第一章工业汽轮机概论

1第一章工业汽轮机概论工业汽轮机是以蒸汽为工质，将蒸汽热能转变为转子旋转的机械能的动力机械，它具有单机功率大、效率高、转速高、调速方便、使用寿命长、运行安全可靠等优点，因此，被广泛应用于石油化工、冶金等行业。随着科学技术进步和资源的开发，新技术、新设备、新工艺不断地引进，我国石油化工工业也得到了飞速发展，逐渐形成了石油化工装置设备的新特点，即大型化、单系列、自动化、智能化，引进与国产的工业汽轮机在石油化工装置中都得到了广泛的利用。石油化工装置大多采用工业汽轮机作为原动机来驱动压缩机、风机、泵及发电机等工作机械。为了提高石油化工装置的独立性，减少对电网的依赖性，提高开工率，一般都建有汽轮机发电机组的自备电站，既供热又供电，这样可减少远距离输电和送汽，既解决本装置生产和生活的用汽，又可综合利用本装置资源，如生产过程的余热、余料等，这种热电联合的自备电站经济效益很明显，自备发电与公用发电并存，如有裕量还可向公用电网送电。第一节工业汽轮机装置的基本组成一、工业汽轮机的定义工业汽轮机是指工业企业中驱动用汽轮机与自备电站发电用汽轮机的总称，即指除公用电站汽轮机和船舶用汽轮机以外的各种类型的汽轮机。工业汽轮机应用范围：1．厂矿企业的自备供热发电用的汽轮机；2．石油化工、冶金等行业装置中用于驱动泵、鼓风机、压缩机等工作机械的汽轮机；3．自备电站用于驱动锅炉给水泵和风机的汽轮机；4．船舶用的各类辅助动力用汽轮机。二、工业汽轮机的特点工业汽轮机的应用范围十分广泛，使用场合各不相同，对进排汽参数、功率、转速以及布置型式和调节特性等方面，也都有各种不同的要求，因此品种非常繁杂，型式多样。目前工业汽轮机产品已系列化生产，最大程度地满足用户对工业汽轮机的需求，其主要特点是：1、使用领域宽广，易实现转速调节，具有较大的转速调节范围，通常为额2定转速的（－10％）～（＋15％），特殊情况可达额定转速的（－40％）～（＋30％），增加了调节手段或操作的灵活性；2、汽轮机的转速高，变转速范围大，转速范围可达3000～16000r/min，可用来直接驱动工作机械；3、适用于各种工作环境，满足防尘、防爆和防腐蚀等的特殊要求，无易燃、易爆危险；4、品种繁多，规格齐全。根据用户要求，不同的转速、功率、进、抽和排汽压力、温度及流量等技术参数，可选择不同的机组布置方式；5、适用于有较高自动化要求的工业流程；6.蒸汽来源稳定，操作可靠、运行安全平稳、效率高、并能利用工厂的余热。三、工业汽轮机的基本组成工业汽轮机装置的基本组成如图1－1所示，由四个主要设备组成，即锅炉、汽轮机、凝汽器和锅炉给水泵。图1－1工业汽轮机装置的基本组成1－锅炉；2－过热器；3－工业汽轮机；4－离心式压缩机（或风机、泵及发电机等）；5－凝汽器；6－凝结水泵；7－锅炉给水泵；1．锅炉锅炉是产生高温、高压蒸汽的设备。水在锅炉内吸收燃料（煤、燃油或天然气）燃烧时产生的热量变成高温、高压蒸汽。过热器用来将锅炉汽包来的饱和蒸汽继续加热，在原有的压力下提高蒸汽的温度变成“过热蒸汽”。3冷却水气体12456732．汽轮机汽轮机是利用蒸汽对外作功的设备。从过热器出来的高温、高压过热蒸汽，流经汽轮机后，蒸汽在喷嘴中和动叶片中不断膨胀将热能转变为动能，进而在动叶中又将动能转变为机械能，由汽轮机的轴端输出，用于驱动压缩机、风机、泵以及自备电站发电机等工作机械。蒸汽在膨胀过程中压力、温度不断降低，最后排入凝汽器。3．凝汽器凝汽器又称为冷凝器，是凝汽式汽轮机中工质的低温放热源。在工业汽轮机内做完功的蒸汽排到凝汽器内，在一定压力下将汽化潜热释放给冷却水，蒸汽凝结成水，并形成凝汽器中形成了真空。凝结水由凝水泵抽出，经锅炉给水泵再送回锅炉，作为锅炉给水。凝汽器的作用：一是将做完功的蒸汽回收，凝结成水后再供给锅炉，循环使用，这样可以降低运行成本，提高经济效益，保证蒸汽质量，减少对设备的腐蚀；二是建立并保持工业汽轮机排汽口的高度真空，增大蒸汽的可用焓降，从而提高工业汽轮机的功率和循环热效率，这对工业汽轮机的功率和汽轮机装置的经济性具有重大的影响。