什么是汽轮机-描述和特性-定义

一般来说,蒸汽轮机是一种旋转的热机,它将蒸汽中包含的热能转化为机械能或电能。汽轮机

汽轮机

一般来说,一个汽轮机是一个旋转热机转换热能中包含的蒸汽机械能电能.最简单的形式,一个汽轮机由A组成锅炉蒸汽发生器),涡轮冷凝器进料泵及各种辅助装置。例如,与往复式发动机不同的是,压缩、加热和膨胀是连续的,它们同时发生。汽轮机的基本操作与燃气轮机相似,只是工作流体是水和蒸汽,而不是空气或气体。

自从此以来汽轮机是一种旋转热发动机,特别适用于驱动发电机。注意90%世界上所有的发电都是通过蒸汽涡轮机进行的。蒸汽轮机是1884年由查尔斯爵士帕森斯他的第一个模型是连接一个发电机,产生7.5千瓦(10马力)的电力。汽轮机是所有现代和未来的热电厂的共同特征。事实上,融合发电厂的电力生产也基于传统汽轮机的使用。

参见:蒸汽的性质

汽轮机
汽轮机。许可:CC BY-SA 3.0

,

汽轮机的优点和缺点
好处
  • 由于蒸汽轮机是旋转热发动机,因此特别适合于驱动发电机。
  • 汽轮机的热效率通常比往复式发动机高。
  • 与往复式发动机相比,功率重量比非常高。
  • 运动部件比往复式发动机少。
  • 蒸汽轮机适用于大型火力发电厂。它们由多达1.5 GW(2,000,000 HP)涡轮机的各种尺寸制成,用于发电。
  • 一般来说,蒸汽包含大量的焓(特别是以汽化热的形式)。这意味着与燃气轮机相比,质量流量更低。
  • 一般来说,涡轮只朝一个方向运动,振动比往复式发动机小得多。
  • 蒸汽轮机具有更高的可靠性,特别是在需要持续高功率输出的应用中。

缺点

尽管世界上大约90%的电力是由蒸汽涡轮机产生的,但它们也有一些缺点。

  • 隔夜成本相对较高。
  • 蒸汽轮机比在零件负载操作中效率低于往复式发动机。
  • 它们的启动时间比燃气轮机长,当然也比往复式发动机长。
  • 与燃气轮机和往复式发动机相比,对动力需求的变化反应较慢。

汽轮机如何工作?

涡轮增压复合
涡轮增压复合

热能中包含的蒸汽转化为机械能的方法是通过涡轮膨胀.膨胀是通过一系列固定的叶片(喷嘴)进行的,这些叶片引导蒸汽流向高速飞机.这些射流含有大量的动能,这些动能被桶状的转子叶片转化为轴的旋转,如蒸汽射流改变方向(看:动量守恒定律).蒸汽射流在叶片的弯曲表面上移动时,由于其离心力,在叶片上施加压力。每排固定喷嘴和移动刀片都被称为a阶段.叶片在涡轮转子上旋转,固定叶片集中布置在圆形涡轮机壳内。

在所有的涡轮机旋转刀片速度成比例的到了蒸汽速度把刀递过来。如果蒸汽从锅炉压力到排气压力仅在一个阶段膨胀,其速度必须极高。但是核电站中典型的主涡轮机,蒸汽因压力而膨胀6 MPa对压力0.008 MPa,运行速度约3000 RPM为50hz系统的2极发电机。(或1500RPM for 4-pole generator), and 1800 RPM for 60 Hz systems for 4-pole generator (or 3600 RPM for 2-pole generator). A single-blade ring would require very large blades and approximately 30 000 RPM, which is too high for practical purposes.

因此大部分的核电站运营着一个单轴涡轮发电机它包含一个多级HP涡轮机3个并联多级低压涡轮机,一个主发电机和一个励磁机。HP涡轮机通常是双流量反动式汽轮机大约10个阶段,带盖叶片,并产生电厂单元总功率输出的约30-40%。LP涡轮机通常是双流反动涡轮机大约5-8个阶段(带遮蔽的刀片和最后3个阶段的独立刀片)。低压涡轮机产生约60-70%的总功率输出电厂机组。每个涡轮转子安装在两个轴承上,即每个涡轮模块之间有双轴承。

参见:HP涡轮机

参见:LP涡轮

rankine周期 -  TS图
朗肯循环- t图

在这些涡轮机中,高压级接收蒸汽(这种蒸汽是饱和的蒸汽 -x = 0.995.- 图中的点C;6 MPa;275.6°C)从蒸汽发生器并用液体分离器(点D)排气。必须重新加热蒸汽,以避免可能对汽轮机叶片造成的损坏低质量的蒸汽.再热器加热蒸汽(D点),然后蒸汽被引导到汽轮机的低压阶段,在那里膨胀(E点到F点),排出的蒸汽在冷凝器中冷凝,其压力远低于大气压力(绝对压力)0.008 MPa),并处于部分凝聚状态(F点),其质量通常接近90%。

典型3000mw压水堆汽轮机
典型3000MWTH PWR的蒸汽轮机架构。

汽轮机类型

汽轮机类型

汽轮机可根据其结构、工作压力、尺寸和许多其他参数分为不同类别。但是有两种基本类型的汽轮机:

  • 脉冲发电机
  • 反应涡轮机

主要的区别是蒸汽在经过涡轮时膨胀的方式。

脉冲涡轮机和反应涡轮机

基于叶片几何和能量转换过程的蒸汽轮机类型是脉冲涡轮机和反应涡轮机。

汽轮机。汽轮机的类型

冲动式汽轮机

汽轮机冲动式汽轮机由...组成移动刀片交流与固定喷嘴.在冲动式涡轮中,蒸汽在固定的喷嘴中膨胀,并在通过叶片时保持恒定压力。柯蒂汽轮机拉多式涡轮,或布朗涡轮涡轮机是脉冲式涡轮机。最初的蒸汽涡轮机,德拉瓦尔,是一个冲动涡轮机有一个单叶片的轮子。

