第十章 干熄焦发电
第一节 概 述
干熄焦锅炉产生的蒸汽用来发电，实行热电联产是比较好的热能利用方式。目前全世界大部分干熄焦装置均采用这一方式。即通过汽轮发电机将蒸汽的部分热能转化为电能，同时提供低压蒸汽供化产工序或其它用户使用。
干熄焦供热的特点：由于焦炉生产是逐炉推焦，所以焦炉供热具有脉动性。但是，通过干熄炉预存段的缓冲、振动给料器的焦炭流量调节和旋转密封阀的连续排焦，使干熄焦供热趋于稳定，符合汽轮发电机的供热要求。由于干熄焦自动化程度比较高，装置的连锁与保护多，有时很小的一个问题就可能导致干熄焦装置停产。因此，干熄焦蒸汽存在着不稳定因素。为了消除这些不稳定因素，除了保障干熄焦装置建设的水平和日常维护保障水平之外，还可以采用多套干熄焦供一套发电装置或提供外部热态备用汽源等方法。 干熄焦发电的规模取决于干熄焦蒸汽生产能力。目前国内最大为武钢的140t 焦/h，过热蒸汽产量约76t/h(38.2 MPa)，因此干熄焦蒸汽发电通常只能选用中、小型机组。 目前干熄焦热、电联产的汽轮发电机组通常采用的汽机形式有背压式（B 型、CB 型），抽汽（/凝）式（C 型、CC 型）。它们各自的特点是：
背压式利用排汽直接向外供热，热能利用率高，结构简单, 价格便宜。背压机组的运行方式通常是按热负荷运行，即热负荷保持排汽压力不变，提供稳定的蒸汽压力保证。而电负荷则不能保证，即发电的多少取决于热负荷的变化。背压机组的缺点是：电和热不能独立调节，不能同时满足供热和供电的需要。另外，由于背压存在机组焓降小，因此对工况变化的适应力相对较差，背压波动（即热负荷波动）会导致供电的大幅波动，使电网的补偿容量大幅增加。因此使用背压机组必须确保有稳定可靠的热负荷。CB 型抽汽背压式与B 型背压式相比多了一路抽汽供热，可以提供两种不同参数的热负荷。
抽汽式的特点是电负荷和热负荷可以独立调节。即当热负荷为零时可按电负荷运行，也可同时保证供热供电，运行方式灵活，适应波动能力强。C 型为一次调节抽汽。CC 型为两次调节抽汽，可提供两种压力的蒸汽。抽汽式的不足：设备相对复杂，费用稍高，抽汽隔板存在节流损失，机组内效率比非抽汽式的低。
发电机的适用形式：现代发电厂中的发电设备几乎都是三相同步发电机。同步电机是一个实现电能和机械能之间相互转换的设备。当它用作电动机时，称为同步电动机，用于恒速大容量的电力驱动；当它用作发电机时，称为同步发电机。
本章将简要介绍发电机和汽轮机的基本常识和概念，以及操作、使用和维护的有关知识。
第二节 同步发电机
一、同步发电机的基本结构原理
同步发电机的基本结构由转子和定子组成（见图10-1），定子由机座、定子铁芯和三相绕组等组成。转子部分包括转子铁芯、励磁绕组和滑环，其它还包括电刷装置（对有刷励磁而言）、端盖、轴承和风扇等。
发电机的基本原理是利用电磁感应。通过外界做功，使电枢与磁极之间发生切割磁力线的相对移动，在电枢中产生感应电动势，即形成输出电压。所谓电枢就是发电机中产生感应电动势的部分，通常是发电机的定子；所谓磁极就是发电机中提供磁场的部分，通常是发电
机的转子。在一般情况下，定子作为电枢，转子作为磁极，不仅绝缘可靠，而且电力输出无需通过滑环与外界联接，结构简单，故障率低。但由于结构和用途的需要，在小功率同步发电机中也有将定子作为磁极，转子作为电枢的情况。例如无刷式同步发电机的励磁机实际上就是一台小同步发电机。它与发电机同轴安装，定子作为磁极，转子产生感应电动势，直接通过同轴转子的轴提供给发电机的定子励磁线圈，形成发电的励磁电流。这样就可以省去结构复杂、磨损快和易出故障的碳刷。
同步发电机的工作原理是通过在转子励磁绕组上通入励磁电流，转子被原动机驱动旋转，形成旋转磁场。
电能输出
励磁电流
图10-1发电机结构示意图
定子绕组切割磁力线形成感应电动势输出，即实现了输入机械能到输出电能的转换。通过改变同步发电机转子的励磁电流，可以控制同步发电机的输出电压。
设同步电机电枢的每相匝数为N ，最大磁通为Фm （wb ），电流频率为f(Hz)，则每相感应电动势的有效值为E=4.44fNФm 。
发电机气隙中的旋转磁场在空载和带载运行时，是不一样的。这是因为带载时，电枢中的交流电流会使电枢在电机中形成旋转磁场（相当于电动机的作用），其转速与磁极的旋转磁场相等，即两磁场处于相对静止状态。因此在带载时，电机中的磁场分布相当于是电枢磁场和磁极磁场的合成。而空载时，电枢电流为零，发电机中的磁场为纯粹的磁极磁场。这种电枢对电机中磁场分布的影响称为电枢反应。
电枢反应与发电机所接负载的性质有关。亦即与发电机的功率因数有关，可分为三种极限情况。下面以一相为例来说明，见图10—2 电枢反应示意图（转子均为逆时针旋转）。 纯电阻性负载。即电流与电压同相，功率因数为cos φ=1,转子转到图10—2中a 位置时，电枢中该相感应电动势和电流同时达最大值。由电机的原理可知，三相绕组产生的旋转磁场的轴线与电流达最大的绕组轴线重合，即应为图10—2中a 所示。实箭头和虚箭头分别表示磁极和电枢的磁场轴线方向。显然磁极磁场和电枢磁场是正交的，其合成磁场比磁极磁场落后θ角，称为横轴电枢反应。由于铁芯磁饱和的缘故，横轴电枢反应稍有去磁作用，合成磁场略小于磁极磁场Ф0。
纯感性负载：电流滞后电压90˚，磁极转到图10—2中b 所示位置时，该相电流达最大值。而此时感应电动势已过最大值到零，磁极磁场与电枢磁场方向相反。合成磁场Ф被大大削弱，这种情况称为纵轴去磁电枢反应。
纯容性负载：电流超前电压90˚，磁极转到图10—2中c 所示位置时，该相电流达最大值。而此时感应电动势为零，磁极再转90˚时电压才达最大值。此时磁极磁场与电枢磁场方向相同，合成磁场Ф被大大加强，这种情况称为纵轴增磁电枢反应。
a 横轴电枢反应
b 纵轴去磁电枢反应
c
纵轴增磁电枢反应
Фa
d 一般情况（感性负载）
图10—2电枢反应示意图（转子为逆时针旋转）
在一般情况下，由于功率因数的原因，电流和电压通常相差一个相位角。再分析时通常可以把电流分解为两个相量。一个与电压同相发生横轴电枢反应，一个与电压相量垂直，发生纵轴电枢反应。最终的合成磁场如图10—2中d 所示。
二、同步发电机的特性
（一）空载特性和短路特性
1．空载特性：发电机空载运行时，电枢中只有感应电动势E 0，曲线 E 0=f（I f ）表示电枢空载感应电动势E 0与励磁电流I f 之间的关系，称为空载特性曲线（如图10-3）。由于E 0与Ф0成正比，而磁极铁芯具有饱和特性，故端电压也会饱和， 因此曲线 E 0=f（I f ）反映了同步发电机工作时的磁路饱和状况，因此也叫空载饱和曲
I
f
线。通常由试验得出。由于磁滞现象，上升和下降的曲线不会重图10—3空载特性曲线 合，通常约定采用从1.3倍的额定电压开始到I f =0时的下降曲线，如图10—3中上面一条曲线。在I f =0时有剩磁电动势，将实测曲线用图中Δi 校正，相当于整体右移得到工程中的使用曲线（如图10—3中过原点的曲线）。
2．短路特性：在同步发电机电枢的输出端三相短路时，通过
I s 实验法可以测得电枢短路电流I s 与励磁电流I f 之间的关系曲线。由
于是短路，而电枢绕组的电阻相对于其同步电抗而言可以忽略不
f 计，可视短路负载为纯感性的，则电枢反应符合图10—2中b) 的情图10—4短路特性曲线
况。显然，由于是纵轴去磁电枢反应，磁通不会发生饱和，故电
枢短路电流I s 与励磁电流I f 之间的关系为线性关系，如图10—4 短路特性曲线。
短路比S=IS /IN 是发电机的重要特性。它是空载额定电压时对应的励磁电流下，三相稳态短路时的短路电流I S 与额定电流I N 之比。或表述为产生空载额定电压时的励磁电流与产生短路额定电流时的励磁电流之比。短路比反映的是机组的稳定性和适应能力。短路比小，负载变化时电压变化较大，稳定性较差。但增大短路比需要一定的成本，因此对于汽轮发电机而言，S=0.4～1.0。
（二）外特性与调节特性
1．外特性：曲线V=f(I)表示当转速为额定值，励
V
磁电流和负载功率因数为常数时，发电机的端电压与负
载电流的关系。称为外特性曲线。如图10—5，角标N
V 为额定工况。从图上可以看出，发电机接不同性质的负载，其外特性曲线是不一样的。我们可以通过电枢反应来理解和分析这一现象。对发电机组而言通常希望在负载发生变化时，端电压变化越小越好。我们用电压变化
Δυ=[(V0-V N )/VN ]×100%
式中V N 是额定电压，V 0是空载电压。通常Δυ约为20%～40%。这显然不能完全满足负载的要求，故要对历次电流进行适当调节以适应负载变化。现代发电设备均配有自动调压装置，故对Δυ要求放得比较宽。不过出于对故障状态的切除时的安全考虑，Δυ仍要求控制在50%以内。 2．调节特性：曲线I f =f（I ）表示当转速和发电机端电压为额定值，负载功率因数不变时励磁电流I f 与负载电流I 之间的关系。称为调节特性曲线，如图10—6所示。
N （容性）
率Δυ来表示从空载（角标为0）到额定负载电压的变化程度。
图10—5 外特性曲线
I f
I f0
N 图10—6调节特性曲线
通过电枢反应的分析不难理解发电机对感性、容性和阻性负载时调节特性的区别。
三、发电机的励磁
（一）直流励磁和交流励磁
按励磁电流的性质可分为交流励磁和直流励磁。
1．直流励磁：传统同步发电机均为直流励磁，即在磁极中通入直流电。通过调节直流电的电压改变磁极线圈中励磁电流的大小，来控制发电机输出电压的大小。发电机的转速始终等于同步转速。
2．交流励磁：近年来新发展起来的交流励磁发电机，在磁极中通入某一频率（f 1）的交流电，形成一个相对转子的旋转磁场, 相对转速n = 60f1/p（p 为级对数）；转子的转速与旋转磁场的相对转速之和等于同步转速，即在气隙中形成同步磁场，发出同步频率的交流电。显然，当励磁交流电的频率f 1为可调时，发电机的转速可以在大范围内变化。当交流励磁相对转子的旋转磁场与转子方向相反时，甚至超过同步转速。
如果以转子转速与电枢旋转磁场转速相等作为判定同步电机的标准，则交流励磁发电机并非同步电机。目前有文献称之为交流励磁变速恒频发电机，把它归为异步电机。交流励磁发电机与直流励磁发电机的区别在于：交流励磁发电机可以实现机、电之间的完全解偶，具有更大的稳定性和电网调节能力；而直流励磁同步发电机技术成熟，价格低，在中小机组和主力发电机组中广泛采用。
（二） 自励和他励
同步发电机按励磁的方式可分为他励式和自励式。
1．他励式：指发电机的励磁绕组由外部电源供电，其励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。通常在发电机上同轴安装一台励磁机，实际上励磁机也是一台发电机，通过励磁机发电为发电机提供励磁电流。 他励式无刷励磁发电机的励磁机，由一台主励磁机和一台副励磁机组成。其主励磁机采用一台三相交流无刷励磁机，副励磁机采用一台单相永磁发电机，如图10—7所示。双点划
