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1、1 汽轮机原理 2017 3 2 绪论 1 火电厂基本概念 一 能量转换过程 燃料化学能 蒸汽热能 机械能 电能 二 火电厂三大主机 锅 炉 将燃料的化学能转变为蒸汽的热能 汽轮机 将锅炉生产蒸汽热能转化为 转子旋转机械能 发电机 将旋转机械能转化为电能 3 B 锅炉 S 锅炉过热器 T 汽轮机 C 冷凝器 P 水泵 S T C P B T S 1 23 4 1 2 4 3 火力发电厂示意图 年份装机容量 亿千瓦 历经年数 18790 有电 19871108 199528 200035 200444 20055 5 11 4 我国电力事业发展概况 年份人均国民生产总值 元 人 人均装机容量 千
2、瓦 人 人均发电量 千瓦时 人 人均净用电量 千瓦时 人 人均生活用电量 千瓦时 人 19943654 60 1668774 1642 273 0 19954767 00 1793831 4694 482 9 19965539 30 1933881 9737 093 0 19976048 20 2057917 4763 2101 4 19986373 90 2222927 6773 0111 2 19996516 90 2373979 4814 7116 7 20007062 90 25231081 1915 2132 1 20017516 70 26531162 7995 2144 1 5
3、历年人均指标 年份发电设备年利用 小时数 发电厂用电率 线路损失率 发电标准煤耗 g kw h 供电标准煤耗 g kw h 199452336 908 73381414 199552166 788 77379412 199650336 888 53377410 199747656 808 20375408 199845016 668 13373404 199943936 508 10369399 200045176 287 70363392 200145886 247 55357385 6 历年主要技术经济指标 年份能源生产弹性系数电力生产弹性系数 19940 550 85 19950 830
4、 84 19960 210 74 19970 170 58 1998 0 780 27 1999 1 620 92 2000 0 011 37 20011 281 15 7 历年能源和电力弹性系数 年份生产总量 万吨标准煤 消费总量 万吨标准煤 保证程度 19579 8619 644102 25 197862 77053 144109 84 1991104 844103 783101 02 1992107 258109 17098 24 1996132 616138 94895 04 2000109 000128 00085 15 8 我国能源供需变化情况 煤炭石油天然气水电 19947517
5、 41 95 7 199574 617 51 86 1 199674 7181 85 5 199771 520 41 76 2 199869 621 52 26 7 19996823 22 26 6 200066 124 62 56 8 9 我国能源消费结构 年份原煤原油天然气水电 197870 323 72 93 1 198069 423 83 03 8 198572 820 92 04 3 199074 219 02 04 8 199575 316 01 98 2 200066 621 83 48 2 200168 020 23 48 4 10 我国能源生产构成 11 2000年世界一次能
