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1、火力发电厂 汽轮发电机组的结构及工作原理新疆富蕴广汇新能源崔新佳 崔新佳2011年7月29日 汽轮机厂房内平台汽轮发电机组 汽轮机锅炉集中控制室 600前希腊人泰勒斯发现了电 丝绸和琥珀麽擦产生静电 1660年德国人埃里克发明了世界上第一台摩擦发电机 产生静电没有实用的价值 1780年意大利医生加法尼 通过动物组织对电流的反应 他认为电是动物组织产生的 1799年意大利物理学家伏特 他认为电不是来源动物1800年伏特他发明了世界上第一块电池 1821年英国人法拉第发明了世界上第一台发电机 1831年他发现当电磁铁穿过一个闭合回路时 线圈内就会产生电流 这就是 电磁感应 由此他发明了世界上第一台
2、永久磁铁能连续生产电流的发电机 1876年德国人西门子他发明了 采用电磁铁连续生产电流的发电机 1883年瑞典工程师拉瓦尔设计制造了世界上第一台冲动式汽轮机 1884年英国人帕森斯设计制造了世界上第一台反动式汽轮机 我国的第一台汽轮机是1949年在上海汽轮机制造容量为6000千瓦于1955年在淮南发电厂投产 人们把汽轮机和发电机有机结合就制造出了现在我们普遍使用的汽轮发电机组 人类自己通过劳动得到的经验和智慧找到了很多种发电的方法 1 风力发电 利用风的动能 来吹动叶轮转动 产生机械能 带动发电机子转子发电 风力发电机内部结构 潮汐发电 2 水力发电 利用水的势能 来推动水轮机的转子 带动发电
3、机转子 进行发电 利用海水的潮长潮落 产生的势能进行发电 3太阳能发电利用太阳的光辐射 通过光伏组件吸收热量 产生电能 太阳能发电和风力发电流程 热核反应 4氢 1氦 1KG氢的热核反应 相当地球燃烧19000T的标煤 太阳中可燃烧的氢为10分之1 能燃烧100多亿年 电磁波 粒子流 地球接收的能量只占总能量的20亿分之1 4 核能发电 利用铀235的核裂变 产生的能量 进行发电 中国核电站分布图 原理 1个中子进入铀235原子核以后 原子就变的不稳定 分裂成2个较小质量的原子核 这就是核裂反应 产生很大的能量的同时 还会放出2 3个中子和其他射线 这些中子再次进入铀235原子核 不断重复上述
4、核裂变反应 5 水力发电 利用水的势能推动水轮机转动 带动发电机转动发电 水力发电原理图 水力发电原理图 其他形式发电 1 地热发电2 垃圾发电3 生物发电4 抽水蓄能发电 火电厂 利用煤 石油 天然气为燃料生产电能的工厂能量转换过程燃料的化学能热能机械能电能 火力发电厂的几个基本概念 1 饱和水 指在一定条件时 水不能再溶解某种物质而达到此物质的饱和状态 但此饱和水还可以溶解其他物质 里面物质的溶解度并不会互相影响 2 饱和蒸汽 当液体在有限的密闭空间中蒸发时单位时间内进入空间的分子数目与返回液体中的分子数目相等时 则蒸发与凝结处于动平衡状态 3 过热蒸汽 就是在一定压力下 蒸汽达到饱和温度
5、 继续吸热 温度超过饱和温度 4 蒸汽湿度 湿蒸汽中所含水分的质量百分数 5 焓 热力学中表示物质系统能量的一个状态函数 常用符号H表示 数值上等于系统的内能U加上压强p和体积V的乘积 即H U pV 焓的变化是系统在等压可逆过程中所吸收的热量的度量 6 熵 表示物质系统状态的一个物理量 记为S 它表示该状态可能出现的程度 在热力学中 是用以说明热学过程不可逆性的一个比较抽象的物理量 孤立体系中实际发生的过程必然要使它的熵增加7 干球温度 干球温度是温度计在普通空气中所测出的温度 即我们一般天气预报里常说的气温 8 湿球温度 湿球温度是指同等焓值空气状态下 空气中水蒸汽达到饱和时的空气温度 火
