第六章汽轮机调节保护系统
本章概要介绍汽轮机调节保护的任务、系统的基本组成和不同类型调节保护系统的特点，着重分析汽轮机调节系统动、静态特性对机组功率、转速的调节性能和安全、稳定运行的影响，以汽轮机调节保护系统的典型部件为例，介绍调节保护系统各环节的工作原理和静态特性计算。
第一节汽轮机调节保护系统的任务和系统组成
一、汽轮机调节保护系统的任务
汽轮机是发电厂的原动机，驱动同步发电机旋转产生电能，向电网输送符合数量和供电品质(电压与频率)要求的电力。由同步发电机的运行特性已知，发电机的端电压决定于无功功率，而无功功率决定于发电机的励磁；电网的频率(或称周波)决定于有功功率，即决定于原动机的驱动功率。因此，电网的电压调节归发电机的励磁系统，频率调节归汽轮机的功率控制系统。这样，机组并网运行时，根据转速偏差改变调节汽门的开度，调节汽轮机的进汽量及焓降，改变发电机的有功功率，满足外界电负荷的变化要求。由于汽轮机调节系统是以机组转速为调节对象，故习惯上将汽轮机调节系统称为调速系统。
汽轮机调节系统是根据电网的频率偏差自动调节功率输出的，故在供电的量与质的方面存在着矛盾；因为满足负荷数量要求后，并不能保持电网频率不变。目前，电网是通过一、二次调频实现供电的频率品质要求的。对短周期、小幅度的负荷变化由电网负荷频率特性产生频率偏差信号，网中的各台机组根据调节系统的特性分担这部分负荷变化，这一调节过程称为一次调频。对幅度变化较大而速度变化较慢的负荷，则由电网的自动频率控制(AFC)装置来分配调频机组的负荷，这一调节过程称为二次调频。
然而，纯粹的调速系统是难以满足优良的供电品质要求的。因为在机组运行中，即使汽轮机的调节汽门开度保持不变，锅炉燃料品质不一致也会引起燃烧工况波动，导致汽轮机的进汽参数和功率输出改变，进而使电网频率发生变化，供电品质下降。这种由机组内部因素造成机组有功功率及电网频率波动的扰动称之为"内扰"。为抵御机组"内扰"的影响，在汽轮机调节系统中还必须引入功率控制信号，在发生"内扰"时，使机组的功率输出维持在外界要求的水平上。这种既调节转速，又调节功率的调节系统称之为功(率)频(率)调节系统。
汽轮机是高温、高压、大功率高速旋转机械，转子的惯性相对于汽轮机的驱动力矩很小。机组运行中一旦突然从电网中解列甩去全部电负荷，汽轮机巨大的驱动力矩作用在转子上，使转速快速飞升。如不及时、快速、可靠地切除汽轮机的蒸汽供给，就会使转速超过安全许可的极限转速，酿成毁机恶性事故。此外，机组运行中还存在低真空、低润滑油压、振动大、差胀大等危及机组安全的故障。因此，为保障汽轮机各种事故工况下的安全，除要求调节系统快速响应和动作外，还设置保护系统，并在调节汽门前设置主汽门。在事故危急工况下，保护系统快
速动作，使主汽门和调节汽门同时快速关闭，可靠地切断汽轮机的蒸汽供给，使机组快速停机。汽轮机调节保护系统的原理性结构如图6-1所示。
图6-1汽轮机调节保护系统原理性框图
综合上述，汽轮机调节保护系统的任务是：正常运行时，通过改变汽轮机的进汽量，使汽轮机的功率输出满足外界的负荷要求，且使调节后的转速偏差在允许的范围内；在危急事故工况下，快速关闭调节汽门或主汽门，使机组维持空转或快速停机。
二、中间再热汽轮机调节保护系统的特点
再热器的蒸汽管、传热管及联箱等是个很大的蒸汽容积空间，其间贮存的蒸汽量决定于再热器蒸汽的温度和压力。由第三章已知，在非设计工况下，中、低压缸的功率与再热器的蒸汽压力呈一定的比例关系，这样对应于不同的机组功率，贮存于再热器中的蒸汽量是不等的。在机组功率变化过程中，因再热器内蒸汽压力变化导致贮汽量的改变，产生的蒸汽吸蓄或泄放效应，使中低压缸的功率变化滞后于高压缸。如图6-2(a)所示，在机组功率增大时，增大高压缸的进汽量，高压缸的功率输出近似于阶跃增大，并且因再热器的压力较低，高压缸的功率还有一定的过增量。同时，高压缸的排汽进入再热器内时，部分增大的蒸汽量滞留在再热器中，以提升再热器的蒸汽压力，使中低压缸的功率缓慢增大。只有当再热器的蒸汽压力达到新工况稳定状态时，才能使高压缸的排汽量与中压缸的进汽量相等。相反，在机组功率下降时，高压缸进汽量减少，使再热器蒸汽压力下降，再热器泄放出部分贮汽，使得中压缸的进汽量大于高压缸。
再热器的时滞效应降低了机组快速响应外界负荷变化的一次调频能力，因为中、低压缸的功率约占整机功率的70％。图6-2(a)中阴影部分表示了负荷调节过渡过程中机组功率不能满足外界要求的大小，在甩负荷危急工况下，再热器中
贮存的大量蒸汽，如在中低压缸中继续膨胀作功，可使机组的飞升转速达额定转速的40％，严重危及着机组的运行安全。
中间再热机组为单元制机组，锅炉的蓄热相对减少，特别是直流锅炉。传统的锅炉跟随汽轮机的运行方式，利用锅炉金属蓄热释放满足汽轮机的流量要求，势必引起锅炉运行参数的较大波动，严重时造成参数超限，危及机、炉的安全。再热器通常布置于锅炉的高温烟道区，在机组启、停过程中必须有足够的蒸汽来冷却再热器，防止再热器传热管烧损。但在机组启动过程中，再热器的冷却蒸汽量和锅炉低负荷稳燃的产汽量远大于汽轮机的空载流量，因此机组的升速、带负荷与再热器的冷却间有很大矛盾。
图6-2再热器的时滞效应与高压缸过调
为增强中间再热机组的一次调频能力，保护事故工况下机组的安全，提高机组启、停操作的灵活性和安全可靠性，在中间再热汽轮机调节系统中，设置动态校正器。在机组功率增大或减小时，通过高压调节汽门的过开或过关，由高压缸功率的过增或过减补偿再热器产生的时滞效应，使机组功率与外界要求保持一致。在中压缸进口处，设置中压主汽门和中压调节汽门，在危急事故工况下，快速切断中压缸的进汽，避免再热器蒸汽进入中低压缸造成机组转速恶性飞升。另一方面，在机组启、停过程中，由中压调节汽门控制再热汽温，使中压缸的进汽与中压缸转子及汽缸的热状态得到良好的匹配。为减小中压调节汽门产生的节流损失，中压调节汽门通常在机组负荷大于30％时保持全开。
图6-3汽轮机、锅炉协调控制
为使中间再热机组在负荷变化时，既能利用锅炉金属的蓄热满足快速响应外界电负荷的要求，又能通过改变调节汽门的开度使主蒸汽压力的波动在允许的范围之内，从而要求机炉采用协调控制方式。机炉协调控制的流程图如图6-3所示。
为改善中间再热机组的启动特性，加快机组的启动速度，回收启动过程中的工质和热量，以及在机组甩负荷工况下保护锅炉的安全，在中间再热汽轮机的蒸汽系统中设有高、低压旁路系统和大旁路系统。高压旁路系统是将来自锅炉过热器的新蒸汽通过减温、减压器排至冷再热器蒸汽管，低压旁路系统是将再热新蒸汽经减温、减压器排至凝汽器，大旁路系统则是将新蒸汽经减温、减压器直接排至凝汽器。在机组启、停过程中，通过操作高、低压旁路调节阀和中压调节汽门，控制再热蒸汽温度和再热器的冷却。在甩负荷工况下，由旁路系统控制锅炉过热器及再热器的压力，避免锅炉安全阀动作，使机组故障排除后尽快恢复运行。中间再热汽的旁路系统及高、中压主汽门与调节汽门的布置如图6-4所示。
图6-4中间再热机组的旁路系统及主汽门、调节汽门布置
三、汽轮机调节系统的基本组成和种类
汽轮机调节系统的原理性构成如图6-5所示。转速感受机构是将转子的转速信号转变成一次控制信号；中间放大器对一次控制信号作功率放大，并按调节目标作控制运算，产生油动机的控制信号；油动机是一种液压位置伺服马达，按中间放大器的控制信号产生带动配汽机构动作的驱动力，并达到预定的开度位置；配汽机构是将油动机的行程转变为各调节汽门的开度，通过配汽机构的非线性传递特性，汽轮机的进汽量与油动机行程间校正到近似线性关系；同步器作用于中间放大器，产生控制油动机行程的控制信号，单机运行时改变汽轮机的转速，并网运行时改变机组的功率；启动装置在机组启动时用于冲转、并提升转速至同步器动作转速。
图6-5汽轮机调节保护系统原理性框图
由于汽轮机的蒸汽压力很高，开启主汽门和调节汽门需要很大的驱动力。为满足电网一次调频要求，必须要求调节汽门的驱动机构有较好的响应灵敏性和较快的响应速度。特别是在机组甩负荷等危急工况下，要求主汽门和调节汽门能在极短的时间内全行程关闭。因此，对汽轮机调节汽门和主汽门的驱动机构提出惯性小、驱动功率大的特殊要求。目前，电磁驱动机构尚不能满足这一特殊要求，故汽轮机调节保护系统总是以油动机(即液压伺服马达)为调节汽门和主汽门的执行机构。