蒸汽的整个压降只发生在静止的喷嘴中。虽然理论上的脉冲叶片在动叶中有零压降,但实际上,要让流动发生在动叶上,动叶上也必须有一个小的压降。

脉冲VS反应涡轮机 - 比较
脉冲VS反应涡轮机 - 比较

在脉冲涡轮机中,蒸汽通过喷嘴膨胀,其中大部分压力电位能量被转换为动能。这高速蒸汽从固定喷嘴影响叶片改变它的方向,轮到了申请力量.这产生的冲动推动叶片向前,使转子转动。这些涡轮的主要特点是,每一级的压降可以相当大,允许大叶片和更少的级。除了低功率应用外,涡轮叶片被安排在多级串联中,称为复合,这大大提高了低速时的效率。

现代蒸汽涡轮机经常在同一单元中使用反应和脉冲,通常改变反应程度和从叶片根部到其周边的脉冲程度。转子叶片通常设计成腐烂的脉冲叶片,并且在尖端处的反应刀片。

涡轮叶片-冲动和反作用
冲动-反动式刀片

由于Curtis压裂段大大降低了流体的压力和温度,使其处于中等水平,每个压裂段的工作量很大。通常的安排是在高压侧提供一个或多个柯蒂斯阶段,然后是拉托阶段或反应阶段。一般来说,当考虑摩擦时,反应阶段是最有效的,其次是拉托和柯蒂斯。摩擦损失对于Curtis阶段非常重要,因为这些与蒸汽速度平方成比例。摩擦损失在反应阶段不太重要的原因在于蒸汽连续膨胀并且流速较低。

汽轮机的配制
汽轮机的配制是一种从蒸汽中提取能量的方法,它是在汽轮机的多个阶段而不是单个阶段中提取的。在所有的涡轮中,旋转的叶片速度与通过叶片的蒸汽速度成正比。如果蒸汽仅在从锅炉压力到排气压力的单级扩展,则其速度必须非常高。

一种复合汽轮机具有多级结构也就是说,它有一组以上的喷嘴和转子,在串联中,键对轴或固定到机匣,以便蒸汽压力或喷射速度被汽轮机在若干阶段吸收。例如,惠普大涡轮用于核电站的用于双流反应涡轮机10个阶段笼罩叶片。大型LP涡轮机在核电站中使用的通常是5-8级左右的双流反动涡轮机(带冠叶和最后3级的独立式叶片)。

在脉冲式汽轮机中,复合可通过以下三种方式实现:

  • 压力加剧
  • 速度复合
  • 压力 - 速度复合

汽轮机。汽轮机的类型

速度加剧
脉冲涡轮 - 速度复合
冲动涡轮速度复合

一种velocity-compounded冲动级由A组成固定喷嘴排其次是两个或多排移动刀片固定刀片(没有扩张)。这将整个阶段的速度下降分为几个更小的下降。在这种类型中,蒸汽的总压降(膨胀)只发生在第一喷嘴环.这会产生高速蒸汽,流过多个固定和移动刀片的阶段。在每个阶段,只有一部分高速被吸收,其余部分被耗尽到下一个固定叶片的环。固定刀片的功能是将蒸汽(不明显改变速度)重定向,从第一环移动叶片到第二环移动叶片。然后将射流通过到下一个移动刀片的下一环上,该过程重复自身直到实际上射流的所有速度都被吸收。

这种速度复合方法用于解决用于使用高压蒸汽的单级脉冲涡轮机的问题(即涡轮机的所需速度),但由于高摩擦损失,它们效率较低。

压力复合 - 无限量涡轮 - Zoelly涡轮机
涡轮增压复合
涡轮增压复合

一种压力复合脉冲阶段是一个固定喷嘴排紧随其后的是一个动叶排,有多个复合阶段。在这种类型中,蒸汽的总压降并不发生在第一个喷嘴环上,而是在所有喷嘴环之间划分。分阶段吸收压降的效果是降低进入动叶的蒸汽速度。来自锅炉的蒸汽通过第一个喷嘴环部分扩展.然后它经过第一个运动的叶片环,几乎所有的速度(动量)都被吸收。从这个环,它排出到下一个喷嘴环,并再次部分扩展.这种压力复合方法用于大型和Zoelly涡轮机,但是这种涡轮机的尺寸更大,较大。

压力-速度复合-柯蒂斯涡轮
柯蒂斯涡轮-压力-速度复合
柯蒂汽轮机 - 压力 - 速度复合

脉冲级可以是压力复级,速度复级,或者压力 - 速度复合.这压力 - 速度复合是一个结合以上两种复利的组合。实际上,一系列速度复合脉冲级称为压力-速度复合涡轮。每个阶段由固定和移动叶片组成的环。每一组动叶环由一个固定喷嘴环隔开。每个阶段有一个固定喷嘴环和3-4个动叶环(固定叶环之间)。每一级充当一个速度复合冲动涡轮机。

来自蒸汽发生器的蒸汽被传递到第一环的固定喷嘴,在那里它得到部分扩展.压力部分减小,速度相应增加。然后,它经过3-4个运动的叶片(在它们之间有固定的叶片),几乎所有的速度都被吸收。从级的最后一个环排出到下一个喷嘴环,然后再次部分膨胀。

这有一个优势,允许一个更大的压降在每个阶段,因此,更少的阶段是必要的,导致一个较短的涡轮给定的压降。可以看出,在每个阶段的压力是恒定的;因此,这种涡轮机是一种冲动式涡轮机。采用压力-速度复合的方法柯蒂汽轮机

