叶片长度。现在先进的末级叶片截面随着半径的平方呈指数减小。于是由离心应力引起的张应力在叶片的大部分高度内基本不变，从而使得在3000r/min机组上叶片的高度可达940mm。

现代的叶片，叶顶直径通常大约是叶根直径的两倍。因此，叶片中部相邻叶片圆周方向的距离，即叶片的节距是叶根处节距的1.5倍。这样，圆周方向的速度也是叶片底部圆周速度的 1.5倍。叶片速度的增加将会改变蒸汽进入动叶的相对速度方向。因此动叶的入口角应设计成与 蒸汽汽流的方向相一致，这样动叶的截面形状发生了变化。这使动叶出口角减小，以致动叶压降增加，并在动叶出口获得较大的速度来补偿圆周速度的增加从而使蒸汽离开叶片时产生最小的漩涡。级的根部设计反动度相当低，因为随着叶高的增加，动叶的压降增加，所以通过静叶的压降减少，从而使随着叶高的增加，级的反动度增加。由于离心力产生的径向拉应力和蒸汽汽流变化产生的空气动力学作用导致了高度扭曲叶片的采用，这种叶片在叶根处强度高，反动度低；而叶顶处则强度低，反动度高。

叶顶连接件 长叶片和大叶弦的采用导致了叶片节距的增加，这样使得提高叶片强度和减弱振动的装置变得复杂。为了承担离心负载，围带或拉金像跨接在叶片节距间的横梁，同时围带和拉筋还必须承担由于叶片的径向弹性伸长和运行中叶片有松动的趋势而引起的巨大周向张力。

3.4.4动叶叶根固定大型汽轮机末级叶片在运行时，会产生几百吨的离心应力，因此需要非常有

效的叶根固定。目前叶根固定方式包括：菱形叶根，叉形叶根和直或斜的纵树形叶根。纵树形叶根是一种

很好的叶根固定方式，因为在这种方式中，叶片可以依次紧密的排列而且在轴与叶根相连的齿上有最佳的离心力。

3.4.5汽轮机叶片发展将来，汽轮机叶片有望向满足下面三个目

标发展：

?降低制造成本 ?整体性能改善

?提高效率，包括排汽面积增大后的新低压叶片。叶片设计的成本可利用计算机辅助设计与制造降至最低。在计算机辅助设计与制造中，考

虑性能、振动和应力因素的最佳尺寸可直接输入到数控机床上。为减少应力集中进行仔细详细

设计可改善叶片整体性能。减少应力集中可通过控制振动特

性避免在运行转速附近共振、减少叶片附件如围带拉筋和防腐蚀保护的使用（或改善性能）来

实现。为了改善整体性能，需在强度高厚截面叶片与高效率及高效率一般具有高叶型比（长弦比）的叶片之间寻求平衡。

因为在高、中压缸中，大部分现代汽轮机叶片的内效率已达90%-95%，故再提高的程度不 大。汽轮机制造者已经形成了高效的标准叶片系列，它们的效率受汽流入射角的变化的影响小，汽流入射角的变化是由于不同的应用情况和不同的运行参数引起的。叶根和叶顶间隙根据实际情况尽可能的小，并且根据设计许可有尽可能多的限流装置，这些限流装置的详细尺寸引起流量系数的一些减小，这样，通过这些间隙的漏汽就被减至最低程度。

低压汽轮机模块的发展是一个代价高且漫长的过程，不过在其发展过程中，增加每个通流部分的排汽面积减少排汽动能（余速损失）一直是它的动机。对于特定的机组容量和蒸汽循环，这种发展会导致低压缸个数的减少；这一点对于节约成本和减少汽轮机房的大小是有意义的。就作用在叶片上的蒸汽弯曲应力和质量高叶片作用在叶片连接到叶轮的部位上的巨大离心应力而言，末级和次末级叶片一直是设计的瓶颈。3000r/min的机组末级叶片长度已经发展到高达1200mm，这被认为是传统的含12%铬叶片材料的极限。实际上，前苏联机组上使用的1200mm叶片由钛合金制造，这种钛合金可能是制造长叶片最优的材料。尤其是这种长叶片的发展使得