汽轮机的调节保护系统根据其转速感受机构及中间放大器的结构不同，可分为机械液压调节、模拟电液调节和数字电液调节三种型式。
图6-6原型性机械液压调节系统
1.机械液压调节系统
机械液压调节系统是由杠杆、曲柄等机械机构作信号放大和液压流量控制阀作功率放大，其原理性系统如图6-6所示。飞锤感受转速的变化，并转变为滑环的位移；断流式错油门控制油动机活塞腔室的进、排油，当错油门滑阀偏离居中位置时，分别开启油动机活塞上、下腔室的进、排油口，使油动机活塞带动调节汽门开启或关闭；在油动机活塞移动时，又带动杠杆运动，使错油门滑阀向着居中位置移动。当油动机活塞的位移复现调速器滑环位移的变化规律时，错油门滑阀回到居中位置，调节过程结束。随着机组容量的增大，开启调节汽门驱动力要求的提高，特别是中间再热机组高压调节汽门动态校正要求的提出，机械液压调节的机械结构和液压控制回路变得十分复杂。机械传动机构旷动间隙的存在，液压控制部件易受油液污染的影响，使调节品质和运行稳定、可靠性不很理想。因机组的功率信号无法由机械或液压机构来感受，故机械液压调节系统仅能起到调速系统的作用。另一方面，配汽机构采用较为固定的机械机构，无法实现喷嘴、节流等多种运行方式的灵活切换。
2.模拟电液调节系统
模拟电液调节系统是基于模拟电路的连续控制调节系统，它将电子技术与液压控制技术有机地结合在一起，综合了电子元件检测灵敏、精度高、线性好、迟缓小、传输速度快、调整方便、能实现复杂调节规律，以及液压元件驱动功率大、惯性小的优点。检测、运算采用电子元件，执行机构为液压部件，两者中介的核
心部件是电液伺服阀(俗称电液转换器)。汽轮机的转速和功率经传感器或变送器转变为电信号，经电子线路放大、运算，产生油动机行程的控制信号，输到PID(比例、积分和微分)凋节回路，然后经模拟电路功率放大作用于电液转换器，产生控制油动机行程的液压信号，经中间放大后使油动机按调节指令动作。模拟电液调节系统原理性框图如图6-7所示，系统中设有转速调节回路、功率调节回路和功-频调节回路，在机组单机运行时控制转速；并网非调频工况时调节机组功率；并网调频运行时实现功-频调节，克服"内扰"和再热器中间容积时滞效应的影响。功率设定可远方遥控设置，便于电网自动发电控制(AGC)。蒸汽压力输入可实现机炉协调控制。模拟电液调节系统的控制功能和调节品质较机械液压调节系统有了很大的提高，改善了调节系统的甩负荷动态特性，增强了机组运行的安全性。
图6-7汽轮机模拟电液调节系统框图
3.数字电液控制系统
数字电液控制系统(Digital Electro-Hydraulic Control System，简称DEH)是以计算机替代模拟电液调节系统中控制运算的模拟电路，发挥计算机控制运算、逻辑判断与处理能力强及软件组态灵活、方便的优势，将汽轮机运行的状态监测、顺序控制、调节和保护融为一体。特别是液压系统采用高压抗燃油(三芳基磷酸脂)后，简化了液压控制回路，提高了油动机的推动力。调节汽门由各自油动机驱动，可使机组实现喷嘴、节流等多种运行方式灵活切换，增强了机组运行控制的灵活性。由于数字电液调节系统的硬件采用模块化结构，系统扩展灵活，维修调试方便，冗余控制、多层保护和自检、自诊断功能使调节品质、运行可靠性和机组的安全性均较模拟电液调节系统有了很大提高。数字电液控制系统是由电子控制器、操作系统、执行机构、保护系统和供油系统组成，它实现的主要功能是：
(1)汽轮机自动程序控制(ATC)。通过监测高、中压汽缸温度和蒸汽温度，计算出转子热应力。在汽轮机允许的应力范围内，以最大的速率、最短的时间实现机组由盘车、冲转、升速、并网到带负荷的全自动程序化操作。
(2)汽轮机功率的自动调节。汽轮机功率的自动调节设有操作员自动、远方控制和电厂计算机控制三种模式。根据电网的要求，可选择调频运行方式或基本
负荷运行方式。在机组冷、热态启动中，能自动地根据启动状态控制调节汽门的开度。
(3)汽轮机的自动保护。设有三层超速保护，即超速保护控制(OPC)、危急遮断控制(ETS)和机械超速保护与手动遮断脱扣。超速保护控制是当机组转速超过103％n0时，OPC电磁阀动作，快速关闭高、中压调节汽门；ETS是当机组转速达到110％n0时，自动停机遮断(AST)电磁阀动作，快速关闭主汽门和调节汽门。此外，当出现低润滑油压、推力轴承磨损、低真空、高压排汽温度高等危急事故时，ETS通过AST电磁阀使机组快速停机；机械超速保护是当机组转速升高至112％n0时动作，关闭主汽门和调节汽门。
(4)机组和DEH系统状态监测。监视和显示机组及DEH系统的重要参数、运行曲线、历史趋势和故障，以及指示操作按钮的状态。
第二节汽轮机调节系统的静态特性
一、四方图
由前已知，汽轮机调节系统是由转速感受机构、中间放大器和配汽机构三大环节组成。这三个环节的传递特性便决定了汽轮机的转速与调节汽门的开度，在额定参数工况下也就决定了机组的功率。我们将额定参数工况下汽轮机的功率与转速之间的对应关系称为调节系统的静态特性。
为描述汽轮机调节系统各环节的放大传递特性和静态特性，在调节系统静态特性分析中用特殊的四象限图----四方图来表示，其中第Ⅱ象限表示转速感受机构特性，第III象限表示中间放大环节的传递特性，第Ⅳ象限表示配汽机构特性，第I象限则为调节系统的静态特性。
这里以图6-6所示的机械液压调节系统为例，说明调节系统静态特性曲线的绘制和分析影响静态特性的因素。
在机组额定转速n0=3000r/min附近，当转速n升高时，调速器滑环在飞锤离心力的作用下上移Δz，反之亦然。转速n与滑环位移Δz间的一一对应关系即为转速感受机构特性，其特性曲线如图6-8中第Ⅱ象限所示。
图6-8汽轮机调节系统的四方图
在稳定工况下，错油门滑阀处于居中位置，油动机活塞的行程Δm与调速器滑环位移Δz间的关系决定于杠杆的传动比，滑环的位移Δz愈大，油动机活塞所带动的调节汽门的开度就愈小，中间放大环节的传递特性曲线如图6-8中第Ⅲ象限所示。
油动机活塞的行程Δm通过配汽机构决定了调节汽门的开度，在额定参数工况下，也就决定了汽轮机的进汽量，亦即决定了汽轮机的功率P。随着油动机活塞行程Δm的增大，调节汽门的开度增加，汽轮机的功率随之提高。油动机活塞行程Δm与机组功率P间的关系即为配汽机构特性，其特性曲线如图6-8中第Ⅳ象限所示。
有了转速感受特性、中间放大传递特性和配汽机构特性三条曲线，便可唯一地确定出第I象限中调节系统的静态特性曲线。对某一功率Pi，由配汽机构特性曲线得到对应的油动机活塞的行程Δm i；由中间放大环节的传递特性曲线得到对应于Δm i的调节器滑环位移Δzi，再由转速感受特性曲线求得对应于Δz i 的转速n i。P i与n i在第I象限的交点即为调节系统静态特性曲线上的状态点。对所有的汽轮机功率P，同样地可求得对应的转速n和第I象限的状态点，所有的状态点便连成调节系统的静态特性线，从而得到描述调节系统静态特性的四方图。
二、速度变动率
由图6-8的汽轮机调节系统静态特性曲线可知，对应于汽轮机不同的功率，机组的转速是不同的，静态特性曲线的斜率表明了这种差异。我们定义：汽轮机空负荷时所对应的最大转速nmax与额定负荷时所对应的最小转速nmin之差，与
额定转速n0的比，称为调节系统的速度变动率或速度不等率，通常用Δ表示，即
(6-1)
速度变动率表示了单位转速变化所引起的汽轮机功率的增(减)量。在机组并网运行时，各机组感受电网频率的变化是相同的，但调节系统速度变动率的不同，使各机组功率的改变量不同。如果电网频率与偏离额定频率的偏离量为Δn，那么由调节系统静态特性曲线和速度变动率的定义可求得机组功率改变的相对量为
(6-2)
式中：P0为机组的额定功率。上式表明，速度变动率愈大，单位转速变化所引起的功率变化就愈小。因此，速度变动率的大小，对机组安全、稳定运行和参与电网一次调频有着重要影响。
速度变动率愈小，即静态特性曲线愈平坦，则转速变化很小就会引起汽轮机较大的功率变化，使汽轮机的进汽量和蒸汽参数变化较大，机组内各部件的受力、温度应力等都变化很大，将造成寿命损耗，甚至造成部件损坏。Δ=0的极限情况下，只要电网频率稍有改变，机组的负荷就由额定负荷变为空负荷，或由空负荷变为额定负荷，机组负荷产生严重晃动而无法运行。因此，调节系统的速度变动率一般不得小于3.0％。但是，速度变动率也不宜太大，因为过大的速度变动率，一方面使机组参与电网一次调频能力下降；另一方面使调节系统甩负荷后的稳定转速过高，稍有不慎，有可能使甩负荷后最高飞升转速超过危急保安器的动作转速，不利于机组安全和甩负荷后重新并网带负荷。所以，调节系统的速度变动率一般不要超过6.0％。