反应涡轮机 - 普通涡轮机

反动式涡轮机示意图反动式汽轮机由...组成移动刀片(喷嘴)交替固定的喷嘴.在反动式水轮机中,蒸汽在固定喷嘴中膨胀,也在移动喷嘴中膨胀。换句话说,蒸汽在不断膨胀当它流过叶片时。动叶中存在压力和速度损失。活动的叶片有一个收敛的蒸汽喷嘴。因此,当蒸汽经过固定叶片时,它会随着蒸汽压力的减小和动能的增加而膨胀。

在反作用涡轮中,蒸汽通过固定的喷嘴膨胀,在那里压力势能转化为动能。来自固定喷嘴的高速蒸汽冲击叶片(喷嘴),改变其方向并发生进一步变化扩张.这改变方向和年代团队加速适用于一个力。由此产生的脉冲推动叶片向前,使转子转动。在整个阶段,蒸汽速度没有净变化,但压力和温度都有所降低,这反映了在驱动转子时所做的工作。在这种类型的涡轮中,压力下降发生在几个阶段,因为一个阶段的压力下降是有限的。

这种类型的涡轮机的主要特点是与脉冲涡轮机相反,每个阶段的压降较低,这样叶片就变小了阶段数量增加.另一方面,反应涡轮机通常更有效,即它们具有更高的“涡轮等熵效率”.该反应涡轮机由Charles Parsons的Sir Sir,称为寄生涡轮机。

在蒸汽涡轮机的情况下,例如将被用于发电反动式汽轮机需要大约将刀片行数增加一倍作为脉冲式透平,可进行相同程度的热能转换。虽然这使得反动涡轮更长更重,但在相同的热能转换中,反动涡轮的整体效率略高于等效脉冲涡轮。

现代蒸汽涡轮机经常在同一单元中使用反应和脉冲,通常改变反应程度和从叶片根部到其周边的脉冲程度。转子叶片通常设计成腐烂的脉冲叶片,并且在尖端处的反应刀片。

涡轮叶片-冲动和反作用

反动涡轮的压力复合
蒸汽涡轮机的复合是一种方法,其中来自蒸汽的能量在多个阶段中提取而不是在涡轮机中的单个级。在所有的涡轮中,旋转的叶片速度与通过叶片的蒸汽速度成正比。如果蒸汽仅在从锅炉压力到排气压力的单级扩展,则其速度必须非常高。

复合汽轮机有多个级,也就是说,它有一组以上的喷嘴和叶片,它们串联在轴上或固定在机匣上,以便蒸汽压力或喷射速度被汽轮机在多个级上吸收。例如,惠普大涡轮用于核电站可以双流反应涡轮机约为10个阶段笼罩叶片。大型LP涡轮机通常用于核电站双流反动涡轮机约为5 - 8阶段(带有遮盖的刀片和最后3个阶段的独立刀片)。

在反作用汽轮机中,只有在压力混合气中才能实现混合气。事实上,这并不完全相同,它被讨论在冲动涡轮机。注意,在固定和移动的叶片中都有蒸汽膨胀。

汽轮机的分类。供汽和排汽条件

汽轮机根据其用途和用途,可分为不同类别工作压力.汽轮机的工业使用影响蒸汽的初始和最终状态。要使任何汽轮机运转,供汽和排气之间必须存在一个压差。

这种分类包括:

冷凝汽轮机
冷凝器-低压加热器-除氧器

冷凝汽轮机在火电厂中最常见。在一个凝汽式汽轮机,从蒸汽中提取最大能量量,因为有非常高的焓差在首字母(例如。6 mpa;275°C;x = 1)和最终(例如0.008MPa;41.5°C;x = 0.9)蒸汽条件。这是通过将废气排入冷凝器(称为表面冷凝器),其从主涡轮机的低压阶段冷凝排气蒸汽(降低蒸汽的温度和压力)。通过从含有水冷却系统的水的管通过含水的管冷凝。

朗肯循环-冷凝器压力
减小涡轮机排气压力增加每周期的净工作,但也降低了出口蒸汽的蒸汽质量。

保持最低实际涡轮排气压力的目标是在热电厂中包括凝汽器的主要原因。冷凝器提供真空,最大限度地从蒸汽中提取能量,从而显著增加净功和热效率。但这个参数(冷凝器压力)也有其工程局限性:

  • 降低涡轮排气压力会降低蒸汽质量(或干燥分数)。在某一时刻必须停止膨胀,以避免对汽轮机叶片造成损伤低质量的蒸汽
  • 降低涡轮排气压力会显著增加排汽比容,这就需要在汽轮机低压段的最后几排叶片很大。

在一个典型的凝汽式汽轮机,排出的蒸汽在冷凝器中冷凝,其压力远低于大气压力(绝对压力)0.008 mpa,对应41.5°C)。这种蒸汽处于部分冷凝状态(F点),质量通常接近90%。需要注意的是,冷凝器内部的压力也取决于周围的大气条件:

  • 空气的温度、压力和湿度在冷却时进入大气
  • 水的温度和流量在冷却时流入河流或海洋

环境温度的升高会导致排汽压力成比例的升高(ΔT = 14°C通常是恒定的)因此电力转换系统的热效率降低。换句话说,电气输出发电厂的可能会有所不同环境条件,而热功率保持不变。

内部的压力冷凝器由环境空气温度(即冷却系统中的水温)给出,并通过蒸汽喷射器真空泵从表面冷凝器拉动气体(非冷凝物)并将它们喷射到大气中。

最低可行冷凝器压力是与环境温度相对应的饱和压力(例如绝对压力)0.008 mpa,这对应于41.5°C).注意,在(周围)之间总是有一个温差ΔT = 14°C)冷凝器温度和环境温度,这源于冷凝器有限的尺寸和效率。

背压式汽轮机
背压式汽轮机示意图
背压汽轮机 - 架构

背压蒸汽轮机或非凝汽式汽轮机是应用最广泛的处理蒸汽应用.蒸汽是许多工业过程的主要能源。的受欢迎程度生产用蒸汽作为一种能源,它有许多优点,包括:

  • 高的热容,
  • 可运输性
  • 低毒性

工艺蒸汽可以由背压汽轮机,它也产生机械功(或电能)。背压涡轮机将锅炉供应的活蒸汽扩大到工艺所需的压力。排气压力由调节阀控制,以适应工艺蒸汽压力的需要。背压涡轮机通常在炼油厂,集中供热设备,纸浆和造纸厂,以及海水淡化设备需要大量低压工艺蒸汽的地方。背压式汽轮机所产生的电力与所需要的工艺蒸汽量成正比。

再热汽轮机
朗肯循环 - 再热 - 超热
兰宁循环重新加热和过热低压阶段

再热汽轮机也仅在热电厂中使用。具有高压涡轮机和低压涡轮机的所有涡轮机使用这些阶段之间的蒸汽再加热。再热允许在接近循环峰的温度下提供更多热量(即热效率增加)。这需要添加另一种称为a的热交换器回热器.再热器的使用包括分裂涡轮,即使用多级涡轮与再热器。据观察,两级以上的再加热是不必要的,因为下一级的循环效率仅为前一级的一半。

汽轮机的高压和低压级通常在同一个轴上驱动一个共同的发电机,但它们有不同的情况。与A.回热器后提取流局部扩张(点D),回运行通过热交换器将其加热到峰值温度(点E),然后传递给低压涡轮。然后在低压涡轮中完成从E点到F点的膨胀。

蒸汽一定是重新加热或过热为避免低质量蒸汽对汽轮机叶片造成损伤。当凝结水喷到叶片上时,高水滴含量会引起叶片的快速冲击和侵蚀。为了防止这种情况,在通往汽轮机的蒸汽管道中安装冷凝水排水管。再热器的加热蒸汽的蒸汽(D),然后是针对汽轮机的低压阶段,扩张(E, F)。精疲力竭的蒸汽压力低于大气,而且,从这幅图中可以看出,部分冷凝的蒸汽状态(F),通常的质量接近90%,但它的蒸汽质量要比没有再加热时高得多。相应地,过热也倾向于缓解涡轮排气的低汽质问题。

湿汽轮机 - 膨胀

抽汽式汽轮机
提取类型发电机在所有应用中很常见。在某些应用中,在需要时,蒸汽可以从蒸汽流过最后阶段的汽轮机之前从涡轮机中提取,命名提取涡轮机.正如在背压涡轮机,提取的蒸汽可以用于许多工业过程或它可以被使用提高热力学循环的效率.第二种情况通常被称为热再生

几乎所有的大型蒸汽涡轮机使用热再生(即,他们是提取涡轮机),因为它减少燃料量那必须加到锅炉里。热量的减少可以通过将热量(部分膨胀的蒸汽)从汽轮机的某些部分传递给给水来实现,这部分热量通常远远高于环境温度。请注意,蒸汽中包含的大部分能量是以蒸发潜热.萃取流量可以用阀门控制,也可以不加控制。

例如,大多数核电站运行的是由一个多级组成的单轴涡轮发电机惠普涡轮3或4条自动调节提取线并有三段并联多段LP涡轮机3或4条自动调节提取线

高压给水加热器通常是通过抽汽从高压涡轮,HP,而低压给水加热器通常是通过抽汽从低压涡轮机,LP。两者都是自我调节的。这意味着进给水的流量越大,蒸汽的吸热速率越大,提取蒸汽的流动越大。

典型3000mw压水堆汽轮机
典型3000MWTH PWR的蒸汽轮机架构。

涡轮刀片

最重要的涡轮元件是涡轮叶片.它们是将工质压力能转化为动能的主要元素。涡轮叶片有两种基本类型:

  • 移动刀片
  • 固定刀片

蒸汽涡轮发电机,蒸汽通过固定叶片(喷嘴)膨胀,压力势能在此转化为动能。来自固定喷嘴的高速蒸汽冲击移动的叶片,改变其方向并膨胀(在反应型叶片).其方向的改变和蒸汽加速度(在反作用力叶片的情况下)施加了一个力。由此产生的脉冲推动叶片向前,使转子转动。基于叶片几何形状和能量转换过程的汽轮机类型有:

  • 冲动式汽轮机
  • 反动式汽轮机

现代蒸汽涡轮机经常在同一单元中使用反应和脉冲,通常改变反应程度和从叶片根部到其周边的脉冲程度。转子叶片通常设计成腐烂的脉冲叶片,并且在尖端处的反应刀片。

涡轮叶片-冲动和反作用

steam_turbine_blade_3涡轮的效率和可靠性取决于叶片的合理设计。因此,对于所有参与涡轮机工程的工程师来说,有必要对汽轮机叶片的重要性和基本设计方面有一个概述。工程涡轮叶片是多学科的任务.它涉及到w88优德app,空气动力学,机械和材料工程

用于燃气轮机,涡轮叶片往往是限制部件。循环中最高的温度出现在燃烧过程的末尾,它受到最高温度这一涡轮叶片可以承受。像往常一样,冶金考虑(约1700 k)放置上限对热效率。因此涡轮刀片通常使用异国物质超合金以及许多不同的冷却方法,如内部空气通道、边界层冷却和热障涂层。20世纪40年代高温合金的发展和50年代真空感应熔炼等新的加工方法极大地提高了涡轮叶片的温度能力。现代涡轮叶片经常使用镍基超合金它含有铬、钴和铼。

汽轮机刀片没有暴露在这种高温下,但它们必须承受运行两相流体.当凝结水喷到叶片上时,高水滴含量会引起叶片的快速冲击和侵蚀。为了防止这种情况,例如,在通向涡轮机的蒸汽管道中安装冷凝水排水管。工程师面临的另一个挑战是低压涡轮末级叶片的设计。这些叶片必须是(由于高比容蒸汽)很长时间,诱导巨大的离心力量在操作期间。因此,涡轮叶片受到离心力(涡轮级每分钟可旋转数万转(RPM),但通常在1800转)和流体力的压力,可导致断裂、屈服或蠕变失效。