在50Hz电网系统中，最大的核电站可采用3000r/min的机组，尽管采用3600r/min的机组还很遥远。 3.5凝汽系统

汽轮机排汽至凝汽器的原因有两个。第一个是凝汽器可运行于高真空状态，从而使汽轮机

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有一个低的排汽压力，绝对压力低于12毫米汞柱（0.0016MP）。通常在汽轮机中，凝汽器为蒸汽和冷却水不混合的表面式凝汽器。由于蒸汽和冷却水不混合，所以达到了排汽至凝汽器的第二个目的，也就是，这样的凝结水可返回锅炉。由于蒸汽流量较大，所以必须回收凝结水，否则大型电站锅炉的运行是不切实际的。

在表面式凝汽器的结构中，采用了管板式布置方式（如图3.6）。大量外径约为19-32mm的管子安装在两个管板间，每个管板构成了水室的一部分。在单流程设计中，水从其中一个水室进入，流过管子后进入出口水室。对于双流程设计，入口水室被分成了两部分，从而使冷却水流过其中一半管束。在凝汽器的另一端，冷却水反向从而流过另一半管束。

相比双流程设计，单流程凝汽器需要的循环水量大，流阻小。热力发电厂只要有可能，就建于邻近于循环水量充足的地方，采用单流程凝汽器。

表面式凝汽器的循环水流量大，但是循环水泵 仅需要提供冷却水流动和克服在导管、管道和凝汽器中的流动阻力所需的足够的压头。为了清除循环水中淤泥和其他物质的沉淀物，凝汽器冷却水管的

图3-6单流程表面式凝汽器示意图

水侧需要定期清洗。在表面式凝汽器设计中，应使蒸汽能到达管

束

的所有部位。如图3-7所示的径向流动凝汽器，不

仅蒸汽能到达所有冷却水管，而且还能确保从汽轮机排汽到抽气口的压降最 小。 图3-7径向流表面式凝汽器

通过凝结水和排汽的交

叉和逆向流动，凝结水被连续地再热，从而使氧气

排出。凝结水降落到换热的排汽上，避免了凝结水

的过冷。这样除去氧的凝结水在凝汽器压力对应的

饱和温度下排出。

在电厂系统中循环流动的蒸汽/水中含有各种各样的不凝结气体。它们来源于几个方面。供给系统的补水中可能含有相对高的不凝结溶解气体。另外在内部化学反应中释放出不凝结气体，以及在压力低于大气压力的部位，不凝结气体通过漏气进入系统。这些不凝结气体进入凝汽器以及汽轮机排汽，除非连续的去除，否则会迅速地在凝汽器中积聚并提高汽轮机背压。

排汽中含有不凝结气体对凝结蒸汽的传热系数有负面影响。试验中蒸汽中仅仅少量的不凝结气体会引起传热

2

系数量级的大大减小，范围为8500-20,000W/m·K。在工厂实际应用中，这个

2

数值一般为11,500W/m·K。

凝汽器中的不凝结气体可利用射汽抽气器或旋转真空泵除去。为了减少将这些气体抽至大气压力的耗功，抽气点置于凝汽器的最冷区域。 3.6超临界蒸汽轮机技术 3.6.1现状

由不同制造商制造的蒸汽轮机包括高参数蒸汽轮机的发展，都是对于转速为3000r/min和3600r/min的全速汽轮机。

对于单再热蒸汽轮机的标准模块，包括高压和中压汽轮机模块，这种汽轮机的进汽参数分别为240bar/565oC/565oC和300bar/600oC/600oC，发电出力有望达到1100MW。

由于高压缸中增大的通流部分损失，容量达到250MW机组的效率不可能达到更高容量机组

有望达到的高效率，这些机组有望仍保持亚临界参数。除了单再热设计，超临界机组还有两次再热设计。在

两次再热机组中，最高压汽轮机被称

作为VHP汽轮机，接收主蒸汽；之后是一个高中压联合汽轮机或两个独立的高压和中压汽轮机，

接受从第一级或第二级再热器出来的蒸汽。超临界汽轮机发展的另一个重要方面是汽轮机的灵活性。由于汽

轮机中所用的传统材料可 适用于蒸汽温度达到565oC，为了满足承受高压的要求，导致汽轮机的部件增厚。因此在超临界

汽轮机中，制造商利用了一些含铬为10-12%的合金钢，从而使缸壁厚度变薄，热应力减至最低限度。这些材料的选择性使用改善了启动时间，提高了整机的利用率。

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高压汽轮机 现在超临界参数高压缸广泛成功采用了高铬含量的铁素体钢。目前所有的制造商都保留了汽缸的双层缸设计，而没有转向采用三层缸来承担高压。虽然采用螺栓连接的结合面方式比较典型，但也有采用其他方式的。西门子公司喜欢采用桶状设计，而ABB公司则采用了收缩环结构。利用螺栓连接水平结合面的方式通常比桶状方式易于检修。