6、源供给的构成 12 2000年全球电力生产的能源构成 大中型水电 60 82 Mtce 生物质能 传 290 80 Mtce 小水电 39 05 Mtce 微水电 0 10 Mtce 生物质能 新 6 77 Mtce 太阳能 6 88 Mtce 地热 0 65 Mtce 风力发电 0 56 Mtce 13 中国2003年可再生能源开发利用量 14 15 2 汽论机分类 16 汽 轮 机 冲动式汽轮机 反动式汽轮机 背压式汽轮机 调节抽汽式汽轮机 凝汽式汽轮机 供热式汽轮机 低压汽轮机 中压汽轮机 高压汽轮机 超高压汽轮机 亚临界压力汽轮机 超临界压力汽轮机 按作功原理分 按功能分 按参数高低分
7、 17 按热力特性分类 即汽轮机型式 凝汽式 中间再热式 背压式 调整抽汽式 供热 TurbineTurbine 热用户 Turbine 18 按主蒸汽参数分类 低压汽轮机 小于1 47 Mpa 中压汽轮机 1 96 3 92 Mpa 高压汽轮机 5 88 9 81 Mpa 超高压汽轮机 为11 77 13 93 Mpa 临界压力汽轮机 15 69 17 65 Mpa 超临界压力汽轮机 大于22 15 Mpa 超超临界压力汽轮机 大于32 Mpa 1971200020102030 年增长率 煤 274941122018262 2 石油 613374808263 0 天然气 443812165
8、5 核电 0633909 3 水电 42741773 5 其它 016136 8 总和 3431355186130482 7 19 我国一次能源需求的情景预测 Mtce 1971200020102030 煤 98108117233503 石油 16465154 天然气 01974349 核电 01790242 水电 30222333622 其它 021042 总共 144138722824813 20 我国电力生产的情景预测 TWh 21 3 汽轮机的主要技术发展 采用大容量机组 提高蒸汽初参数 采用联合循环系统提高效率 提高机组的运行水平 4 汽轮机制造工业 美国 日本 通用电气公司 西屋电
9、气公司 日立制作所 东芝电器会社 三 菱重工株式会社 瑞士 中国 BBC公司 哈尔滨汽轮机厂 上海汽轮机 厂 东方汽轮机厂 北京重型电机厂 青岛汽轮厂 武汉汽轮发电机厂 杭州 汽轮机厂 南京汽轮发电机厂 22 第一章汽轮机级的工作原理 第一节 概述 一 汽 轮 机 的 级 级内能量转换过程 1 汽轮机的级 静叶栅 动叶栅 是汽轮机作功的最小单元 23 24 2 级内能量转换过程 具有一定压力 温度的蒸汽通过汽轮机的级时 首先在静叶 栅通道中得到膨胀加速 将蒸汽的热能转化为高速汽流的动 能 然后进入动叶通道 在其中改变方向或者既改变方向同 时又膨胀加速 推动叶轮旋转 将高速汽流的动能转变为旋 转
10、机械能 25 26 3 冲动级 当汽流通过动叶通道时 由于受到动叶通道形状的限制 而弯曲被迫改变方向 因而产生离心力 离心力作用于叶片上 被称 为冲动力 这时蒸汽在汽轮机的级所作的机械功等于蒸汽微团流进 流出动叶通道时其动能的变化量 而这种级称为冲动级 27 4 反动级 当汽流通过动叶通道时 一方面要改变方向 同时还要膨胀加速 前者会对叶片产生一个冲动力 后 者 会对叶片产生一个反作用力 即反动力 蒸汽通过这种级 两种力同时作功 通常称这种级为反动级 28 ht hn hb hn 1 m ht m ht 29 二 反动度 m hb hb hb 纯冲动级来说 0 蒸汽流出动叶的1p 2p bh
11、nh th 三 冲动级和反动级 30 冲动级有三种不同的形式 1 纯冲动级 通常把反动度 等于零的级称为纯冲动级 对于 为了提高级的效率 通常 冲动级也带有一定的反动度 0 05 0 20 这种级称为带反动度的冲动级 它具有作功 能力大 效率高的特点 速度C 具有一定的动能 C未被利用而损失 称这种损失为余速 损失 用 hc 2 表示 2 带反动度的冲动级 3 复 速 级 由一组静叶栅和安装在同一叶轮上的两列动叶栅及一组介于第 一 二列动叶栅之间 固定在汽缸上的导向叶栅所组成的级 称 为复速级 第一列动叶栅通道流出汽流 其流速还相当大 为了 利用这一部分动能 在第一列动叶栅之后装上一列导向叶栅