涡轮叶片-根部,型线,叶冠

涡轮叶片通常分为三个部分:

  • 根。根是涡轮叶片的结构特征,其将刀片固定到涡轮机转子中。
  • 概要文件。它将蒸汽的动能转化为叶片的机械能。
  • 裹尸布。叶冠减小了高压蒸汽流经叶片时所引起的叶片振动。

蒸汽轮机的损失

汽轮机不是一个完美的热机。能量损失往往会降低涡轮的效率和输出功。这种低效率可以归结为以下原因。

  • 剩余速度的损失。离开汽轮机的蒸汽速度必须有一定的绝对值(v前女友).由于蒸汽绝对出口速度导致的能量损失与(v前女友2/ 2)。采用多级涡轮可以降低这种损失。
  • 存在摩擦在真正的热力学系统或实际热力发动机中,整个周期效率低下的一部分是由于各个组分的摩擦损失(例如喷嘴或涡轮机叶片)
  • 蒸汽泄漏。涡轮转子和壳体不能完全绝缘。一定量的蒸汽从腔室泄漏而不进行有用的工作。
  • 轴承中机械摩擦造成的损失。每个涡轮转子安装在两个轴承上,即每个涡轮模块之间有双轴承。
  • 调节阀和蒸汽管道中的压力损失。有主要的蒸汽管道隔离阀(msiv),节流阀和控制阀之间的蒸汽发电机和主涡轮机。就像管道摩擦一样,微小的损失是大致与流量的平方成正比.主蒸汽管道的流量通常很高。虽然节流是一个等焓过程,可在涡轮机工作的焓下降是减少的,因为这导致一个蒸汽质量增加出口蒸汽。
  • 蒸汽质量差造成的损失.耗尽的蒸汽在低于大气压良好的压力下,蒸汽处于部分冷凝状态,通常在90%附近的质量。当冷凝水被喷射到叶片上时,水滴的较高含量可能导致叶片的快速冲击和侵蚀,这发生在叶片上。
  • 辐射损失。蒸汽轮机可以在稳态状态下,入口条件为6MPa,T = 275.6°。由于它是一个大而重量的机器,必须热绝缘,以避免对周围环境的任何热量损失。

汽轮机调节

控制汽轮机是控制蒸汽到蒸汽涡轮机的流量的过程,以便在涡轮机上的负载保持涡轮机的速度相当恒定。核电厂中的典型主涡轮机,其中蒸汽从约6MPa的压力扩张到约0.008MPa,以速度运行:

  • 3000RPM为2极发电机的50 Hz系统(或为4极发生器的1500rpm),
  • 对于4极发电机的60 Hz系统(或用于2极发电机3600 RPM)的1800 RPM。

汽轮机运行过程中负荷(输出功率)的变化对其性能和效率有重要影响。传统上,核电厂(NPPs)被认为是Baseload来源因为他们依赖高固定成本和低可变成本的技术。然而,这种简单的情况不再适用于所有国家。核电的比例在全国电力的一些国家已经变得如此之大,以至于事业不得不实现或提高机动性能力的电厂为了能够适应电力供应日报,季节性或其他电力需求的变化。例如,法国的情况就是这样,75%以上的电力是由核电站产生的,一些核反应堆也在运行load-following模式

汽轮机运行的首要目标是保持恒定的转速,而不考虑负载的变化。这可以通过在汽轮机中调节来实现。汽轮机中使用的主要调节方法有:

  1. 喷嘴调节
    喷嘴控制。资料来源:wikipedia.org许可证:cc by-sa 3.0

    节流调节.简单的节流阀控制系统的主要部分是节流阀阀,尤其是蒸汽发生器和主涡轮机之间的控制阀。控制阀的主要目的是降低蒸汽流速。偶然降低了流量的质量速率,蒸汽经历了对照阀的增加压降,这实际上是一种型号。虽然节流是一个等焓过程,可在涡轮机工作的焓下降是减少的,因为这导致一个增加蒸汽质量出口蒸汽。

  2. 喷嘴调节.在喷嘴控制调节中,来自主阀的蒸汽供应分为两条、三条或更多的管道。蒸汽的流量是通过一组喷嘴的开启和关闭来调节的,而不是通过调节它的压力。
  3. 绕过管理.这通常用于过载阀,它将蒸汽直接输送到汽轮机的后期。在这样的操作期间,旁通阀被打开,活蒸汽被引入汽轮机的后期阶段。这产生更多的能量来满足增加的负载。
  4. 2和3的组合

涡轮旅行

每台汽轮机还配备有紧急州长它们在特定的条件下起作用。一般来说,一个无计划的紧急停车被称为"涡轮旅行“。这涡轮旅行信号启动快速关闭所有蒸汽入口阀门(例如,涡轮停止阀- TSVs),以阻止蒸汽流过涡轮。

涡轮机跳闸事件是标准假设瞬态,必须在核电厂的安全分析报告(SAR)中分析。

在涡轮脱扣事件中,涡轮或反应堆系统的故障导致涡轮脱扣,突然停止向涡轮输送蒸汽。汽轮机跳闸的常见原因如下:

  • 涡轮轴的速度增加超过特定值(例如110%)-汽轮机超速
  • 汽轮机的平衡受到干扰或由于高振动
  • 失败润滑系统
  • 低真空在冷凝器
  • 手动的应急发电机之旅

在涡轮机跳闸之后,反应器通常直接从系统衍生的信号绊倒。另一方面,当发生反应器跳闸时,电抗器保护系统启动涡轮机跳闸信号。由于核蒸汽供应系统(NSSS)仍然存在仍然是能量,因此自动涡轮机旁路系统将适应多余的蒸汽产生。

