽輪機(jī)本體、凝汽系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)、調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)幾大部分組成。下面簡(jiǎn)單介紹汽輪機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。1一、汽輪機(jī)組的基本培構(gòu) (一)汽輪機(jī)本體 汽輪機(jī)本體是汽輪機(jī)組的主要組成部分，它由轉(zhuǎn)動(dòng)部分(轉(zhuǎn)子)和固定部分(靜子)組成。轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括動(dòng)葉柵、葉輪、主軸和聯(lián)軸器及緊固件等旋轉(zhuǎn)部件；固定部分包括汽缸、蒸汽室、噴嘴、隔板、靜葉持環(huán)、汽封、軸承、軸承座、滑銷系統(tǒng)、機(jī)座以及有關(guān)緊固零件等。 1轉(zhuǎn)子 汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分總稱轉(zhuǎn)子，由轉(zhuǎn)軸、動(dòng)葉柵 和聯(lián)軸器組成。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可分為轉(zhuǎn)輪式和轉(zhuǎn)鼓式兩種基本類型。轉(zhuǎn)輪式轉(zhuǎn)子具有安裝葉片的葉輪，一般由主軸、葉輪、動(dòng)葉片和聯(lián)軸器組成；而轉(zhuǎn)鼓式轉(zhuǎn)子沒有葉

3、輪，動(dòng)葉直接裝在轉(zhuǎn)鼓上。通常沖動(dòng)式汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子采用轉(zhuǎn)輪式轉(zhuǎn)子，反動(dòng)式汽輪機(jī)為避免軸向推力過(guò)大而采用轉(zhuǎn)鼓式轉(zhuǎn)子。 轉(zhuǎn)子工作時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)，它除了要轉(zhuǎn)換能量、傳遞扭矩外，還要承受著葉片、葉輪、主軸本身質(zhì)量離心力所引起的很大應(yīng)力，以及由于溫度分布不均勻引起的熱應(yīng)力和轉(zhuǎn)子振動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力。所以，要求轉(zhuǎn)子具有很高的強(qiáng)度和均勻的質(zhì)量，以保證其安全工作。運(yùn)行中要特別監(jiān)視轉(zhuǎn)子的工作狀況。 大型汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)子分高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子，它們用剛性聯(lián)軸器連成一體。 2 2靜子 (1)汽缸。汽缸是汽輪機(jī)的外殼，它是汽輪機(jī)中重量大、形狀復(fù)雜并且處在高溫高壓下工作的一個(gè)部件。汽缸內(nèi)安裝著噴嘴室、隔板、隔板套等零部件

4、。汽缸外連接著進(jìn)汽、排汽、抽汽等管道。在考慮汽缸結(jié)構(gòu)時(shí)，除了要保證足夠的強(qiáng)度、剛度和保證各部分受熱時(shí)自由膨脹以及通流部分有較好的流動(dòng)性能外，還應(yīng)考慮在滿足強(qiáng)度和剛度的要求下，盡量減薄汽缸壁和連接法蘭的厚度，并力求使汽缸形狀簡(jiǎn)單、對(duì)稱，以減小熱應(yīng)力。此外，為了節(jié)省高級(jí)耐熱合金鋼還應(yīng)使高溫高壓部分限制在盡可能小的范圍內(nèi)。 (2)噴嘴組、靜葉環(huán)和靜葉持環(huán)。大功率汽輪機(jī)基本上都是采用噴嘴調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方法具有在部分負(fù)荷下效率高的優(yōu)點(diǎn)。噴嘴調(diào)節(jié)法是在主汽門后用幾個(gè)調(diào)節(jié)汽門分別控制相對(duì)應(yīng)的幾個(gè)噴嘴弧(噴嘴組)，當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷變化時(shí)，各調(diào)節(jié)汽門按規(guī)定的順序依次開或關(guān)，以改變進(jìn)汽量，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的出力。噴嘴調(diào)節(jié)的

5、汽輪機(jī)的第一級(jí)稱為調(diào)節(jié)級(jí)。調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴葉柵通常是由若干個(gè)噴嘴組成噴嘴弧段后，再固定在單獨(dú)設(shè)置的噴嘴室的圓弧形槽道中。從汽輪機(jī)的第二級(jí)開始，以后的各級(jí)噴嘴葉柵則固定在靜葉環(huán)(隔板)上，而靜葉環(huán)可直接固定在汽缸上，也可固定在靜葉持環(huán)(隔板套)上，但多半是固定在靜葉持環(huán)上，靜葉持環(huán)再固定在汽缸上。 3(3)汽封。在汽輪機(jī)級(jí)內(nèi)，在靜葉環(huán)和主軸的間隙處，以及動(dòng)葉頂部與汽缸(或靜葉持環(huán))的間隙處存在漏汽。此外，在汽輪機(jī)的高壓端或高中壓缸的兩端，在主軸穿出汽缸處，蒸汽會(huì)向外泄漏。這些漏汽都將使汽輪機(jī)的效率降低，并增大工質(zhì)損失。在汽輪機(jī)低壓端或低壓缸的兩端，因汽缸內(nèi)的壓力低于大氣壓力，在主軸穿出汽缸處。會(huì)有空氣

