N25-3.5435汽轮机通流部分热力计算

第一节 25MW汽轮机热力计算

一、设计基本参数选择

1. 汽轮机类型

机组型号： N25-3.5/435。

机组形式：单压、单缸单轴凝器式汽轮机。 2. 基本参数

额定功率：Pel=25MW；

新蒸汽压力P0=3.5MPa，新蒸汽温度t0=435℃； 凝汽器压力Pc=5.1kPa； 汽轮机转速n=3000r/min。 3. 其他参数

给水泵出口压力Pfp=6.3MPa； 凝结水泵出口压力Pcp=1.2MPa； 机械效率ηm=0.99 发电机效率ηg=0.965 加热器效率ηh=0.98 4. 相对内效率的估计

根据已有同类机组相关运行数据选择汽轮机的相对内效率，ηri=83% 5. 损失的估算

主汽阀和调节汽阀节流压力损失：ΔP0=0.05P0=0.175Mpa。 排气阻力损失：ΔPc=0.04Pc=0.000204MPa=0.204kPa。

二、汽轮机热力过程线的拟定

（1）在h-s图上，根据新蒸汽压力P0=3.5MPa和新蒸汽温度t0=435℃，可确定汽轮机进气状态点0（主汽阀前），并查得该点的比焓值h0=3303.61kJ/kg，比熵s0=6.9593kJ/kg（kg·℃），比体积v0= 0.0897758m3/kg。

（2）在h-s图上，根据初压P0=3.5MPa及主汽阀和调节汽阀节流压力损失ΔP0=0.175Mpa可以确定调节级前压力p0’= P0-ΔP0=3.325MPa，然后根据p0’与h0的交点可以确定调节级级前状态点1，并查得该点的温度t’0=433.88℃，比熵s’0= 6.9820kJ/kg（kg·℃），比体积v’0= 0.0945239m3/kg。

（3）在h-s图上，根据凝汽器压力Pc=0.0051MPa和排气阻力损失ΔPc=0.000204MPa，可以确定排气压力pc’=Pc+ΔPc=0.005304MPa。

（4）在h-s图上，根据凝汽器压力Pc=0.0051MPa和s0=6.9593kJ/kg（kg·℃）可以确定气缸理想出口状态点2t，并查得该点比焓值hct=2124.02kJ/kg，温度tct=33.23℃，比体积vct=22.6694183 m3/kg，干度xct=0.8194。由此可以的带汽轮机理想比焓降

1179.59kJ/kg，进而可以确定汽轮机实际

比焓降979.06kJ/kg，再

根据h0、和pc’可以确定实际出口状态点2，并查得该点的比焓值hc2=2324.55kJ/kg，温

度tc2=33.92℃，比体积vc2=24.0549667 m3/kg，干度xc2=0.9016。

（5）若不考虑末级余速损失，直接到步骤（6），若考虑末级余速损失，则有第四章中Δhc2的计算方法得到kJ/kg，然后沿压力线pc’下移kJ/kg得3点，并查得该点比焓值 hc3=kJ/kg，温度tc3=℃，比体积vc3= m3/kg，干度xc3=。用直线连接1、3两点，在中间4’点处沿压力线下移（12~15）kJ/kg得4点，光滑连接1、4、3点则由点0、1、3、2连接的线即为该机组再设计工况的近似热力过程线。

（6）用直线连接1、2两点，在中间3’点沿压力线下移20-25kJ/kg得3点，光滑连接1、3、2点，则由0、1、3、2连接的线即为该机组在设计工况下的近似热力过程线。

拟定的热力过程线如图7-1所示。

三、汽轮机进气量估计

设m=1.08，，设计功率Pe=20000kW，则由式（4-3）得

四、抽气回热系统热平衡初步计算

1. 给水温度的选取

根据初压P0=3.5MPa，可以求得P0对应下的饱和水温ts0=242.56℃，则由第四章中确定给水温度的经验公式得tfw= ts0 x 0.72=174.64℃。

