汽轮机保护和基本概念.docx

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汽轮机保护和基本概念

汽轮机保护

汽轮机保护系统是保证汽轮机安全运行的一个不可缺少的系统，通常不允许汽轮机在没有保护回路的情况下运行。

1.超速保护。

超速保护装置防止转速超过某一上限值。

如果转速超过这一上限，转子将由于巨大的离心力而断裂，从而导致恶性事故的发生。

出于对安全性的考虑，特别是类似于超速保护之类的保护装置将采用冗余配置。

每一汽轮机的保护系统都会有2~3套独立的危急遮断回路。

每一危机遮断回路都会自动检测转速并在相应的范围内动作。

其中转速由六个非接触式的转速传感器测得。

（一般现场超速设置103%（3090rpm）和110%（3300rpm）两个动作值，达到3090rpm时，调门自动关闭，当转速回到3000rpm时调门会自动开启；而达到3300rpm时，主汽门和调门全部关闭）。

2.真空度。

冷却水的不足或过量空气的漏入将破坏凝结器的真空。

真空的破坏将使低压缸的排汽损失增大从而提高了低压缸的缸体的温度，增加了运行中的不安全因素。

真空保护装置通过汽轮机跳闸防止背压过大。

如果背压还持续增大则启动低压缸旁路以调节背压。

其中背压由压力传感器测得（一般现场整定值在-85~-86kpa左右联启备用泵，-80kpa跳机）。

3.轴向位移大。

轴向位移过大将会使旋转的叶片与静止的部分产生摩擦，从而磨损了轴瓦，影响运行安全。

轴向位移保护装置通过跳闸装置防止轴向位移过大。

轴向位移的大小通过涡流传感器测得。

4.润滑油压。

如果流入汽轮发电机组各处轴承的润滑油压过低将影响运行的安全。

一旦油压低于设定的允许值，润滑油泵将自动的开启以保证油压，从而保证汽轮机的安全停车。

润滑油压通过压力传感器测得。

5.轴振。

汽轮发电机组运行时，有很多的原因会使汽轮发电机组的轴发生振动。

这些振动通过轴承基座的振动的大小来进行测量。

如果轴承基座的振动超过了整定值，轴承振动保护装置动作使汽轮机跳闸。

轴承基座振动的绝对大小通过设在每个轴承上的传感器测得。

6.轴承温度。

轴承温度过高将使轴瓦磨损得更快，从而造成二次损伤。

轴承温度保护装置保护了汽轮机中的推力轴承和支持轴承。

轴承温度包括推力轴承通过设在每个轴承的轴瓦上的热电偶测得。

7.低压缸排汽温度。

汽轮机低压缸排汽温度升高将危害汽轮机的叶片。

通常规定低压缸排汽温度的上限来保护汽轮机的叶片。

如果排气温度超过整定值则动作使汽轮机跳闸，排气温度通过热电偶测得。

汽轮机组在排气缸上部装有金属薄膜式自动排汽门，它是一个安全保护装置，当凝结器冷却水中断时，排入凝结器的蒸汽不凝结，使汽轮机的排气压力和温度升高，会造成低压缸排气温度过高而变形，汽轮机低压缸受热位置抬高，使中心变位，机组振动增加及汽轮机严重过负荷，轴位移增大，推力瓦磨损，甚至凝结器喉部的热膨胀伸缩节以及凝汽器的外壳破裂。

大气排气门的膜片为金属或石棉橡胶板材料，在正常真空情况下膜片被外界大气压力向里压紧，贴在格状的阀座上，当排气缸内压力上升至一定压力时，排汽缸内压力作用在膜片上，与压紧圈形成剪切力将膜片顶破，将蒸汽排出，防止排气缸内压力过高，保护排汽缸和凝汽器。