6、漏人汽缸，使機(jī)組真空惡化，并增大抽氣器的負(fù)荷。為了減少汽輪機(jī)各動(dòng)靜間隙處的褥汽和防止空氣從軸端漏人汽缸，保證汽輪機(jī)正常安全運(yùn)行，在汽輪機(jī)的上述間隙部位都設(shè)置了汽封。汽封的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，目前大型汽輪機(jī)組普遍采用迷官式汽封。 (4)軸承。軸承是汽輪機(jī)的一個(gè)重要組成部件。汽輪機(jī)的軸承有支持軸承和推力軸承兩種類型。前者用來(lái)承受轉(zhuǎn)子的重量、調(diào)節(jié)級(jí)部分進(jìn)汽引起的不平衡蒸汽作用力和轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量的離心力，并確定轉(zhuǎn)子的徑向位置，以保證轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心和汽缸中心保持一致；后者是用來(lái)承受汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)蒸汽作用在轉(zhuǎn)子上的軸向推力和發(fā)電機(jī)傳來(lái)的軸向力，并確定轉(zhuǎn)子在汽缸中的軸向位置，以保證汽輪機(jī)的通流部分軸向動(dòng)、靜間隙

7、在允許范圍內(nèi)。(5)盤車裝置。在汽輪機(jī)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)前和停機(jī)后，使轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證轉(zhuǎn)子均勻受熱和冷卻的裝置稱為盤車裝置。4 (二)凝汽系統(tǒng)與設(shè)備 凝汽系統(tǒng)由凝汽器、循環(huán)水泵、抽氣器、凝結(jié)水泵和相應(yīng)的管道與閥門組成。汽輪機(jī)的排汽從排汽口排出進(jìn)入凝汽器，循環(huán)水泵不斷地將循環(huán)水打人凝汽器，吸收蒸汽的凝結(jié)放熱，蒸汽被冷卻并凝結(jié)成水。凝結(jié)水由凝結(jié)水泵抽走。凝汽器內(nèi)壓力很低，比較容易漏人空氣，空氣將阻礙傳熱，因此用抽氣器不斷地將空氣抽走。1凝汽器 凝汽器是凝汽系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。凝汽器有混臺(tái)式和表面式兩種。目前，混合式凝汽器由于無(wú)法回收工質(zhì)已被淘汰。在電廠中使用的凝汽器全部為表面式。表面式凝汽器

8、的冷卻水在管子內(nèi)部流動(dòng)，汽輪機(jī)排汽在管子外部流動(dòng)。 2循環(huán)水泵 循環(huán)水泵為汽輪機(jī)凝汽器輸送大量冷卻水，使汽輪機(jī)排汽凝結(jié)，并保持凝汽器的真空。 由于凝結(jié)1Kg的排汽約需要5060kg冷卻水，而且進(jìn)人凝汽器的冷卻水不需要很大的壓力，因此循環(huán)水泵的特點(diǎn)是流量大、揚(yáng)程低。 循環(huán)水泵有軸流泵和離心泵兩大類，采用開式循環(huán)系統(tǒng)的可使用軸流泵和離心泵；采用閉式循環(huán)系統(tǒng)的，絕大多數(shù)使用離心泵。5 3抽氣器 抽氣器的作用是抽出凝汽器內(nèi)的不凝結(jié)氣體，以保持凝汽器的真空和良好的傳熱效果。抽氣器實(shí)質(zhì)上起壓氣機(jī)的作用，它將蒸汽和空氣混合物從很低的壓力壓到略高于大氣壓，以排人大氣。抽氣器的增壓比一般為1540。抽氣器有噴射

9、式抽氣器和真空泵兩大類。噴射式抽氣器又分為射水抽氣器和射汽抽氣器。國(guó)內(nèi)電站中的小型機(jī)組一般用射汽抽氣器；大型單元再熱機(jī)組上一般用射水抽氣器；近幾年來(lái)，在300MW機(jī)組上一般應(yīng)用水環(huán)式真空泵。 4凝結(jié)水泵 凝結(jié)水泵又叫冷凝泵，它的作用是將凝汽器中的凝結(jié)水抽出，經(jīng)過(guò)兩條路線進(jìn)入除氧器。一條是經(jīng)過(guò)凝結(jié)水精處理設(shè)備處理后逐級(jí)經(jīng)過(guò)低壓加熱器，進(jìn)入除氧器；另一條是不經(jīng)過(guò)凝結(jié)水處理設(shè)備，而直接經(jīng)過(guò)低壓加熱器進(jìn)入除氧器。 由于凝汽器在運(yùn)行時(shí)具有較高的真空值，因此凝結(jié)水泵的吸人側(cè)處于高度真空狀態(tài)，而凝結(jié)水溫度又接近于該壓力下的飽和溫度，所以凝結(jié)水泵內(nèi)極易造成汽化或發(fā)生空氣進(jìn)入泵內(nèi)的現(xiàn)象。6(三) 回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)與