2. 回热抽气级数的选择

选择5段回热抽气，采用“二高二低一除氧”的形式，高压加热器采用内置式疏水冷却器；高压加热器疏水收集方式为逐级自流到除氧器，低压气疏水方式为逐级自流，5号低压加热器采用疏水泵，其加热器（包括除氧器）的编号从高压到低压依次排序，为1、2、……、5号。

3. 除氧器工作压力的选择

除氧器定压运行，工作压力选为Pd=0.118Mpa。 4.回热系统图的拟定

一台汽轮机抽气回热系统的拟定主要取决于该机组的给水温度、抽气回热级数及除氧器工作压力等。根据25MW汽轮机这几方面数值的确定，可画出如图7-2所示的回热系统。

5. 各加热器汽水参数计算 已知：

高压加热器上端差θ1=5℃，θ2=5℃；下端差θj=0℃（j=1,2）。 低压加热器上端差θj=3℃（j=4,5）。

各段抽气压损ΔPj=8%Pj（j=1、2、4、5）

由于除氧器定压运行，为了使其工作稳定，压损取17%。 给水温度tfw=161℃

凝汽器压力Pc对应下的饱和水温，即凝结水温度tc=33.23℃

除氧器工作压力Pd对应下的饱和水温，即除氧器水箱出口水温td=104.3℃。 本次计算暂不考虑水泵与凝结水泵的温升。

根据等温升法取各级加热器进出口水温tfw、水比焓hwj；通过上端差求取各级加热器凝结段的饱和水温度tbj，饱和水比焓hbj，加热器汽侧工作压力Pj’，抽气压力Pj；通过下端差计算各级加热器的疏水温度tsj、疏水比焓（过冷水）hsj，最后再根据抽气压力与热力过程线的交点在h-s图上查取各段抽气温度tj（或干度xj）、抽气比焓值hj。

由等温升法可得高压加热器水侧升温为Δt1=（tfw-td）/2=28.35℃ 由等温升法可得低压加热器水侧升温为Δt2=（td-tc）/2=23.69℃ 则

tw1= tfw=161℃，tw2=132.65℃；tw3=td=104.30℃；tw4=80.61℃；tw5=56.92℃。 （1）1号高压加热器。

根据给水温度，可以得到1号高压加热器出口水温tw1= tfw=161℃；

由给水泵出口压力Pfp和tw1可得1号高压加热器出口水比焓hw1=683.23kJ/kg； 1号高压加热器凝结段的饱和水温度tb1=tw1+θ1=166℃；hb1=704.87kJ/kg；

1号高压加热器汽侧工作压力p1’=0.718364MPa；1段抽气压力P1=0.78083MPa； 1号高压加热器疏水温度；1号高压加热器疏水比焓hs1=704.87kJ/kg。

表7-1 25MW凝汽式汽轮机加热器汽水参数表

项目 抽汽压力Pj 单位 MPa H1 H2 H3(HI) H4 H5 C 0.0051 0.7808 0.3675 0.142 0.0595 0.0216 回热抽汽温度tj（干℃ 度xj） KJ/Kg % MPa 268 213.5 141 0.994 0.96 — 抽抽汽比焓值hj 汽 抽汽压损 Pj加热器汽侧压2989.72 2890.64 2755.27 2638.71 2517.72 8 0.71836 8 0.3381 17 0.118 8 8 — — — 0.05478 0.01987

力Pj Pj下的饱和水℃ 温tbj 166 137.65 104.3 83.61 59.92 — Pj下的饱和水KJ/Kg 比焓hbj 抽汽放热qj 上端差j 疏下端差 水 疏 疏水温度tsj（疏水冷却器出口水温） 疏水比焓hsj（疏水冷却器℃ — — — — — — ℃ — — — — — — KJ/Kg ℃ ℃ 704.87 5830.4 434.27 351.01 251.81 — 2284.85 5 — 2307.6 5 — 2416.85 2287.76 2265.91 0 — — — — 3 — 3 — 水 出口水比焓） 疏水放热j 加热器出口水温twj 加热器水侧压水侧 力Pw 加热器出口水比焓hwj 给水比焓升j KJ/Kg MPa ℃ KJ/Kg — — — — — — 161 132.65 104.3 80.61 56.92 33.23 6.3 6.3 0.118 1.2 1.2 — 683.23 561.75 441.84 338.42 239.27 139.24 KJ/Kg 121.48 119.91 103.42 99.15 100.03 —