8.缸体变形。

由于隔热的不充分或者汽水的倒流将会使中高压缸的上下缸体产生巨大温差造成缸体的变形超过限度。

由于缸体的变形过大会使叶片或转子与缸体产生摩擦而造成危险。

所需温度通过热电偶测得。

9.高压缸排汽温度。

在某些运行情况下由于高压缸中蒸汽的温度过高而使高压缸的排汽温度升高。

它将会导致高压缸区域内的叶片、转子和缸体的金属材料过热。

所需温度通过热电偶测得。

10.过度冷却。

如果冷凝水冷凝过度会使凝汽器的工作不正常。

冷凝度将由试样确定。

11.主汽温度。

炉侧工作的不正常将导致汽温下降。

其后果是使高压缸被迅速冷却而产生巨大的热应力。

这种情况下应切断高压缸进汽保护汽轮机。

主汽温度由热电偶测得。

12.低压缸旁路射水量。

旁路中的热蒸汽是不允许直接进入凝汽器的，它必须经凝汽器的保护装置冷却后才能进入凝汽器。

而喷射水装置正是用于完成此功能的。

如果喷射水量不再能冷却蒸汽达到要求，应切断旁路。

该流量通过喷嘴和压差传感器测得。

喷嘴是由两个相邻静叶片构成的不动气道，是一个把蒸汽的热能转变为动能的结构元件。

装在汽轮机第一级前的喷嘴成若干组，每组由一个调节气门控制。

采用喷嘴调节配汽方式的汽轮机第一级喷嘴，通常根据调节汽门的个数成组布置，这些成组配置的喷嘴称为喷嘴弧段，简称喷嘴弧。

隔板是指汽轮机各级的间壁，用以固定静叶片。

静叶是指固定在隔板上静止不动的叶片。

由一列喷嘴和一列动叶栅组成的汽轮机最基本的工作单元叫汽轮机的级。

当汽轮机采用喷嘴调节时，第一级的进汽截面积随负荷的变化在相应变化，因此通常称喷嘴调节的汽轮机的第一级为调节级。

其他各级统称为非调节级或压力级。

压力级是以利用级组中合理分配的压力降或焓降为主的级，是单列冲动级或反动级。

从调节汽门到调节级喷嘴这段区域叫做进汽部分，它包括蒸汽室和喷嘴室，是汽缸中承受压力、温度最高的区域。

汽轮机第一级的喷嘴安装在喷嘴室，而不固定在隔板上的目的是：

将与最高参数的蒸汽接触的部分尽可能限制在很小范围内，使汽轮机的转子、汽缸等部件仅与第一级喷嘴后降温减压后的蒸汽相接触，可使转子及汽缸等部件采用低一级的耐高温材料。

使汽缸结构简单匀称，提高汽缸对变工况的适应性。

降低了高压缸进汽端轴封漏气压差，为减小轴封漏气损失和简化轴端气封结构带来一定好处。

由于高压缸进汽端承受的蒸汽压力较新蒸汽压力低，故可在用以结构尺寸下，使该部分应力下降，或者保持同一应力水平，使汽缸壁厚度减薄。

为了增大调节级的焓降，利用第一列动叶出口的余速，减小余速损失，使第一列动叶片出口汽流经固定在汽缸上的导叶改变流动方向后，进入第二列动叶片继续做功。

这时把具有一列喷嘴，但一级叶轮上有两列动叶片的级，称为双列速度级。

优点：

增大调节级的焓降，减少压力级级数，节省耐高温的优质材料。

缺点:

效率极低。

气流激振，又称间隙激振，用喷嘴调节的汽轮机，因部分进汽原因，蒸汽除了在转子调节级叶轮上产生力使转子旋转外，还有一个通过转子中心的力。

因调节阀开启顺序的原因，可能使此力成为抬起转子的恒定力，从而减小了轴承比压，易使转子失稳。

（西屋公司原则：

●机组启动必定两组喷嘴先进汽，即两组调节汽阀同步开启，目的是尽量减少低负荷下对调节级叶片或转子造成热应力强度的伤害。

●两组喷嘴必定是上半缸先进汽，即防止高压转子由于质量较轻，转动惯量比较小，恐造成转子向上飘移，而造成轴承受载（比压）变化而震动。

现因考虑改为对角进汽和优化重叠度来解决问题。

高压缸排气通风阀的作用：

该阀与凝结器连通，在机组采用中亚缸启动或是使用高、低压旁路带低负荷运行时，有助于防止由于高压缸排汽，部分转子鼓风损失而过热。

比容：

单位质量的物质所占有的容积称为比容。

v=V/M.m3/kg。

密度：

单位容积的物质所具有的质量。

单位为：

kg/m3.比容与密度互为倒数。

气体内部分子热运动的动能叫内动能，它包括分子的移动动能、分子的转动动能和分子内部的振动动能等。

从热运动的本质来看气体的温度越高，分子的热运动越激烈，所以内动能取决于气体的温度。

气体内部分子克服相互间存在的吸引力具备的位能，称为内位能。

它与气体的比容有关。

在没有摩擦的平衡过程中，单位质量的工质吸收的热dq与工质吸热时的绝对温度T的比值叫熵的增加量。

表达式为：

ΔS=dq/T。

其中ΔS=S2-S1是熵的变化量，熵的单位是（kj/kg·k）若某过程中气体的熵增加，即ΔS>0，则表示气体是吸热过程；若气体的熵减少，即ΔS<0，则表示气体是放热过程；若气体的熵不变，即ΔS=0，则表示气体是绝热过程。

在某一状态下单位质量工质比容为v，所受压力为p，为反抗此压力，该工质必须具备pv的压力位能。

单位质量工质内能和压力位能之和称为比焓。

比焓的单位为h，kj/kg，其定义式为：

h=u+pv。

对m千克工质，内能和压力位能之和称为焓。

用H表示，单位kj。

H=mh。

工质的状态一定，则内能u及pv一定，则焓也一定，及焓仅为状态所决定，所以焓也是状态参数。

加热器上端差是指加热器进口蒸汽压力下的饱和温度与水侧出口温度的差值。

加热器下端差是指加热器的疏水温度与水侧进口温度的差值。

凝结器端差是指汽轮机背压下饱和温度与凝结器出口循环水温度的差值。

凝结水过冷却度是指汽轮机背压下饱和温度与凝结器热井水温度的差值。

（因为真空下降，漏入空气量增多，导致乏汽凝结成水经过铜管的水量减少，而循环水量未变，所以导致凝结水热量被带走更多导致过冷度增加；还有一种情况过冷度也会增加，就是凝结器水位较高，淹没了铜管（铜管里面是循环水），也会导致凝结水被过冷却。