副励磁机永磁
副励图10—7 他励式无刷励磁发电机
线框内部分为转子部件，虚线框内部分为定子和地面控制部件。从图中可以看出，转子与定子之间没有连线，副励磁机发电为主励磁机的定子提供励磁电流。主励磁机的转子产生感应电动势，经同轴安装的硅整流装置变为直流电为同步发电机转子的励磁线圈供电。通过来自发电机输出端的电压反馈信号来调节副励磁机的输出电流，从而改变主励磁机的输出电压，实现同步发电机输出电压的自动调节。
2．自励式：指利用同步电机自身发出的电能为励磁绕组提供励磁能量的方式，其励磁电流就是电枢电流或为电枢电流的一部分。自励系统具有反应速度快、强励倍数高和机组甩负荷时过电压较低等特点。
四、并网
发电机并网就是将发电机的输出端接入供电网络。发电机组发出的电能并不是随意可以并网的，必须具备一定的条件，否则就可能出大的事故。发电机在合闸并网前必须确保电压、频率、相位与电网一致。用于确保上述条L 1
L 2 件达到要求的装置称为同期装置。
同期装置按照实现同期的方法可以L 3 分为三种。
（一） 准同期法
通过调整，使待并网发电机的电压与电网电压相等、其频率与电网频率相等、其相位与电网相位一致。当上述三个条件同时满足时, 手动或自动将待并机组并网。其特点是冲击电流、冲击转矩和母线电压降很小，但手动并机操作难度大。准同期法有同步表法和灯光指示法等。准同期法在小型机组上应用较广。图10—8为灯光熄灭法准同期装置示意图。假定机组G 1在运行，QS 1、QF 1已合闸，G 1的电压已送至母线。此时，并上G 2的程序是：合上隔离开关QS 2，合上转换开关Q 2，此时三只指示灯接在母线与发电机G 2之间，灯上的电
ω1
ω2ΔU
(a)灯光熄灭法 (b) 灯光旋转法
压为Δu 。从图10—9相量图(a)可知，如果
图10—9灯光指示法同期装置相量图
仅相电压或相位不一致，则三只灯会出现
恒定的亮光；如果频率不一致（ω1≠ω2），则三只指示灯会同时亮灭交替变化，其变化频率等于（ω1-ω2）/2π 。在灯光熄灭的一瞬间迅速合上断路器QF 2，即可实现并网。
如果将图10—8中H 2、H 3换相，则指示灯电压的新相量图10—9中的（b ）与灯光熄灭法相比就不同了。通过图10—8可以看出，三个指示灯的亮度会依次变化，如同旋转一样。其旋转频率等于（ω1-ω2）/2π，故这种同期检测称为灯光旋转法。显然，当H 1熄灭而H 2、H 3亮度相等时是合闸并网的最好时机。
自整步：通过上述可以看出，发电机并网时其频率与电网频率不可能完全相等，合闸后Δu 依然存在，发电机是通过自整步作用实现与电网完全同步的。即，由于Δu 的存在，在发电机和电网之间形成环流。如果发电机同步转速大于电网频率，则相当于发电机输出环流电功率，即发电机要受到制动性质的电磁转矩而减速，直至完全同步。反之，如果发电机同步转速小于电网频率，则相当于发电机吸收来自电网环流的正功，即相当于电动机作用，使发电机加速至与电网频率同步。
（二） 自同期法
将待并网机组调节至同步转速后，在未加励磁的情况下将其并入系统。然后逐步加入励磁，使机组被拉入同步。该方法要求并网前机组频率与电网频率相近，且无输出电压，待并机组的励磁绕组须经灭磁电阻等构成闭合回路。该方法冲击转矩、冲击电流、母线压降大，但结构简单，操作容易。一般用于大中型机组。
（三） 粗同期法
将待并机组的电压、频率调至与电网接近时，在任意时刻将机组通过并机电抗器投入系统，拉入同步后，再切除电抗器。该方法对电压和频率只要求与电网接近，冲击转矩、冲击电流、母线压降较大，但操作简单，并网速度快，应用广泛。
图10—8灯光熄灭法同期装置示意图
. ΔU 1
ω1 ω2ΔU 2 ΔU 3
. ΔU 1
U 3
五、功率调节
（一）无功功率调节
电网的主要负载是感性的（如电机等），它需要发电机提供有功和无功功率，有功和无功的分配取决于cos φ、sin φ。我们通过改变励磁电流的大小来调节无功功率。当励磁电流增大，即“过励”时，发电机端电压高于电网电压，电枢电流比发电机电压滞后90˚。此时，发电机发出感性无功功率。反之当减少励磁电流，即欠励时，则出现输出容性无功的情况。即，在保持有功功率不变时，通过改变发电机励磁电流可以调节发电机输出的无功功率。
（二） 有功功率调节
有功功率调节通常是通过调节原动机的功率来实现的。当原动机转矩增大时，发电机转子将有一个暂时的加速过程，于是电枢电动势将比端电压越前一个θ角。在两电动势之差（矢量）的作用下，将使电枢电流上升，亦即有了有功功率输出。同时，新增电枢电流形成的阻力转矩使发电机组拉入同步运行。可见改变原动机的转矩（如调节汽轮机的进汽量），可以调节发电机组的有功功率。
六、发电机的继电保护
发电机是电网的电力源，它的稳定运行对电网的供电质量及安全至关重要。因此需要有可靠的保护装置。
电力系统中的电力元件发生故障或危及安全运行的事件（如接地、短路、过流、过负荷和失步等）出现时，通过自动化保护装置，向运行值班人员发出报警、或直接向所控制的断路器发出跳闸指令。以防止出现大的故障或事故或把事故故障的不利影响降至最低， 这种保护方式称为继电保护。继电保护装置是保证电力元件安全运行的基本设备，它的基本功能就是报警和保护动作联锁。
中小型发电机常用的继电保护有七种，分述如下： （一） 相间短路保护
发电机相间短路的主保护一般采用纵差动保护，利用相间短路时发电机每相进出口端电流发生变化来判断相间短路。将安装于定子相绕组两端的电流互感器按差接法接线，在正常和外部故障时，流入继电器的电流为两端电流之差，其值接近于零。而出现相间短路时，相当于短路点两侧并联，其值为两端电流之和，继电器发生动作。
（二） 匝间短路保护
匝间短路保护有横差动电流保护、负序功率闭锁转子二次谐波电流匝间短路保护。负序功率闭锁定子零序电压匝间短路保护等几种形式。横差动电流保护是对于每相定子绕组有并联分支的情况下采取的一种结构简单的保护方式，基本原理是通过比较并联分支上的电流差异来识别匝间短路，通常量取分支绕组中性点连线上的电流。负序功率闭锁转子二次谐波电流匝间短路保护利用了定子绕组中匝间短路时，短路电流中出现的负序分量产生的反向旋转磁场在转子回路中感应的二次谐波电流，将其作为判定依据。同时加上了负序功率闭锁以避免相间短路或外部负载不对称时出现误动作。而零序电压保护是利用匝间短路时三相对称条件被破坏而出现的零序电压作为判定依据，通常也带负功率锁闭。三种匝间保护方式相比二次谐波电流保护的灵敏度最高，横差动保护的灵敏度最低，但结构最简单。
（三） 定子接地保护
定子接地时将产生零序电压和零序电流，因此通常有基波零序电流保护和基波零序电压保护。这两种保护，在对距中性点很近的线圈部位上存在死区，因此大型机组为了更安全可靠，常采用附加直流电压或低频电源等无死区的接地保护装置。
（四） 定子绕组过电流保护
当发电机纵差保护范围以外发生短路，而短路元件自身的保护或断路器没有动作时。为消除故障，应设置反应外部短路的定子绕组过电流保护。这种保护兼作纵差保护的后备保护。
（五） 失磁保护
发电机失磁指励磁绕组突然失去励磁电流、或励磁电流下降超过了静稳定极限的现象，属于较常见的故障形式。造成的原因有励磁回路开路、励磁绕组短路和运行人员误调整等。发电机失磁，机组就有失步的危险，失步对汽轮发电机组的危害很大。失磁失步后发电机发出的无功功率由正变负，发电机从电网系统吸收无功功率。如果系统无功不足则机端电压必然下降，且因吸收无功而导致的定子绕组过电流和转子发热会比较严重。由于失步后转子超同步转速运行，转子将会产生超频电流，导致附加温升危害转子安全。同时超速异步运行对定子、转子和机座均会造成冲击。对大型机组而言失磁发生失步的危险性更大。
失磁保护有：由安装在定子部分的无功方向元件和低电压元件组合构成的失磁保护，通过无功的方向来判断是否失磁，用定子欠压的产生来判断失磁失步的严重程度。
阻抗继电器构成的失磁保护，是利用发电机机端阻抗在失磁后由正常时的第一象限逐渐移动到第四象限的特性，用阻抗元件和转子电压闭锁元件组成。阻抗元件用来感知机端阻抗的变化，转子电压闭锁元件用于防止非失磁故障而引起的保护误动作。 （六） 负序电流保护
当电力系统发生三相负载不对称或出现不对称短路时，发电机的定子绕组中就会有负序电流。负序电流产生同步转速的反向旋转磁场，相对于正向旋转的转子而言，则有两倍的同步转速。在转子中会形成倍频感应电流，这可能对转子端部等电流密度很大的部位造成过热损伤。因此需要装设负序电流保护。中小型发电机组通常装设负序定时限电流保护。
（七） 过负荷保护 是对发电机长时间超过额定负荷运行的保护，通常发出信号。中、小型发电机只装设定子过负荷保护。
第三节 汽轮机
汽轮机是现代热电厂中应用最广泛的原动机。它以蒸汽为工质，将蒸汽的热能转化为旋转机械能，驱动发电机发电。除用作发电外，汽轮机还可以作为机械动力直接驱动各种压缩机、风机和泵。此外，汽轮机的排气和中间抽汽可用于生产和生活供热。汽轮机具有功率大、转速高、运转平稳、使用寿命长和可变速运行等优点，在现代工业中应用十分广泛。
调节装置
调节汽阀
叶轮
气缸
主轴
图10—10 汽轮机的结构图
一、汽轮机的种类和基本结构
（一）汽轮机的分类
汽轮机在各行各业应用广泛，由于用户的要求各不相同，汽轮机的类别和形式很多。通常按工作原理、热力特性、蒸汽初压、结构形式、气流方向和用途等进行分类（如表10-1）。
表10—1 汽轮机的分类
（二）汽轮机的型号
国产汽轮机的型号表示方法如图10—11所示：
图10—11 国产汽轮机型号表示法
国产汽轮机旧型号表示方法如图10—12所示：
第二段
第三段
第二段
第三段
× ×× — ×××/×××/××× — ×
设计变型序号 蒸汽参数 额定功率（MW ） 汽轮机类型代号
×× — ×× — ×
设计序号 额定功率（MW ） 蒸汽参数、汽轮机形式
图10—12 国产汽轮机旧型号表示法
目前国产汽轮机的型号及参数表示方法见表10-2、表10-3
表10—2 蒸汽型号中参数的表示方法
表10—3
国产汽轮机类型代号用汉语拼音字母
划分蒸汽参数等级的产品系列（见表10-4）：
表10—4 按功率划分蒸汽参数等级
汽轮机的结构如图10—10所示。
1．汽轮机本体主要有以下几个部分组成：
（1）转动部分：由主轴、叶轮、轴封和安装在 叶轮上的动叶片及联轴器等组成。 （2）固定部分：由喷嘴室、气缸、隔板、静叶片和汽封等组成。 （3）控制部分：由调节系统、保护装置和油系统等组成。
二、汽轮机工作原理：
（一）汽轮机的级：
级通常由一列喷嘴和一列动叶栅组成，是汽轮机实现能量转换的基本工作单元。汽轮机由一个或多个级组成。通常意义上讲，我们提到汽轮机的级，一般指轴流级，因为绝大部分汽轮机为轴流式。下面将以轴流级为对象，来讨论汽轮机的基本工作原理。
1．级的工作原理