对于温度参数为565oC的汽轮机，内缸通常采用传统的1%铬.钼.钒钢铸造，而对于温度参数为600oC的汽轮机，则变为采用高铬含量的铁素体钢。当温度大于>600oC时，在内缸的水平结合面上，通常需要采用80A镍铬耐热合金钢螺栓（取代了12%铬钢）。

高压转子的设计取决于所采用的叶片类型。通常要么采用鼓形转子，要么采用叶轮式的转子，其中鼓形转子用于50%反动度的汽轮机中，叶轮式的转子在冲动式汽轮机中采用。这种动叶结构是标准的，在这个领域还没有更进一步的发展。大多数制造商都保留了整锻转子结构，

尽管ABB公司可提供焊接转子结构，这种焊接转子结构综合采用了高铬含量和低铬含量的合金钢，能与蒸汽参数相匹配。

1%铬含量的钢制转子仅限于在带有调节级的高压汽轮机中使用，因为调节级有效地降低了 与转子主要部分直接接触的蒸汽温度。如果温度更高，和对于没有调节级的汽轮机设计，现在需要采用12%铬含量的钢制转子。

中压汽轮机 所有的汽轮机制造商都保留了把汽缸从水平中分面分开的双层缸结构。外缸提供了内缸以及用于后几级叶片的持环的支撑。大多数设计依赖于利用螺栓把每个汽缸的两半部分连接。在这点上唯一的例外是由ABB公司设计的汽缸，它再次采用了收缩环结构。

对于两次再热汽轮机中的高中压联合汽轮机，它的布置取决于制造商。仅仅有一些制造商发展了专门用于超临界参数的反向流汽轮机。对于高中压联合汽轮机别的设计，已由其他制造商用于亚临界参数的汽轮机中，并且有望引入到超临界参数汽轮机中。

用于超临界机组的中压汽轮机和高中压联合汽轮机，与现有的亚临界机组许多设计相同。除了材料上要求改善外，对于高于600oC的蒸汽温度的大幅提高，没有必要有更进一步的发展。低压汽轮机 大多数低压汽轮机可用于高参数蒸汽的机组，而不需要采用专门用于高温的材料。然而，主蒸汽和再热蒸汽压力的提高，可能会提高低压汽轮机排汽的湿汽含量。这会加快末级叶片的腐蚀速度，对于叶片和其他易腐蚀部件有必要增加额外的保护。

在超临界汽轮机上，还有一个普遍的趋势，那就是提高末级叶片长度和增大排汽面积，由此减少低压汽轮机缸的个数，从而减少成本。通常这也会增加末级动叶片产生腐蚀故障的可能性。

从二十世纪八十年代早期以来，通过计算流体动力学（CFD）和三维通流计算方法的使用，叶片设计得到了巨大的发展并且使叶片效率得到大幅提高。不知道这种趋势会延续到什么程度。3.6.2汽轮机发展趋势

240bar/565oC/580oC的蒸汽参数被认为是先进电厂蒸汽参数的标准，随着设计和材料的进步，有更高效率目标的新电厂可达600oC。电厂发展的主要推动力是允许更高蒸汽参数的材料。没有这些新材料的使用，要想获得蒸汽参数更进一步的发展是极不可能的。

对于锻造的汽轮机转子和叶片以及铸造阀门和汽缸需要蠕变强度提高的铁素体钢。美国（如美国电力研究院，EPRI）、日本(EPDC)和欧洲（如欧盟科技联合体COST）都已开始着手研究适合于600oC或更高温度的蠕变强度大大改善的钢材。最近开始的EC-THERMIE项目资助的?700‘ 工程的目的是到2013年进行蒸汽参数达到700oC的运行，其中部分采用了基于镍的合金钢。尽管高压汽缸保持了双层缸为主流的设计，但是三层或部分三层汽缸设计正在积极地考虑 中，从而有助于汽缸承压和避免过度的壁厚。对于最热部分的隔热和冷却蒸汽的设计也在发展 中。