（2）2号高压加热器。

2号高压加热器出口水温tw2= tw1-28.35=132.65℃；

由给水泵出口压力Pfp和tw2可得2号高压加热器出口水比焓hw2=561.75kJ/kg； 2号高压加热器凝结段的饱和水温度tb2=tw2+θ2=137.65℃；hb2=583.04kJ/kg；

2号高压加热器汽侧工作压力p2’=0.33810293MPa；2段抽气压力P2=0.367503MPa；

2号高压加热器疏水温度；2号高压加热器疏水比焓hs2=583.04kJ/kg。 （3）除氧器。

除氧器工作压力P3’=pd=0.118MPa；3段抽气压力P3=0.142MPa； 水温td=104.3℃；出口水比焓hd=434.27kJ/kg；

由给水泵出口压力Pfp和tw3得到给水泵出口水比焓值hw3=441.84kJ/kg。 （4）4号低压加热器

4号低压加热器出口水温tw4=80.61℃；4号低压加热器出口水比焓hw4=338.42kJ/kg； 4号低压加热器疏水温度；hs4=351.01kJ/kg；

4号低压加热器汽侧工作压力p4’=0.05478487MPa；4段抽气压力P4=0.059548771MPa；

（5）5号低压加热器

5号低压加热器出口水温tw5=56.92℃；5号低压加热器出口水比焓hw5=239.27kJ/kg； 5号低压加热器疏水温度；hs5=251.81kJ/kg；

5号低压加热器汽侧工作压力p5’=0.01987207MPa；5段抽气压力P5=0.0216MPa。

各加热器汽侧和水侧的基本参数如表7-1所示。 α1h16. 回热系统热平衡初步算法

（1）1号高压加热器。

hw1hw21号高压加热器热平衡图如图7-3所示，根据表面

αfw式加热器热平衡原理可列出方程

hs1图 7-3 1号高压加热器热平衡图

（2）2号高压加热器。2号高压加热器热平衡图如图7-4所示，根据表面式加热器热平衡原理可列出方程

（3）除氧器。除氧器热平衡图如图7-5所示，根据表面式加热器热平衡原理可列出方程

α3h3α2h2αfwhw2hw3α1+α2hs2αc3hw4hs2hsαfw图 7-4 2号高压加热器热平衡图图 7-5 除氧器热平衡图（5）4号低压加热器和5号低压加热器。4号低压加热器和5号低压加热器热平衡图如图7-6所示，因5号低压加热器疏水采用了疏水泵，将疏水送到了5号低压加热器出口（4号低压加热器入口）的主凝结管道中，在5号低压加热器出口（4号低压加热器入口）处形成了一个混合点，将混合点看成一个混合式加热器，根据混合式加热器热平衡原理，及4号低压加热器（表面式加热器）热平衡原理，可列出方程

则

根据5号抵押及责任期（表面式加热器）热平衡原理，可列出方程 则

联立求解上述方程，得到

α4 α5 αc

α4h4αc3hw4h'w5hw5α5h5h'cαcα4hs4hs5α4+α5

图 7-6 4、5号低压加热器热平衡图

五、调节级的选择与计算

（一）基本参数

（1）调节级的形式为单列调节级。 （2）调节级比焓降为112kJ/kg。 （3）调节级的速比xa=0.4。 （4）调节级平均直径：

（5）调节级反动度Ωm=0.075。 （6）部分进汽度。由确定调节级的叶高和部分进气度，须使之和为最小。求得e=0.3328 （7）气流出口角和。设计中选用亚音速喷嘴叶栅，其型号为TC-1A，有关参数为：相对节距，进气角，出汽角。