如图10-13，轴流级是由一列喷嘴（静叶栅）和叶轮（动叶栅）构成。汽流先经截面（级的入口）0—0进入静叶栅。在静叶栅中将部分热能转换为蒸汽的动能。在静叶栅出口1—1（即动叶栅入口），汽流的速度和方向要满足动叶栅入口条件，汽流在动叶栅中，将动能和热能转化为机械功，使叶轮旋转。汽流做功后经截面2—2（级的出口），进入下一级或从汽轮机的出口排出。
A-A 沿圆周展开
2
1-静叶片 2-动叶片 3-隔板 4-轮盘 5-轴
图10—13 轴流级简图
2．轴流级的分类
通常按蒸汽在动、静叶栅中能量转换的性质和程度对轴流级进行分类，分为冲动级、反
动级、带反作用度的冲动级和复速级分述如下：
（1）冲动级：蒸汽在通过冲动级的静叶栅时，降压膨胀，其热能充分转化为动能。但在通过动叶栅时不进行热能→动能的转化，而是完全利用汽流的动能，冲击动叶片做功。因此，冲动级又称为冲击式级。显然冲动级的反作用度Ω=0。即蒸汽在动叶栅中的等熵焓降为零。采用喷嘴调节的汽轮机，出于安全和经济的考虑，通常采用蒸汽室、调节汽门与汽轮机转子缸体分隔，形成相对独立的进汽阀体。通过增大调节汽门焓降，使蒸汽膨胀降压，获得较大的动能后进入转子缸体去推动第一级（也称为调节级或调速级，通过改变调节汽门的通流面积来调节汽轮机的转速及功率）。因此单级或多级汽轮机中的调节级，常采用冲动级。这样，可以使高参数的新蒸汽只作用于尺寸相对较小的调节汽阀阀体，而进入转子汽缸的则是参数较低的蒸汽。
（2）反动级：蒸汽在通过动、静叶栅时，均进行热能→动能的转化。它在动、静叶栅中的等熵焓降大体相等，显然反动级的反作用度Ω≈0.5(略小于0.5) 。由于蒸汽在静叶栅中是不充分膨胀，故在动叶栅中，汽流除了冲击叶片做功外，还进一步膨胀降压，进行热能→动能的转化。汽流因膨胀而在动叶上产生反作用力，推动叶片做功。反动级也称为反击式级。
（3）带反作用度的冲动级：实际中采用的冲动级，往往并不是纯冲动级，通常有0.02～0.15的反作用度。
（4）双列复速级（如图10-14）：一级叶轮轮盘上安装有两列动叶，两列动叶之间有静子导向叶片。一般用于调节级。由于汽轮机用户通常希望调节级的焓降尽可能大些，使后面的压力级的蒸汽初始参数低一些。这样可以减少压力级级数，节省耐高温的材料。因而采用
隔板
向叶
图10—14 双列动叶示意图
注：汽轮机中反作用度的概念定义为：蒸汽在动叶栅中的等熵焓降与级的等熵焓降之比
双列动叶的形式，其过程可参见图10—14。新蒸汽经过大焓降的调节喷嘴，获得了极高的动能，利用两列动叶将汽流的动能尽可能多地转化为机械能，以减少调节级出口的余速，降低余速损失。复速级也带有少量反作用度。
（二）汽轮机的密封
1．汽轮机密封的类型
为了减少汽轮机内部及向外的漏汽损失，以提高机组效率和安全可靠性，汽轮机的不同部位都装有汽封装置，通常称为轴端汽封、级间（隔板）汽封和叶顶汽封。汽轮机转速、温度通常很高，故密封一般采用非接触的迷宫密封形式。由于绝大多数迷宫密封的断面结构类似于梳齿，故也称其为梳齿密封。为减少转轴发生摩擦可能带来的危害，迷宫密封的梳齿通常采用铜、铝等软金属。迷宫密封的结构多样，按齿的排列结构可分为高低齿型、平齿型和阶梯型。按齿的结构形式可分为迷宫片式、迷宫环式和蜂窝式等；按齿的断面形状可分为斜齿及直齿。按布置方向可分为轴向和径向。（如图10—15）。
阶梯型
A 斜齿型
蜂窝型
图
10—15 汽轮机的密封类型
2．迷宫密封的基本原理
梳齿与轴之间构成了一个一个环形的腔室和环形的缝隙。当气流通过缝隙时，气流近似于理想的节流过程，形成一个压力降，同时温度降低，速度增加。在进入腔室后，由于流通面积的突然加大，气流形成很强的涡流， 相当于一个等焓过程。气体的动能通过涡流所产生的分子摩擦，绝大部分转变为热能，使气流的温度回升而压力不变。气流每经过一个缝隙和一个腔室，就重复一次上述过程。到最后一级梳齿的出口时，气流在温度几乎保持不变的情况下，经过多次降压，达到接近背压的水平（对轴端汽封而言，则是环境压力）。 事实上蒸汽在轴端汽封内除了轴向流动外，还存在圆周方向的环流。环向流动减弱了涡流降速的效果，从而影响了梳齿的密封性能。目前流行的蜂窝式迷宫密封，则克服了这种缺点，效果比较理想。
亚临界流动时平齿型迷宫密封的理想泄漏量计算，在梳齿密封片数很多时，可根据流体伯努利方程：
1 d p 2H = 2 + △) + H d
2
∫
式中
∫H ——欧拉能量头； 1 d p
——静压能变化；
2 2△) —— 动能变化（c 为流速）；
2
H d ——流动损失。
就一个梳齿单元而言，由于压力降△p 很小，相对气流动能变化，流体压缩性的影响可以忽略。首先考虑不计节流损失的情况。
设：在密封环缝处，漏气量为G ，间隙环缝面积为f ，流速为c ，角标1，2分别代表轴封前（高压侧）和轴封后（低压侧）。
设：蒸汽压力为p ，密度为ρ， 比容为v ，轴封齿数为z ，齿距为△x ， 轴封长 X= z△x 。
因为 c 2△p ρ
2ρ△p
G= ρcf = f v = 1/ρ 所以 △p =
v G 2 f 2
2
＝＞
p △p
△x
p v G2
=
2 f 2△x
若梳齿数量足够多，则△p / △x ≈ dp / dx，代入上式并积分：
∫
1
pdp = 2
2
∫2
1 p v G2 2 2 f △x
d x
p v G2
z 2 f
假定气体在梳齿间隙中的动能到空腔后全部转化为热能，则梳齿前后空腔中气流的温度基本保持不变。即 p v = const
由上式可得理想状态下梳齿密封的泄漏量公式：
G = f
γ
由于梳齿密封中蒸汽存在流动损失，因此实际的梳齿密封泄漏量G ' 的计算要乘以修正系数。 亚临界流动时高低齿汽封的实际泄漏量计算公式：
( p
1
2
p v G2
－ p 2) = X =
2 f △x
p 1－p 2
= f
z p1 v1 p 1－p 2
1 z p1
G 0=αβf Gｎ
式中： G 0 —— 高低齿汽封实际漏汽量，kg/s；
α —— 流量系数； β —— 泄漏系数；
f —— 迷宫环缝面积 m 2；
G ｎ —— 单位环缝面积单位时间的漏汽量 2
kg / ( m·s) ；
G ｎ ＝
式中：
g c p 1 v 1
c/△x
图10—16泄漏量修正系数γ图表
α
g c —— 换算因子； g c ＝１kg ·m/(N·s 2) ； 1.8 p 1 —— 汽封高压端压力； 1.6 v 1 —— 汽封高压端比容m 3/kg；
1.4
亚临界流动时平齿汽封的实际泄漏量计算
公式：
G １=γG ０
式中：G 0 —— 平齿汽封实际漏汽量 kg/s； γ —— 泄漏量修正系数；
1.2 1.0 0.8
γ与齿数ｚ1、齿距△x 、迷宫环缝的半径0.6 间隙c 有关, 如图10—16所示。
也可以将平齿齿数ｚ1按下式折算成高低齿0.4 数z ，利用高低齿汽封的实际泄漏量计算公式进行近似计算。
0.2
z =（ｚ1+1）/2
流量系数α和泄漏系数β的选取： α与迷宫的结构形式和尺寸有关，由试验
得出在常用的齿顶间隙△h 和齿间距△x 范围
0.2 0. 4 0. 6 0. 8
1.0
齿顶半径间隙△h
图10—17泄漏量系数α
内，α近似与△h 成正比、与△x 成反比，取值约在1.0～1.2左右，可依据图10-17近似选取。
水蒸汽泄漏系数β可由下式确定：
1－ ( p 1 / p 2 ) β ＝
z + ( 2/K )ln( p 1/p 2 )
K 为气体绝热膨胀指数，饱和蒸汽取1.135，过热蒸汽取1.3。对于蒸汽的计算，可通
过表10—5来查出β值。
临界流动：
当密封出口和入口的压比 p 2/ p 1减少到一定数值时，泄漏量将不再随压比的减少而增大，说明密封中汽流速度已达音速，我们称这种状态为临界状态。显然，密封中汽流速度只可能在最后一个环缝间隙中出现，在此间隙中的流动状态称为临界流动，此时的压比称为临界压比。临界流动状态下临界压比的判定参考图10—18，临界流动的的泄漏量计算略。
p 2/ p 1临界值（z =30～160）
0.12
p 2/ p 1临界值（z=2～30）
0.10
2
6
10
15 齿数z
20
25
30
0.08
0.06
图10—18 临界压比图
（三）汽轮机的损失
汽轮机的损失分为两大类：一类是不影响蒸汽状态的损失，称为外部损失，如机械损失、外部漏气损失；另一类是直接影响蒸汽状态，称为内部损失。
1．外部损失 （1）机械损失 汽轮机运行时，要消耗一部分有用功，用于克服支承轴承和推力轴承的摩擦阻力、带动维持自身安全稳定运转的主油泵、调速器和机械转速表等（即汽轮机的调节保安及监控系统在很大程度上依赖汽轮机运转提供的能量）。这一部分损失称为机械损失，通常占汽轮机额定功率的0.5%～1%。
（2）外部漏汽损失
由于汽轮机的密封与轴颈之间存在间隙，必然有蒸汽的外泄漏。称为外部漏汽损失。 2．内部损失
（1）级内损失
静、动叶栅内的流动损失：包括叶栅型面结构表面边界层的摩擦损失、汽流分离的涡流损失和尾迹损失、二次流损失和冲波损失等；余速损失：级的出口汽流尚有一定的余速能量，并未用于推动叶轮做功；轮盘摩擦损失：蒸汽与轮盘的摩擦损失；鼓风损失：对于部分进汽的级，其动叶片在转动到无进汽区域时，基本处于静止状态的蒸汽被吸入到动叶流道所消耗的能量；斥汽损失：对于部分进汽的级，其动叶流道在转至无进汽区时，滞留了轴向速度几乎为零的蒸汽，在转至进汽区域后，进汽需推动这些滞留的蒸汽，才可流入下一级；级间漏汽损失：级间漏汽主要通过隔板汽封、叶顶汽封、平衡孔从高压侧漏向低压侧。湿汽损失：湿蒸汽含有雾状水滴，其流速小于蒸汽，对蒸汽的流动起阻滞作用，引起能量损失，另外由于水滴流速低，部分大水滴进入动叶栅的冲角为负冲角，冲击在叶片的非工作面，形成反向力矩，使转子的输出功率下降。
（2）进气阻力损失
在蒸汽进入汽轮机第一级之前，须先经过主汽门、调节汽门、蒸汽室。蒸汽在通过这些部位时将产生压降，如果忽略蒸汽通过进汽机构的散热，则这一过程为一节流过程。必然因节流导致损失。进汽阻力损失与汽速、进汽机构的结构形式有关。通常控制蒸汽压降△P 0=（0.03～0.05）P 0。减少进汽阻力损失的方法主要有：改进结构，控制主汽门、管道等部位的汽速小于40～60m/s；改进蒸汽室、调节汽阀结构及型线，使之符合蒸汽的流动特性；提高加工和安装的精度，以减少局部涡流、流场偏分等现象。
（3）高低压缸之间的联通管流动损失 （4）排气阻力损失
进入汽轮机的蒸汽在各级做功后，末级动叶栅出来后经排汽管排出时由于摩擦、涡流等形成的阻力会产生压损，使末级动叶出口压力高于凝汽器（或排汽管出口）压力，这一损失称为排汽损失。
（5）汽缸散热损失
虽然气缸有保温层，由于汽缸温度大大高于大气温度，故仍然存在一定的热量散失。 （四）汽轮机的轴向推力（轴流式）