综上所述，汽轮机调节系统的速度变动率，应根据机组在电网中所处的地位和安全性方面的要求来确定。对一次调频要求较高的带尖峰负荷机组，速度变动率应取小些，如Δ=3.0％～4.0％；对带基本负荷的机组，速度变动率则应取大些，如Δ=4.0％-6.0％。一般地，速度变动率通常设为Δ=5.0％。对调节系统动态特性稍差的机组，速度变动率应取小些。在实际调节系统中，转速感受及中间放大传递特性存在着一定非线性。特别是配汽机构，调节汽门的开度与通流量存在着严重的非线性。虽然经配汽机构校正，但第Ⅳ象限的特性曲线仍有一定的非线性，因而调节系统的静态特性曲线并非是直线，即静态特性曲线上各处的速度变动率并不相同。我们将由式(6-1)定义的速度变动率称为整(总)体速率变动率，而将下式定义的速度变动率称为局部速度变动率：
(6-3)
事实上，我们也不应该要求调节系统静态特性线为直线。在机组空负荷附近，为便于机组并网操作，要求速度变动率大些，容易控制机组并网前的转速。另外，在机组带初负荷后应有一定的暖机时间，以免刚带负荷后机组加热太快产生过大的热应力和胀差。为防止电网频率变化对机组带初负荷暖机的影响，通常在机组0~10％负荷范围内，对其最大局部速度变动率不作限制。
图6-9汽轮机调节系统速度变化率分布
相反地，在机组满负荷附近，过小的速度变动率在电网频率降低时容易使机组过载，危及机组的运行安全。所以，在机组满负荷处的速度变动率也应取得大些。一般在90％～100％负荷范围内，最大局部速度变动率不大于整体速度变动率的3倍。
因此，调节系统速度变动率在满足整体设计要求条件下，其分布应当是两端大、中间小且无拐点平滑变化，如图6-9所示，但中间段的最小局部速度变动率不得小于整体速度变化率的40％。
由调节系统四方图可知，影响速度变动率分布的因素是转速感受、中间传递和配汽机构三大环节，其中配汽机构特性是影响速度变动率中间段分布的主要因素。因为不恰当的调节汽门开启重迭度有可能使调节系统静态特性线出现拐点。改变调节系统的速度变动率，工程上以改变中间传递特性曲线的斜率为主。第Ⅲ象限特性线愈陡，亦即斜率的绝对值愈大，则对应于一次控制信号的范围及速度变动率就愈小。
三、迟缓率
在汽轮机调节系统中，相对运动部件间不可避免地存在动、静摩擦，机械传动机构中存在着旷动间隙，滑阀存在一定的盖度，这些非线性因素的存在，使转速感受特性和传递特性发生畸变，最终表现在静态特性曲线上，使之偏离理想工况。对图6-6所示的调节系统，在转速升高时为使调速器滑环移动，飞锤离心力增量的一部分必须首先克服滑环移动的静摩擦力，方能使杠杆转动。而杠杆的转动量必须大于旷动间隙和错油门滑阀的盖度，方能开启油动机活塞腔室的进、排油口使活塞运动，关小调节汽门、减小机组功率。很明显，机组功率的减小量小于由式(6-2)得的理想值。相反地，在电网频率降低时，这些非线性因素的作用，使机组功率的增加量小于式(6-2)得的理想值。这种机组增负荷和减负荷特性曲线不重合的现象称为迟缓。迟缓在四方图上的表示如图6-10所示。
图6-10调节系统迟缓在四方图上的表示
我们定义：在调节系统增、减负荷特性曲线上，相同功率处转速偏差
Δn=n1-n2与额定转速n0的比为调节系统的迟缓率，通常用ε表示，即
(6-4)
迟缓率对调节系统的控制精度和机组的稳定运行产生不良影响。在汽轮机单机运行时，机组的功率决定于外界的电负荷。在某一稳定负荷下，迟缓率的存在
将会使机组的转速在Δn=εn0范围内漂移，引起机组转速波动，如图6-11(a)所示。如果迟缓率为ε=0.5％，则对应的转速波动的幅度为Δn=15r/min，相当于供电频率有0.25Hz的波动。
在多台机组并列运行时，机组的转速决定于电网的频率，当电网的频率一定时，迟缓率存在将会引起机组功率晃动，如图6-11(b)所示。由速度变动率和迟缓率的定义可知，功率晃动的幅度为,ΔP=ε/Δ/P0。迟缓率ε愈大、速度变动率Δ愈小，功率晃动的幅度就愈大。所以，为提高调节系统的控制精度和运行稳定性，要求迟缓率ε尽可能小。由于迟缓率难以避免，故希望速度变动率不宜过小。
图6-11调节系统迟缓对汽轮机运行的影响
由于机械液压调节系统的机械传动和液压放大环节较多，故迟缓率相对较大，但通常要求机械液压调节系统的迟缓率小于0.6％。电液调节系统，特别是采用高压抗燃油的数字电液调节系统，液压控制回路很为简单；减少了产生迟缓的中间环节，故迟缓率较小，一般要求电液调节系统的迟缓率小于0.2％。
四、同步器与静态特性曲线平移
(一)同步器的作用
由调节系统的静态特性已知，机组在不同功率下所对应的转速是不等的。汽轮机在额定转速n0下单机运行时，当机组的功率由P11增加到p2时，一次调频的结果使汽轮机的转速由n0降低到n2，如图6-12所示。很明显，调节系统仅有一次调频功能是不能满足优良供电品质要求的。只有当外界电负荷增大到p2后，若能使静态特性曲线向上平移到C点，那么在机组功率增大后又能保证机组的转速仍为额定转速，即供电频率维持在额定值。因此，在单机运行时要求有一个能平移静态特性线的装置。
在汽轮机并列运行时，若电网的频率基本不变，则机组所承担的负荷也就基本不变。因此，在机组并网带负荷时，也应有一能平移静态特性线的装置，在并列运行的机组间进行负荷的重新分配。这种能平移调节系统静态特性线的装置称为同步器，其主要作用是：
(1)单机运行时，启动过程中提升机组转速到达额定值，带负荷运行时可以保证机组在任何稳态负荷下转速维持在额定值；
(2)并列运行时，在各机组间进行负荷重新分配，承担电网二次调频任务，保持电网频率基本不变。
图6-12单机运行时同步器的作用
由此可见，在同步器平移静态特性线后，在调节系统四方图的第I象限是一簇相互平行的曲线。平移调节系统的静态特性线，可以通过平移转速感受特性线，即将第Ⅱ象限中的转速感受特性线上、下平移，如图6-13(a)所示。也可平移中间放大传递特性线来实现，即将第Ⅲ象限中的传递特性线左右平移，如图6-13(b)所示。前者称为第一类同步器，后者称为第二类同步器。目前，实际使用中以第二类同步器为主。
图6-13同步器平移静态特性线
(a)第一类同步器；(b)第二类同步器
根据同步器提升转速和调节机组负荷的作用，同步器平移静态特性线的调节范围，除满足正常蒸汽参数和额定转速工况要求外，还应充分考虑蒸汽参数、真空和电网频率等实际运行因素的影响，为这些因素变化预留足够的调节范围。
(1)同步器最小调节范围。为使机组的正常蒸汽参数、额定转速时能带满负荷，并能通过操作同步器卸去全部负荷，同步器的最小调节范围至少为Δ，即图6-14中AA-BB所示范围。
(2)静态特性线的下限位置。下限工作位置的设置应考虑电网频率降低、蒸汽参数升高及真空上升等运行因素，并为机组并网前操作留有一定操作空间。当电网频率低于额定值时，若仍能使机组维持空负荷运行，则应能将静态特性线下移至图6-14中CC位置，方可进行并网带负荷操作，以及机组并列运行时用同步器卸去全部负荷维持空转运行。
图6-14同步器的调节范围
当新蒸汽参数升高或真空上升时，在同一调节汽门开度或油动机活塞行程Δm下，汽轮机的进汽量和理想比焓降增大，机组功率上升，相当于配汽机构特性线向右上方平移，对应于此工况的空转调节汽门开度就要减小。如果此工况与电网频率降低同时发生，静态特性曲线在CC位置处是不能维持空转运行的。因此，静态特性线还应下移至图6-14中DD位置。此外，还应为机组并网前的操作留有足够的空间，在图6-14中DD线下还应有一定的调节空间。综合考虑这些情况后，同步器调节的下限位置通常设在为额定转速下-5.0％处。
(3)静态特性线的上限位置。上限位置的设定主要考虑电网频率升高和新蒸汽参数降低、真空恶化工况。在电网频率升高时，为能使机组卸去全部负荷并维持空转运行，静态特性曲线必须平移至图6-14中的EE位置。在低新蒸汽参数、低真空工况下，配汽机构特性线向左下方平移，为使机组在此种工况下电网频率升高时仍能带满负荷运行，静态特伯线必须能上移至图6-14中的FF位置。通常要求同步器调节的上限位置不小于[Δ＋(1～2)％]。对于一般机组，速度变动率取为5.0％，则同步器调节的上限位置取为7.0％。