动叶栅选用型号TP-2A，有关参数为：进气角，出口角，相对节距。 设计选取喷嘴流出汽角，动叶气流出汽角。 （二）调节级详细计算 1. 喷嘴部分的计算 （1）调节级进口参数及调节级的滞止理想焓降。调节级进口参数即为高压缸进口参数，由于进入调节级的气流速度很小，可以近似认为滞止参数与进口参数相等。由拟定热力过程线的步骤可得：

由前面选取其理想比焓降为kJ/kg。

（2）调节级进汽量

86.58-0=86.58t/h=23.76kg/s 则调节级喷嘴流量

（3）平均反动度Ωm的确定。 有前面可知Ωm=0.075

（4）喷嘴的滞止理想比焓降

（5）喷嘴出口气流速度c1t与c1

其中 喷嘴速度系数，取。

（6）喷嘴出口等比熵出口参数h1t、v1t、P1。由求出喷嘴出口理想比焓值h1t

该过程为等比熵膨胀过程，由h1t=3303.61kJ/kg、kJ/（kg·℃）查水蒸气h-s图得出口比体积v1t=0.1212422m3/kg，喷嘴出口压力P1=2.41430519MPa。

（7）喷嘴压比

由此可知，喷嘴中为亚音速气流，采用渐缩喷嘴，选喷嘴型号为TC-1A、。 （8）喷嘴出口面积An。因为喷嘴中是亚音速流动，故An为

式中 喷嘴流量系数。 （9）级的假想速度

（10）级的圆周速度

（11）喷嘴高度

（12）喷嘴损失

（13）喷嘴出口比焓值

由查得s1=6.9907kJ/（kg·K），v1=0.1217840m3/kg （14）求动叶进口气流相对速度和进气角

2. 动叶部分计算

（1）动叶出口相对速度

式中 动叶速度系数，由与的关系曲线（见附图A-1）查得 （2）动叶等比熵出口参数和

由=6.9907kJ/（kg·K），查得=0.1243472m3/kg，动叶出口压力P2=2.35037754MPa。 （3）动叶出口面积

其中 式中 动叶流量系数； 调节级动叶流量； 前轴封漏气量

（4）动叶高度。由m3/kg、m3/kg可知，进出口比体积相差不大，故可取，根据喷嘴高度有

式中 叶顶盖度，取； 叶根盖度，取。

（5）作动叶出口速度三角形。有确定速度三角形

（6）动叶损失

（7）动叶出口比焓值

由查得 kJ/（kg·K），m3/kg （8）余速损失

（9）轮周损失

（10）轮周有效比焓降

（11）轮周效率。调节级后余速不可利用，系数为

（12）校核轮周效率

围内。

3. 级内其他损失的计算 （1）叶高损失

式中 经验参数，单系列。 （2）扇形损失

（3）叶轮摩擦损失

由前面，v1=0.1217840m3/kg，v2=0.1249023m3/kg

式中 经验系数，一般取。

（4）部分进汽损失 鼓

风

损

，误差在允许范

失

斥汽损失

式中 喷嘴组数，取；

与级类型有关的系数，单列级，一般取0.15； 装有护照弧段长度与整个圆周长之比；

与级类型有关的系数，单列级，一般取0.012；

故有

所以 （5）级内各项损失之和

（6）下一级入口参数

由、查得=7.0220kJ/（kg·K），=0.1263510m3/kg，=392.19℃

4. 级效率与内功率的计算 （1）级的有效比焓降

（2）级效率

（3）级的内功率

六、压力级的级数确定和比焓降分配

1. 第一压力级的流量

2. 第一压力级直径的确定

3. 末级直径的确定

4. 非调节级级数的确定

（1）直径和速比变化规律确定。汽轮机非调节级级数的确定，可以采用图解法。如图7-7所示，具体做法就是在坐标纸上，画出横坐标AB表示第一压力级和最后一级之间的中心距离，AB的长度可以任意选择；纵坐标以AC表示第一压力级的平均直径，AE表示第一压力级的速比，BD表示最后一级平均直径，BF表示最后一级的速比；用一条逐渐上升的光滑曲线把C、D两点连接起来，该曲线就表示各级平均直径的变化规律；同样，用一条逐渐上升的光滑曲线EF表示各级速比的变化规律。先预分11级，即将AB等分10段，在等分点做垂直线与CD、EF相交，根据比例计算垂线的长度，即为各分段的平均直径和速比的值。详细数据如表7-4所示。