给水加热循环的优化也得到了发展。采用更高给水温度的趋势导致了加热器个数的增加，以及从高压缸抽汽的可能性增加。由于传统的管板式加热器设计需要厚壁部件，并且在较高的温度和压力下易于产生裂纹，加热器还有转向采用联箱式高压加热器的趋势，

对于每个新建电厂，锅炉给水泵在给水加热管路中的位置需要优化，需要在驱动给水泵耗

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功和增加额外的高压给水加热器的成本间寻求平衡。目前，基于经济性角度考虑难以证明采用

两次再热是合理的，还没有确定采用两次再热的

趋势。尽管制造商能根据具体要求提供―预订‖设计，但是一次再热设计有望保持为标准设计。

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第4章火力发电厂

4.1简介

电站的生产过程利用的是一个封闭的蒸汽动力循环，在这个循环中伴随着水的各种热力过程。有一半的循环包括锅炉（或热源）及其辅助设备；另一半的热力循环则包括汽轮机，发电机，凝汽器，给水泵及给水加热器。在锅炉中给水被加热成干饱和蒸汽。干蒸汽进一步过热并进入汽轮机的高压缸。过热蒸汽在汽轮机中膨胀，很大比例的热能转化为带动汽轮机转子的动能。汽轮机转子带动发电机产生电能。做功后的蒸汽离开高压缸回到锅炉被再次加热。再热蒸汽进一步在汽轮机中压缸和低压缸中膨胀做功，然后进入凝汽器。蒸汽在凝汽器这个大型表面式换热器中，通过释放汽化潜热给冷却水（CW）从而被冷凝。主蒸汽在凝汽器中被冷凝成很低压力下的接近饱和的水。凝结成的水从凝汽器排入热井。热井中的水被凝结水泵抽出，经过低压给水加热系统后进入锅炉给水泵。在现代回热循环中，一部份蒸汽通过布置在汽轮机汽缸上的一系列位于选定的动叶级后的抽汽口进入到凝汽器和给水加热器中。这些蒸汽被用来加热低压加热器中的凝结水及高压加热器中的给水，这些加热器都属于表面式换热器。给水经锅炉给水泵增压到高于汽包的压力，以足够克服给水经过锅炉汽水系统和高压给水加热系统的压力损失。至此整个循环就完成了。

4.1.1应用过热的实际循环朗肯循环向一个更实际的蒸汽循环的首次改进包括提高进入汽轮机蒸汽的温度和压力。在过热蒸汽循环中，干饱和蒸汽离开锅炉汽包并进一步过热后才能进入汽轮机。由此，提高了循环的效率。这种过热循环选择与先前的朗肯循环具有相同的汽轮机排汽条件。然而，过热蒸汽的一个主要好处在于提高循环蒸汽的温度和压力，使得汽轮机的排汽湿度可以保持在所能承受的物理极限内。

4.1.2再热循环由于希望进一步增加循环的条件并由此提高循环效率，于是在汽轮机内的膨胀过程中增加蒸汽的再热循环。再热循环中，额定温度的蒸汽在汽轮机中部分地膨胀做功，然后回到锅炉，被再热到最初的额定温度左右。再热蒸汽进入汽轮机其余部分继续做功，之后进入凝汽器冷凝。再热循环的引入相比过热循环提高了热效率。同时再热循环也降低了汽轮机排汽的湿度，但也由于增加再热系统进、出锅炉以及布置在炉内的管道带来了基建投资的增加。为了避免单缸情况下机组再热级之间的热梯度过大，汽轮机通常分为高压缸和低压缸。

4.1.3回热加热系统regenerativefeedheating要完成蒸汽循环的循环过程，必须对其包含的回热系统加以讨论。实际上，一定比例的蒸汽从汽轮机的不同部位被引出，用于加热给水，凝结后返回锅炉。凭借着抽汽释放所有的热量加热给水而很少或基本没有到凝汽器的热量损失，一个简单的朗肯循环能够提高其热效率，但同时由于抽汽没有在汽轮机中膨胀做功而产生一个较小的损失；然而，这项损失远小于循环效率提高所带来的好处。

安装的给水加热器的数量越多，热效率的提高也越多。然而，随着给水加热器数量的增加，每台新增加热器得到的收益却会减少。

4.1.4超临界机组

一个有效增加热效率的方式是提高蒸汽压力。自然循环锅炉的压力极限在2608.2psi(18MPa)左右，虽然压力较高时可能会用到强制循环，但要想提高电站的整体效率，压力需要被提高到

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