通常每台凝汽式汽轮机配置一台凝汽器，但也有几台汽轮机共用一台凝汽器（兰州石化公司30万吨/年合成氨装置的空压机机组、氮压机机组、合成气压缩机机组、氨冰机机组的4台汽轮机共用一台凝汽器）。背压式汽轮机的排汽压力高于大气压。它的排汽可供其他用汽单位利用，所以不需要凝汽器。4．锅炉给水泵锅炉给水泵的作用是消耗一部分功率用来完成热力循环中的压缩过程，将凝结水的压力提高，送入锅炉中，锅炉给水泵的运行情况对装置的经济性和安全可靠性都有重大的影响。常用的锅炉给水泵多为多级离心式泵。从图l－1中可以看出：汽轮机装置中有3个封闭的回路。（1）汽水回路水在锅炉内吸收燃料燃烧时产生的热量后，变为高温高压蒸汽。汽轮机将高温高压蒸汽中的一部分能量转换为机械功，向外界输出驱动工作机械旋转。蒸汽4的压力和温度随之降低，然后排入凝汽器中被冷却水冷凝成凝结水，再由锅炉给水泵加压送入锅炉。这样，就构成了一个由锅炉、汽轮机、凝汽器和锅炉给水泵组成的封闭回路，工质在这个回路里不断地进行着水变汽，汽变为水的变化过程。这个回路就是汽水回路，这是汽轮机装置中一个主要回路。（2）空气烟气回路空气进入锅炉后和燃料一起产生燃烧过程变成烟气，高温烟气在锅炉内将一部分热量传给水和水蒸汽后温度降低，燃烧后的烟气经锅炉尾部烟道、除尘器后由吸风机抽出并经烟囱排入大气。同时，新鲜空气又不断地进入锅炉参加燃烧。（3）冷却水回路冷却水由冷却水池或冷却塔经冷却水泵加压进入凝汽器，在凝汽器中吸收了排汽的汽化潜热后，冷却水温度升高，排入冷却水池中进行冷却，形成了封闭回路。在一个动力装置中有上述三个不同工质构成的独立封闭回路，这是汽轮机装置的一个特点。回路多，使整个装置变得复杂，但对装置的运行性能也会产生深刻的影响，这样可以减少装置中各主要设备彼此之间的互相影响，有利于保持汽轮机装置的主要工作特性的稳定性。例如，当外界负荷发生变化的时候，可以调节空气烟气回路和冷却水回路，使汽水回路中工质的进出口参数不变。第二节工业汽轮机的分类随着科学技术的进步和资源的开发，在各部门应用越来越广泛，汽轮机的类别和型式很多，其分类方法也是不同的。一、按热力特性分类：1．凝汽式汽轮机凝汽式汽轮机如图1－2所示，蒸汽在汽轮机中作功后，全部排入凝汽器，排汽在低于大气压力的真空状态下凝结成水。凝汽式汽轮机有一套真空系统和凝汽设备，而且只输出动力不向外界供气，常称为纯凝汽式汽轮机，这类汽轮机广泛应用于石油化工、冶金、电力行业。5图1－2凝汽式汽轮机示意图2．抽汽凝汽式汽轮机抽汽凝汽式汽轮机如图1－3所示，在抽汽式汽轮机中作过部分功的蒸汽，从中间某一级抽出进入热力管网供给工业或热用户使用，其余大部分蒸汽在汽轮机后面几级继续膨胀作功后排入凝汽器。若抽汽压力可以在某一范围内进行调节时，称为调节抽汽汽轮机。这类汽轮机可以通过调节进汽和未抽出的蒸汽，保持抽汽压力恒定，而且抽汽压力可在一定范围内进行调整。这类汽轮机广泛应用于石油化工装置。生产用抽汽压力一般为0.78~1.56MPa；生活用抽汽压力一般为0.68~2.45MPa。图1－3抽汽凝汽式汽轮机示意图3．背压式汽轮机背压式汽轮机如图1－4所示，蒸汽进入汽轮机膨胀作功后，在大于一个大气压的压力下排出汽缸。排汽进入蒸汽管网，可供工业或其它热用户或压力较低的汽轮机用汽。冷却水新蒸汽、凝结水去锅炉汽轮机排汽TNC抽汽蒸汽管网（供工业或热用户使用）汽轮机TH凝汽器转子轴承冷却水新蒸汽、凝结水去锅炉汽轮机凝汽器排汽TC转子轴承6图1－4背压式汽轮机示意图4．抽汽背压式汽轮机抽汽背压式汽轮机如图1－5所示，为了满足不同用户的需要，在抽汽背压式汽轮机中间某一级抽出部分压力较高的蒸汽，进入热力管网供给工业用户使用，其余大部分蒸汽在汽轮机后面几级继续膨胀作功后，以较低的压力排入管网。图1—5抽汽背压式汽轮机示意图5.