）

汽轮机润滑油的作用：

润滑作用：

在高速转动的轴和轴承之间形成油膜。

冷却作用：

冷却轴和轴承间的液体摩擦产生的热量及汽轮机高温传递给轴承的热量。

减振作用：

汽轮机轴在摩擦面上形成油膜，使摩擦部件在油膜上运动，相当于一层油垫，对设备的振动起到一定的缓冲作用。

密封作用：

对发电机两侧的轴承起密封作用，不让氢气外漏。

冲洗作用：

由于摩擦产生的金属碎屑被汽轮机油带走，从而起到了冲洗作用。

对汽轮机油的要求：

良好的润滑性能和适当的黏度。

良好的抗氧化安定性。

良好的抗乳化性能。

良好的防锈性能。

减少因漏入空气和水分而引起金属腐蚀。

良好的空气释放性和抗泡沫性能。

高的闪点和自燃点。

减少因油系统泄漏造成的火灾危险。

具有良好的清洁度。

汽轮机油的性能指标：

黏度：

当油受外力作用运动时，油分子间产生的内摩擦力的性质，称为黏度。

分为运动和动力黏度，现一般采用运动黏度表示，单位为mm2/s。

大多数润滑油是根据黏度划分牌号的，常用的汽轮机油牌号为32号油，意为40度时油的黏度为28.8~35.2mm2/s。

黏温特性好的润滑油，其黏度随温度的变化小，能保证机械在一定范围内不同的温度下得到可靠的润滑。

油品的黏度指数越大，其黏温特性越好，新油的黏度指数不小于90。

抗氧化安定性：

汽轮机油循环时会吸收空气，油轻度氧化生成可溶性生成物，危害性不大。

进一步氧化会生产有害的不溶性产物，深度氧化则会形成胶质和油泥。

这些物质堆积会形成绝热层，限制轴承部件的热传导。

油氧化会使黏度增大，形成复杂的有机酸，如有水分存在，还会加速腐蚀轴承和润滑系统部件。

油的氧化速率取决于油的抗氧化安定性，温度、金属、空气、水分、颗粒杂质的存在，都起着促进氧化的作用。

将油在较高温度下通入一定量氧气，每隔一定时间测量一次酸值，记录1000小时后酸值或达到2mgKOH/g酸值时所需的时间，达到该值所需的时间越长，说明油的抗氧化安定性越好。

抗乳化性能：

汽轮机油抗乳化性能是指油品本身在含水的情况下抵抗油的水乳化液形成的能力。

抗乳化能力的大小一般以油水乳状波分层的快慢及破乳化度来表示。

若分层快，及破乳化时间短，表明该油品抗乳化性能好，反之则差。

油乳化危害较大，会破坏正常油膜，锈蚀金属部件。

主汽轮机油破乳化度应不大于15min，运行中的汽轮机油破乳化度为不大于60min。

抗泡沫性能和空气释放值：

漏入汽轮机油中的空气以气泡和雾沫空气两种形式存在，油中较大的空气泡能迅速上升到油的表面，并形成泡沫。

油品表明形成泡沫的趋向即泡沫的稳定性即为油品的泡沫特性；油品能析出雾沫空气的特性，即为油品的析气性，评定油品的析气性用空气释放值来表示。

如此性能不好，会增加油的可压缩性，导致控制系统失灵，产生噪声和振动，降低泵的有效容积和出口压力及泡沫多造就假油位。

防锈性：

汽轮机油本身是无腐蚀或腐蚀性极小的，但在运行中由于水分的存在，可导致油质乳化产生腐蚀。

油中大于0.1%的水分就能够产生腐蚀，一般手段是向油中添加防锈剂。

酸值：

是表示油中可溶性酸性物质的总含量。

运行中油氧化生成有机酸使酸值增加，一方面腐蚀设备，一方面促使油品继续氧化生成油泥。

汽轮机油酸值超过规定值，则必须进行处理或更换新油，否则不能继续使用。

倾点：

是用来衡量油品低温流动性的指标。

倾点的高低决定于其中石蜡的含量，含蜡量越多，油品的倾点就越高。

温度过低时，会降低整体油品的流动性。

闪点：

到一定温度时，部分油变成气体，与明火接触的油气就能闪出火花，这个温度就叫闪点。

一般油闪点越低，挥发性越大，安全性越小。

汽轮机油对闪点的明确要求：

一不比各次测定值低8度，二不比新油标准低8度。

油净化装置：

是对油系统用油进行水分分离，杂质过滤的装置。

经净化处理的润滑油质为：

含水量小于1%，含金属杂质颗粒度小于1μm，含非金属杂质颗粒度小于3μm，含其他杂质颗粒度小于40μm。

真空式油净化装置：

是利用道尔顿分压定律原理，使油中所含有的水分在油箱中建立起的高度真空中汽化、分离并排出的一种滤油设备。

由主油箱下部来的油通过输入油泵以喷淋状打入真空油箱，真空泵将真空油箱中的气体抽出，在真空油箱内建立起高度真空，具有一定油温的油在真空状态下其中的水分气化，这些水汽和油中析出的其他气体一起被真空泵抽走，达到分离油中水分的目的。