表7-4 拟定的各段平均直径、速比值

（2）求各等分点的理想比焓降

计算得到的各段理想比焓降值如表7-5所示。 表7-5 拟定的各段理想比焓降

分段号 0-0 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 直径di（mm) 1100 1110 1127 1168 1375 2280 速比xai 0.487 0.503 0.513 0.518 0.533 0.578 分段号 比焓降 0-0 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 KJ/Kg）ht（ 62.87772 60.02 59.48 61.488 82.02 210.26 （3）求各等分点的平均理想比焓降

（4）计算压力级的级数

其中a、的含义见第四章。 （5）校核重热系数

其中、的含义见第四章。 （6）级数确定

前面得到非调节级的级数为21级，将AB线等分为20等分，在原假定的平均直径和速比变化线CD、EF上，读出每级的平均直径及速比，具体数据如表7-6所示。 表7-6 各级平均直径、速比值

级序号 直径di（mm) 速比xai 级序号 直径di（mm) 速比1 8 2 9 3 10 4 11 5 12 6 13 7 xai （7）各级比焓降分配

计算得到的各级理想比焓降如表7-7所示。

表7-7 各级理想比焓降 级序号 比焓降ht（KJ/Kg） 级序号 比焓降ht（KJ/Kg） 8 9 10 11 12 13 14 1 2 3 4 5 6 7

级序号 比焓降ht（KJ/Kg） 15 16 17 18 19 20 21 5. 将各级比焓降画在h-s图上校核并修改

在h-s图中拟定的热力过程线上（见图7-1）逐级做出各级比焓降，如果最后一级的背压不能与应有的背压重合，则需修改。调整修改后的各级参数如表7-8所示。 表7-8 非调节级平均直径及比焓降分配 级序号 直径di（mm) 速比xai 比焓降ht（KJ/Kg） 调整后比焓降ht（KJ/Kg） 级后压力Pi（MPa) 级序号 直径di（mm) 速比xai 比焓降ht（KJ/Kg） 调整后比焓降ht（KJ/Kg） 级后压力Pi（MPa) 级序号 直径di（mm) 速比xai 15 16 17 18 19 20 21 8 9 10 11 12 13 14 1 2 3 4 5 6 7

比焓降ht（KJ/Kg） 调整后比焓降ht（KJ/Kg） 级后压力Pi（MPa) 七、抽气压力调整

表7-1中的回热抽气压力是在理想情况下确定的。它是由凝结水温、加热器的等温升、加热器端差和抽气管路压损等设定的条件决定的。

表7-8中各级前后的压力是机组级数和各级理想焓降合理分配完毕后的最终值。理论抽汽压力要由相邻的级间压力代替。因此需要调整各回热抽气压力，调整后的结果如表7-9所示。

表7-9 调整后的各级回热抽汽压力 加热器编号 调整前抽汽压力（MPa） 调整后抽汽压力（MPa） 位置 H1 H2 H3(HI) H4 H5 八、重新列汽水参数表

根据调整后的各回热抽气压力，可重新确定各台回热加热器的汽水参数，如表7-10所示。

表7-10 20MW凝汽式汽轮机加热器汽水参数表

项目 抽汽压力Pj 抽汽温度tj（干单位 H1 H2 H3(HI) H4 H5 C SG MPa ℃

回 热 抽 汽 度xj） 抽汽比焓值hj 抽汽压损Pj 加热器汽侧压力Pj MPa % KJ/Kg Pj下的饱和水温tbj ℃ Pj下的饱和水比焓hbj 抽汽放热qj 疏 水 疏 上端差KJ/Kg KJ/Kg j 疏水温度tsj（疏水冷却器出口水温） 疏水比焓hsj℃ ℃ ℃