6、力发电厂是由四大系统组成1 汽水系统2 燃烧系统3 电气系统4 控制系统为了让大家对汽轮机内部有个感性认识 我先给大家放一个三维小视频 汽轮发电机工作流程图 汽轮机的基本工作原理 汽轮机和发电机是火力发电厂三大主要设备的两大主机 单机功率劳动大 效率高 运行平稳 使用寿命长 汽轮机以蒸汽为工质 将热能转变为机械能 为发电机发电提供机械能 级 是汽轮机中最基本的工作单元 在结构上它是由静叶 喷嘴 和对应的动叶所组成 一列固定的喷嘴和与它配合的动叶片构成了汽轮机的基本作功单元 称为汽轮机的级 动叶片 喷嘴 叶轮 轴 冲动作用原理 冲动力的定义 根据力学知识 当一运动物体碰到另一个静止的物体或者运动
7、速度低于它的物体时 就会受到阻碍而改变其速度的大小或方向 同时给阻碍它的物体的一个作用力特点 蒸汽仅把从喷嘴中获得的动能转变为机械功 蒸汽在动叶通道中不膨胀 动叶通道不收缩 喷嘴出口处 蒸汽以相对速度w1进入动叶通道 由于受到动叶的阻碍 汽流方向不断改变 最后以相对速度w2流出动叶通道 在流道中蒸汽对动叶产生一个轮周方向的冲动力F1 该力对动叶作功使动叶转动 蒸汽流过无膨胀动叶通道时速度的变化 反动力定义 蒸汽在动叶汽道内膨胀时对动叶的作用力 根据动量守恒定律 当气体从容器中加速流出时 要对容器产生 个与流动方向相反的力 基本特点 蒸汽在动叶流道中不仅要改变方向 而且还要膨胀加速 从结构上看动
8、叶通道是逐渐收缩的 反动作用原理 从作用力方面分析原理 蒸汽流经级时先在喷嘴中膨胀压力降低 速度增加一方面通过速度方向的改变 产生冲动力F1蒸汽在动叶中继续膨胀 压力降低 所产生的焓降转化为动能造成动叶出口的相对速度w2大于进口相对速度w1 使汽流产生了作用于动叶上的与汽流方向相反的反动力Fr 在蒸汽的冲动力和反动力合力作用下推动动叶旋转作功 动叶通道是逐渐收缩的 汽轮机的工作原理1 工质 蒸汽 在汽轮机中的能量转换 2 蒸汽在汽轮机中 能量转换包括2个阶段 第一阶段 第二阶段 转速3000r min和3600r min 为全转速汽轮机转速1500r min和1800r min 为半转速汽轮机
9、频率50赫兹和60赫兹我国为50赫兹 蒸汽在汽缸的流动方向 1 按工作原理分类 汽轮机 冲动式汽轮机 按冲动作用原理 蒸汽在喷嘴中膨胀 在动叶中不膨胀 工作 冲动反动联合式汽轮机 冲动级 反动级组合 反动式汽轮机 按反动作用原理 蒸汽在喷嘴和动叶中均膨胀 工作 2 按热力特性分类 背压式汽轮机 排汽压力高于大气压 调节抽汽式汽轮机 部分蒸汽抽出并经压力调整后对外供热 其余做完功后排凝汽器 纯凝汽式 有回热抽汽的凝汽式 简称凝汽式 二 汽轮机的型号1 产品型号 2 汽轮机型号的汉语拼音代号 N 凝汽式 B 背压式 C 一次调节抽汽式 CC 二次调节抽汽式 CB 抽汽背压式 3 机组型号例子 N1
10、00 8 83 535N600 16 7 538 538 1B50 8 82 0 98CC50 8 82 0 98 0 118CB25 8 82 0 98 0 118 汽轮机电机的结构 滑销系统1 滑销系统的作用 1 允许机组进行有规律的膨胀2 保证汽缸和转子中心一致3 保证机组牢固的固定在基础上 2 滑销系统的组成横销 纵销 立销 角销等 国产引进型300 汽轮机滑销系统1 纵销 2 猫爪横销 3 定中心梁 4 纵销 5 横销 汽缸的作用汽缸即汽轮机的外壳 其作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开 以形成蒸汽热能转换为机械能的封闭汽室 汽缸内装有喷嘴室 喷嘴 静叶 隔板 静叶环 隔板套 静叶持环
11、 汽封等部件 在汽缸外连接有进汽 排汽 回热抽汽等管道以及文承座架等 为了便于说造 安装和检修 汽缸一船沿水平中分面分为上 下两个半缸 两者通过水平法兰用螺校装配紧固 另外为了合理利用材料以及加工 运输方便 汽缸也常以垂直结合面分为两或三段 备段通过法兰螺接连接紧固 汽轮机下汽缸 喷嘴 隔板 汽轮机喷嘴和喷嘴室 隔板和下汽缸组装 轴承 轴瓦 汽轮机的轴承有径向支持轴承和轴向推力轴承两种 1 径向支持承轴 支持转子重量和离心力 固定式 自立式 三油楔式 可倾瓦 2 推力承轴 承担汽轮机转子轴向推力 保证轴向间隙 瓦面全部采用乌金材料 径向轴承设计温度不超过90 推力轴承温度不超过85 汽轮机轴瓦