经过净化后的油由输出油泵打回主油箱。

为保证净化效果，在系统中设置加热装置，提高油温，设置滤网，用来过滤油中的杂质。

该装置运行时，应注意真空油箱内的油位，油位过高将使上部空间减小，使分离效果变差，也易造成真空泵带油；如果油位过低，输出油泵可能将上部的气体带出，同时油在真空箱内停留的时间较短，分离效果变差。

主油箱排烟风机的作用：

排出润滑油系统中分离出的空气和其他气体，可以减少水蒸气的凝结，从而减少油中的水分。

维持油箱内及回油系统内有一定的负压，使油箱油面以上空间得到通风，回油管都在油箱油面以上，使各轴承回油畅通，轴承座得到通风，防止轴承箱油烟外泄和油档存油，减少回油管路向外渗油。

顶轴油泵作用：

为了减小盘车电动机的启动力矩和防止在盘车时使转子-叶片系统受到“蠕动”激振，采用液压顶轴装置将高压油从轴承的下半瓦底部送入，靠静油压将轴颈顶起，强制形成油膜，以消除轴颈和轴瓦的干摩擦。

超速保护（OPC电磁阀）：

有两只并联布置的超速保护电磁阀及两个止回阀和一个控制块及相关表计组成超速保护（OPC）电磁阀组件。

它们是由DEH控制器的OPC部分所控制，正常运行时两个OPC电磁阀是失电常闭的，封闭了OPC母管的泄油通道，使高、中压调节气阀执行机构活塞杆的下腔建立起油压；当汽轮机运行转速超过103%额定转速时，DEH控制系统OPC控制器发出动作信号，这两个电磁阀就被励磁打开，使OPC母管油液经经无压回油管路排至EH油箱。

这样，相应的调节阀伺服执行机构上的卸载阀就快速开启，使各高、中压调节阀快速关闭。

当机组运行转速降低到额定转速时，OPC电磁阀在DEH系统OPC控制器的控制下失电关闭，OPC母管控制油压得以恢复，各调节气门恢复开始开启。

在OPC电磁阀组件上有一个节流孔，该节流孔的作用是将压力油经此节流孔后补进OPC控制油母管，并通过AST电磁阀组件上与OPC控制油路隔绝的两个止回阀补进AST控制油母管，这样在机组启动时可以迅速建立OPC控制油母管及AST控制油母管的压力，缩短OPC控制油母管及AST控制油母管的充油时间，使机组能够快速启动。

危急遮断（AST）电磁阀：

四个串并联布置的AST电磁阀是由DEH控制系统的自动停机危急遮断保护部分所控制。

正常运行时，电磁阀关闭后封闭了AST母管的泄油通道，使各主汽门执行机构和调节阀门执行机构活塞杆的下腔建立起油压，当机组发生危急情况时，AST信号输出，这四个电磁阀打开，使AST母管油液经无压回油管路排至EH油箱。

这样，各主汽门执行机构和各调节阀门执行机构的卸荷阀就快速打开，使各个气门快速关闭。

四个AST电磁阀布置成串并联方式，逻辑关系为两“或”一“与”，其目的是为了保证汽轮机运行的安全性及可靠性。

AST/1和AST/3、AST/2和AST/4每组并联连接，然后两组串联连接，这样，在汽轮机危急遮断时，每组中只要有一个电磁阀动作就可以将AST母管中的压力油泄去，进而保证汽轮机的安全。

这样设计，可以保证AST电磁阀防止拒动或误动。

在复位时，两组电磁阀组的电磁阀只要有一组关闭，就可以在AST母管中建立起油压，使汽轮机具备启机的条件。

AST油和OPC油是通过AST电磁阀组件上的两个止回阀隔开的，这两个止回阀被设计成：

当OPC电磁阀动作时，AST母管油压不受影响；当AST电磁阀动作时，OPC母管油压也失去。