涡轮发电机发电原理 - 发电

大部分的核电站运营着一个单轴涡轮发电机它包含一个多级HP涡轮机3个并联多级低压涡轮机,一个主发电机和一个励磁机。HP涡轮机通常是双流脉冲涡轮机(或反应类型),具有约10个阶段,具有遮蔽刀片,产生电厂单元的总功率输出的约30-40%。LP涡轮机通常是5-8级左右的双流反动涡轮(带冠叶和最后3级的独立式叶)。低压涡轮机产生约60-70%的总功率输出电厂机组。每个涡轮转子安装在两个轴承上,即每个涡轮模块之间有双轴承。

典型3000mw压水堆汽轮机
典型3000MWTH PWR的蒸汽轮机架构。

从蒸汽发生器到主蒸汽线 - 蒸发

蒸汽发生器-立式
蒸汽发生器-立式

典型电力转换系统压水式反应堆开始的蒸汽发生器在它们的壳边。蒸汽发生器是热交换器用于转换进给蒸汽从一个核反应堆核心.进给水(二次电路)被加热~ 230°C 500°F(通过再生器预热的流体)到该流体的沸点(280°C;536°F;6、5 mpa).热量通过这些管的壁转移到位于交换器的次级侧的下压力二次冷却剂,其中冷却剂蒸发到加压蒸汽饱和蒸汽280°C;536°F;6、5 MPa).饱和蒸汽通过蒸汽出口离开蒸汽发生器并继续到主蒸汽线更进一步说汽轮机

蒸汽发生器到主蒸汽管道这se main steam lines are cross-tied (e.g. via steam collector pipe) near the turbine to ensure that the pressure difference between any of the steam generators does not exceed specific value thus maintaining system balance and ensuring uniform heat removal from the Reactor Coolant System (RCS). The steam flows through the主蒸汽线隔离阀(msiv),从安全的角度来看,这是非常重要的高压涡轮。直接在汽轮机的进口处,有throttle-stop阀门控制阀.通过改变这些涡轮阀的开口来实现涡轮机控制。在一个涡轮旅行,蒸汽供应必须非常迅速地隔离,通常在几分之一秒内,所以截止阀必须快速可靠地工作。

高压下水的蒸发-蒸汽发生器中的能量平衡
蒸汽发生器-立式
蒸汽发生器-立式

计算一次冷却剂的量,需要蒸发1千克给水在一个典型的蒸汽发生器.假设没有能量损失,这只是一个理想化的例子。

初级电路的平衡

热的一次冷却剂(水330°C;626°F;16MPA)被泵入蒸汽发生器通过初级入口。主要冷却液叶子(水295°C;563°F;16 mpa)蒸汽发生器通过主要出口。

H我,进= 1516 KJ / kg

= >Δh一世= -206 kJ /公斤

H我出口= 1310 kj / kg

给水平衡

蒸汽发生器-逆流热交换器
典型PWR蒸汽发生器中的温度梯度。

给水(水230°C;446°F;6、5 mpa)被泵入蒸汽发生器通过给水口。进给水(二次电路)被加热~ 230°C 446°F达到液体的沸点(280°C;536°F;6、5 mpa).给水然后蒸发,加压蒸汽饱和蒸汽280°C;536°F;6、5 MPa)通过蒸汽出口离开蒸汽发生器,并继续到蒸汽轮机。

H二世,入口= 991 kJ /公斤

= >ΔhII= 1789 kJ /公斤

H二世,出口= 2780 kJ /公斤

蒸汽发生器的平衡

由于对初级冷却剂的特定焓差的差异小于给水水,因此初级冷却剂的量将高于1kg。从进料水中生产1千克饱和蒸汽,约1789/206 x 1 kg = 8.68千克需要一次冷却剂。

等压加热
朗肯循环- Ts图
朗肯循环- Ts图

等压加热(在热交换器-锅炉)-在这个阶段(状态2和状态3之间)有一个恒压热传导到液体冷凝物从外部来源,因为腔室是开放的,流入和流出。w88优德备用网址 微博给水(二次回路)被加热到该流体的沸点(2→3a),然后在锅炉(3a→3)中蒸发问:添加= H.3.- - - - - - H2

从涡轮阀门到冷凝器-膨胀

rankine周期 -  TS图
朗肯循环- t图

通常大多数核电站操作多级冷凝汽轮机.在这些涡轮机中,高压级接收蒸汽(这种蒸汽几乎是饱和的蒸汽 - x = 0.995-点C;6 MPa;275.6°C)从蒸汽发生器并用液体分离器 - 再热器(MSR - 点D)排气。必须重新加热蒸汽,以避免可能对汽轮机叶片造成的损坏低质量的蒸汽.当凝结水喷到叶片上时,高水滴含量会引起叶片的快速冲击和侵蚀。为了防止这种情况,在通往汽轮机的蒸汽管道中安装冷凝水排水管。

资料来源:TVO  -  Olkiluoto 3 NPP www.tvo.fi/uploads/julkaisut/tiedostot/ydinvoimalayks_ol3_eng.pdf
资料来源:TVO - Olkiluoto 3 NPP www.tvo.fi/uploads/julkaisut/tiedostot/ydinvoimalayks_ol3_eng.pdf

通过从涡轮机的高压级和直接从主蒸汽管线的蒸汽通过汽油蒸汽过热,无蒸汽蒸汽过热。加热蒸汽冷凝在管中,并排放到给水系统中。

再热器加热蒸汽(D点),然后蒸汽被引导到汽轮机的低压阶段,在那里膨胀(E点到F点),排出的蒸汽在冷凝器中冷凝,其压力远低于大气压力(绝对压力)0.008 MPa),并处于部分凝聚状态(F点),其质量通常接近90%。汽轮机的高压和低压级通常在同一个轴上驱动一个共同的发电机,但它们有不同的情况。主发电机产生电力,然后供给电网。

湿汽轮机 - 膨胀

汽轮机高压级膨胀
汽轮机高压级稳定运行,进口条件为6mpa, t = 275.6°C, x = 1 (C点),蒸汽在1.15 MPa, 186°C, x = 0.87 (D点)的压力下离开汽轮机焓差(通过HP涡轮机完成的工作)这两个状态之间。