蒸汽自汽轮机高压端（入口）向低压端（出口）流动，推动转子做功。其总体方向是沿轴向的，必然对转子形成轴向推力，其方向沿高压端指向低压端。转子承受的轴向推力由三部分组成：动叶片上由于蒸汽动量变化及动叶片两侧压差形成的轴向推力，轮盘两侧表面压差形成的轴向推力；隔板汽封处轴的迷宫凸环所受的轴向推力。对于相同功率的多级汽轮机而言，反动式汽轮机比冲动式汽轮机轴向推力大得多。因为反动式动叶栅的进出口压差比冲动式要大得多。需要指出的是，在汽轮机负荷突然降低时，有时可能会出现与汽流方向相反
的轴向推力。因为负荷的突然降低会导致每级的焓降突然下降，使级后的蒸汽参数有升高的趋势（转速升高是它的负反馈）。而由于调节系统的作用，调节汽门有一个向下打压，并在反馈装置的作用下建立新的平衡的过程。这个过程如果过于灵敏，则可导致蒸汽经调节汽门节流后的参数低于级出口的参数，使轴向推力发生反向。
对于轴向推力的处理通常采取以下方法： 1．平衡盘（平衡活塞）：利用平衡盘两侧面积差异，使低压侧面积远大于高压侧，从而形成反向的轴向推力，与原轴向推力平衡。也可在低压侧导入高压汽，而高压侧则抽汽降压。 2．平衡孔：通过在叶轮上开平衡孔来减少轮盘两侧的压差。但是开平衡孔降低了叶轮的强度，因此在调节级和反作用度大、负载重的低压轮末一、二级一般不开孔。开孔一般为单数对称布置，以避免在同一个截面存在两个孔，削弱强度。
3．采用反向流动的结构形式：如，高、中压缸反向布置；低压缸对称分流布置等。 4．推力轴承：推力轴承用于平衡以上方法处理后剩余的轴向推力。推力轴承一般有两个方向相反的推力瓦面，一个为主推力瓦（也称为工作瓦），一个为副推力瓦（也称为非工作瓦），轴上的推力盘在运转时一般与工作瓦面接触。推力盘在主、副推力瓦之间的窜动距离称为推力间隙，一般不大于0.4mm 。瓦面上的乌金厚度一般为1.5mm 左右，其值小于汽轮机转子与静子部件之间的最小间隙。以确保即使在乌金瓦熔化的情况下，汽轮机动静部分也不会发生碰擦，而引起更严重的后果。
（五）汽轮机的热膨胀控制 汽轮机工作温度很高，是一个复杂的热态工作机械，其热态线性膨胀量高的可达数十毫米。因此，其设计、安装、调整、运行和监控均应充分考虑热膨胀所带来的影响。热膨胀控制不好可能造成的后果有：上下缸膨胀不一致导致缸体的变形；差胀过大导致的转子部件与汽缸部件发生轴向碰擦；因为冷态调整不佳导致热态汽缸镗孔与轴承镗孔的中心线重合度不好，从而导致转子与汽封等静止部件发生径向碰擦，以及发电机组的不对中振动；部件受到过大的热应力而发生裂纹、变形等等。
1．汽缸支承 汽缸支承通常采取猫爪形式。通过缸体上伸出的猫爪支撑在轴承座上，猫爪支承分为上缸猫爪支承和下缸猫爪支承两种方式，如图10—19所示。
3 1
3 2
1
下缸猫爪支承
1-猫爪横销；2-下汽缸；3-上气缸；4-压板；5-轴承座
上缸猫爪支承
1-猫爪横销；2-下汽缸；3-上气缸；4-工作垫片；5-压板；6-水冷垫铁；7-轴承座；8-安装垫片
图10—19 汽缸支承形式图
上缸猫爪支承和下缸猫爪支承各有利弊：下缸猫爪支承结构简单检修方便，但由于支承面低于汽缸镗孔中心线，汽缸温度升高时其镗孔中心线将向上抬起；对于高参数大功率汽轮机而言，其温度高、法兰厚，猫爪的膨胀将对机组的定心有不可忽视的影响。因此下缸猫爪支承适于中低参数汽轮机的高压缸。而上缸猫爪支承支撑面与汽缸中分面在同一水平面上，
故受热膨胀后可以保持转子中心线与汽缸镗孔中心线一致，因此适用于高参数大功率汽轮机。但是下缸猫爪支承结构相对复杂，尤其是在检修中极为不便。由于下缸悬空，接盖检修时为了确保下缸与转子的相对位置，需加装安装垫铁，使检修的数据不直观、精度控制困难，且装卸复杂。
有些中低压汽轮机气缸以及汽轮机的低压排汽缸，由于膨胀量不大而采取下缸直接与轴承座通过半圆法兰连接或直接与基础台板连接的方式。如采用直接与基础台板连接的方式，则连接螺栓不应拧死，而保留0.04～0.07mm 间隙。与轴承座采用半圆法兰连接时，在横向和垂直方向均装有定位的膨胀滑销以确保轴承座在膨胀时中心不致变动。轴承座底部螺栓同样要保留一定间隙，这样可以保证汽缸能够沿轴向自由膨胀。具体要求可参阅厂方提供的安装图纸。
2．滑销系统
汽轮机在启动、带负荷和停机过程中，温度变化很大。为确保汽缸与转子中心保持一致，必须使汽轮机按给定的方向自由的膨胀和收缩。因此汽轮机均设有滑销系统。滑销按结构形式、安装位置和布置方向可分为以下几种：
（1）纵销：其安装方向与机组中心线平行，在基础平面上的投影与中心线重合。用于确保机组沿中心线方向正确膨胀，控制汽缸中心线不发生横向偏移。一般安装在低压气缸排气室的支撑面、前轴承箱底部与基础台板的结合面和双缸汽轮机中间轴承箱底部与基础台板的结合面等部位。
（2）横销：安装方向与机组中心线垂直，且平行于基础平面。用于确保汽缸横向的正确膨胀，限制汽缸沿轴向移动。横销一般安装在汽轮机通流部分温度最低的区域——排气室。在排气室的横向中心线上或排气室尾部对称布置，左右各安装一个。横销与纵销中心线的交点称为“死点”，在汽缸膨胀和收缩时，死点保持不动。有些带中间支承的双缸机组一般设有两个死点，高、中压缸和低压缸分别向不同方向膨胀，使各自的绝对膨胀量减少。
（3）立销：铅锤方向安装，其中心线与机组中心线相交。用于确保汽缸在铅锤方向正确膨胀，与纵销共同保持机组的纵向中心线。一般安装在高压汽缸的前端与轴承座之间、低压气缸排气室尾部与基础台板之间。
（4）猫爪横销：与横销有相似的作用。安装在汽缸与前轴承箱、中间轴承箱结合部位的猫爪处，用于保证汽缸在横向的正确膨胀与收缩。同时控制汽缸在沿纵向自由膨胀与收缩时，不与轴承座发生相对移动，即带动轴承箱沿纵销方向前后移动。
（5）角销：安装于前轴承箱及中间轴承箱（双缸汽轮机）底部的左右两侧，以替代连接轴承座与基础台板的螺栓。作用是保证轴承座与台板的紧密接触，防止产生间隙和轴承座翘头现象。
（6）斜销：安装于排气缸前部左右两侧与基础台板之间，与轴线成一定的夹角，起纵横方向的双重导向作用。是一种辅助滑销，一般不经常采用。
汽轮机的滑销系统对汽轮机的正确膨胀与收缩起着关键的作用。因此在检修中应按照图纸的要求，确保正确的配合间隙。防止卡死或间隙过大，以保证机组的热态精度和安全运行。
3．差胀
由于汽缸和转子形状、材质和质量不同，它们在温度发生变化时，膨胀和收缩的的速度及大小不同。通常转子的膨胀、收缩速度大于汽缸。转子与汽缸轴向膨胀量的差值称为“差胀”。我们规定当转子膨胀量大于汽缸时，差胀为正值，反之为负值。显然在汽轮机启动时，差胀为正值。而当汽轮机停机或甩负荷时，蒸汽温度迅速下降，由于转子收缩较快，有可能出现差胀为负值的情况。由于差胀的存在，在汽轮机的设计中在叶轮与隔板、汽封梳齿与轴上凸台等与转子部件及与静子部件之间预留了一定的安全间隙，在安装与检修中应特别注意，确保这些安装尺寸，以免发生危险。
温度变化过大、过快，是导致差胀过大的主要原因。在操作过程中，要注意防止过快的温度变化或温差，严格按设备使用说明书的要求操作设备。尤其注意开停机、甩负荷及蒸汽初始参数突然变化等特殊情况下的操作。例如，启动机组时，汽缸与法兰加热装置投用不当，加热汽量过大或过小；热态启动时，新蒸汽的温度过低；暖机升温速率太快或暖机时间过短；升速或增负荷过快；甩负荷后机组空负荷或低负荷时间过长；机组发生水冲击；新蒸汽参数变化过快；停机时蒸汽温度下降过快等都可能引起过大的差胀，导致转子与静子发生轴向碰擦，酿成事故。机组保温失效、安装检修中各部间隙调整不正确、滑销系统或轴承台板因锈蚀发生卡涩使缸胀不畅等，设备安装检修维护原因也可能引发因差胀导致的事故。
（六）汽轮机的保护装置
为了保障汽轮机的安全运行，汽轮机设有必要的保护装置。汽轮机常用的的保护装置有：超速保护、低油压保护、轴向位移保护、差胀保护、低真空保护(对凝汽式而言) 、轴承温度和振动保护、功率限制和防火保护等。在保护装置动作时，通常控制自动主汽门、速关阀等可以迅速、直接地切断主蒸汽回路的执行元件，实现快速停机。从广义上讲，保护装置也是一种自动调节装置，它同调节系统一样，由感受器、放大器和执行机构三个基本部分组成。只是，自动调节装置是持续控制指定的参数在设定的范围内波动，维持稳定的运行。而保护装置只有在保护参数大于给定值时，执行机构才会动作。保护装置的调节动作只有两种方式，即全开和全关，因此也称为双位调节。
1．超速保护
汽轮机转子部件所受的离心力与转速的平方成正比。转速增加，转子部件的结构应力将按平方的关系迅速增加。因此，汽轮机超速运行是十分危险的。汽轮机均设有超速保护装置，控制汽轮机转速不超过额定转速的8%～12%。
超速保护装置由危急保安器、连杆或拉钩部件和危急遮断油门（危急遮断滑阀）组成。危急保安器分为飞锤式和飞环式。安装在轴上的飞锤或飞环的质心与旋转中心线之间有一定的偏心距离。当转速超过设定值时，飞锤或飞环的离心力大于弹簧的约束力而飞出。撞击连杆部件，导致危急遮断油门动作，迅速关闭自动主汽门和调节汽门，实现保护性停机。飞锤或飞环的动作转速（即超速停机转速）可通过调整螺母，改变弹簧的预紧力来调整。
2．轴向位移保护 轴向位移保护装置是汽轮机组的一个重要安全装置，用于防止转子因发生过大的轴向移动而与气缸静子部件发生摩擦，酿成事故。轴向位移装置的基本原理是，通过感受元件，将主轴位移信号传递给调节机构控制元件及报警装置。当轴向位移达到一定数值时，则发出报警信号。当轴向位移超过给定的停机值时，则通过控制滑阀或磁力断路油门使油压主汽门关闭，实现自动保护性停机。有些小型机组在机体进汽室前装有速关阀，这些机组的主汽门通常为电动或手动，则轴向位移保护装置对速关阀起作用。
轴向位移按感受器的结构可分为机械式、液压式和电气式三类。机械式通过乌金触块直接与主轴圆盘接触，主轴发生移动时，通过杠杆将主轴位移的信号传递给控制滑阀。当轴向位移达到一定数值时，控制滑阀被推动到相应位置，使油压主汽门泄压关闭。液压式则通过转子的位置来改变控制滑阀下部压力油的喷油间隙。当轴向位移增大时，控制滑阀的喷油口与轴上挡油盘的间隙增大，滑阀底部压力油油压下降，滑阀在弹簧作用下下移，从而控制油压主汽门关闭。电气式一般用于大功率机组，采用一个“E ”形铁芯线圈。主轴上的转盘位于“E ”形铁芯两个侧柱之间，通过主轴移动改变主轴转盘与“E ”形铁芯的相对位置（“E ”形铁芯中部线圈通有交流电，两边为感应线圈），使 “E ” 形铁芯感应线圈的磁通分布发生变化，从而在两个感应线圈之间形成感应电动势差△ε。△ε铁，实现自动保护停机。
3．低油压保护
经过放大后可以控制磁力断路油门的电磁
低油压保护装置用于防止润滑油压过低而导致汽轮机轴承损坏，酿成事故。低油压保护装置的动作过程为：当油压降至报警值时，发出报警信号，提醒操作人员注意和采取必要措施；当油压降至安全运行值以下时，自动启动辅助油泵，恢复油压；当油压在辅助油泵启动后仍继续下降，则在其降至危险停机值时自动停机；当油压低于盘车油压时，则停止盘车。 低油压信号的获取比较容易实现。被控制的油管路与弹簧管、波纹管或活塞缸等感受元件接通，通过上述元件随压力变化而发生变形或移动，使相应的微型开关、接点接通或断开，控制报警装置、辅助油泵和自动主汽门等发生相应的动作，达到保护机组的目的。常用的感受器有电接点压力表、波纹管压力继电器和活塞弹簧装置等。