水 （疏水冷却器出口水比焓） 疏水放热j 加热器出口水温twj 加热器水侧压力Pw 加热器出口水比焓hwj 给水比焓升j KJ/Kg KJ/Kg MPa ℃ KJ/Kg 水 侧 轴封和阀杆漏气 进口水比焓hsgj 比焓降KJ/Kg hsgj 数量份额sgj KJ/Kg % 九、汽轮机各部分汽水流量和各项热经济指标计算

1. 重新计算齐鲁你各段抽气量

（1）1号高压加热器。1号高压加热器热平衡图如图7-8所示。根据表面式加热器热平衡原理可列出方程

（2）2号高压加热器。2号高压加热器热平衡图如图7-9所示。根据表面式加热器热平衡原理可列出方程

（3）除氧器。除氧器热平衡图如图7-10所示，根据混合式加热器热平衡原理可列出方程

αsg2hsg2α1h1hw1αfwhs1αsg1hsg1hw2αfwhw2α2h2hw3α1+α2+αsg1hs2α3h3αc3hw4hs2hsαfw

（4）4号低压加热器和5号低压加热器。4、5号低压加热器热平衡图如图7-11所示，根据混合点及表面式加热器热平衡原理可列出方程。

4号低压加热器及混合点 由 则

5号低压加热器 由 则

联立求解上述方程，可得

图 7-8 1号高压加热器热平衡图图 7-9 2号高压加热器热平衡图图 7-10 除氧器热平衡图

α4h4αc3hw4h'w5hw5α5h5αsg4hsg4h'cαcα4+αsg3hs4hs5α4+α5+αsg4图 7-11 4、5号低压加热器热平衡图2. 汽轮机汽耗量计算及流量校核 （1）做工不足系数的计算

（2）汽轮机的汽耗量计算并校核

设计合格

（3）汽轮机功率核算

设计合格

3. 汽轮机热耗量、热耗率

4. 绝对电效率

十、压力级详细计算

鉴于篇幅有限，取第1压力级和最末级进行详细热力计算，具体规程通调节级详细计算，计算步骤省略，计算结果如表7-11所示。 表7-11 级详细计算结果

项目 蒸汽流量 喷嘴平均直径 动叶平均直径 级前压力 级前温度/干度 级前速度 级前比焓值 圆周速度 理想比焓降 理想速度 假想速比 符号 G 单位 Kg/s mm mm MPa ℃ m/s KJ/Kg m/s KJ/Kg m/s 调节级 第一压力级 末级 dn db Po to/xo Co ho  ht Ca xa

反动度 利用上级余速动能 喷嘴滞止比焓降 喷嘴出口理想速度 喷嘴速度系数 喷嘴出口实际速度 喷嘴损失 喷嘴后压力 喷嘴后温度/干度 喷嘴出口理想比体积 喷嘴出口截面积 喷嘴出汽角 喷嘴高度 部分进汽度 动叶进口相对速度 相对于w1的比焓降 动叶滞止比焓降 动叶出口理想速度 m ℃ hco ohn KJ/Kg KJ/Kg c1t m/s  c1 m/s hn P1 t1/x1 KJ/Kg MPa ℃ v1t An m³/Kg ㎡ （） mm o 1 ln e w1 m/s hw1 hbo KJ/kg KJ/Kg w2t m/s

动叶速度系数 动叶损失 动叶出口相对速度 动叶出口绝对速度 余速损失 动叶后压力 动叶后温度/干度 动叶出口比体积 动叶出口面积 动叶出汽角 动叶高度 级理想能量 轮周有效比焓降 轮周功率 轮周效率 叶高损失 叶轮摩擦损失 部分进汽损失 漏汽损失 湿汽损失  hb w2 KJ/Kg m/s c2 m/s h2 P2 KJ/Kg MPa t2/x2 v2 Ab ℃ m/Kg ㎡ （） mm KJ/Kg KJ/Kg KW % KJ/Kg KJ/Kg KJ/Kg KJ/Kg KJ/Kg o 2 lb EO hu Pu  uh1 hf he h hx

级内有效比焓降 级相对内效率 级的内功率 hi KJ/Kg % kw i Pi