10、設(shè)備 回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)與設(shè)備是汽輪機(jī)組的主要輔助系統(tǒng)與設(shè)備?，F(xiàn)代發(fā)電用汽輪機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)由若干個(gè)低壓加熱器(簡(jiǎn)稱低加)、若干個(gè)高壓加熱器(簡(jiǎn)稱高加)、除氧器、給水泵、連接管道、閥門等組成。上述設(shè)備組成一個(gè)串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如圖所示。為國(guó)產(chǎn)N300MW機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)示意。 在回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)中，低壓加熱器因工作壓力和溫度都比較低，所以故障率相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低。而高壓加熱器的工作壓力是火電機(jī)組熱力系統(tǒng)中壓力最高的，并且高壓加熱器的工作溫度也比較高，所以高壓加熱器的事故率比較高，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。7 (四)調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng) 大型電站汽輪機(jī)組的調(diào)節(jié)與保護(hù)系統(tǒng)由數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、汽輪機(jī)本體安全監(jiān)視保護(hù)系統(tǒng)(T

11、SI)以及危急保護(hù)跳閘裝置(ETS)組成。其中，DEH控制系統(tǒng)由兩大部分組成即EH系統(tǒng)(液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu))和DEH控制裝置(計(jì)算機(jī)控制部分)。 EH系統(tǒng)是DEH系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，DEH控制裝置是DEH系統(tǒng)的指揮中心。(1)控制裝置。主要包括數(shù)字計(jì)算機(jī)、混合數(shù)模插件、接口和電源等設(shè)備，都集中布置在四個(gè)柜內(nèi)。主要用于給定和反饋信號(hào)、邏輯運(yùn)算和發(fā)出指令進(jìn)行控制等。 (2)外圍設(shè)備。外圍設(shè)備包括DEH操作盤、信號(hào)指示盤、屏幕顯示器(CRT)及打印機(jī)等。它們是機(jī)組的控制中心，通常布置在控制室內(nèi)。操作盤和指示盤包括電指示器、按鈕開關(guān)等，主要用于顯示運(yùn)行中機(jī)組主要的狀態(tài)、顯示機(jī)組的轉(zhuǎn)速或負(fù)荷的目標(biāo)值和給定值、閥門

12、位置和極限值。 (3)DEH執(zhí)行機(jī)構(gòu)。汽輪機(jī)所有主汽門和調(diào)節(jié)汽門的開度均由各自的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)則由一個(gè)液壓油缸(油動(dòng)機(jī))和彈簧組成，其開啟靠高壓抗燃油壓力，而關(guān)閉則靠彈簧壓力。油動(dòng)機(jī)與控制塊相連，在控制塊上裝有快速卸載閥、隔離閥和逆止閥，加上相應(yīng)附件組成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 8 (4)EH供油系統(tǒng)。EH供油系統(tǒng)的作用是為油動(dòng)機(jī)提供高壓動(dòng)力油。油動(dòng)機(jī)根據(jù)DEH調(diào)節(jié)器的電信號(hào)來(lái)控制各閥門的開度。高壓抗燃油采用三芳基磷酸脂，它具有良好的抗燃性能和穩(wěn)定性。 (5)ETS控制系統(tǒng)。EIS控制系統(tǒng)即危急跳閘系統(tǒng)，主要監(jiān)視汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、推力瓦磨損、EH油壓低、凝汽器真空低等。當(dāng)這些參數(shù)超過(guò)其允許極限時(shí)，該系

13、統(tǒng)就關(guān)閉汽輪機(jī)的進(jìn)汽閥。另外，通過(guò)隔膜閥提供一個(gè)可接受所有外部跳閘(包括機(jī)械超速和手動(dòng)停機(jī))的接口。從機(jī)械超速跳閘和手動(dòng)停機(jī)母管來(lái)的潤(rùn)滑油作用在隔膜閥的上部，使其克服彈簧力將閥門關(guān)閉，同時(shí)封閉自動(dòng)停機(jī)危急跳閘母管的高壓抗燃油的泄油通道。只要機(jī)械超速跳閘和手動(dòng)停機(jī)按鈕動(dòng)作，母管中的油壓消失，彈簧就會(huì)打開隔膜閏，泄掉高壓抗燃油，使汽輪機(jī)停機(jī)。潤(rùn)滑油和抗燃油彼此互不接觸。二、汽輪機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析 隨著汽輪機(jī)組容量的增大和進(jìn)汽參數(shù)的提高，汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜，部件尺寸也變得龐大，為使設(shè)備在高參數(shù)下工作時(shí)金屬部件有足夠的強(qiáng)度，汽缸、法蘭、螺栓等設(shè)計(jì)制造得十分笨重。龐大的尺寸和重量，使得加工、制

