第三章 汽轮机的变工况特性-第三节 配汽方式及其对定压运行机组便工况的影响

第三节配汽方式及其对定压运行机组便工况的影响汽轮机的配汽方式有节流配汽、喷嘴配汽与旁通配汽等多种，其中最常用的是节流配汽与喷嘴配汽两种。旁通配汽主要用在船、舰汽轮机上，故这里不作介绍。下面先介绍配汽方式，然后介绍配汽方式对定压运行机组交工况的影响。一、节流配汽进入汽轮机的所有蒸汽都通过一个调节汽门(在大容量机组上，为避免这个汽门尺寸太大，可通过几个同时启闭的汽门)，然后流进汽轮机，如图3．3．1(a)所示。最大负荷时，调节汽门全开，蒸汽流量最大，全机扣除进汽机构节流损失后的理想比治降)(macth(见图3.3.1b)最大，故功率最大。部分负荷时，调节汽门关小，因蒸汽流量减小，且蒸汽受到节流，全机扣除进汽机构节流损失后的理想比治降减为)(macth故功率减小。图3．3．1(b)中0p表示调节汽门全开时第一级级前压力，0p表示调节汽门部分开启时第一级级前压力。节流配汽汽轮机定压运行时的主要缺点是，低负荷时调节汽门中节流损失较大，使扣除进汽机构节流损失后的理想比焓降减小得较多。通常用节流效率th表示节流损失对汽轮机经济件的影响：mactmactthhh)(（3.3.1）根据第二章全机相对内效率i的定义，可得thimactmactmactmacimactmaciihhhhhh)()()()(（3.3.2）式中，)()(mactmaciihh，指未包括进汽机构的通流部分相对内效率，对再热机组macth、)(macth、)(macih均为高中低压缸比焓降之和。节流效率是蒸汽初终参数和流量的函数。图3.3.2是初压0p＝12.75MPa，初温0t＝565℃时，节流效率th与背压gp、流量比GG/1的关系曲线。只要求出GG/1下的0P，若是再热机组尚需知道再热压力1rp、再热压损1rp与再热温度rt，就可查水蒸汽图表求出th。由图可见，在同一背压下，蒸汽流量比设计值小得越多，调节汽门中的节流越大，节流效率越低。在同一流量下，背压越高，节流效率越低。因此，全饥理想比焓降较小的背压式汽轮机，不宜采用节值配汽。背压很低的凝汽式汽轮机，即使流量下降较多，节流效率仍降得根少。与喷嘴配汽相比，节流配汽的优点是：没有调节级，结构比较简单，造成本较低；定压运行流量变化时，各级温度变化较小，对负荷变化适应性较好。现代大型节流配汽汽轮机若是滑压运行则既可用于承担基本负荷，也可用于调峰；若定压运行，则只宜承担基本负荷。二、喷嘴配汽喷嘴配汽如图3．3．3所示，汽轮机第一级是调节级，调节级分为几个喷嘴组，蒸汽经过全开自动主汽门l后，再经过依次开启的几个调节汽门2，通向调节级。通常一个调节汽门控制一个喷嘴组，喷嘴组一般有3—6组。当负荷很小时，只有一个调节汽门开启，也就是只有第一喷嘴组进汽，部分进汽度最小；负荷增大而第一调节汽门接近全开时，打开第二调节汽门，第二喷嘴组才进汽，部分进汽度增大，依次类推。因此，部分负荷时，只有那个部分开启的调节汽门中的蒸汽节流较大，而其余全开汽门中的蒸汽节流已减到最小，故定压运行时的喷嘴配汽与节流配汽相比，节流损失较少，效率较高。这是喷嘴配汽的主要优点。由于各喷嘴组间有间壁(或距离)3，如图3.3.3(b)所示，因此，即使各调节汽门均已全开，调节级仍是部分进汽，也就是说在最大功率下调节级仍有部分进汽损失，而且调节级的直径比第一非调节级大，调节级的余速不能被利用。而对于节流配汽，除容量根小者外，第一级就做成全周进汽，没有部分进汽损失，而且第一级的余速可被第二级利用。因此，在额定功率下，喷嘴配汽汽轮机的效率比节流配汽稍低。喷嘴配汽的主要缺点是，定压运行时调节级汽室及各高压级在变工况下湿度变化都较大，从而引起较大的热应力，这常成为限制这种汽轮机迅速改变负荷的主要因素。喷嘴配汽汽轮机不论定压运行还是滑压运行，既可承担基本负荷，又可用于调峰。