第三节汽轮机调节系统的动态特性
图6-15甩负荷后转速过渡过程
一、动态特性基本概念
汽轮机调节系统是由多个环节组成的复杂闭环系统，部件运动惯性、油流流动阻力和蒸汽中间容积等的存在，使得调节系统由一个稳定工况到另一稳定工况时经历着复杂的过渡过程。图6-15是汽轮机调节系统甩负荷工况下较为典型的转速动态响应的过渡过程曲线。其中，a为无振荡的过渡过程，b为小幅振荡快速衰减的过渡过程，c为大幅振荡慢衰减过渡过程。在调节系统各环节的参数选取不当，也有可能产生持续振荡而无法正常工作。为使机组满足优良供电品质、参与电网一次调频的要求，调节系统应灵敏、快速地响应各种扰动，并平稳地进行调节。为保障机组甩负荷工况下的安全，必须要求调节系统能快速地全行程动作。因此，对汽轮机调节系统的动态特性必须提出稳定性要好、过渡过程中超调量要小、振荡次数要少及过渡过程调整时间要短的要求。汽轮机调节系统的动态特性分析是项相当复杂的工作，通常按图6-16所示的各环节建立数学模型，如传递函数等，借助于Mathl A b或Simulink等控制系统计算机辅助设计软件进行分析。这里简要地介绍调节系统动态特性的一些基本概念，并讨论影响调节系统动态特性的主要因素。
图6-16汽轮机调节系统动态特性方框图
1.稳定性
汽轮机运行中，当受到扰动激励离开原来的稳定工况后，能很快地过渡到新的稳定工况，或扰动消失后能回复到原来的稳定工况，这样的调节系统是稳定的。调节系统稳定性的判别，可由系统的传递函数按自动控制理论中系统稳定性的判据来分析、计算。对于实际的调节系统，除满足稳定性基本要求外，还应留有一定的稳定性裕度。
2.动态超调量
对于汽轮机调节系统，甩负荷过程中被调量转速的动态超调量σ可表示为
(6-5)
式中：φ
max 为最大飞升转速的相对量，即φ
max
=(n
max
-n0)/n0。为在机组甩负荷工
况下，转子的转速飞升不致使超速保安器动作，甩负荷后的最高飞升转速应低于超速保安器整定的动作转速。
3.静态偏差值
汽轮机单机运行时，负荷改变将引起机组转速变化。在机组额定功率下从电网中解列、甩去全部负荷后，转速的静态偏差值就是甩负荷后的稳定转速与额定转速的差，即φ(∞)=Δ。由调节系统的静态特性可知，机组甩负荷的数量不同，静态偏差值是不等的。
4.过渡过程调整时间τ
扰动作用于调节系统后，从响应扰动开始到被调量达到基本稳定所经历的时间称为过渡过程调整时间。评定被调量是否达到稳定，通常用被调量与静态偏差值的误差Δ，当|φ(τ)-φ(∞)|Δ时，即认为被调量已达到稳定。
在汽轮机调节系统动态特性分析中，通常将允许偏差Δ取为静态偏差值的5％，即Δ=5％Δn 0。很明显，我们要求调节系统的过渡过程调整时间尽可能短
些，一般为数秒或数十秒，最长不应超过1min 。
二、影响甩负荷动态特性的主要因素
由图6-16已知，影响汽轮机调节系统动态特性的因素来自于机组本体设备(如再热器等的中间容积、转子等)和调节系统部件两个主要方面。对图6-16所示的调节系统建立简化数学模型后，研究表明：机组甩负荷后最大动态飞升转速(如图6-17所示)可由下式来估算：
(6-5)
(6-7)
(6-8)
汽轮机原理 第一章汽轮机的热力特性思考题答案 1．什么是汽轮机的级？汽轮机的级可分为哪几类？各有何特点？ 解答：一列喷嘴叶栅和其后面相邻的一列动叶栅构成的基本作功单元称为汽轮机的级，它是蒸汽进行能量转换的基本单元。 根据蒸汽在汽轮机内能量转换的特点，可将汽轮机的级分为纯冲动级、反动级、带反动度的冲动级和复速级等几种。 各类级的特点： （1）纯冲动级：蒸汽只在喷嘴叶栅中进行膨胀，而在动叶栅中蒸汽不膨胀。它仅利用冲击力来作功。在这种级中：p1 = p2；Dhb =0；Ωm=0。 （2）反动级：蒸汽的膨胀一半在喷嘴中进行，一半在动叶中进行。它的动叶栅中不仅存在冲击力，蒸汽在动叶中进行膨胀还产生较大的反击力作功。反动级的流动效率高于纯冲动级，但作功能力较小。在这种级中：p1 > p2；Dhn≈Dhb≈0.5Dht；Ωm=0.5。 （3）带反动度的冲动级：蒸汽的膨胀大部分在喷嘴叶栅中进行，只有一小部分在动叶栅中进行。这种级兼有冲动级和反动级的特征，它的流动效率高于纯冲动级，作功能力高于反动级。在这种级中：p1 > p2；Dhn >Dhb >0；Ωm=0.05～0.35。 （4）复速级：复速级有两列动叶，现代的复速级都带有一定的反动度，即蒸汽除了在喷嘴中进行膨胀外，在两列动叶和导叶中也进行适当的膨胀。由于复速级采用了两列动叶栅，其作功能力要比单列冲动级大。 2．什么是冲击原理和反击原理？在什么情况下，动叶栅受反击力作用？ 解答：冲击原理：指当运动的流体受到物体阻碍时，对物体产生的冲击力，推动物体运动的作功原理。流体质量越大、受阻前后的速度矢量变化越大，则冲击力越大，所作的机械功愈大。反击原理：指当原来静止的或运动速度较小的气体，在膨胀加速时所产生的一个与流动方向相反的作用力，称为反击力，推动物体运动的作功原理。流道前后压差越大，膨胀加速越明显，则反击力越大，它所作的机械功愈大。 当动叶流道为渐缩形，且动叶流道前后存在一定的压差时，动叶栅受反击力作用。 3．说明冲击式汽轮机级的工作原理和级内能量转换过程及特点。 解答：蒸汽在汽轮机级内的能量转换过程，是先将蒸汽的热能在其喷嘴叶栅中转换为蒸汽所具有的动能，然后再将蒸汽的动能在动叶栅中转换为轴所输出的机械功。具有一定温度和压力的蒸汽先在固定
《汽轮机原理》 一、单项选择题 6.在其他条件不变的情况下，余速利用系数增加，级的轮周效率η u 【 A 】 A. 增大 B. 降低 C. 不变 D. 无法确定 9.在多级汽轮机中重热系数越大，说明【 A 】 A. 各级的损失越大 B. 机械损失越大 C. 轴封漏汽损失越大 D. 排汽阻力损失越大 1.并列运行的机组，同步器的作用是【 C 】A. 改变机组的转速 B. 改变调节系统油压 C. 改变汽轮机功率 D. 减小机组振动 5．多级汽轮机相对内效率降低的不可能原因是（D）。A.余速利用系数降低 B.级内损失增大 C.进排汽损失增大 D.重热系数降低 19.关于喷嘴临界流量，在喷嘴出口面积一定的情况下，请判断下列说法哪个正确：【 C 】 A．喷嘴临界流量只与喷嘴初参数有关B．喷嘴临界流量只与喷嘴终参数有关 C．喷嘴临界流量与喷嘴压力比有关D. 喷嘴临界流量既与喷嘴初参数有关，也与喷嘴终参数有关 13.冲动级动叶入口压力为P 1，出口压力为P 2 ，则P 1 和P 2 有______关系。【 B 】 A. P 1＜P 2 B. P 1 ＞P 2 C. P 1 ＝P 2 D. P 1 =0.5P 2 6.汽轮机的进汽节流损失使得蒸汽入口焓【 C 】A. 增大B. 减小C. 保持不变 D. 以上变化都有可能 14.对于汽轮机的动态特性，下列哪些说法是正确的？【 D 】 A. 转速调节过程中，动态最大转速可以大于危急保安器动作转速 B. 调节系统迟缓的存在，使动态超调量减小 C. 速度变动率δ越小，过渡时间越短 D. 机组功率越大，甩负荷后超速的可能性越大 27.在反动级中，下列哪种说法正确【 C 】A. 蒸汽在喷嘴中理想焓降为零 B. 蒸汽在动叶中理想焓降为零 C. 蒸汽在喷嘴与动叶中的理想焓降相等 D. 蒸汽在喷嘴的理想焓降小于动叶的理想焓降 25.在各自最佳速比下，轮周效率最高的级是【 D 】A. 纯冲动级B.带反动度的冲动级 C.复速级D.反动级 26.蒸汽在喷嘴斜切部分膨胀的条件是【 A 】A. 喷嘴后压力小于临界压力 B. 喷嘴后压力等于临界压力 C. 喷嘴后压力大于临界压力 D. 喷嘴后压力大于喷嘴前压力 12.下列哪个说法是正确的【 C 】A. 喷嘴流量总是随喷嘴出口速度的增大而增大； B. 喷嘴流量不随喷嘴出口速度的增大而增大； C. 喷嘴流量可能随喷嘴出口速度的增大而增大，也可能保持不变； D. 以上说法都不对 8.评价汽轮机热功转换效率的指标为【 C 】A. 循环热效率 B. 汽耗率 C. 汽轮机相对内效率 D. 汽轮机绝对内效率 13.在其它条件不变的情况下，冷却水量越大，则【 A 】A. 凝汽器的真空度越高B. 凝汽器的真空度越低 C. 机组的效率越高 D. 机组的发电量越多 4.两台额定功率相同的并网运行机组A, B所带的负荷相同，机组A的速度变动率小于机组B的速度变动率， 当电网周波下降时，两台机组一次调频后所带功率为P A 和P B ，则【 C 】