4．差胀保护
差胀保护用于防止汽轮机动、静部分由于差胀过大而发生轴向碰擦。大机组一般都设有差胀保护，即在差胀过大时，实现紧急自动停机。
（七）调节系统
1．调节系统的组成和基本原理
调节系统的主要作用是在外界负荷（电负荷或热负荷）发生变化时，调整机组的进汽状态，以保持被控制参数（转频或输出蒸汽压力）稳定，保障机组正常开停机以及运转的安全。
调节系统一般由感受器、传动放大机构、执行机构和反馈装置等组成。感受器是调节系统的眼睛，调节系统通过感受器探测被控制参数的变化后做出相应的反应。感受器可以感受转速、压力等的变化，并转换成位移、油压或电信号输出；传动放大机构将感受器的输出信号放大成能够推动执行器动作的油压或电流，使执行器发生动作，执行器包括调节汽门和传动机构等，根据传动放大机构的输出，来改变汽轮机的进汽量。反馈装置有动态反馈和静态反馈两种，是使机构的输出信号对输入信号进行一定程度反向调节的特殊装置，用于保持调节系统的稳定。调节机构原理示意图如图10—20。调节系统应满足的要求：当主汽门全开时能维持空负荷运行；由满负荷突然降到零负荷时，能使汽轮机转速保持在飞车转速以下；当增减负荷时，调节系统应动作平稳无晃动现象；当危机保安器动作后，应保证主汽门、调节汽门迅速关闭；调节系统速度变动率应满足要求（一般在3%～6%），迟缓率应越小越好
2．调节系统静态特性
（1）调节系统静态特性曲线
我们用曲线n=f(P)来描述汽轮机的静态特性，如图10—21所示。曲线n=f(P)反映的是在稳定状态下汽轮机转速n 和功率P 之间的相互关系，通过实验法测得。汽轮机的静态特性可以表达为P/n，它与转速感受器、传动放大机构和执行机构的静态特性有关。设在任一稳定
n min 0图10—21静态特性曲线
图10—20 调节机构原理示意图
n max
的P/n下，调速器滑环位移为x ，油动机活塞位移为y ，则P/y为执行机构的静态特性。y/x为传动放大机构的静态特性，x/n为调速器的静态特性。显然：
P/n=(P/y)(y/x)(x/n)
可以通过实验测得P/y、y/x和x/n三个静态特性曲线，通过作图法间接得出P/n。 （2）速度变动率
速度变动率δ是衡量调节系统性能的一个重要指标。它是汽轮机空负荷时对应的最大转速与额定负荷时所对应的最小转速之差Δn 与额定转速n 0之比。它反映了由于负荷变化所引起的转速变化的大小。不同汽轮机要求有不同的速度变动率，一般要求δ为3%~6%。速度变动率不能过大。因为，机组甩负荷时转速升高将达正常速度变动的约1.5倍，即可达9%，接近超速保护动作条件。
对于带一定基本负荷的机组，要求其静态特性曲线陡一些，即速度变动率相对大一些。以使机组负荷
变化较小，保持基本负荷。
对于带尖峰负荷的机组，要求其静态特性曲线平Δn 坦一些。以保证在较小的转速变化范围内，承担较大的变动负荷，通常要求δ为3%~4%。
对于并列运行的机组，如果它们的静态特性曲线不同，δ不一致，则会出现负荷变动自动分配的现象，如图10—22所示。当外界负荷增加时，并列机组转速下降Δn ，电网频率降低。对于相同的Δn ，δ大的机组功率增加小，δ小的机组功率增加大。即：机组δ大
大小图10—22 电网负荷在并列机组上的分配
的分配到的负荷小，δ小的将承受较大的负荷变动，但并列机组承担的总的负荷变动与外界负荷变动相等。
（3）迟缓率
在调节系统中由于摩擦和间隙等因素影响，使调速系统在转速上升和下降时各有一条静态曲线，不相重合。这种现象称为调节系统的迟缓现象，如图10—23所示。l 1、 l 2分别为调节系统上升和下降的静态曲线，则汽轮机的动态
n
工况点可以是l 1、 l 2之间所夹带状区域（含边界）内的任何点。假定为A 点，此时的电负荷为P A 。当负荷由A 向B 减少时，工况点并未沿中间的曲n
线自A 向B 移动，而是向上（A 1）移动，即转速n 升高。到达A 1前，机组发出的功率并未随负荷的n 减少而减少，相当于调节系统并未发生作用。当转速升高到大于n 1时，调节系统产生的应变信号足以克服系统的阻力，调节汽门才开始关小。亦即调节系统开始发生作用，到B 点建立新的平衡。当负荷升高时，情况正好相反。
P B P A P C P
图10—23调节系统迟缓现象
我们用调节系统迟缓率ε来描述调速系统的迟缓现象：
ε = [（n 1- n2）/ n0]×100%
=（Δn / n0）×100%
式中n 1、 n 2表示机组在同一功率下的最高和最低转速；Δn 为同功率下最大转速摆动量；n 0为额定转速。
从上面的分析可知，由于迟缓率的存在，在同一功率下，机组转速可以在n 1，n 2之间
任意位置摆动。反之当转速一定时，机组发出的功率可以在较大范围内摆动。如果按线性关系来计算，功率摆动范围ΔP=(ε/δ)P 0，式中P 0为额定功率。显然，在发生上述情况的时候，调节系统是不发生作用的，这对机组的稳定运行极为不利。因此在设计、制造和运行维护、检修过程中要尽可能将迟缓率ε降到最低程度。整个系统的迟缓率是由每个元件的迟缓率累积而成，从检修维护的角度要设法保证每个元件的安装精度和维护质量。防止变形、卡涩、松动、润滑不良、机械杂质过多和堵塞等现象的出现，以保证调节系统的灵敏度。
3．调节系统的动态特性
调节系统的动态特性描述的是，机组由一个稳定工况改变到另一个稳定工况的动态过程的调节质量特性，如图10—24所示。给调节系统加入一个恒定的扰动信号后，调节系统的功能应实现使被调节量在一定的时间内稳定到一个新的水平，且被调节量在新的水平上的波动应在可接受的范围内。被调节量φ（转速相对值）随时间t 变化有六种不同的情形。显然，虚线的三种情况不能满足调节需要。l 1是直线上升，l 2是发散振荡，l 3是等幅振荡，三者均为不稳定过程。而实线的三种情况则是稳定过程：L 1、L 2为周期性过程， L 3为非周期过程。衡量调节系统的动态品质的主要参数有：
动态超调量ζ =[(φmax – δ ) / δ]×100 % ，（φmax = nmax /n0）, 反映调节系统的动态安全性。不能因动态超调量过高而导致汽轮机意外超速停机。
静态偏差φ(∞)= δ，反映在调节系统的作用下，被调量稳定后的值不随时间发生漂移的特性。
过渡过程的调整时间T ，即从扰动信号加入时开始到被调量波动幅值小于等于2Δ时调节系统所用的调整时间，反映调节系统的反应速度。T 一般为几秒到几十秒，最长不应超过一分钟；Δ为被调节量的允许偏差，一般Δ=5%δn 0。
φ
φ(∞) 213图10—24 调节系统动态特性 t
振荡次数：在过渡过程调整时间T 内被调节量的振荡次数。反映调节系统的动态稳定性。汽轮机的被调量明显振荡次数不能超过3次。
4．调节系统稳定性的因素
速度变动率δ越大，系统的动态稳定性越好，反之亦反。
迟缓率，ε越小，系统的动态稳定性越好，反之亦反。
转子飞升时间常数：即汽轮机转子在受相当于额定力矩的作用时，由静止升速到额定转速所需的时间。时间越长，稳定性越好，反之亦反。
油动机时间常数，即当错油门开至最大时，油动机完成满行程所用的时间，时间越短，系统稳定性越好，反之亦反。
容积时间常数：进汽室及流道、中间抽汽管道等存有的蒸汽，在主汽门关闭后仍会膨胀做功，由此而导致转子减速时间延长。时间越短系统稳定性越好，反之亦反。
第四节 汽轮发电机组运行与维护
一、汽轮机的调试
在机组新安装和机组大修后必须对机组进行调试。新建机组的调试目的是使发电机组最终投入运行，实现既定的功能。对机组设计制造和安装质量进行鉴定，测量和保留必要的机器性能和运行状态数据，为以后的使用、维护和检修提供参考依据。大修后的调试目的是为了鉴定检修质量，检测及其性能状态，调整运行工况，实现机组的正常运行。
汽轮发电机整体启动中的主要实验项目：不同转速下的机组各部振动，发电机及主励磁机转子的交流阻抗；励磁系统试验；发电机空载和短路特性试验；发电机空载灭磁时间常数测定；核对发电机、主变压器的相序；并网前同期装置的检查和试验；并网后继电保护带负载试验；汽轮机危急保安器超速试验；热控自动调节系统的调试和投入；停机时测量惰走曲线。
（一）新建机组的调试
新建机组调试大致分为三个阶段。分部试运转：主机调试、辅机与分系统的单项调试和试运转，使其达到系统或整套试运转的条件；整套启动：完成主机启动前的各项检查试验和联锁保护模拟试验后，机组整套启动，并网带满负荷运行72h ，完成各项调试以及机器性能和运行状况的检测工作；试运行移交：处理试运行中发现的问题后，再次带负荷运行24h ，移交生产。
1．新建机组主要调试内容有
设备安装的正确性检验；
各类辅机、单机试车试压；
蒸汽、油和水等管路冲洗吹扫和阀门检验调试；
汽轮机调试：各油压调整；调节系统静态调试和静态特性曲线的测定；保安系统部套调试测定；联锁保护试验；盘车装置试验；汽轮机试转中各轴承振动、温度测定和调节系统空负荷试验；汽轮机起停特性测定；主汽门和调节汽门严密性试验；
整套启动：机组联锁保护投入；额定转速下发电机电气试验；并网带负荷试验；超速保护动作试验；
试运行移交：在装置建成投产后，应在设计工况下进行考核运行，用户提前通知卖方，并在卖方有人参加的条件下，按照规定的参数进行考核运行72h ，符合要求后，正式验收；
2．调节系统静态调试的内容
放大器特性试验、同步器特性试验、油动机特性试验、调节汽门开启顺序试验、主汽门及油动机活动试验和喷油及超速试验。
远程停机按钮、低油压联锁、轴向位移、差胀、发电机主保护、油开关跳闸、主汽门关闭和超速试验。
（二）大修后机组的调试
1．汽轮机大修后空负荷实验有：
空负荷时：危机保安器充油跳闸试验、自动主汽门及调速汽门严密性试验，同步器及调节系统静态特性的测定。
实验要求：同步器在额定参数下应保证机组转速不超出额定范围（通常为-5%～+7%），机组迟缓率≤0.3%。单独关闭自动主汽门或调节汽门，应保证汽轮机的稳定转速在1000rpm 以下且保证其中有一个汽门的稳定转速低于400-600rpm 。当主汽门全开时调节系统应能维持空空负荷运转，危急保安器充油试验动作合格。
2．汽轮机带负荷试验项目
在空负荷试验合格；各项保护及联锁装置动作正常；发电机空载试验完毕；投氢工作完
成（对氢冷式发电机组而言）。方可进行带负荷试验。
超速试验(新机组或大修后的机组，调节系统解体检修后，机组运行2000h 后，停机超过一个月启动前应作超速试验) 、真空系统严密性试验和调节系统带负荷试验；甩负荷试验（必要时）。
二、汽轮发电机组开停机
（一）汽轮机起动
汽轮机的启动方法按蒸汽参数的不同可分为：额定参数启动和滑参数启动；按冲动控制转速所用阀门可分为：调节汽门启动、自动主汽门和电动主闸门启动，以及总汽阀旁路门启动。启动方式可分为冷态启动和热态启动。