定压运行的背压式和调节抽汽式汽轮机宜采用喷嘴配汽方式，以减少节流损失。设调节级为四个喷嘴组，图3.3.4所示是第I、II调节汽门全开，第III调节汽门部分开启，第IV调节汽门关闭时的调节级热力过程线。初压为0p的新蒸汽流经自动主汽门和两个全开调节汽门后，压力降到'0p，调节级后压力为2p，第I、II两喷嘴组和动叶的理想比焓降相等，即12ttthhh，有效比焓降也相等，即12tthh，动叶后比焓为'2h；流经部分开启的第III调节汽门的蒸汽，其节流较大，第III喷嘴组前压力降为''0p理想比焓降较小，为3th，有效比熔降为3th，动叶后比焓较高，为''2h。由于调节级后的环形空间是相通的，级后压力2p相同，故两股初压不同的汽流在调节级中同样膨胀到2p，在调节级汽室中混合后，流入第一非调节级。为使这两股汽流混合均匀，调节级汽室容积较大，且调节级直径大于非调节级第一级直径。不利用余速，以免汽流在末混合之前进入第一非调节级使得进汽不均匀而效率下降。两股汽流混合后的比焓2h可用下面式子求得'''1223212322GGhGhGGGhGh13'''12030122322iiGGhhGhhGGhGhhGG133120iiGGGhhhGG（3.3.3）那么，调节级的相对内效率i为131302331212iiiiittthhhGhGGGGGhGhGhGG（3.3.4）上三式中123,,GGG——第I、II、III喷嘴组中的流量；13,ii——全开与部分开启调节汽门后喷嘴组和动叶的相对内效率。三、调节级压力与流量的关系在喷嘴配汽的汽轮机中，调节级是特殊级，它的变工况与中间级和末级的都不同，需要专门介绍。1．简化的调节级压力与流量的关系以凝汽式汽轮机中具有四组渐缩喷嘴的单列动叶调节级为例。变工况特点，可作以下简化假定：1)忽略调节级后温度变化的影响，调节级后压力2p正比于全机流量；2)各种工况下级的反动度都保持为零，2111pp；3)四个调节汽门依次开启，没有重叠度；4)几全开调节汽门后的喷嘴组前压力均为0p不变。图3.3.5(a)是上述假定下调节级四个喷嘴组的P—1G曲线。设计工况下，前三个调节汽门全开，第IV调节汽门关闭，流量为G。最大流量下，四个调节汽门全开，流量为1.2G。图3.3.5(b)是各喷嘴组蒸汽流量与总流量的关系曲线，由于纵横坐标部是流量1G，故0Q线必然是45o斜线。调节级汽室压力21p的变化线，以图3.3.5(a)中的辐射线0S表示，凝汽式汽轮机以全部非调节级为一机组．忽略调节级后温度变化，有1212GGpp．故21p与流量1G成正比。已设调节级的反动度始终为零，则2111pp，故直线0S也代表11p。第1调节汽门开始开启到全开之后，第1喷嘴组前压力10p的变化由折线017表示。在第I调节汽门开始开启到全开的过程中，调节级只有第1喷嘴组通汽，通汽面积不变，故可把调节级和所有非调节级看成一个级组，因此第I喷嘴组前压力10p与1G成正比，如辐射线0l所示。点1表示第1调节汽门全开，10p达'0p最大值。直线137表示第II、III、IV调节汽门依次开启时，第1喷嘴组前压力10p='0p不变。虚线0ag是折线017的临界压力1cp变化线，110ccpp。以02H段表示的21p，也是11p小于虚线0aH表示的1cp，故第I喷嘴组流过的是临界流量，如图(b)中的折线0IJ所示，其中0I段表示第1调节汽门逐渐开大时，临界流量正比于10p增大；IJ段表示10p='0p不变时，临界流量也不变。图(a)中HS段表示的21p(即11p)大于虚线Hg表示的临界压力，表明第1喷嘴组处于亚临界工况，10p又不变，故第1喷嘴组的流量随背压21p升高而按椭圆曲线下降，如图(b)中JK段所示。第II调节汽门开启过程中和全开后，第II喷嘴组前压力20p的变化以曲线2m37表示，20p的临界压力2cp以虚线bcg表示。