14、造及安裝非常復(fù)雜，也給運(yùn)行帶來(lái)了很多問題。概括地說(shuō)，現(xiàn)代汽輪機(jī)組的結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)。 9(1)采用多缸結(jié)構(gòu)。隨著汽輪機(jī)組單機(jī)功率的增大以及進(jìn)汽參數(shù)的提高，整機(jī)的理想焓降會(huì)變得很大，在保證每一級(jí)最佳速度比的前提下，需要的級(jí)數(shù)會(huì)很多。若一個(gè)汽缸中容納的級(jí)過(guò)多，則勢(shì)必增加汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度，這樣將使轉(zhuǎn)子的剛性降低，難以保證強(qiáng)度和振動(dòng)可靠性，因此必須將轉(zhuǎn)子分成若干段，各段分別支承，因而必須采用多缸結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，采用多缸結(jié)構(gòu)，還利于采用再熱循環(huán)，使單機(jī)功率進(jìn)一步提高，有利于軸向推力的平衡，還可以擴(kuò)大通流能力?，F(xiàn)代大功率汽輪機(jī)均采用了多缸結(jié)構(gòu)。如國(guó)產(chǎn)N300MW汽輪機(jī)組有一個(gè)高壓缸、一個(gè)中壓缸和兩個(gè)對(duì)稱布置的

15、低壓缸。(2)采用多排汽口。采用多排汽口是提高汽輪機(jī)組單機(jī)功率的有效途徑。在功率不變的情況下，增加排汽口的個(gè)數(shù)，可縮短末級(jí)葉片的長(zhǎng)度，減小末級(jí)葉片所受到的離心拉應(yīng)力。如國(guó)產(chǎn)N300MW汽輪機(jī)組采用3個(gè)排汽口；上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)美國(guó)西屋公司技術(shù)生產(chǎn)的N300MW汽輪機(jī)組采用了四個(gè)排汽口。 (3)高中壓缸采用分流合缸方式。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是： 高溫區(qū)集中在汽缸中部，兩蠟的溫度和壓力均較低，從而減少了對(duì)軸承和端部汽封的影響，改善了運(yùn)行條件，并減少了部件的熱應(yīng)力；與分缸設(shè)計(jì)比較，減少了一個(gè)端部軸段，縮短了主軸長(zhǎng)度，減少了軸封漏汽量；縮短機(jī)組軸向長(zhǎng)度，簡(jiǎn)化了機(jī)組結(jié)構(gòu)；平衡了部分軸向推力。10(4)采用多

16、層汽缸結(jié)構(gòu)。如果汽缸壁太厚將會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力。因此，大功率汽輪機(jī)組都采用多層缸結(jié)構(gòu)。汽輪機(jī)組的高、中、低壓缸均采用雙層缸。高、中壓缸采用雙層汽缸后，內(nèi)缸主要承受高溫，需要用耐熱合金材料制造，但承受的壓力相對(duì)較小，故內(nèi)缸尺寸較小。外缸在夾層蒸汽冷卻的作用下，溫度較低只需要一般的合金鋼制造即可。另外，雙層缸結(jié)構(gòu)對(duì)于汽輪機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)時(shí)汽缸的加熱和冷卻均有利，可以縮短啟動(dòng)時(shí)間。對(duì)于低壓缸，由于蒸汽容積流量的增大，其尺寸較大，一般也采用多層缸結(jié)構(gòu)，外層缸采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，這樣可以減輕低壓缸的重量，節(jié)約材料，增加剛度；內(nèi)缸由于形狀復(fù)雜一般采用鑄造結(jié)構(gòu)。有的大功率汽輪機(jī)組低壓缸采用三層缸結(jié)構(gòu)，這樣做的原因

17、是低壓外缸在可能發(fā)生各種變形的情況下，減少了對(duì)通流部分間隙的影響。 (5)加長(zhǎng)低壓級(jí)葉片長(zhǎng)度。加長(zhǎng)低壓級(jí)葉片長(zhǎng)度是提高汽輪機(jī)單機(jī)功率的有效途徑。如東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的首臺(tái)300MW汽輪機(jī)組，末級(jí)葉片長(zhǎng)度為1000mm，目前世界上最長(zhǎng)的汽輪機(jī)葉片為1320mm用于1500MW、1800r/min的原子能汽輪機(jī)上。 (6)采用雙軸系結(jié)構(gòu)。為了解決大功率汽輪機(jī)排汽口增多使轉(zhuǎn)子過(guò)長(zhǎng)的問題，可將機(jī)組設(shè)計(jì)成雙軸系結(jié)構(gòu)，第一軸系高壓缸排汽經(jīng)過(guò)一次中間再熱后進(jìn)人第二軸系的中壓缸，其排汽再分別進(jìn)人兩個(gè)軸系的低壓缸。11(7)機(jī)組的自動(dòng)化水平高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得汽輪機(jī)組的自動(dòng)化控制水平逐漸提高。利用