12、以改 变汽流的方向 使之顺利进入第二列动叶栅通道继续作功 复速 级也采用一定的反动度 复速级具有作功能力大的特点 4 反 动 级 通常把反动度 0 5的级称为反动级 对于反动级来说 蒸汽 在静叶和动叶通道的膨胀程度相同 即是 hb hn 12 ht 反动级是在冲动力和反动力同时作用下作 功 反动级的效率比冲动级高 但作功能力小 31 p1 p2 32 第二节汽轮机级内能量转换过程 一 基本假设和基本方程式 流过叶栅通道的蒸汽是具有粘性 非连续性和不稳定的三 元流动的实际流体 为了研究方便 特作如下假设 1 蒸汽在叶栅通道的流动是稳定的 即在流动过程中 通道 中任意点的蒸汽参数不随时间变化而改变
13、 2 蒸汽在叶栅通道的流动是一元流动 即蒸汽在叶栅通道中流 动时 其参数只沿流动方向变化 而在与流动方向相垂直的截 面上不变化 3 蒸汽在叶栅通道的流动是绝热流动 即蒸汽在叶栅通道中流 动时与外界没有热交换 33 h0 2 能 量 方 程 式 34 基本方程式 说明 这些基本方程式在 能源动力装置 基础 一书中讲过 不过多重复 1 连 续 方 程 式 G c A cA const v W c12 2 q h1 c02 2 3 状 态 及 过 程 方 程 式 pv RT 4 动 量 方 程 式 pv k const cdc vdp cdp R1 dk cdc 5 气 动 方 程 式 c a M
14、kvpa k p C1 C2 h0 h1 35 二 蒸汽在静叶栅通道中的膨胀过程 喷嘴的作用是让蒸汽在其通道中流动时得到膨胀 加速 将热能转变为动能 喷嘴是固定不动的 蒸汽 流过时 不对外作功 W 0 同时与外界无热交 换 q 0 则根据能量方程式 则 1 2 1 2 2 2 对于过热蒸汽 可近似看做理想气体 则上式可写成 1 2 2 2 p0 v0 p1v1 k k 1 p 0 v 0 1 c 2 36 一 喷 嘴 出 口 汽 流 速 度 计 算 1 喷嘴出口的汽流理想速度 在进行喷嘴流动计算时 喷嘴前的参数 p 初速 是 已知的条件 按等熵过程膨胀 其过程曲线如图1 7所 示 根据式 2
15、9 则喷嘴出口汽流理想速度为 蒸汽按等熵过程膨胀的终态焓 J kq 2 h 0 h1 t c 02c 1 t 0 p 1 p 0 2 k k 1 或者式 2 10 为 c 1 t k 1 k 上二式中 c1t 蒸汽流出喷嘴出口的理想速度 m s h1t h0 C0 h0 hc 0 p0 v0 1 p1 k p0 37 称为喷嘴的理想焓降 为了方便 引 用滞止参数 如图1 7所示 滞止焓值为 把相应的滞止参数 式 1 17 和 1 20 则 1 2 2 h0 c1t 2 hn k 1 2k k 1 c1t 图1 7 图1 7中 hn h0 h1t p0 v0 h0 分别代入 图1 8压力 焓降
16、截面积 汽流速度 音速 比容沿流动的变化规律 38 hn C1t C1 C1t 1 2 1 2 hn 2 喷嘴出口的汽流实际速度 3 喷嘴损失 1 26 1 26 a 39 实际流动是有损失的 汽流实际速度小于汽流理想速度 通常用喷嘴速度 系数 来考查两者之间的差别 通常取 0 97 这样 喷嘴出口的汽流 实际速度为 c1 c1t 1 2 1 2 1 2 2 2 2 蒸汽在喷嘴通道中流动时 动能的损失 称为 喷嘴损失 用 hn 表 示 1 2 n hn hn 喷嘴损失与喷嘴理想焓降之比称为喷嘴能量损失系数 用 n 表示 aC a0 p0 v0 知时 a0 一定值 40 二 喷 嘴 中 汽 流 的 临 界 状 态 1 临界速度 当在式 2 12 中用滞 止参数表示有关参数时 代入音速公式 则有 为滞止状态下的音速 当 在膨胀过程中 到某一截面会出现汽流速度等于当地音 速 当汽流速度等于当地音速时 则称此时的流动状态为临界 等表示 汽流的音速为 a kpv kRT 2 2 2 k 1 2 k 1 上式中 0 a 状态 这时的参数为临界参数 用 pcr vcr ccr 若以 代入 2 16