额定参数启动即在起动时新蒸汽参数始终保持额定值，通过限制流量来控制机体的温升。用这种方式进行冷态启动，会形成较大的温差，且过小的流量会导致加热不均。因此暖机时间长，且对机组的安全不利。但是其操作较为简单，在蒸汽参数无法变动的场合如母管制供汽或小型机组适用。
滑参数启动即主蒸汽参数随机组转速、负荷的上升而滑升。能够做到低参数启动、暖机，蒸汽流量大、加热均匀，有利于节能和延长设备寿命。但操作和控制复杂。
1．启动前的准备
启动前的准备工作包括：
系统检查：检查各阀门完好、灵活且阀位正确，检查各仪表完好显示正常，检查滑销、膨胀指示等各部位间隙及显示正常并作记录，检查辅机设备正常。
暖管：冷态启动时，主蒸汽管道至调节汽阀前须蒸汽疏水暖管，检查蒸汽泄漏、管道膨胀和管道支吊架情况。
油系统循环：暖管后启动油系统，充油驱赶空气。提升油温，检查油系统泄漏情况、油箱油位和轴承回油情况等。适当的油温有利于建立油膜，保证轴瓦的承载能力和稳定性。
调节保护装置试验：按运行规程进行超速保护、低油压和轴向位移等保护装置及调节装置静态试验。
盘车：按规程开启盘车，消除轴弯曲，检查是否有碰擦现象。通常冷态起动盘车2h ，热态起动盘车不应少于4h 。
起动辅机：冲转前应向轴封供气，对抽凝式机组而言应投入抽气器，建立冷凝器真空，背压式则开启向空排汽阀，关闭并网蒸汽阀门。
2．冲转和升速暖机
汽轮机冲转前要检查确认新蒸汽参数是否符合要求，凝汽器真空值应确保向空排汽阀开启（背压式），润滑油压力、回油和温度在规定范围内；且高、中压汽缸上下温差不大于50℃，盘车无异常。冲转后，可以按照规定的速率（通常为100-300rpm ）提升转速，在转速400-600rpm 时，对发电机组运行状况进行全面的检查。在通过临界转速时通常采用300-600rpm 的较高升速率，同时应密切监视机组的振动状况，通过临界转速后，应稳定一段时间，以确保机体升温均匀，最后按规定的升速率将转速升至额定转速。在整个升速暖机过程中，应随时监测机体及排汽温度。注意缸体及管道的疏水，记录缸胀指示读数，以保证上下缸温差在规定的范围内，防止因膨胀不一致而导致缸体变形，同时保证机体按正确的升温速率渡过材料的脆性转变温度。对于热态启动而言，根据机体温度情况和设备规程的规定，暖机时间可以缩短甚至不用暖机。
3．并网带负荷
机组达额定转速后，确认运行状况正常，即可进行并网带负荷。并网后即带上初始负荷（按机组规程规定）。此时进汽量增大，机组温度会快速上升，须稳定一段时间，相当于带负荷暖机（约1h 左右）。无论是按电负荷或按热负荷运行，均应按设备规程的要求或设备供
应商提供的启动曲线，逐步提升负荷，以保证机组温度均匀升高。
（二）汽轮机的停机
汽轮机从正常运行状态到卸去负荷，解列发电机，切断进汽，到转子静止的过程称为汽轮发电机的停机过程。停机分为正常停机和故障停机两种情况。正常停机按对停机蒸汽参数的要求不同，分为额定参数停机和滑参数停机两种方式。
额定参数停机即从额定运行状况开始，保持蒸汽的初始状态，按正常的停机曲线，通过减少进汽量来减少机组负荷的停机操作。停机后机组保持较高的温度水平，对于短暂停机适用。
滑参数停机即在停机前，降低蒸汽参数至允许的下限。提高调节汽门的开度，同时投用汽缸法兰加热装置，使机体温度得以降低。按滑参数停机曲线，通过逐渐降低主蒸汽参数来减少机组负荷至零。当主蒸汽参数降至一定数值时，解列发电机打闸停机。滑参数停机是按降温-降压-降负荷的循环次序来逐步完成的，有利于机组的降温，适用于停机检修的情况。滑参数停机应注意保证蒸汽的过热度不小于50℃。滑参数停机时由于蒸汽的过热度不高，应禁止在滑参数停机过程中做超速试验。
1．停机前的准备
停机前应检查核试验停机时须启动设备的完好情况，例如高压油泵、辅助润滑油泵、盘车装置和主汽门等。
2．减负荷
按停机曲线的要求逐步减负荷至零，解列发电机。减负荷过程中应注意机组疏水。
3．转子惰走
即汽轮机打闸停止进汽后，转子依靠惯性继续旋转直到静止的过程。在新机组或机组大修后应绘制转子惰走转速与时间的关系曲线。其它时间应测量并记录转子惰停的时间与转子惰走曲线比较。惰走时间长可能是新蒸汽管、调节汽门和抽汽管道上的阀门不严，有压力蒸汽进入气缸；惰走时间缩短则可能是汽轮机动、静部分的摩擦阻力增大，均应查明原因进行处理。
4．盘车
转子静止后应立即投入盘车装置进行连续盘车，直到汽缸温度低于一定的数值，以防止转子发生热弯曲。
三、进出口工况发生变化对汽轮机的影响
初温和背压不变时，初压升高使蒸汽的做功能力增强，会使耗汽量下降。但初压升高导致蒸汽的露点升高，从而可能导致末级的蒸汽及背压汽湿度上升，对末级叶片以及后面的设备不利。另外，初压升高使调节级的焓降增大，对调节级的寿命有一定影响。初压降低的影响大体与前者相反。
初温升高，可使功率增加，背压汽湿度降低，效率有所上升。但却影响安全，会使机组零部件热应力增大、有可能使材料发生蠕变，由此引起高压端零件松动或失去密封性能和漏汽等。初温降低则会使机组经济性下降，效率降低，使除末级以外各级焓降减少，反作用度增加，从而导致轴向推力增加。如降温过大过快，易导致蒸汽结露，引发水击，影响设备寿命与安全。因此，蒸气初温应严格控制在规定的范围内。若超出范围应考虑降低负荷或停机。
负荷变化对汽轮机的影响：负荷（即驱动发电机所需功率）偏离设计工况时，效率会下降；假定效率变化忽略不计时，则负荷变化与蒸气耗量变化成正比；因此在设计工况工作是最经济的。
排汽压力（背压）变化对汽轮机的影响：背压对机组的经济性和功率影响很大。背压升高，流量不变则功率下降。如保持功率不变则流量上升，可能导致叶片过负荷，轴向推力增加。背压降低而流量不变时则功率上升，如保持功率不变则耗汽率减少。但由于蒸汽热能转
变为机械能的比例增加，会使温度下降，湿度上升，轴向推力增大。且易产生水蚀，对末级叶片以及后面的设备不利。
附录1：关于汽轮机报警联锁及仪表配置的要求
除非另有规定，否则汽轮机的报警及联锁点应按下列规定：
汽轮机机组应设置一块就地仪表盘，盘上至少应安装下列仪表：
(1) 润滑及控制油压力表。
(2) 蒸汽压力表，包括：
∙ 蒸汽入口。
∙ 多级汽轮机的第一级后。
∙ 排汽。
∙
∙
∙ 抽汽（对抽汽式而言）。 轴封及泄漏 轴封冷凝器的抽气器供气压力（对有轴封冷凝器的机组而言）。
第十章 干熄焦发电
第一节 概 述
干熄焦锅炉产生的蒸汽用来发电，实行热电联产是比较好的热能利用方式。目前全世界大部分干熄焦装置均采用这一方式。即通过汽轮发电机将蒸汽的部分热能转化为电能，同时提供低压蒸汽供化产工序或其它用户使用。
干熄焦供热的特点：由于焦炉生产是逐炉推焦，所以焦炉供热具有脉动性。但是，通过干熄炉预存段的缓冲、振动给料器的焦炭流量调节和旋转密封阀的连续排焦，使干熄焦供热趋于稳定，符合汽轮发电机的供热要求。由于干熄焦自动化程度比较高，装置的连锁与保护多，有时很小的一个问题就可能导致干熄焦装置停产。因此，干熄焦蒸汽存在着不稳定因素。为了消除这些不稳定因素，除了保障干熄焦装置建设的水平和日常维护保障水平之外，还可以采用多套干熄焦供一套发电装置或提供外部热态备用汽源等方法。 干熄焦发电的规模取决于干熄焦蒸汽生产能力。目前国内最大为武钢的140t 焦/h，过热蒸汽产量约76t/h(38.2 MPa)，因此干熄焦蒸汽发电通常只能选用中、小型机组。 目前干熄焦热、电联产的汽轮发电机组通常采用的汽机形式有背压式（B 型、CB 型），抽汽（/凝）式（C 型、CC 型）。它们各自的特点是：
背压式利用排汽直接向外供热，热能利用率高，结构简单, 价格便宜。背压机组的运行方式通常是按热负荷运行，即热负荷保持排汽压力不变，提供稳定的蒸汽压力保证。而电负荷则不能保证，即发电的多少取决于热负荷的变化。背压机组的缺点是：电和热不能独立调节，不能同时满足供热和供电的需要。另外，由于背压存在机组焓降小，因此对工况变化的适应力相对较差，背压波动（即热负荷波动）会导致供电的大幅波动，使电网的补偿容量大幅增加。因此使用背压机组必须确保有稳定可靠的热负荷。CB 型抽汽背压式与B 型背压式相比多了一路抽汽供热，可以提供两种不同参数的热负荷。
抽汽式的特点是电负荷和热负荷可以独立调节。即当热负荷为零时可按电负荷运行，也可同时保证供热供电，运行方式灵活，适应波动能力强。C 型为一次调节抽汽。CC 型为两次调节抽汽，可提供两种压力的蒸汽。抽汽式的不足：设备相对复杂，费用稍高，抽汽隔板存在节流损失，机组内效率比非抽汽式的低。
发电机的适用形式：现代发电厂中的发电设备几乎都是三相同步发电机。同步电机是一个实现电能和机械能之间相互转换的设备。当它用作电动机时，称为同步电动机，用于恒速大容量的电力驱动；当它用作发电机时，称为同步发电机。
本章将简要介绍发电机和汽轮机的基本常识和概念，以及操作、使用和维护的有关知识。
第二节 同步发电机
一、同步发电机的基本结构原理
同步发电机的基本结构由转子和定子组成（见图10-1），定子由机座、定子铁芯和三相绕组等组成。转子部分包括转子铁芯、励磁绕组和滑环，其它还包括电刷装置（对有刷励磁而言）、端盖、轴承和风扇等。
发电机的基本原理是利用电磁感应。通过外界做功，使电枢与磁极之间发生切割磁力线的相对移动，在电枢中产生感应电动势，即形成输出电压。所谓电枢就是发电机中产生感应电动势的部分，通常是发电机的定子；所谓磁极就是发电机中提供磁场的部分，通常是发电
机的转子。在一般情况下，定子作为电枢，转子作为磁极，不仅绝缘可靠，而且电力输出无需通过滑环与外界联接，结构简单，故障率低。但由于结构和用途的需要，在小功率同步发电机中也有将定子作为磁极，转子作为电枢的情况。例如无刷式同步发电机的励磁机实际上就是一台小同步发电机。它与发电机同轴安装，定子作为磁极，转子产生感应电动势，直接通过同轴转子的轴提供给发电机的定子励磁线圈，形成发电的励磁电流。这样就可以省去结构复杂、磨损快和易出故障的碳刷。
同步发电机的工作原理是通过在转子励磁绕组上通入励磁电流，转子被原动机驱动旋转，形成旋转磁场。
电能输出
励磁电流
图10-1发电机结构示意图
定子绕组切割磁力线形成感应电动势输出，即实现了输入机械能到输出电能的转换。通过改变同步发电机转子的励磁电流，可以控制同步发电机的输出电压。
设同步电机电枢的每相匝数为N ，最大磁通为Фm （wb ），电流频率为f(Hz)，则每相感应电动势的有效值为E=4.44fNФm 。
发电机气隙中的旋转磁场在空载和带载运行时，是不一样的。这是因为带载时，电枢中的交流电流会使电枢在电机中形成旋转磁场（相当于电动机的作用），其转速与磁极的旋转磁场相等，即两磁场处于相对静止状态。因此在带载时，电机中的磁场分布相当于是电枢磁场和磁极磁场的合成。而空载时，电枢电流为零，发电机中的磁场为纯粹的磁极磁场。这种电枢对电机中磁场分布的影响称为电枢反应。