18、計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，性能、效率的在線計(jì)算，控制汽輪機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)、升速、并網(wǎng)、帶負(fù)荷等。如300MW汽輪機(jī)組的控制可由DCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)完成，而汽輪機(jī)的數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)的功能也比較完善。國(guó)外有些電廠已進(jìn)入利用故障診斷技術(shù)，以系統(tǒng)運(yùn)行管理為目標(biāo)的超自動(dòng)化運(yùn)行的火力發(fā)電時(shí)代。 12第二節(jié) 汽輪機(jī)組的工作特性分析一、汽輪機(jī)組在高參數(shù)條件下工作新投產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)組以亞臨界和超臨界機(jī)組為主，有少量的超高壓機(jī)組，并且采用了蒸汽中間再熱。如哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的300MW汽輪機(jī)的主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度分別為16.7MPa、537和537；美國(guó)GE公司生產(chǎn)的1300MW超臨界

19、機(jī)組的主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度分別為24.13MPa、543和543。 蒸汽參數(shù)的提高，提高了機(jī)組的循環(huán)效率，但同時(shí)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行提出了更高的要求。二、汽輪機(jī)組在大溫差、大壓差條件下的工作 現(xiàn)代大型汽輪機(jī)組的軸向尺寸和徑向尺寸都很大，在運(yùn)行時(shí)，部件承受很大的溫度差和壓力差。在高壓缸進(jìn)汽處，汽缸內(nèi)與汽缸外的溫差和壓差都很大。在中壓缸的進(jìn)汽處，汽缸內(nèi)外有很大的溫差。在低壓缸的排汽口處，汽缸內(nèi)部處于真空狀態(tài)，因此，在此處存在反向的壓力差。徑向的大溫差和大壓差的存在，在部件的內(nèi)部產(chǎn)生了很大的壓力梯度和溫度梯度從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生了很大的應(yīng)力。在機(jī)組的軸向也有很大的壓差和溫差。軸向的大壓差和大溫

20、差的存在，使得轉(zhuǎn)子和靜子在軸向產(chǎn)生熱膨脹差(簡(jiǎn)稱脹差)，并使轉(zhuǎn)子承受一個(gè)由高壓端指向低壓端的軸向推力。13三、汽輪機(jī)組在高轉(zhuǎn)速、高應(yīng)力狀志下工作 工業(yè)汽輪機(jī)的工作轉(zhuǎn)速是變化的，從每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)到每分鐘一萬(wàn)多轉(zhuǎn)不等。但并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電用汽輪機(jī)是定速運(yùn)行的，轉(zhuǎn)速一般為300rmin(原子能汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500rrain)，其轉(zhuǎn)動(dòng)部件的線速度非常大。如哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的300MW汽輪機(jī)的末級(jí)葉片的長(zhǎng)度達(dá)到900mm，葉頂處的直徑達(dá)到3528mm，運(yùn)行時(shí)葉頂?shù)木€速度達(dá)到554.17ms。 汽輪機(jī)工作時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)部件受到的應(yīng)力有，汽流力作用產(chǎn)生的應(yīng)力、離心拉應(yīng)力、溫度應(yīng)力、壓差產(chǎn)生的應(yīng)力、振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力

21、。在這些應(yīng)力的合成應(yīng)力的作用下，轉(zhuǎn)動(dòng)部件處于很高的應(yīng)力狀態(tài)。值得一提的是，這個(gè)合成應(yīng)力既有恒定成分，又有交變成分。四、汽輪機(jī)組應(yīng)能長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行 由于電網(wǎng)的頻率要求是基本不變的，因此并網(wǎng)運(yùn)行的汽輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速應(yīng)恒定。即使在主蒸汽參數(shù)、再熱蒸汽參數(shù)、排汽參數(shù)稍微偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，機(jī)組也應(yīng)維持長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行。五、汽輪機(jī)組應(yīng)具有變工況運(yùn)行的能力 汽輪機(jī)組除了應(yīng)滿足長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定地發(fā)出額定負(fù)荷的要求外，還應(yīng)具有變工況運(yùn)行及承受一些極限工況的能力。如蒸汽參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值、低真空運(yùn)行、機(jī)組甩負(fù)荷、發(fā)電機(jī)出口母線短路、低頻率運(yùn)行、冷態(tài)啟動(dòng)、詞蜂運(yùn)行等。在這些變動(dòng)工況和極限工況條件下，機(jī)組部件的

22、應(yīng)力水平不得超過(guò)允許值。14六、汽輪機(jī)組應(yīng)具有較高的經(jīng)濟(jì)性汽輪機(jī)組是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，在確保安全性和可靠性的前提下，機(jī)組應(yīng)具有較高的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)然，沒有安全性就談不上經(jīng)濟(jì)性，因此，機(jī)組在使用過(guò)程中首先應(yīng)樹立“安全第一”的思想。一旦機(jī)組的可靠性降低，甚至發(fā)生了故障，將導(dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)損失。在確保安全性和可靠性的前提下，機(jī)組應(yīng)有良好的熱力性能具有較高的熱效率。 提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的主要措施有：提高機(jī)組的可靠性，提高可用率；減少工質(zhì)泄漏，對(duì)泄漏的工質(zhì)進(jìn)行回收；輔助設(shè)備正常投入使用；維持額定進(jìn)汽和排汽參數(shù)；采取合適的啟停機(jī)操作方式；改善通流部分的流動(dòng)特性。15第三節(jié)汽輪機(jī)組的故障與結(jié)構(gòu)因素之間的關(guān)系 導(dǎo)致