汽轮机原理及运行课程自学辅导资料 二○○八年十月
汽轮机原理及运行课程自学进度表教材：汽轮机原理教材编者：沈士一康松庆贺庆庞立云 出版社：中国电力出版社出版时间：1992
接交给任课教师。总成绩中，作业占15分。
汽轮机原理及运行课程自学指导书 第1章汽轮机级的工作原理 一、本章的核心、重点及前后联系 （一）本章的核心 掌握蒸汽在汽轮机各种级内的流动过程和能量转换规律及计算，蒸汽在汽轮机级内能量转换过程中各种损失和各种级效率的物理概念及减少损失的措施，熟悉各种损失的计算；熟悉汽轮机级的热力设计原则和方法，扭叶片级；了解叶栅的气动特性。 （二）本章重点 级的概念，级的工作过程，级的反动度，动叶进出口速度三角形，蒸汽在喷嘴的膨胀过程，蒸汽在动叶中的流动和能量转换过程；蒸汽作用在动叶栅上的力和轮周功率，级的轮周效率，级的轮周效率与速比的关系，蒸汽在复速级内的能量转换特点；级内损失，级的相对内效率。 （三）本章前后联系 在前面学习完成工程热力学和流体力学的基础上，对级的工作原理进行学习；学习本章内容为后面分析多级汽轮机的工作原理打下基础。 二、本章的基本概念、难点及学习方法指导 （一）本章的基本概念 级，反动度，压比，速比，最佳速比，轮周效率，轮周功率，级的相对内效率，扭叶片（二）本章难点及学习方法指导 级的轮周效率和速比的关系 学习方法：理论联系实际，熟悉汽轮机结构，多看书， 三、典型例题分析 1.汽轮机按工作原理分类可分为哪几种类型？ 答：冲动式汽轮机和反动式汽轮机。 2.按热力性质分类，汽轮机可分为哪几种类型？ 答：凝汽式汽轮机，背压式汽轮机，调节抽汽式汽轮机，抽汽背压式汽轮机，中间再热式汽轮机
第一章绪论 一、单项选择题 1．新蒸汽参数为13.5MPa的汽轮机为（ b ） A．高压汽轮机B．超高压汽轮机 C．亚临界汽轮机D．超临界汽轮机2．型号为N300-16.7/538/538的汽轮机是( B )。 A.一次调整抽汽式汽轮机 B.凝汽式汽轮机 C.背压式汽轮机 D.工业用汽轮机 第一章汽轮机级的工作原理 一、单项选择题 3．在反动级中，下列哪种说法正确?( C ) A.蒸汽在喷嘴中的理想焓降为零 B.蒸汽在动叶中的理想焓降为零 C.蒸汽在喷嘴与动叶中的理想焓降相等 D.蒸汽在喷嘴中的理想焓降小于动叶中的理想焓降 4．下列哪个措施可以减小叶高损失?( A ) A.加长叶片 B.缩短叶片 C.加厚叶片 D.减薄叶片 5．下列哪种措施可以减小级的扇形损失?( C )
A.采用部分进汽 B.采用去湿槽 C.采用扭叶片 D.采用复速级 6．纯冲动级动叶入口压力为P 1，出口压力为P 2 ，则P 1 和P 2 的关系为（ C ） A．P 1
P 2 C．P 1＝P 2 D．P 1 ≥P 2 7．当选定喷嘴和动叶叶型后，影响汽轮机级轮周效率的主要因素( A ) A.余速损失 B.喷嘴能量损失 C.动叶能量损失 D.部分进汽度损失 8．下列哪项损失不属于汽轮机级内损失( A ) A.机械损失 B.鼓风损失 C.叶高损失 D.扇形损失 9．反动级的结构特点是动叶叶型( B )。 A. 与静叶叶型相同 B. 完全对称弯曲 C. 近似对称弯曲 D. 横截面沿汽流方向不发生变化10．当汽轮机的级在( B )情况下工作时，能使余速损失为最小。 A. 最大流量 B. 最佳速度比 C. 部发进汽 D. 全周进汽 1.汽轮机的级是由______组成的。【 C 】
汽轮机原理及运行 随着工业生产的蓬勃发展，工业污染物的排放，对大气、自然环境的影响和危害越来越大。国家为保护环境，加大了对工业生产污染物排放的监管力度，国务院专门召开会议部署全国节能降耗减排的工作。我省焦化、炭黑、水泥等高温冶炼企业比较多，这些企业在生产过程中必然产生大量焦煤气、热量，而这些能源和热能大都没有被再利用，而以不同的排放方式，白白地浪费掉了，还造成了大气环境污染。事实上，要做到脱硫除尘、净化排放，必须将余热温度降到250゜C以下才能实现，而排放的余热全都在250゜C上，是根本无法脱硫除尘的。那么，唯一的办法就是将余热再利用，首选发电，实现能量再利用，既提高了原材料利用率，又净化了排放物，大大减少CO2、SO2排放量。 一直以来，这样的好事为什麽没有企业做呢？原因就在于，利用余热、余气进行发电的机组功率较小，不易并入大电网，或是地处与系统弱联系的区域，根本无网可并。自发自用，单独运行，又苦于发电机组不能稳定运行。故而形成目前不能不生产、可排放又超标的困难局面。 余热减排发供电微电网稳定运行综合控制系统的研发，是针对利用余热发电、热电联产的自备电厂运行不稳定、耗能高的问题而进行的。主要应用于焦化、炭黑、水泥等高温冶炼企业，利用余热发电、热电联产的自备电厂的微电网设
备在线数字化状态检测与监控的工艺改造，彻底改造通过气门排放蒸汽调节负荷的传统方法，实现了既稳定运行，又节能降耗减排。其适用范围和区域主要是产生余热、余气的高温冶炼企业，电网覆盖薄弱地区、电网末端或电网未到达区域，自建的供、用电微电网。 针对这种状况，山西博赛克电力技术有限公司潜心研究开发余热减排发供电微电网稳定运行综合控制系统技术，彻底解决了这些发电机组的运行不稳定问题，真正实现了无网支撑、无忧运行，被称为“自备电厂的革命性技术”，具有国内领先水平。是一项电力、电网节能降耗技术。 其社会经济意义主要是：能为上述状况提供完整的工艺改造解决方案，可使这些企业的余热自备电厂的发电设施充分发挥效能，既节能又高效，净化污染物排放，而且用电用户可以使用到与大电网等质的电能，满足生产、生活需求。山西省长治地区沁新公司2×6000KW煤矸石自备电厂的工艺改造和2×12MW焦化余热自备电厂建设，都是采用了余热减排发供电微电网自稳定综合控制系统技术。 事实雄辩地说明，应用该技术改造余热自备电厂通过气门排空进行负荷调节的传统方法，彻底解决了自备电厂运行的弊端，使之高效节能、安全稳定运行。肯定可以带动一大批焦化、炭黑、水泥等高温冶炼企业，充分利用余热、余气进行发电。一是由于余热、余气的充分利用，提高了原材料
《汽轮机原理》 目录 第一章汽轮机级的工作原理 第二章多级汽轮机 第三章汽轮机在变动工况下的工作 第四章汽轮机的凝汽设备 第五章汽轮机零件强度与振动 第六章汽轮机调节 模拟试题一 模拟试题二 参考答案
第一章汽轮机级的工作原理 一、单项选择题 1.汽轮机的级是由______组成的。【 C 】 A. 隔板+喷嘴 B. 汽缸+转子 C. 喷嘴+动叶 D. 主轴+叶轮 2.当喷嘴的压力比εn大于临界压力比εcr时，则喷嘴的出口蒸汽流速C1 【 A 】 A. C 1
喷管实际流量大于理想流量的情况：在湿蒸汽区工作时，由于蒸汽通过喷管的时间很短，有一部分应凝结成水珠的饱和蒸汽来不及凝结，未能放出汽化潜热，产生了“过冷”现象，即蒸汽没有获得这部分蒸汽凝结时所应放出的汽化潜热，而使蒸汽温度较低，蒸汽实际密度大于理想密度，从而导致···。 蒸汽在斜切喷管中的膨胀条件：①当喷管出口截面上的压力比大于或等于临界压力比时，喷管喉部截面AB 上的流速 小于或等于声速，喉部截面上的压力与喷管的背压相等，蒸汽仅在喷管收缩部分中膨胀，而在其斜切部分中不膨胀，只起导向作用。②当喷管出口截面上的压力比小于临界压比时，喉部截面上的流速等于临界速度，压力为临界压力，在喉部截面以后的斜切部分，汽流从喉部截面上的临界压力膨胀到喷管出口压力。 分析轮周效率：高 越大，轮周效率也就越和速度系数ψ? 纯冲动： 反动级： 第二章： 为什么汽轮机要采用多级：为满足社会对更高效率的要求，提高汽轮机的效率，除应努力减小汽轮机内的各种损失外，还应努力提高蒸汽的初参数和降低背压，以提高循环热效率；为提高汽轮机的单机功率，除应增大进入汽轮进蒸汽量外，还应增大蒸汽在汽轮机内的比焓降。如果仍然制成单级汽轮机，那么比焓降增大后，喷管出口气流速度必将增大，为使汽轮机级在最佳速比附近工作，以获得较高的级效率，圆周速度和级的直径也必须相应增大，但是级的直径和圆周速度的增大是有限度的，他受到叶轮和叶片材料强度的限制，因为级的直径和圆周速度增大后，转动着的叶轮和叶片的离心力将增大，因此为保证汽轮机有较高的效率和较大的单机功率，就必须把汽轮机设计成多级的。 