电枢反应与发电机所接负载的性质有关。亦即与发电机的功率因数有关，可分为三种极限情况。下面以一相为例来说明，见图10—2 电枢反应示意图（转子均为逆时针旋转）。 纯电阻性负载。即电流与电压同相，功率因数为cos φ=1,转子转到图10—2中a 位置时，电枢中该相感应电动势和电流同时达最大值。由电机的原理可知，三相绕组产生的旋转磁场的轴线与电流达最大的绕组轴线重合，即应为图10—2中a 所示。实箭头和虚箭头分别表示磁极和电枢的磁场轴线方向。显然磁极磁场和电枢磁场是正交的，其合成磁场比磁极磁场落后θ角，称为横轴电枢反应。由于铁芯磁饱和的缘故，横轴电枢反应稍有去磁作用，合成磁场略小于磁极磁场Ф0。
纯感性负载：电流滞后电压90˚，磁极转到图10—2中b 所示位置时，该相电流达最大值。而此时感应电动势已过最大值到零，磁极磁场与电枢磁场方向相反。合成磁场Ф被大大削弱，这种情况称为纵轴去磁电枢反应。
纯容性负载：电流超前电压90˚，磁极转到图10—2中c 所示位置时，该相电流达最大值。而此时感应电动势为零，磁极再转90˚时电压才达最大值。此时磁极磁场与电枢磁场方向相同，合成磁场Ф被大大加强，这种情况称为纵轴增磁电枢反应。
a 横轴电枢反应
b 纵轴去磁电枢反应
c
纵轴增磁电枢反应
Фa
d 一般情况（感性负载）
图10—2电枢反应示意图（转子为逆时针旋转）
在一般情况下，由于功率因数的原因，电流和电压通常相差一个相位角。再分析时通常可以把电流分解为两个相量。一个与电压同相发生横轴电枢反应，一个与电压相量垂直，发生纵轴电枢反应。最终的合成磁场如图10—2中d 所示。
二、同步发电机的特性
（一）空载特性和短路特性
1．空载特性：发电机空载运行时，电枢中只有感应电动势E 0，曲线 E 0=f（I f ）表示电枢空载感应电动势E 0与励磁电流I f 之间的关系，称为空载特性曲线（如图10-3）。由于E 0与Ф0成正比，而磁极铁芯具有饱和特性，故端电压也会饱和， 因此曲线 E 0=f（I f ）反映了同步发电机工作时的磁路饱和状况，因此也叫空载饱和曲
I
f
线。通常由试验得出。由于磁滞现象，上升和下降的曲线不会重图10—3空载特性曲线 合，通常约定采用从1.3倍的额定电压开始到I f =0时的下降曲线，如图10—3中上面一条曲线。在I f =0时有剩磁电动势，将实测曲线用图中Δi 校正，相当于整体右移得到工程中的使用曲线（如图10—3中过原点的曲线）。
2．短路特性：在同步发电机电枢的输出端三相短路时，通过
I s 实验法可以测得电枢短路电流I s 与励磁电流I f 之间的关系曲线。由
于是短路，而电枢绕组的电阻相对于其同步电抗而言可以忽略不
f 计，可视短路负载为纯感性的，则电枢反应符合图10—2中b) 的情图10—4短路特性曲线
况。显然，由于是纵轴去磁电枢反应，磁通不会发生饱和，故电
枢短路电流I s 与励磁电流I f 之间的关系为线性关系，如图10—4 短路特性曲线。
短路比S=IS /IN 是发电机的重要特性。它是空载额定电压时对应的励磁电流下，三相稳态短路时的短路电流I S 与额定电流I N 之比。或表述为产生空载额定电压时的励磁电流与产生短路额定电流时的励磁电流之比。短路比反映的是机组的稳定性和适应能力。短路比小，负载变化时电压变化较大，稳定性较差。但增大短路比需要一定的成本，因此对于汽轮发电机而言，S=0.4～1.0。
（二）外特性与调节特性
1．外特性：曲线V=f(I)表示当转速为额定值，励
V
磁电流和负载功率因数为常数时，发电机的端电压与负
载电流的关系。称为外特性曲线。如图10—5，角标N
V 为额定工况。从图上可以看出，发电机接不同性质的负载，其外特性曲线是不一样的。我们可以通过电枢反应来理解和分析这一现象。对发电机组而言通常希望在负载发生变化时，端电压变化越小越好。我们用电压变化
Δυ=[(V0-V N )/VN ]×100%
式中V N 是额定电压，V 0是空载电压。通常Δυ约为20%～40%。这显然不能完全满足负载的要求，故要对历次电流进行适当调节以适应负载变化。现代发电设备均配有自动调压装置，故对Δυ要求放得比较宽。不过出于对故障状态的切除时的安全考虑，Δυ仍要求控制在50%以内。 2．调节特性：曲线I f =f（I ）表示当转速和发电机端电压为额定值，负载功率因数不变时励磁电流I f 与负载电流I 之间的关系。称为调节特性曲线，如图10—6所示。
N （容性）
率Δυ来表示从空载（角标为0）到额定负载电压的变化程度。
图10—5 外特性曲线
I f
I f0
N 图10—6调节特性曲线
通过电枢反应的分析不难理解发电机对感性、容性和阻性负载时调节特性的区别。
三、发电机的励磁
（一）直流励磁和交流励磁
按励磁电流的性质可分为交流励磁和直流励磁。
1．直流励磁：传统同步发电机均为直流励磁，即在磁极中通入直流电。通过调节直流电的电压改变磁极线圈中励磁电流的大小，来控制发电机输出电压的大小。发电机的转速始终等于同步转速。
2．交流励磁：近年来新发展起来的交流励磁发电机，在磁极中通入某一频率（f 1）的交流电，形成一个相对转子的旋转磁场, 相对转速n = 60f1/p（p 为级对数）；转子的转速与旋转磁场的相对转速之和等于同步转速，即在气隙中形成同步磁场，发出同步频率的交流电。显然，当励磁交流电的频率f 1为可调时，发电机的转速可以在大范围内变化。当交流励磁相对转子的旋转磁场与转子方向相反时，甚至超过同步转速。
如果以转子转速与电枢旋转磁场转速相等作为判定同步电机的标准，则交流励磁发电机并非同步电机。目前有文献称之为交流励磁变速恒频发电机，把它归为异步电机。交流励磁发电机与直流励磁发电机的区别在于：交流励磁发电机可以实现机、电之间的完全解偶，具有更大的稳定性和电网调节能力；而直流励磁同步发电机技术成熟，价格低，在中小机组和主力发电机组中广泛采用。
（二） 自励和他励
同步发电机按励磁的方式可分为他励式和自励式。
1．他励式：指发电机的励磁绕组由外部电源供电，其励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。通常在发电机上同轴安装一台励磁机，实际上励磁机也是一台发电机，通过励磁机发电为发电机提供励磁电流。 他励式无刷励磁发电机的励磁机，由一台主励磁机和一台副励磁机组成。其主励磁机采用一台三相交流无刷励磁机，副励磁机采用一台单相永磁发电机，如图10—7所示。双点划
副励磁机永磁
副励图10—7 他励式无刷励磁发电机
线框内部分为转子部件，虚线框内部分为定子和地面控制部件。从图中可以看出，转子与定子之间没有连线，副励磁机发电为主励磁机的定子提供励磁电流。主励磁机的转子产生感应电动势，经同轴安装的硅整流装置变为直流电为同步发电机转子的励磁线圈供电。通过来自发电机输出端的电压反馈信号来调节副励磁机的输出电流，从而改变主励磁机的输出电压，实现同步发电机输出电压的自动调节。
2．自励式：指利用同步电机自身发出的电能为励磁绕组提供励磁能量的方式，其励磁电流就是电枢电流或为电枢电流的一部分。自励系统具有反应速度快、强励倍数高和机组甩负荷时过电压较低等特点。
四、并网
发电机并网就是将发电机的输出端接入供电网络。发电机组发出的电能并不是随意可以并网的，必须具备一定的条件，否则就可能出大的事故。发电机在合闸并网前必须确保电压、频率、相位与电网一致。用于确保上述条L 1
L 2 件达到要求的装置称为同期装置。
同期装置按照实现同期的方法可以L 3 分为三种。
（一） 准同期法
通过调整，使待并网发电机的电压与电网电压相等、其频率与电网频率相等、其相位与电网相位一致。当上述三个条件同时满足时, 手动或自动将待并机组并网。其特点是冲击电流、冲击转矩和母线电压降很小，但手动并机操作难度大。准同期法有同步表法和灯光指示法等。准同期法在小型机组上应用较广。图10—8为灯光熄灭法准同期装置示意图。假定机组G 1在运行，QS 1、QF 1已合闸，G 1的电压已送至母线。此时，并上G 2的程序是：合上隔离开关QS 2，合上转换开关Q 2，此时三只指示灯接在母线与发电机G 2之间，灯上的电
ω1
ω2ΔU
(a)灯光熄灭法 (b) 灯光旋转法
压为Δu 。从图10—9相量图(a)可知，如果
图10—9灯光指示法同期装置相量图
仅相电压或相位不一致，则三只灯会出现
恒定的亮光；如果频率不一致（ω1≠ω2），则三只指示灯会同时亮灭交替变化，其变化频率等于（ω1-ω2）/2π 。在灯光熄灭的一瞬间迅速合上断路器QF 2，即可实现并网。
如果将图10—8中H 2、H 3换相，则指示灯电压的新相量图10—9中的（b ）与灯光熄灭法相比就不同了。通过图10—8可以看出，三个指示灯的亮度会依次变化，如同旋转一样。其旋转频率等于（ω1-ω2）/2π，故这种同期检测称为灯光旋转法。显然，当H 1熄灭而H 2、H 3亮度相等时是合闸并网的最好时机。
自整步：通过上述可以看出，发电机并网时其频率与电网频率不可能完全相等，合闸后Δu 依然存在，发电机是通过自整步作用实现与电网完全同步的。即，由于Δu 的存在，在发电机和电网之间形成环流。如果发电机同步转速大于电网频率，则相当于发电机输出环流电功率，即发电机要受到制动性质的电磁转矩而减速，直至完全同步。反之，如果发电机同步转速小于电网频率，则相当于发电机吸收来自电网环流的正功，即相当于电动机作用，使发电机加速至与电网频率同步。
（二） 自同期法
将待并网机组调节至同步转速后，在未加励磁的情况下将其并入系统。然后逐步加入励磁，使机组被拉入同步。该方法要求并网前机组频率与电网频率相近，且无输出电压，待并机组的励磁绕组须经灭磁电阻等构成闭合回路。该方法冲击转矩、冲击电流、母线压降大，但结构简单，操作容易。一般用于大中型机组。
（三） 粗同期法
将待并机组的电压、频率调至与电网接近时，在任意时刻将机组通过并机电抗器投入系统，拉入同步后，再切除电抗器。该方法对电压和频率只要求与电网接近，冲击转矩、冲击电流、母线压降较大，但操作简单，并网速度快，应用广泛。
图10—8灯光熄灭法同期装置示意图
. ΔU 1
ω1 ω2ΔU 2 ΔU 3
. ΔU 1
U 3
五、功率调节
（一）无功功率调节
电网的主要负载是感性的（如电机等），它需要发电机提供有功和无功功率，有功和无功的分配取决于cos φ、sin φ。我们通过改变励磁电流的大小来调节无功功率。当励磁电流增大，即“过励”时，发电机端电压高于电网电压，电枢电流比发电机电压滞后90˚。此时，发电机发出感性无功功率。反之当减少励磁电流，即欠励时，则出现输出容性无功的情况。即，在保持有功功率不变时，通过改变发电机励磁电流可以调节发电机输出的无功功率。
（二） 有功功率调节