23、汽輪機(jī)組故障的原因很多，總的來(lái)說(shuō)有設(shè)計(jì)、材質(zhì)、制造工藝、安裝與維護(hù)、運(yùn)行等方面的原因。本節(jié)簡(jiǎn)單討論汽輪機(jī)組的故障與結(jié)構(gòu)因素之間的關(guān)系。一、機(jī)組故障與機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜性之間的關(guān)系 現(xiàn)代大型汽輪機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的復(fù)雜度隨機(jī)組容量的增加而增加。系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，增加了可能發(fā)生故障的設(shè)備和部件的數(shù)量，同時(shí)還增加了部件間的接口或接頭的數(shù)量，水和蒸汽管道數(shù)量的增加，將增加可能發(fā)生故障的數(shù)量和種類。例如，機(jī)組的很多機(jī)械故障涉及到焊縫和螺栓，而大部分電氣或電子故障涉及到元件的接頭，這種焊縫、螺栓和接頭越多，故障也就越多。水和蒸汽管道數(shù)量的增加，將使工質(zhì)泄漏的可能性增加。 另外，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度越大

24、，勢(shì)必要減少各部件原始性能與期望性能間的裕度(即設(shè)備的所“能”離人們的“想要”更近)，這就減少了故障發(fā)生前的劣化余地。 系統(tǒng)的復(fù)雜度提高后，不但系統(tǒng)的故障率提高，同時(shí)系統(tǒng)的故障模型也會(huì)發(fā)生變化，由原來(lái)簡(jiǎn)單系統(tǒng)的與工齡有關(guān)的確定性故障模型逐步演變成隨機(jī)性故障模型，使得對(duì)系統(tǒng)故障的預(yù)測(cè)更加困難。16 二、機(jī)組振動(dòng)故障與軸系結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系 機(jī)組容量越大，組成軸系的轉(zhuǎn)子數(shù)越多，軸系的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，橫向振動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速越低，即轉(zhuǎn)子系統(tǒng)顯得更加“軟”。將會(huì)帶來(lái)如下幾個(gè)方面的問題： (1)容易發(fā)生轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障。若軸系是由若干個(gè)轉(zhuǎn)子經(jīng)靠背輪連接而成，在連接時(shí)可能因靠背輪偏差或轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的中

25、心偏差而使得軸系產(chǎn)生預(yù)載荷。這種預(yù)載荷大到一定程度時(shí)，將使得軸系在靜態(tài)時(shí)產(chǎn)生撓曲變形，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。 (2)容易產(chǎn)生不平衡故障。對(duì)于大型機(jī)組而言，轉(zhuǎn)子軸向的尺寸越大，轉(zhuǎn)子上的輪盤數(shù)越多，發(fā)生轉(zhuǎn)子原始質(zhì)量不平衡故障的可能性就越大，并使不平衡質(zhì)量在空間上連續(xù)分布。 (3)增加了產(chǎn)生油膜振蕩故障的可能性。軸系長(zhǎng)度增加，其相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速值將降低?，F(xiàn)代大型汽輪發(fā)電機(jī)組各轉(zhuǎn)子的第一階臨界轉(zhuǎn)速都低于其工作轉(zhuǎn)速，個(gè)別轉(zhuǎn)子的第一階臨界轉(zhuǎn)速的兩倍比工作轉(zhuǎn)速還低，這大大增加了轉(zhuǎn)子產(chǎn)生油膜振蕩故障的可能性。 (4)容易產(chǎn)生軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)故障。軸系長(zhǎng)度增加后，抗扭轉(zhuǎn)剛度與降低，阻尼也降低，只要電網(wǎng)有一點(diǎn)電氣擾動(dòng)或

26、汽輪機(jī)有一點(diǎn)機(jī)械擾動(dòng)，就可能激起軸系的劇烈扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。17三、油膜失穩(wěn)故障與軸承結(jié)構(gòu)型式及支承方式之間的關(guān)系 汽輪機(jī)組的轉(zhuǎn)子是靠支持軸承支承起來(lái)進(jìn)行工作(旋轉(zhuǎn))的。油膜失穩(wěn)故障與軸承的結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)參數(shù)及軸承的支承方式有著密切的關(guān)系。 1軸瓦的型式對(duì)油膜穩(wěn)定性的影響 目前，在現(xiàn)場(chǎng)使用的軸瓦有圓筒瓦、橢圓瓦、三油楔瓦和可傾瓦。使用在汽輪發(fā)電機(jī)組上穩(wěn)定性最好的是可傾瓦其次是橢圓瓦，再次是三油楔瓦，最后是圓筒瓦。 2軸瓦的結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)油膜穩(wěn)定性的影響 一般來(lái)說(shuō)，減小長(zhǎng)徑比可以提高軸瓦的工作穩(wěn)定性。原因：一是提高了軸承的比壓；二是使下瓦的油膜力減小，軸瓦偏心率增大。長(zhǎng)徑比太小，就會(huì)導(dǎo)致單位面積軸瓦上的載荷