多级汽轮机各级段的工作特点：1.高压段：蒸汽的压力，温度很高，比容较小，因此通过该级段的蒸汽容积流量较小，所需的通流面积也较小，级的反动度一般不大，各级的比焓降不大，比焓降的变化也不大。漏气量相对较大，漏气损失较多，叶轮摩擦损失较大，叶高损失较大，高压段各级效率相对较低。2.低压段：蒸汽的容积流量很大，要求低压各级具有很大的通流面积，因而叶片高度势必很大，余速损失大，漏气损失很小，叶轮摩擦损失很小，没有部分进气损失。3中压段：蒸汽比容既不像高压段那样很小，也不像低压段那样很大，因此中压段也足够的叶片高度，叶高损失较小，各级的级内损失较小，效率要比高压段和低压段都高。 也可以提高轮周效率和适当减小21βα的变化而变化周效率只随速比的数值也基本确定，轮 和，和叶型一经选定，121x βαψ?变化不随级的喷管损失系数1x n ξ变化最大余速损失系数2c ξ增大而减小随级的动叶损失系数1x b ξm m t m m t a a x c u h u h u c u x Ω-=Ω-=?Ω-Ω-=?==**11211211????2cos 11α＝）（op x 2cos 11α??＝）（）（op op a x x =11cos α＝）（op x 2 cos 1α?=＝）（op a x
《汽轮机原理》习题 1. 已知：渐缩喷嘴进口蒸汽压力MPa p 4.80=，温度4900=t ℃，初速s m c 500=；喷嘴后蒸汽压力MPa p 8.51=，喷嘴速度系数97.0=φ。求 （1） 喷嘴前蒸汽滞止焓、滞止压力； （2） 喷嘴出口的实际速度； （3） 当喷嘴后蒸汽压力由MPa p 8.51=下降到临界压力时的临界速度。 2. 已知：某汽轮机级的进汽压力MPa p 96.10=，温度3500=t ℃；级后蒸汽压力MPa p 47.12=。速度比5 3.011==c u x ，级的平均反动度15.0=Ωm ，又知喷嘴和 动叶栅的速度系数分别为97.0=φ， 90.0=ψ，喷嘴和动叶的出口汽流角为o 181=α，o 612?=?ββ。 （1） 求解并作出该级的速度三角形； （2） 若余速利用系数00=μ，11=μ，流量h t D 960=，求级的轮周效率u η和轮 周功率u P ； （3） 定性绘制级的热力过程曲线。 3. 某机组冲动级级前蒸汽压力MPa p 96.10=，温度3500=t ℃；级后蒸汽压力MPa p 47.12=。该级速度比45.01=x ，喷嘴出口汽流角为o 131=α，动叶的进口汽流角与出口汽流角相等（?=21ββ），喷嘴和动叶栅的速度系数分别为95.0=φ，87.0=ψ；该级的平均反动度0=Ωm 。试求解：同题2（1）、（2）、（3）。 4. 国产某机组第三级设计工况下级前蒸汽压力MPa p 13.50=，温度 5.4670=t ℃；级后蒸汽压力MPa p 37.42=，进口汽流的初速动能kg kJ h c 214.10=Δ全部被利用。设 计中选定该级的平均直径mm d m 5.998=，级的平均反动度%94.7=Ωm ，喷嘴出口汽流角为74101′=o α，动叶的出口汽流角相等45172′=?o β。又知喷嘴和动叶栅的速度系数分别为97.0=φ，935.0=ψ，汽轮机的转速min 3000r n =，11=μ。试作出该级的速度三角形，求级的轮周效率u η，定性绘制级的热力过程曲线。
《汽轮机原理》思考题 杨建明康松编 东南大学动力工程系 2000年10月
第1章汽轮机级的工作原理 1．何谓滞止参数？喷嘴和动叶的滞止参数如何计算？ 2．叶栅通道的速度系数代表了什么意义？影响速度系数大小的主要因素有哪些？ 3．反动度的意义是什么？汽轮机的级按反动度的大小如何分类？在叶栅通道结构上又是如何实现反动度设计的？ 4．速度系数、能量损失系数和喷嘴及动叶损失系数三者间的关系如何？ 5．什么是级的热力过程线？它在分析级的能量转换、认识级工作过程中有何特别作用？ 6．什么是速度三角形，其意义是什么？ 7．何谓轮周功率？何谓轮周功？何谓理想能量？轮周功在级热力过程线上如何表示？ 8．什么是余速损失？什么是余速利用系数？影响余速利用的主要因素有哪些？ 9．何谓速比？何谓假想速比？ 10．轮周效率的意义是什么？影响轮周效率的因素有哪些？ 11．什么是最佳速比？为什么会存在最佳速比？当余速利用后，轮周效率与速比之间的关系发生了哪些主要变化？ 12．最佳速比与反动度的关系怎样？对相同容量的汽轮机，为什么冲动式的级数一般少于反动式？ 13．何谓单列级？何谓复速级？它们各自有何优缺点？ 14．何谓流量系数？流量系数的大小有何特点？ 15．对汽轮机弯曲形渐缩叶栅通道，最大出口汽流速度能否超过音速？为什么？ 16．何谓叶栅通道的临界压比？在叶栅通道汽流速度和通流量计算中，临界压比计算有何特别意义？ 17．叶栅通道的最大出口流速和通过的最大流量是否出现于同一前后压比？为什么？ 18．何谓叶栅出口汽流偏转角？在什么工况下发生？ 19．喷嘴调节汽轮机，为什么调节级总为冲动式？ 20．何谓盖度？其主要起什么作用？ 21．为什么冲动式汽轮机总会有一定的反动度？ 22．为什么要采用长扭叶片？ 23．长扭叶片有哪些主要特点？ 24．何谓轮周损失？何谓级内损失？两者间的关系怎样？ 25．什么是叶高损失？其物理意义是什么？采取何种措施减小叶高损失？26．决定叶片高度的主要因素有哪些？ 27．什么是二次流损失？如何减小二次流损失？ 28．何谓撞击损失？主要发生在何种情况？
?A) 级的相对内效率小于轮周效率 ?B) 级的相对内效率的最佳速度比大于轮周效率最高时的最佳速度比?C) 级的相对内效率的最佳速度比等于轮周效率最高时的最佳速度比?D) 级的相对内效率的最佳速度比小于轮周效率最高时的最佳速度比 ?A) 压力降低 ?B) 温度降低 ?C) 比体积增大
?D) 相对速度增加 ?A) 隔板型结构，隔板用来安装喷嘴，并将各级叶轮隔开?B) 转鼓型结构 ?C) 汽缸上有固定静叶的隔板及支承隔板的隔板套 ?D) 汽缸上有静叶环及支承静叶环的静叶持环 ?A) 定压运行 ?B) 滑压运行 参考答案：A B 收起解析 解析：
?A) 便于拆装 ?B) 可使级间距离不受或少受汽缸上抽汽口的影响，从而可以减小汽轮机的轴向 尺寸，简化汽缸形状，有利于启停及负荷变化 ?C) 为汽轮机实现模块式通用设计创造了条件 ?D) 隔板套的采用会增大汽缸的径向尺寸，相应的法兰厚度也将增大，延长了汽 轮机的启动时间 ?A) 可分为轮式和鼓式两种基本型式 ?B) 轮式转子具有安装动叶片的叶轮，鼓式转子则没有叶轮，动叶片直接装在转 鼓上 ?C) 通常反动式汽轮机转子采用轮式结构 ?D) 通常冲动式汽轮机转子采用轮式结构 参考答案：A B D
?A) 纯冲动机 ?B) 反动级 ?C) 带反动度的冲动级 ?D) 复速级 ?A) 因高速转动和汽流作用而承受较高的静应力和动应力 ?B) 因处在高温过热蒸汽区而承受高温作用 ?C) 因处在湿蒸汽区内工作而承受腐蚀和冲蚀作用 ?D) 作用是将蒸汽的热能转换为动能，再将动能转换为汽轮机转子旋转机械能 参考答案：A B C D 收起解析