12、 汽轮机本体推力瓦 黄色为推力瓦块 汽轮机本体推力瓦和推力盘 汽轮机汽封 汽轮机汽封 汽封与汽封系统 汽轮机转子和静体之间需留有适当的间隙 从而不相互碰磨 间隙的存在就要导致漏汽 这不仅会降低机组 还会影响机组安全运行 为了减少蒸汽泄漏和防止空气漏人 需要有密封装置 通常称为汽封 汽封按其安装位置的不同 可分为通流部分汽封 隔板汽封 轴端汽封 汽封的作用 汽轮机工作时 转子高速旋转而静止部分不动 动 静部分之间必须留有一定的间隙 避免相互碰撞或摩擦 而间隙两侧一般都存在压差 这样就会有部分蒸汽通过间隙泄露 造成能量损失 使汽轮机效率降低 为了减小漏汽损失 在汽轮机的相应部位设置了汽封 汽封的工
13、作原理 轴与汽缸动静之间有间隙空气会进入低压缸蒸汽会从高压缸漏出 汽封的工作原理 加装汽封 汽封的工作原理 加装汽封后还是有少量的蒸汽漏出和空气进入 汽封的工作原理 加装供汽母管和汽封管线进入空气和漏出蒸汽抽走回用 汽轮机转子 汽轮机转子 汽轮机转子在高温蒸汽中高速旋转 不仅要承受汽流的作用力和由叶片 叶轮本身离心力所引起的应力 而且还承受着由温度差所引起的热应力 此外 当转子不平衡质量过大时 将引起汽轮机的振动 因此 转子的工作状况对汽轮机的安全 经济运行有着很大的影响 动叶片的结构 动叶片是汽轮机中数量最大和种类最多的零件 它的结构 材料和装配质量对汽轮机的安全和经济运行有极大的影响 在汽
14、轮机的事故中 叶片事故约占60 70 左右 所以必须予以足够的重视 叶片应具有良好的流动特性 足够的强度 满意的转动特性 合理的结构和良好的工艺性能 整煅转子 叶轮和主轴及其他主要零部件是用整体毛坯加工制成的 主轴的中心通常钻有中心孔 其作用是 去掉锻件中残留的杂质及疏松部分 用来检查锻件的质量 减轻转子的重量 高参数或超高参数机组的高压转子 防止高温下松动是主要的 因此广泛采用整锻转子 焊接转子 由若干个实心轮盘和端轴拼合焊接而成 焊接转子的主要优点是 不存在松动问题 采用实心的轮盘 强度高 不需要叶轮轮壳 结构紧凑 轮盘和转子可以单独制造 材料利用合理 加工方便且易于保证质量 焊成整体后转
15、子刚性较大等 但是焊接转子要求材料的可焊性好 焊接工艺及检验技术要求高且比较复杂 这一切在一定程度下妨碍了焊接转子的应用 套装转子 套装转子的叶轮 轴封套 联轴器等部件和主轴是分别制造的 然后将它们热套 过盈配合 在主轴上 并用键传递力矩 主轴加工成阶梯形 中间直径大 只适用于中 低参数的汽轮机和高参数汽轮机的中 低压部分 其工作温度一般在400 以下 组合转子 根据各段的工作条件不同 在同一转子上 高压部分采用整锻结构 中 低压部分采用套装结构 从而兼得整锻转子和套装转子的优点 组合转子广泛用于高参数 中等功率的汽轮机上 汽轮机下汽缸组装 汽轮机转子与下缸和下隔版 汽轮机前轴承箱 汽轮机前轴
16、承箱内部构件 危机遮断器飞锤 汽轮机盘车装置 汽轮机盘车装置作用及工作原理 安装上隔版 汽轮机扣大盖 汽轮机扣大盖 汽轮机专用螺栓 螺栓加热装置及法兰加热装置 汽轮机扣大盖完毕 发电机本体结构 发电机定子 发电机转子 发电机定子和转子装配 穿转子 汽轮发电机的构造 这里介绍汽轮发电机的构造 是由蒸汽轮机或燃气轮机推动的发电机 发电机主要由转子与定子组成 由于汽轮机的转速很高 故汽轮发电机的转子是两极的 额定转速每分钟3000转 输出50赫兹的三相交流电 汽轮发电机的构造 这是转子铁芯构造示意图 在铁芯圆周上开有一些槽 嵌有励磁绕组 在圆周两侧各有一段槽距大的面称为大齿 就是磁极 图1所示 励磁绕组两端通过集电环 滑环 接到励磁电源 在转子圆周两侧就形成北极与南极 旋转时就产生旋转磁场 发电机转子 发电机定子 定子铁芯与线 发电机剖面图 必须加强电机的冷却 汽轮发电机都采用了冷却效果较好的氢冷或水冷技术 励磁机 就是一个小功率的直流发电机 一般都为几十伏 励磁电压一般不变 即使变动也很小 而励磁电流的大小 由磁场变阻器或自动励磁调节器调节 它的作用是将发出来的直流电 供发电机转子磁极饶组