第II调节汽门开启之前，第II喷嘴组前汽室，经喷嘴、动叶与级后汽室相通，故第II组喷嘴前的压力也是21p。以2r段表示的调节级后压力21p(即11p)大于虚线br表示的2cp，故第II喷嘴组及其动叶所组成的级为亚临界工况，级的20p—1G关系由式(3.2.9a)计算，现21p稍有增大，故曲线2m是近似双曲线。以r4段表示的21p(即11p)小于以虚线rc表示的2cp，所以这一段内第II喷嘴组是临界工况，以m3表示的20p与第II喷嘴组的蒸汽流量成正比，故m3是过点8的辐射线上的一段。直线37表示第II调节汽门已全开，在第III、IV调节汽门开启时，20p='0p不变。图(b)中的斜线IL表示第II调节汽门不断开大，第II喷嘴组中流量不断增加。直线LM表示第II调节汽门全开后，20p='0p不变，第II喷嘴组中临界流量也保持不变。两椭圆曲线MN与JK的差值表示第II喷嘴组的背压HS段高于临界压力，且20p='0p不变，流量随背压升高而按椭圆曲线规律减小。第III调节汽门开启时和全开后，第III喷嘴组前压力30p的变化如曲线457所示，虚线deg表示曲线457的临界压力3cp，以46S段表示的21p(即11p)始终大于3cp，故第III喷嘴组中流量始终小于临界流量。图(b)中斜线LU表示第III汽门开大，流量增大。两椭圆曲线UV与MN之差表示第III调节汽门全开后30p不变，11p升高，第III喷劈组中流量按椭圆曲线规律下降。第IV喷嘴组前压力40p以曲线67表示，4cp以虚线fg表示，图(b)中的斜线UQ表示第IV调节汽门开大，流量增大。若四个喷嘴组的喷嘴型线和尺寸都相同，则当四个调节汽门都全开，各喷嘴组前后压力都相同时，各喷嘴组的流量必正比于喷嘴出口面积，故图(b)中的线段AK、KN、NV、VQ之比也就是各喷嘴组出口面积之比。VQ的长度之所以比图(a)横轴末的(1.2G—G)大许多，是因第IV喷嘴组所增大的流量，必须弥补第I、II、III喷嘴组在亚临界工况下由于背压升高而减少的流量。现分析调节级理想比焓降的变化规律。当第IV调节汽门逐渐关小时，随着流量减小，21p沿线段S6下降，123'0000pppp不变，故第I、II、III喷嘴组与动叶的现想比焓降123ttthhh都增大，只有第IV喷嘴组与动叶的4th减小，一直减到0。同理，第III调节汽门关小时，12tthh增大，而3th减小，直至减到0。显然II、III、IV调节汽门都关闭而第I调节汽门全开时，10p与21p之差最大，1th达最大值。当第I调节汽门关小时，10p与21p都下降，但由图3.3.5(a)可见，21102818pyxpzx＝常数，且第I调节汽门中是节流过程，第I组喷嘴前10t基本不变，因此第I调节汽门关小时，1th也基本不变。当只有第I调节汽门全开而其他调节汽门关闭时，非但1th最大，而且流过第I喷嘴组的流量是10p='0p时的临界流量，是第I喷嘴组的最大流量，这股流量集中在第I喷嘴组后的少数动叶上，使每片动叶分摊的蒸汽流量最大。动叶的蒸汽作用力正比于流量和比焓降之积，因此当第I调节汽门全开而其他调节汽门都关闭时，调节级动叶受力最大，是危险工况，调节级动叶强度应以这一工况核算。2．调节级的实际压力与流量的关系1)实际上调节级后温度随流量变化而变化。如图3.3.6(a)所示，图中D表示蒸汽流量。图中三个转折点是调节汽门依次全开时节流损失比较小的工况点，称之为阀点。由于节流损失小，在这些工况点的作功较多，故调节后的2h和2t均处于较低点。若以凝汽式汽轮机的全部非调节级为一级组，则1212221GpTGpT。当1GG时，221221,1TTTT，使21p比1212GpGp时的21p小，如图3.3.6(b)中的曲线cb所示。当1GG时,221221,1TTTT,使21p比1212GpGp时的21p大，如曲线cd所示。若1G＝0.4G时刚好第I