电厂汽轮机题库 名词解释： 级- 将热能转换成旋转机械能的最基本的工作单元。 极限压力—蒸汽在减缩喷管的斜切部分达到完全膨胀时出口截面上最低的压力。 最佳速比—轮周效率最高时对应的速比。 重热现象—在多级汽轮机中，前面级的损失可以部分的被以后各级利用，使得各级的理想焓降之和大于汽轮机的理想焓降，这种现象称为重热现象。 极限功率- 指在一定的蒸汽初，终参数和转速下，单排气口凝气式汽轮机所能获得的最大功率。 汽轮机的相对内效率-蒸汽在汽轮机内的有效焓降与其理想焓降的比值。 汽轮机的变工况：汽轮机在偏离设计参数条件下运行的工况。 节流调节：通过改变一个或几个同时启闭的调节阀开度，从而改变汽轮机进气量及焓降的调节方法。 喷嘴调节：蒸汽通过依次几个启，闭调节阀进入汽轮机的调节方法。 调节级：通流面积随负荷改变而改变的级。 滑压调节：汽轮机的调节汽阀开度不变，通过调整新汽压力来改变机组功率调节方式。 叶片的静频率：叶片在静止时的自振频率。 叶片的动频率：叶片在旋转情况下的自振频率。 转子的临界转速：在汽轮机发电机组的启动和停机过程中，当转速达到某些数值时，机组发生强烈振动，而越过这些转速后，振动便迅速减弱。这些机组发生强烈振动时的转速称为转子的临界转速。 油膜振荡：机组转速达到转子的第一临界转速两倍时，轴颈中心发生的频率等于转子第一临界转速的大振动。 凝汽器传热端差：汽轮机排气温度与凝汽器循环冷却水出口温度的差值。 凝结水过冷度：凝结水的温度比凝汽器喉部压力下的饱和温度低的数值。 凝汽器的最佳真空：提高真空后所增加的汽轮机功率与为提高真空使循环水泵多消耗的厂用电之差达到最大值时的真空。 液压调节系统：主要依靠液体作工作介质来传递信息的汽轮机调节系统，主要由机械部件和液压部件组成。 调节系统的静态特征：在稳定工况下，调节系统输入转速和输出负荷之间的关系。 过渡过程时间：调节系统受到扰动后，从原来的稳定状态过渡到新的稳定状态所需要的最少时间。 一次调频：电负荷改变引起电网频率变化时，电网中并列运行的各台机组均自动的根据自身的静态特征线承担一定的负荷变化以减少电网频率改变的调节过程。 二次调频：通过同步器或改变功率给定值，实现电网负荷的重新分配，将电网频率调回到预定的质量范围内的调频过程。 低周疲劳：材料失效应力循环次数小于104-105的疲劳。 胀差：转子与汽缸沿轴向的膨胀差值。 滑参数启动：在启动的过程中，电动主气门前的蒸汽参数（压力和温度）随机组转数或负荷的变化而滑升。 中压缸启动：冲转时高压缸不进汽，中压缸先进汽，待转速升到一定转数或并网并带一定负荷后，高压缸才进汽。 填空题：
第一章 级的工作原理 补1. 已知某喷嘴前的蒸汽参数为p 0=，t 0=500℃，c 0=80m/s ，求：初态滞止状态下的音速和其在喷嘴中达临界时的临界速度c cr 。 解: 由p 0=，t 0=500℃查得: h 0=; s 0= 0002 1 c h h h ?+ =*=+= 查得0*点参数为p 0*=；v 0*= ∴音速a 0*=*0*0 v kp = (或a 0*=*0kRT = ; 或a 0*=* 0)1(h k *-= c cr = * 0*1 2a K += 12题. 假定过热蒸汽作等熵流动,在喷嘴某一截面上汽流速度c=650m/s ，该截面上的音速a=500m/s ，求喷嘴中汽流的临界速度 c cr 为多少。 解: 2 222) 1(212112121cr cr cr cr cr cr c k k c v p k k c h c h -+=+-=+=+ Θ )2 1 1(1)1(222c k a k k c cr +-+-= ∴=522 23题. 汽轮机某级蒸汽压力p 0=，初温t 0=435℃，该级反动度Ωm =，级后压力p 2=，该级采用减缩喷嘴，出口截面积A n =52cm 2，计算： ⑴通过喷嘴的蒸汽流量 ⑵若级后蒸汽压力降为p 21=，反动度降为Ωm =，则通过喷嘴的流量又是多少 答:1): kg/s; 2):s 34题. 国产某机组在设计工况下其末级动叶（渐缩）前的蒸汽
压力p 1=，蒸汽焓值h 1=kg ，动叶出汽角β2=38°，动叶内的焓降为Δh b =kg 。问： ⑴汽流在动叶斜切部分是否膨胀、动叶出口汽流角是多少 ⑵动叶出口的理想相对速度w 2t 是多少 解: 确定初态:由h 1,p 1查图得s 1= 4.23162000 1 211* 1=+ =w h h 由h *1, s 1查图得p 1*=,x 1*= ∴k= ∴临界压力比:5797.0)1 2(1 =+=-k k cr k ε 极限压力比:347.05985.0*5797.0)(sin *1 221===+k k cr d βεε 流动状态判断:由s 1=,h 2t =h 1-Δh b = 查图得p 2= 动叶压力比εb =p 2/p *1= 显然εb ＜ε1d ，即蒸汽在动叶中达极限膨胀，极限背压为p 1d =ε 1d *p 1*= 查焓熵图得：h 2dt =,ρ2dt = 7.511)(22*12=-=∴dt t h h w 查临界压力比处的参数： p 2cr =;h 2cr =ρ2cr = ∴2.371)(22*12=-=cr cr h h w =??=+dt t cr cr w w 2222222sin )sin(ρρβδβ 7102.0)sin(22=+δβ
汽轮机的级: 汽轮机的级是汽轮机中由一列静叶栅和一列动叶栅组成的将蒸汽热能转换成机械能的基本工作单元。 级的余速损失: 汽流离开动叶通道时具有一定的速度，且这个速度对应的动能在该级内不能转换为机械功，称余速损失 滑销系统: 保证汽缸定向自由膨胀，保持汽缸与转子中心位置一致 汽耗微增率: 每增加单位功率需多增加的汽耗量。 迟缓率: 1n 、2n 分别表示在机组同一功率下的最高和最低转速0n 时汽轮机的额定转速 压比: 喷嘴后的压力与喷嘴前的滞止压力之比 速度系数: ：在喷嘴出口处蒸汽的实际速度比理论速度 速比: 动叶圆周速度u 与喷嘴出口速度c1之比x1=u/c1。 最佳速比: 轮周效率最大时的速度比称为最佳速度比。 反动度: 动叶的理想比焓降与级的理想比焓降的比值。表示蒸汽在动叶通道内膨胀程度大小的指标。 轮周效率: 1kg 蒸汽在轮周上所作的轮周功Wu 与整个级所消耗的蒸汽理想能量Eo 之比。 轮周功率: 单位时间内蒸汽推动叶轮旋转所作出的机械功。 轮周损失: 喷嘴出口气流的实际比焓值h1与理想比焓值h1t 之差 速度变动率：汽轮机空负荷时对应的最大转速nmax 和额定负荷时所对应的最小转速nmin 之差与与汽轮机额定转速n0之比 凝汽器冷却倍率: 进入凝汽器的冷却水量与进入凝汽器的蒸汽量的比值称为凝汽器的冷却倍率。表明冷却水量是被凝结蒸汽量的多少倍又称循环倍率M=Dw/Dc 级按照不同角度的分类：按能量转换特点分为纯冲动级、冲动级、反动级、复速级等几种 汽轮机的两大作用原理及其特点：冲动作用原理 冲动力推动动叶做功。特点：蒸汽只在喷嘴中膨胀。反动作用原理反动力推动动叶做功。 特点：蒸汽在喷嘴、动叶都膨胀。 1.级的临界状态（蒸汽在膨胀流动过程中，在汽道某一截面上达到当地声速的气流速度称为临界速度。这时汽流所处的状态称为临界状态，汽流的参数称为临界参数。） 2.滞止状态（气体在流动的过程中，因受到某种物体的阻碍，而流速降低为零的过程称为绝热滞止过程，此时气体的状态为滞止状态） 3.切部分的作用及膨胀条件：导向作用和膨胀作用；条件：叶栅后的压力P1小于临界压力P1c 大于极限膨胀压力P1d （P1d< P1 绪论 1.确定CB25-8.83/1.47/0.49型号的汽轮机属于下列哪种型式？【 D 】 A. 凝汽式 B. 调整抽汽式 C. 背压式 D. 抽气背压式 2.型号为N300-16.7/538/538的汽轮机是【B 】 A. 一次调整抽汽式汽轮机 B. 凝汽式汽轮机 C. 背压式汽轮机 D. 工业用汽轮机 3.新蒸汽压力为15.69MPa~17.65MPa的汽轮机属于【C 】 A. 高压汽轮机 B. 超高压汽轮机 C. 亚临界汽轮机 D. 超临界汽轮机 4.根据汽轮机的型号CB25-8.83/1.47/0.49可知，该汽轮机主汽压力为8.83 ，1.47表示汽轮机的抽汽压 力。 第一章 1.汽轮机的级是由______组成的。【C 】 A. 隔板+喷嘴 B. 汽缸+转子 C. 喷嘴+动叶 D. 主轴+叶轮 2.当喷嘴的压力比εn大于临界压力比εcr时，则喷嘴的出口蒸汽流速C1【A 】 A. C1 、填空题 1. 蒸汽轮机发电厂的三大核心设备为：、及。 2. 工质的基本状态参数有：、和。 3. 热能传递和转化的方式有：和。 4. 当M<1时，要想使气流膨胀，通流截面应；要想扩压通流截面应。 当M>1时，要想使气流膨胀,通流截面应；要想扩压通流截面应。 5. 汽轮机按热力过程可分为：①汽轮机;②汽轮机； ③汽轮机；④汽轮机等。 6. 汽轮机是一种将的转变为的旋转式原动机。 7. 根据级所采用的反动度的大小不同，可将级分为:,,三种。 8. 蒸汽在动叶中的与这一级之比，称为汽轮机的反动度。 9. 动叶片中理想焓降的大小，通常用级的来衡量，动叶中的焓降越大，级的反动度就。 10. 级内损失除了蒸汽在通流部分中流动时所引起的损失、损失、损失外，还有 损失、损失、损失、损失，损失以及等损失。 11. 汽轮机的损失可分为损失和损失。外部损失包括：损失、损失。 12. 汽轮机转子主要包括、、、以及其他转动零件。 13. 汽轮机的轴承分轴承和轴承两大类。 