状态C的焓可以直接从蒸汽桌子,而状态D的焓必须用蒸汽质量来计算:

H1、湿=2785 kj / kg

H2、湿= H.2,S.X + (1 - X) h2,L.= 2782。0.87 +(1 - 0.87)。790 = 2420 + 103 =2523 kj / kg

Δh = 262 kJ/kg = W生命值

等熵膨胀
朗肯循环- Ts图
朗肯循环- Ts图

虽然熵扩张(汽轮机中的膨胀)-锅炉中的蒸汽在汽轮机中从状态3绝热膨胀到状态4,产生功,然后排放到冷凝器(部分冷凝)。蒸汽对周围环境(涡轮机的叶片)做功,损失的焓等于离开系统所做的功。涡轮所做的功由W.T.= H.4.- - - - - - H3.熵仍然保持不变。

从冷凝器到冷凝水泵 - 冷凝

冷凝器-低压加热器-除氧器主凝汽器冷凝来自主汽轮机低压级和排汽系统的废气。通过从含有水冷却系统的水的管通过含水的管冷凝。

内部的压力冷凝器由环境空气温度(即冷却系统中的水温)给出,并通过蒸汽喷射器真空泵从表面冷凝器拉动气体(非冷凝物)并将它们喷射到大气中。

最低可行冷凝器压力是与环境温度相对应的饱和压力(例如绝对压力)0.008 mpa,这对应于41.5°C).注意,在(周围)之间总是有一个温差ΔT = 14°C)冷凝器温度和环境温度,这源于冷凝器有限的尺寸和效率。由于冷凝器不是100%高效热交换器,在冷却系统中饱和温度(二次侧)和冷却剂温度之间总是存在温差。此外,还有一个设计低效,这降低了涡轮的整体效率。理想情况下,排进冷凝器的蒸汽没有过脱机.但是真正的冷凝器设计用于将液体从几度摄入液体中脱离,以避免吸气在冷凝水泵中。但是,这种过冷却增加了循环的低效,因为需要更多的能量来重新加热水。

朗肯循环-冷凝器压力
减小涡轮机排气压力增加每周期的净工作,但也降低了出口蒸汽的蒸汽质量。

保持最低实际涡轮排气压力的目标是在热电厂中包括凝汽器的主要原因。冷凝器提供真空,最大限度地从蒸汽中提取能量,从而显著增加净功和热效率。但这个参数(冷凝器压力)也有其工程局限性:

  • 降低涡轮排气压力会降低蒸汽质量(或干燥分数)。在某一时刻必须停止膨胀,以避免对汽轮机叶片造成损伤低质量的蒸汽
  • 降低涡轮排气压力会显著增加排汽比容,这就需要在汽轮机低压段的最后几排叶片很大。

在一个典型的湿汽轮机,排出的蒸汽在冷凝器中冷凝,其压力远低于大气压力(绝对压力)0.008 mpa,对应41.5°C)。这种蒸汽处于部分冷凝状态(F点),质量通常接近90%。需要注意的是,冷凝器内部的压力也取决于周围的大气条件:

  • 空气的温度、压力和湿度在冷却时进入大气
  • 水的温度和流量在冷却时流入河流或海洋

环境温度的升高会导致排汽压力成比例的升高(ΔT = 14°C通常是恒定的)因此电力转换系统的热效率降低。换句话说,电气输出发电厂的可能会有所不同环境条件,而热功率保持不变。

收集冷凝器的热门中的冷凝蒸汽(现在称为冷凝物)。冷凝器的Hotwell还提供了一种储水能力,这是用于供给水化妆等操作目的所必需的。将冷凝物(饱和或稍微过硫化液)输送到冷凝水泵,然后通过给水加热系统通过冷凝水泵泵送到脱气器。冷凝水泵通常会增加到大约p = 1-2MPa的压力。通常存在四个三分之一的离心冷凝物泵,其中具有常见的抽吸和排放标头。三个泵通常在备份中使用一个。

异烟体热排斥
摄像头散热(在热交换器中)- 在该阶段中,循环通过恒定压力过程完成,其中从部分冷凝的蒸汽中拒绝热量。从蒸汽传热到冷却回w88优德备用网址 微博路中的冷却水。蒸汽凝结和冷却水的温度增加。被拒绝的净热量被拒绝问: 再保险 = H. 4. - - - - - - H 1

从冷凝水泵到给水泵-热再生

冷凝器-低压加热器-除氧器冷凝物冷凝水泵然后经过几个阶段低压给水加热器,其中冷凝物的温度通过从低压涡轮机提取的蒸汽的热传递而增加。w88优德备用网址 微博通常存在三个或四个级别在级联中连接的低压给水加热器。冷凝物在大约P = 1MPa,T = 150℃下退出低压给水加热器并进入除气器.主要冷凝物系统还含有用于去除杂质的机械冷凝物纯化系统。喷水加热器是自调节的。这意味着进给水的流量越大,蒸汽的吸热速率越大,提取蒸汽的流动越大。

提取蒸汽线之间存在止回阀在供给水加热器和涡轮机之间。这些止回阀防止了涡轮机跳闸的反向蒸汽或水流,这导致涡轮机内部的压力迅速降低。以这种方式进入涡轮机的任何水都可能对涡轮机造成严重损坏。

热再生
热再生过程通过降低汽轮机的热阻,显著提高了汽轮机的热效率燃料量那必须加到锅炉里。这个过程被称为热再生各种各样的高温蓄热室可用于此目的。有时工程师会使用这个术语节热器那是用来减少能源消耗的热交换器,特别是在预热流体.另一方面,在汽轮机膨胀的某一点排出蒸汽,并利用这些蒸汽加热供应给锅炉的给水的过程被称为流血的必须指出的是,少量的工作,WT.,由涡轮机丢失。