27、太大，危及軸瓦的安全。 3軸承的標(biāo)高及標(biāo)高變化對(duì)油膜穩(wěn)定性的影響 各軸承的標(biāo)高設(shè)置會(huì)使得有些軸承的載荷太重，而有些軸承的載荷太輕。載荷輕的軸承在動(dòng)態(tài)情況下可能失穩(wěn)，而載荷過(guò)重的軸承在動(dòng)態(tài)條件下可能燒瓦。在動(dòng)態(tài)條件下，各軸承的動(dòng)態(tài)載荷與靜態(tài)載荷相比是不一樣的。這種改變一方面來(lái)自轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)力，另一方面來(lái)自各軸承的標(biāo)高變化。引起軸承動(dòng)態(tài)標(biāo)高變化的原因較多，其中主要原因是運(yùn)行時(shí)溫度變化和軸承基礎(chǔ)的變化。 機(jī)組在，可通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流(熱空氣、軸封漏汽)和輻射的形式將熱量傳至軸承座上，使得軸承座的溫度較冷態(tài)時(shí)的溫度要高。 18四、動(dòng)靜間隙與機(jī)組故障之間的關(guān)系為了防止機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件之間發(fā)生接觸摩擦，在

28、轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件之間設(shè)置了一定的徑向間隙和軸向間隙。如果動(dòng)靜間隙的選擇不恰當(dāng)，將給機(jī)組運(yùn)行造成以下幾個(gè)方面的影響： (1)動(dòng)靜間隙過(guò)大，造成工質(zhì)泄漏。如果軸封的間隙太大，將有大量的工作介質(zhì)從軸端漏出，使得做功的工作介質(zhì)量減少；若靜葉環(huán)汽封的間隙太大，將有大量的蒸汽從靜葉前漏至靜葉后，擾亂了做功蒸汽的主流；如果動(dòng)葉頂部汽封間隙太大，將有較多蒸汽從靜葉和動(dòng)葉間隙處漏至級(jí)后，減少了級(jí)的做功蒸汽量。由此可知，動(dòng)靜間隙過(guò)大，將降低機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 (2)動(dòng)靜間隙過(guò)小，引起動(dòng)靜碰磨。若動(dòng)靜間隙設(shè)置過(guò)小，在熱態(tài)條件下，由于部件熱膨脹的原因，可能使得部分動(dòng)靜間隙為零甚至為負(fù)，此時(shí)機(jī)組會(huì)發(fā)生動(dòng)靜碰磨，引起機(jī)

29、組劇烈振動(dòng)，嚴(yán)重危及機(jī)組的安全。動(dòng)靜碰磨是汽輪機(jī)組的常見故障。 (3)動(dòng)靜間隙周向不均勻，引起蒸汽渦動(dòng)。機(jī)組若因安裝或檢修的原因造成動(dòng)靜間隙周向不均勻，在運(yùn)行時(shí)，將在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個(gè)渦動(dòng)力，此渦動(dòng)力推動(dòng)轉(zhuǎn)子作渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)。此種渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)是一種自激振蕩，渦動(dòng)的頻率低于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)額率。轉(zhuǎn)子的這種渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致機(jī)組劇烈振動(dòng)，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全。19第四節(jié)汽輪機(jī)組的故障與運(yùn)行因素之間的關(guān)系運(yùn)行因素是導(dǎo)致機(jī)組故障的重要外因。下面簡(jiǎn)單討論導(dǎo)致汽輪機(jī)組故障的運(yùn)行原因。 一、機(jī)組故障與主生蒸汽狀態(tài)和凝汽器真空之間的關(guān)系 1主蒸汽狀態(tài)與機(jī)組故障之間的關(guān)系 主蒸汽(包括再熱蒸汽)狀態(tài)對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性都有很大的影響

30、。 (1)蒸汽溫度的影響。如果主蒸汽溫度(或再熱蒸汽溫度)長(zhǎng)期高于額定值，則關(guān)鍵部件的材料長(zhǎng)期處在較高的熱應(yīng)力作用下而產(chǎn)生高溫蠕變，引起機(jī)組故障，并縮短材料的使用壽命。如果主蒸汽溫度特別是再熱蒸汽溫度低于額定值，而蒸汽的壓力維持額定值，將使得排汽的濕度增加，低壓缸的最末幾級(jí)在濕蒸汽區(qū)工作，輕則引起動(dòng)葉汽蝕，重則使動(dòng)葉產(chǎn)生疲勞裂紋甚至動(dòng)葉斷裂，且產(chǎn)生過(guò)大的軸向推力，影響推力軸承的安全。如果進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽溫度低于汽缸金屬溫度，不僅使轉(zhuǎn)子脹差負(fù)值過(guò)大，還可能引起汽缸產(chǎn)生拱背彎曲，造成機(jī)組動(dòng)靜部分發(fā)生摩擦引起大軸彎曲。 (2)蒸汽溫度變化率的影響。當(dāng)蒸汽溫度的變化率較大時(shí)，部件表面的溫度隨蒸汽溫度的