14. 蒸汽在多级汽轮机中工作时，除存在各种级内损失外，还要产生损失和损 失。 15. 汽轮机米用中间再热，可以提咼；又能减小 16. 高压轴封用来防止蒸汽汽缸，避免工质损失并保护运行现场环境，减轻加热或冲进使润滑油质劣化；低压轴封则用来防止空气汽缸使升高，以及减轻的负担。 17. 危急遮断器的动作转速应在额定转速的范围内。 18. 汽轮机处在临界转速下振动增大的现象称为现象。 19. 影响调节系统动态特性的主要因素，除了机组方面的转子飞升时间，中间容积时间外，还有调节系统方面的、和。 20. DEH控制系统要实现对汽轮机组转速和负荷的控制，必须获得的反馈信号是信号、信号以及信号。 21. DEH调节系统的四种运行方式为：、、和。 22. 汽轮机凝汽设备由、、和凝结水泵等组成。 23. 抽汽器的作用是抽出凝汽器中的，凝汽器真空。 24. 高加保护装置的作用是：当高加发生事故时，能及时切断高加与的联系，同时打开管路，以保证。 25. 调节系统动态特性的质量指标主要有：、和。 26. 调节系统的静态试验包括：、和。 二、名词解释 1?工质一一 2?热力系统—— 汽 轮 机 原 理 课程学习辅导材料 2009.2 目 录 第一篇 各章单元复习题 绪论及第一章 汽轮机级的工作原理 2 第二章 多级汽轮机 19 第五章 凝汽设备 26 第七章 汽轮机调节系统 35 第二篇 综合思考题 第一部分 汽轮机的热力特性 46 第二部分 汽轮机的负荷调节 47 第三部分 汽轮机的经济运行 49 第四部分 汽轮机的安全运行 50 第五部分 汽轮机的启动与运行 53 第三篇 各章练习题 第一章 汽轮机级的工作原理 55 第二章 多级汽轮机 58 第三章 汽轮机级在变工况下的工作 60 第五章 汽轮机的凝汽设备 61 第七章 汽轮机调节系统 61 练习题参考答案 62 第一篇 各章单元复习题 长沙理工大学 能源与动力工程学院 绪论及第一章级的工作原理 一、问答题: 1．按工作原理、热力过程特性、蒸汽流动方向、新蒸汽参数等对汽轮机进行分类，汽轮机可分为哪些类型？按新蒸汽参数分类时，相应类型汽轮机的新汽压力等级是什么？2．国产汽轮机型号的表示方法是什么？ 3．根据国产汽轮机型号的表示方法，说明下列汽轮机的型号提供了汽轮机设备的哪些基本特征？ （1）C B25-8.82/0.98/0.118 （2）C C25-8.82/0.98/0.118-1 （3）C B25-8.83/1.47/0.49 （4）N300-16.7/537/537 4．汽轮机中哪些部件是转动的？哪些部件是静止不动的？ 5．汽缸的作用是什么？ 6．简述蒸汽在汽轮机中的能量转换过程？ 7．试绘图说明最简单的发电厂生产过程示意图？ 8．蒸汽对动叶片冲动作用原理的特点是什么？ 9．蒸汽对动叶片反动作用原理的特点是什么？ 10．根据蒸汽在汽轮机内能量转换的特点，如何划分汽轮机级的类型？各种类型级的特点是什么？ 11．什么是动叶的速度三角形？ 12．如何根据喷嘴汽流出汽角计算速度级、纯冲动级与反动级的最佳速比？ 13．汽轮机的调节级为什么要采用部分进汽？如何选择合适的部分进汽度？ 14．试述汽轮机级内有哪些损失？造成这些损失的原因是什么？ 15．如何减小级内漏汽损失？ 16．简述轴向推力的平衡方法。 17．简述汽封的工作原理？ 18．何为汽轮机的进汽机构节流损失和排汽阻力损失？在热力过程线（焓-熵图）上表示出来。 二、名词解释 1．汽轮机的级 2．反动度。 3．滞止参数 4．临界压比 5．轮周效率。 6．级的余速损失 7．最佳速度比。 8．部分进汽度。 9．级的相对内效率 三、单项选择 1．电厂常用汽轮机属于下列那种类型？ A. 离心式 B. 轴流式 C. 辐流式 D. 周流式 2．保证转子相对于静子的正确轴向位臵的是： A. 支持轴承 B. 轴封 第一章 绪论 、单项选择题 1．新蒸汽参数为 13.5MPa 的汽轮机为( A ?高压汽轮机 C .亚临界汽轮机 2.型号为 N300-16.7/538/538的汽轮机是(B )。 A. 一次调整抽汽式汽轮机 C.背压式汽轮机 B. 凝汽式汽轮机 D.工业用汽轮机 第一章 汽轮机级的工作原理 、单项选择题 3.在反动级中，下列哪种说法正确 ?( C ) A. 蒸汽在喷嘴中的理想焓降为零 B. 蒸汽在动叶中的理想焓降为零 C. 蒸汽在喷嘴与动叶中的理想焓降相等 D. 蒸汽在喷嘴中的理想焓降小于动叶中的理想焓降 4.下列哪个措施可以减小叶高损失 ?( A ) A. 加长叶片 B.缩短叶片 C.加厚叶片 D. 减薄叶片 5.下列哪种措施可以减小级的扇形损失 ?( C ) A. 采用部分进汽 C.采用扭叶片 6.纯冲动级动叶入口压力为 B.采用去湿槽 D.采用复速级 P 1,出口压力为 P 2,贝U P l 和P 2的关系为( C A . P 1 P 2 A. 余速损失 B. 喷嘴能量损失 C.动叶能量损失 D.部分进汽度损失 8．下列哪项损失不属于汽轮机级内损失 A. 机械损失 B. 鼓风损失 C. 叶高损失 D. 扇形损失 ( A ) 9．反动级的结构特点是动叶叶型 ( B )。 A. 与静叶叶型相同 B. 完全对称弯曲 C . P l = P 2 D . P l > P 2 7．当选定喷嘴和动叶叶型后，影响汽轮机级轮周效率的主要因素 ( A ) b ) B .超高压汽轮机 D ?超临界汽轮机 A. 最大流量 C. 部发进汽 B. 最佳速度比 D. 全周进汽 A. 隔板 +喷嘴 C. 喷嘴+动叶 B. C i =C cr D. C 1 W C cr 3. 当渐缩喷嘴出口压力p i 小于临界压力p cr 时，蒸汽在喷嘴斜切部分发生膨胀, 列哪个说法是正确的？ C. 动叶根部背弧处 8. 降低部分进汽损失，可以采取下列哪个措施？ A. 加隔板汽封 1. 汽轮机的级是由 组成的。 2.当喷嘴的压力比& n 大于临界压力比& cr 时, 则喷嘴的出口蒸汽流速 C 1 B. 汽缸 +转子 D. 主轴 +叶轮 A. C 1 汽轮机原理及运行试题 一、填空题（每小题1分，共20分） 1．排汽压力升高时，若保持机组功率不变，需增加进汽量，导致轴向推力。2．蒸汽在动叶流道内因摩擦而损耗的动能称为。 3．在叶轮上装有两列动叶栅，并在两列动叶栅之间装一列固定不动的导向叶栅，这种级称为级。 4．当主蒸汽温度不变，主蒸汽压力降低时，汽轮机的经济性将。5．机组转速和额定功率一定时，转子飞升时间常数与转子转动惯性成比。6．速度变动率较大的机组，在甩负荷时稳定转速也较。 7．油动机时间常数越大，调节系统的动态特性越。 8．对于复合调节汽轮机，在高负荷、中间负荷及低负荷区间，其调节方式一般应分别采用定压、滑压及调节方式。 9．单位发电量所消耗的标准煤量称为。 10．为了提高循环热效率，现代汽轮机普遍采用的循环是和再热循环。11．抽汽压力损失导致能量质量的。 12．对于采用节流调节的汽轮机，若定压运行，负荷下降，需使全部调节汽门的开度。 13．与转轴自振频率相等的旋转角频率ωn对应的转速称为。14．对于调频叶片，由低频激振力引起的A0型振动，要求叶片自振频率与激振力频率之间的绝对差值不小于。 15．随汽缸排汽温度升高，转子的相对胀差。 16．通常情况下，法兰的平均温度比螺栓的温度。 17．一般地，如果汽轮机转子发生动、静碰摩，则转子的惰走时间将。18．一般地，转子偏心率（晃度）增大，就表明转子已经。19．启动过程中，汽轮机各级前的压力和温度逐渐。 20．对于有些汽轮机，通常将启动分为冷态、、热态和极热态启动。 二、单项选择题（每小题1分，共15分。从每小题的四个备选答案中，选出一个正确答案，并将正确答案的号码写在题干后面的括号内。） 21．非中间再热汽轮机，主蒸汽压力升高时，若初温保持不变，湿蒸汽区工作级的湿度（） ①增大②减小③不变22．汽轮机的初温升高，蒸汽在锅炉内的平均吸热温度提高，循环效率（）①升高②降低③不变23．具有一定温度和压力的蒸汽在固定不动的喷嘴流道中膨胀加速，蒸汽的压力、温度将（） ①升高②降低③不变24．亚临界参数机组，在高负荷下运行，采用滑压调节比定压调节的经济性（）汽轮机原理试题与答案
汽轮机原理及运行考试题.
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