可以在文章中看到“蒸汽发生器“,蒸汽发生器的入口处的给水(次级电路)可能具有约〜230°C(446°F)然后被加热到液体的沸点(280°C;536°F;6、5 mpa)蒸发。但冷凝器出口处的冷凝物可能具有约40°C.,所以典型PWR的热再生很重要,非常重要:

  • 热再生增加了热效率,因为进入循环中的更多的热流发生在较高温度下。
  • 热力再生使汽轮机低压段质量流量下降,低压等熵涡轮效率提高。需要注意的是,在膨胀的最后阶段,蒸汽的比容非常大,这就需要最后阶段的大叶片。
  • 热再生会导致工作蒸汽质量的增加,因为排水管位于涡轮机壳的外围,那里的水滴浓度更高。改进的涡轮排水意味着更少的叶片侵蚀问题。

除气器

除气器
典型托盘型脱水机的示意图。资料来源:wikipedia.org许可证:cc by-sa 3.0

一般来说,一个除气器是一种用于从给水中除去氧气和其他溶解气体到蒸汽发生器的装置。这除气器是给水加热系统的一部分。通常位于最后一个低压加热器和给水增压泵之间。特别是蒸汽发生器中的溶解氧附着在金属管道和其他金属设备的壁上,形成氧化物(铁锈),会造成严重的腐蚀破坏。此外,溶解的二氧化碳与水结合形成碳酸,导致进一步的腐蚀。

除气器,冷凝液通常由汽轮机抽出的蒸汽加热到饱和状态。抽出的蒸汽通过一个由喷嘴和级联塔板组成的系统混合在除氧器中,蒸汽在这些系统之间进行渗透。在这个过程中,冷凝水中的任何溶解气体都被释放出来,并通过排放到大气或主冷凝器从除氧器中除去。直接下除气器给水储罐,其中大量给水在近饱和条件下储存。在涡轮机跳闸事件中,该给水可以提供给蒸汽发生器,以在瞬态期间维持所需的水库存。脱水器和储罐通常位于涡轮机大厅的高度高度,以确保足够净正吸入压头(NPSH)在进给水泵的入口处。汽蚀余量用来测量有多近流体是饱和条件。降低吸力侧的压力可以诱导空化.这种布置最大限度地降低了泵内汽蚀的风险。

从给水泵到蒸汽发生器

给水泵-高压加热器制度给水泵通常包含三条平行线(3×50%)的给水泵具有共同的吸入和排出集箱。每台给水泵由给水泵组成助推器主给水泵.给水泵(通常由汽轮机驱动)将凝结水的压力(~1MPa)提高到蒸汽发生器的压力(~6.5MPa)。

升压泵提供所需的主要供给水泵吸入压力。这些泵(两种供给水泵)通常是高压泵(通常是离心泵的类型)从脱水剂储水箱中抽吸,该储水箱直接安装在脱水机下方,并供应主料水泵。来自给水泵的排水流过高压给水加热器,进入遏制然后流入蒸汽发生器

每个蒸汽发生器的给水流量由给水调节阀FRVs)。该调节器由蒸汽发生器液位、蒸汽流量和给水流量自动控制。

高压给水加热器从高压涡轮,HP涡轮中提取蒸汽加热。高压给水加热器的排水管通常通往除氧器。

蒸汽发生器-立式
蒸汽发生器-立式

给水(水230°C;446°F;6、5 mpa)被泵入蒸汽发生器通过给水口。在蒸汽发生器是给水(二次回路)加热~ 230°C 446°F达到液体的沸点(280°C;536°F;6、5 mpa).给水然后蒸发,加压蒸汽饱和蒸汽280°C;536°F;6、5 MPa)通过蒸汽出口离开蒸汽发生器并继续到蒸汽轮机,从而完成循环。

虽然熵压缩
等熵压缩(离心泵中的压缩)-液体冷凝物被离心泵(通常是冷凝泵,然后是给水泵)从状态1绝热压缩到状态2。冷凝液从冷凝器泵入高压锅炉。在这个过程中,环境对流体做功,增加了它的焓(h = u+pv)并压缩了它(增加了它的压强)。另一方面熵保持不变。压缩机所需的工作由W. = H. 2 - - - - - - H 1
引用:
反应堆物理与热水力学:
  1. J. R. Lamarsh,核反应堆理论导论,第二版,Addison-Wesley,雷丁,MA(1983)。
  2. J. R. Lamarsh,A. J. Baratta,核工程介绍,3D Ed。,Prentice-Hall,2001年,ISBN:0-201-82498-1。
  3. W. M. Stacey,核反应堆物理,约翰瓦里和SONS,2001,ISBN:0-471-39127-1。
  4. Glasstone,Sesonske。核反应堆工程:反应堆系统工程,弹簧斯;第4版,1994,ISBN:978-0412985317
  5. Kazimi Mujid S.核系统卷I:热工水力基础,第二版。CRC出版社;2版,2012,ISBN: 978-0415802871
  6. Zohuri B.,McDaniel P.核电w88优德app厂系统的热力学。斯普林克;2015年,ISBN:978-3-319-13419-2
  7. 工程热物理学报,2006,vol . 42, no . 1, no . 1, no . 1, no . 1, no . 1, w88优德appno . 1, no . 1, no . 1, no . 1, no . 1
  8. Kleinstreuer C.现代流体动力学。优德体育w88官网手机版Springer,2010,ISBN 978-1-4020-8670-0。
  9. 美国能源,热力学,传热和流体流动部。w88优德appw88优德备用网址 微博DOE基础知识手册,第1卷,2和3. 1992年6月。
  10. 美国核管理委员会。核电厂安全分析报告审查的标准审查计划:LWR版

参见:

涡轮发电机

我们希望,这篇文章,汽轮机。描述和特性,帮助你。如果是这样的话,给我们一个赞在侧边栏中。本网站的主要目的是帮助公众学习有关热工程的一些有趣和重要信息。优德app