31、變化較快，而部件內(nèi)部材料的溫度變化較慢，從而在部件中產(chǎn)生溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力的效應(yīng)是使靜止部件(如汽缸)變形，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱態(tài)彎曲，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)。如果蒸汽溫度經(jīng)?？焖俚卦黾雍徒档停瑒t會(huì)使部件產(chǎn)生交變的熱應(yīng)力，導(dǎo)致材料出現(xiàn)裂紋。20 (3)蒸汽中帶水的影響。蒸汽攜帶水或冷蒸汽(低溫的飽和蒸汽)進(jìn)入汽輪機(jī)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞、機(jī)械故障和非計(jì)劃停機(jī)。蒸汽帶水產(chǎn)生的影響有：使葉片特別是較長(zhǎng)的葉片受到水沖擊而損傷或斷裂；使轉(zhuǎn)子永久彎曲、汽缸變形、相對(duì)脹差急劇變化，并導(dǎo)致動(dòng)靜部分軸向和徑向碰磨，機(jī)組產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)；引起金屬裂紋；閥門或汽缸結(jié)合面漏汽；軸向推力急劇增加，甚至推力瓦燒壞。 (4)主蒸汽品質(zhì)的影響

32、。如果蒸汽品質(zhì)長(zhǎng)期不合格，蒸汽攜帶的鹽分會(huì)沉積在動(dòng)葉表面，這種現(xiàn)象稱為通流部分結(jié)垢。動(dòng)葉汽道結(jié)垢使汽道的通流面積減少，從而導(dǎo)致級(jí)的做功能力下降，級(jí)效率降低，軸向推力增加。如果動(dòng)葉結(jié)垢不均勻，將使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。 2凝汽器真空與機(jī)組故障之間的關(guān)系 凝汽器的真空度有一個(gè)最佳值，若將凝汽器真空值維持在最佳值附近，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性將大為提高。如果真空度偏離最佳值較遠(yuǎn)，不但會(huì)降低機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還會(huì)降低機(jī)組運(yùn)行的安全性。凝汽器真空度太低，意味著排汽壓力和排汽溫度都會(huì)提高，引起排汽缸變形，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)。凝汽器真空度太高，除了增加抽氣系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，降低抽氣系統(tǒng)的可靠性外，還會(huì)使蒸汽在最末級(jí)動(dòng)葉外膨脹，

33、擾亂排汽流場(chǎng)，給末級(jí)動(dòng)葉增加一個(gè)擾動(dòng)源。 21二、機(jī)組故障與電氣擾動(dòng)之間的關(guān)系 發(fā)電機(jī)或電力系統(tǒng)出現(xiàn)電氣擾動(dòng)，必然通過(guò)發(fā)電機(jī)將擾動(dòng)以一定的方式作用到汽輪機(jī)上。出現(xiàn)電氣故障時(shí)，將在發(fā)電機(jī)上產(chǎn)生交變電流，從而在發(fā)電機(jī)上產(chǎn)生交變的阻力矩，激起軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，在軸系中產(chǎn)生很大的交變扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。發(fā)電機(jī)的電氣故障有氣隙不均勻和發(fā)電機(jī)匝間短路，這些故障將使軸系產(chǎn)生橫向振動(dòng)。電氣操作(包括故障切除和重合閘)也會(huì)在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生短時(shí)間的交變電流，在發(fā)電機(jī)上產(chǎn)生交變的阻力矩，激起軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。三、機(jī)組調(diào)峰與機(jī)組故障之間的關(guān)系 汽輪機(jī)組的調(diào)峰運(yùn)行是指機(jī)組用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的一種運(yùn)行方式。隨著電網(wǎng)峰谷差的增大，火電機(jī)組參與調(diào)峰勢(shì)在盼行。國(guó)外火電機(jī)組參與調(diào)峰的運(yùn)行方式主要有兩班制運(yùn)行和低負(fù)荷運(yùn)行，國(guó)內(nèi)除上述兩種調(diào)峰方式外，還有少汽無(wú)功運(yùn)行和低速旋轉(zhuǎn)熱備用兩種方式。這里主要討論前兩種調(diào)峰運(yùn)行方式與機(jī)組故障之間的關(guān)系。 1低負(fù)荷運(yùn)行：汽輪機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，會(huì)帶來(lái)以下兩個(gè)方面的向題。 (1)低壓級(jí)葉片顫振。當(dāng)汽輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，葉片頂部出現(xiàn)較大的負(fù)沖角，并出現(xiàn)脫流，因而容易引起顫振。葉片發(fā)生顫振后，導(dǎo)致葉片內(nèi)部動(dòng)應(yīng)力顯著增加，從而易引起葉片裂紋。 (2)排汽缸