混压（多压）式汽轮机混压式汽轮机如图1－6所示，除引进新蒸汽外，还将生产工艺过程中多余蒸汽用管路注入汽轮机中的某个中间级内，与原来的蒸汽一起工作。这样可以从多余的工艺蒸汽中获得能量，得到一部分有用功，实现蒸汽热量的综合利用，这种汽轮机称为注入式汽轮机，也称为多压式或混压式汽轮机。如图1－6（a）所示汽轮机属于混压式汽轮机，图1－6（b）所示汽轮机为同时具有抽汽和注汽汽轮机。这种汽轮机也广泛应用于石油化工装置。新蒸汽汽轮机转子排汽蒸汽管网T轴承新蒸汽汽轮机转子排汽蒸汽管网TN轴承抽汽汽轮机TH7图1－6多压式汽轮机示意图二、按工作原理分类1．冲动式汽轮机蒸汽仅在喷咀叶栅（或静叶栅）中进行膨胀，而在动叶栅中只有少量的膨胀。2．反动式汽轮机蒸汽在喷咀叶栅（静叶栅）和动叶栅中都进行膨胀，且膨胀程度相同。三、按结构型式分类1．单级汽轮机汽轮机通流部分只有一个级（单列、双列、三列）组成的汽轮机称为单级汽轮机。单级汽轮机功率小、效率低、结构简单、尺寸小、成本低，便于安装和操作。广泛应用于石油化工、冶金、轻纺、制糖等部门。常作为背压式汽轮机，一般用来驱动泵，风机等辅助机械。2．多级汽轮机这种汽轮机通流部分由两个以上的级组成的汽轮机称为多级汽轮机。由于其功率大，转速高，效率高，广泛应用于石油化工、冶金、轻纺、制糖等部门。可作为背压式、凝汽式、抽汽背压式、抽汽凝汽式和混压式汽轮机。四、按新蒸汽的参数分类（按汽轮机的进汽压力分类）1．低压汽轮机新蒸汽压力为1.2～1.5MPa。2．中压汽轮机新蒸汽压力为2～4MPa。冷却水新蒸汽、凝结水去锅炉汽轮机凝汽器排汽TC注入蒸汽转子轴承新蒸汽汽轮机转子排汽蒸汽管网TN轴承抽汽汽轮机TH注入蒸汽(a)(a)(b)83．高压汽轮机新蒸汽压力为6～10MPa。4．超高压汽轮机新蒸汽压力为12～14MPa。5．亚临界汽轮机新蒸汽压力为16～18MPa。6．超临界汽轮机新蒸汽压力超过22.2MPa。五、按汽流方向分类1．轴流式汽轮机蒸汽在汽轮机内基本上沿轴向流动，流动总体方向大致与转子相平行。2．辐流式汽轮机蒸汽在汽轮机内基本上沿幅向（径向）流动，流动的总体方向大致与转子垂直。3．周流（回流）式汽轮机蒸汽在汽轮机内大致沿轮周方向流动的小功率汽轮机。六、按用途分类1．电站用汽轮机（1）工业驱动汽轮机1）单纯驱动用汽轮机仅用来驱动各种工业机械，不向外界供汽。汽轮机多为凝汽式，可以变转速运行。主要用于石油化工、冶金和自备电站锅炉给水泵等。2）驱动并供热汽轮机用来驱动各种工业机械，同时向外界供汽，以满足其他用途（动力、工艺或生活）。汽轮机为背压式或抽汽背压式或抽汽凝汽式，可以变速运行的汽轮机。主要用于石油化工、冶金部门等。（2）工业电站汽轮机1）单纯发电用汽轮机工厂自备动力电站中驱动发电机，不向外界供汽。汽轮机为凝汽式，定转速运行。主要应用于石油化工、冶金和制糖、造纸等轻工业部门。2）发电并供热用汽轮机用于工厂自备动力电站驱动发电机，并向外界供汽。汽轮机为抽汽背压式、抽汽凝汽式或背压式，定转速运行。主要应用于石油化工、冶金和制糖、造纸等9轻工业部门。七、按蒸汽流道数目分类1．单流道汽轮机全部排汽都通过末级的汽轮机。2．双流道或多流道汽轮机蒸汽在两个或多个并列的汽流流道中分流的汽轮机。八、按能量传递方式分类1．直联式汽轮机直联式汽轮机如图1－7所示，这种汽轮机直接与工作机械相连。图1－7直联式驱动离心压缩机的汽轮机组示意图2．带变速齿轮箱的汽轮机带变速齿轮箱的汽轮机如图1－8所示，这种汽轮机通过变速齿轮箱与工作机械相连。图1－8（a）为带减速齿轮箱的汽轮发动机组，图1－8（b）为带增速齿轮箱的驱动离心式压缩机的汽轮机组。汽轮机新蒸汽转子联轴器离心式压缩机轴承排汽蒸汽管网10图1－8带变速齿轮箱机组示意图第三节工业汽轮机的型号一、国产汽轮机的型号目前汽轮机的型式、类别繁多，分类的方法也各不相同。为了便于识别汽轮机的类别，常采用一些符号来表示汽轮机的基本特性，这些符号称为汽轮机的型号。我国生产的汽轮机所采用的系列标准及型号已经统一，主要由汉语拼音和数