有功功率调节通常是通过调节原动机的功率来实现的。当原动机转矩增大时，发电机转子将有一个暂时的加速过程，于是电枢电动势将比端电压越前一个θ角。在两电动势之差（矢量）的作用下，将使电枢电流上升，亦即有了有功功率输出。同时，新增电枢电流形成的阻力转矩使发电机组拉入同步运行。可见改变原动机的转矩（如调节汽轮机的进汽量），可以调节发电机组的有功功率。
六、发电机的继电保护
发电机是电网的电力源，它的稳定运行对电网的供电质量及安全至关重要。因此需要有可靠的保护装置。
电力系统中的电力元件发生故障或危及安全运行的事件（如接地、短路、过流、过负荷和失步等）出现时，通过自动化保护装置，向运行值班人员发出报警、或直接向所控制的断路器发出跳闸指令。以防止出现大的故障或事故或把事故故障的不利影响降至最低， 这种保护方式称为继电保护。继电保护装置是保证电力元件安全运行的基本设备，它的基本功能就是报警和保护动作联锁。
中小型发电机常用的继电保护有七种，分述如下： （一） 相间短路保护
发电机相间短路的主保护一般采用纵差动保护，利用相间短路时发电机每相进出口端电流发生变化来判断相间短路。将安装于定子相绕组两端的电流互感器按差接法接线，在正常和外部故障时，流入继电器的电流为两端电流之差，其值接近于零。而出现相间短路时，相当于短路点两侧并联，其值为两端电流之和，继电器发生动作。
（二） 匝间短路保护
匝间短路保护有横差动电流保护、负序功率闭锁转子二次谐波电流匝间短路保护。负序功率闭锁定子零序电压匝间短路保护等几种形式。横差动电流保护是对于每相定子绕组有并联分支的情况下采取的一种结构简单的保护方式，基本原理是通过比较并联分支上的电流差异来识别匝间短路，通常量取分支绕组中性点连线上的电流。负序功率闭锁转子二次谐波电流匝间短路保护利用了定子绕组中匝间短路时，短路电流中出现的负序分量产生的反向旋转磁场在转子回路中感应的二次谐波电流，将其作为判定依据。同时加上了负序功率闭锁以避免相间短路或外部负载不对称时出现误动作。而零序电压保护是利用匝间短路时三相对称条件被破坏而出现的零序电压作为判定依据，通常也带负功率锁闭。三种匝间保护方式相比二次谐波电流保护的灵敏度最高，横差动保护的灵敏度最低，但结构最简单。
（三） 定子接地保护
定子接地时将产生零序电压和零序电流，因此通常有基波零序电流保护和基波零序电压保护。这两种保护，在对距中性点很近的线圈部位上存在死区，因此大型机组为了更安全可靠，常采用附加直流电压或低频电源等无死区的接地保护装置。
（四） 定子绕组过电流保护
当发电机纵差保护范围以外发生短路，而短路元件自身的保护或断路器没有动作时。为消除故障，应设置反应外部短路的定子绕组过电流保护。这种保护兼作纵差保护的后备保护。
（五） 失磁保护
发电机失磁指励磁绕组突然失去励磁电流、或励磁电流下降超过了静稳定极限的现象，属于较常见的故障形式。造成的原因有励磁回路开路、励磁绕组短路和运行人员误调整等。发电机失磁，机组就有失步的危险，失步对汽轮发电机组的危害很大。失磁失步后发电机发出的无功功率由正变负，发电机从电网系统吸收无功功率。如果系统无功不足则机端电压必然下降，且因吸收无功而导致的定子绕组过电流和转子发热会比较严重。由于失步后转子超同步转速运行，转子将会产生超频电流，导致附加温升危害转子安全。同时超速异步运行对定子、转子和机座均会造成冲击。对大型机组而言失磁发生失步的危险性更大。
失磁保护有：由安装在定子部分的无功方向元件和低电压元件组合构成的失磁保护，通过无功的方向来判断是否失磁，用定子欠压的产生来判断失磁失步的严重程度。
阻抗继电器构成的失磁保护，是利用发电机机端阻抗在失磁后由正常时的第一象限逐渐移动到第四象限的特性，用阻抗元件和转子电压闭锁元件组成。阻抗元件用来感知机端阻抗的变化，转子电压闭锁元件用于防止非失磁故障而引起的保护误动作。 （六） 负序电流保护
当电力系统发生三相负载不对称或出现不对称短路时，发电机的定子绕组中就会有负序电流。负序电流产生同步转速的反向旋转磁场，相对于正向旋转的转子而言，则有两倍的同步转速。在转子中会形成倍频感应电流，这可能对转子端部等电流密度很大的部位造成过热损伤。因此需要装设负序电流保护。中小型发电机组通常装设负序定时限电流保护。
（七） 过负荷保护 是对发电机长时间超过额定负荷运行的保护，通常发出信号。中、小型发电机只装设定子过负荷保护。
第三节 汽轮机
汽轮机是现代热电厂中应用最广泛的原动机。它以蒸汽为工质，将蒸汽的热能转化为旋转机械能，驱动发电机发电。除用作发电外，汽轮机还可以作为机械动力直接驱动各种压缩机、风机和泵。此外，汽轮机的排气和中间抽汽可用于生产和生活供热。汽轮机具有功率大、转速高、运转平稳、使用寿命长和可变速运行等优点，在现代工业中应用十分广泛。
调节装置
调节汽阀
叶轮
气缸
主轴
图10—10 汽轮机的结构图
一、汽轮机的种类和基本结构
（一）汽轮机的分类
汽轮机在各行各业应用广泛，由于用户的要求各不相同，汽轮机的类别和形式很多。通常按工作原理、热力特性、蒸汽初压、结构形式、气流方向和用途等进行分类（如表10-1）。
表10—1 汽轮机的分类
（二）汽轮机的型号
国产汽轮机的型号表示方法如图10—11所示：
图10—11 国产汽轮机型号表示法
国产汽轮机旧型号表示方法如图10—12所示：
第二段
第三段
第二段
第三段
× ×× — ×××/×××/××× — ×
设计变型序号 蒸汽参数 额定功率（MW ） 汽轮机类型代号
×× — ×× — ×
设计序号 额定功率（MW ） 蒸汽参数、汽轮机形式
图10—12 国产汽轮机旧型号表示法
目前国产汽轮机的型号及参数表示方法见表10-2、表10-3
表10—2 蒸汽型号中参数的表示方法
表10—3
国产汽轮机类型代号用汉语拼音字母
划分蒸汽参数等级的产品系列（见表10-4）：
表10—4 按功率划分蒸汽参数等级
汽轮机的结构如图10—10所示。
1．汽轮机本体主要有以下几个部分组成：
（1）转动部分：由主轴、叶轮、轴封和安装在 叶轮上的动叶片及联轴器等组成。 （2）固定部分：由喷嘴室、气缸、隔板、静叶片和汽封等组成。 （3）控制部分：由调节系统、保护装置和油系统等组成。
二、汽轮机工作原理：
（一）汽轮机的级：
级通常由一列喷嘴和一列动叶栅组成，是汽轮机实现能量转换的基本工作单元。汽轮机由一个或多个级组成。通常意义上讲，我们提到汽轮机的级，一般指轴流级，因为绝大部分汽轮机为轴流式。下面将以轴流级为对象，来讨论汽轮机的基本工作原理。
1．级的工作原理
如图10-13，轴流级是由一列喷嘴（静叶栅）和叶轮（动叶栅）构成。汽流先经截面（级的入口）0—0进入静叶栅。在静叶栅中将部分热能转换为蒸汽的动能。在静叶栅出口1—1（即动叶栅入口），汽流的速度和方向要满足动叶栅入口条件，汽流在动叶栅中，将动能和热能转化为机械功，使叶轮旋转。汽流做功后经截面2—2（级的出口），进入下一级或从汽轮机的出口排出。
A-A 沿圆周展开
2
1-静叶片 2-动叶片 3-隔板 4-轮盘 5-轴
图10—13 轴流级简图
2．轴流级的分类
通常按蒸汽在动、静叶栅中能量转换的性质和程度对轴流级进行分类，分为冲动级、反
动级、带反作用度的冲动级和复速级分述如下：
（1）冲动级：蒸汽在通过冲动级的静叶栅时，降压膨胀，其热能充分转化为动能。但在通过动叶栅时不进行热能→动能的转化，而是完全利用汽流的动能，冲击动叶片做功。因此，冲动级又称为冲击式级。显然冲动级的反作用度Ω=0。即蒸汽在动叶栅中的等熵焓降为零。采用喷嘴调节的汽轮机，出于安全和经济的考虑，通常采用蒸汽室、调节汽门与汽轮机转子缸体分隔，形成相对独立的进汽阀体。通过增大调节汽门焓降，使蒸汽膨胀降压，获得较大的动能后进入转子缸体去推动第一级（也称为调节级或调速级，通过改变调节汽门的通流面积来调节汽轮机的转速及功率）。因此单级或多级汽轮机中的调节级，常采用冲动级。这样，可以使高参数的新蒸汽只作用于尺寸相对较小的调节汽阀阀体，而进入转子汽缸的则是参数较低的蒸汽。
（2）反动级：蒸汽在通过动、静叶栅时，均进行热能→动能的转化。它在动、静叶栅中的等熵焓降大体相等，显然反动级的反作用度Ω≈0.5(略小于0.5) 。由于蒸汽在静叶栅中是不充分膨胀，故在动叶栅中，汽流除了冲击叶片做功外，还进一步膨胀降压，进行热能→动能的转化。汽流因膨胀而在动叶上产生反作用力，推动叶片做功。反动级也称为反击式级。
（3）带反作用度的冲动级：实际中采用的冲动级，往往并不是纯冲动级，通常有0.02～0.15的反作用度。
（4）双列复速级（如图10-14）：一级叶轮轮盘上安装有两列动叶，两列动叶之间有静子导向叶片。一般用于调节级。由于汽轮机用户通常希望调节级的焓降尽可能大些，使后面的压力级的蒸汽初始参数低一些。这样可以减少压力级级数，节省耐高温的材料。因而采用
隔板
向叶
图10—14 双列动叶示意图
注：汽轮机中反作用度的概念定义为：蒸汽在动叶栅中的等熵焓降与级的等熵焓降之比
双列动叶的形式，其过程可参见图10—14。新蒸汽经过大焓降的调节喷嘴，获得了极高的动能，利用两列动叶将汽流的动能尽可能多地转化为机械能，以减少调节级出口的余速，降低余速损失。复速级也带有少量反作用度。
（二）汽轮机的密封
1．汽轮机密封的类型
为了减少汽轮机内部及向外的漏汽损失，以提高机组效率和安全可靠性，汽轮机的不同部位都装有汽封装置，通常称为轴端汽封、级间（隔板）汽封和叶顶汽封。汽轮机转速、温度通常很高，故密封一般采用非接触的迷宫密封形式。由于绝大多数迷宫密封的断面结构类似于梳齿，故也称其为梳齿密封。为减少转轴发生摩擦可能带来的危害，迷宫密封的梳齿通常采用铜、铝等软金属。迷宫密封的结构多样，按齿的排列结构可分为高低齿型、平齿型和阶梯型。按齿的结构形式可分为迷宫片式、迷宫环式和蜂窝式等；按齿的断面形状可分为斜齿及直齿。按布置方向可分为轴向和径向。（如图10—15）。
阶梯型
A 斜齿型
蜂窝型
图
10—15 汽轮机的密封类型
2．迷宫密封的基本原理
梳齿与轴之间构成了一个一个环形的腔室和环形的缝隙。当气流通过缝隙时，气流近似于理想的节流过程，形成一个压力降，同时温度降低，速度增加。在进入腔室后，由于流通面积的突然加大，气流形成很强的涡流， 相当于一个等焓过程。气体的动能通过涡流所产生的分子摩擦，绝大部分转变为热能，使气流的温度回升而压力不变。气流每经过一个缝隙和一个腔室，就重复一次上述过程。到最后一级梳齿的出口时，气流在温度几乎保持不变的情况下，经过多次降压，达到接近背压的水平（对轴端汽封而言，则是环境压力）。 事实上蒸汽在轴端汽封内除了轴向流动外，还存在圆周方向的环流。环向流动减弱了涡流降速的效果，从而影响了梳齿的密封性能。目前流行的蜂窝式迷宫密封，则克服了这种缺点，效果比较理想。
亚临界流动时平齿型迷宫密封的理想泄漏量计算，在梳齿密封片数很多时，可根据流体伯努利方程：
1 d p 2H = 2 + △) + H d
2
∫
式中
∫H ——欧拉能量头； 1 d p
——静压能变化；
2 2△) —— 动能变化（c 为流速）；
2
H d ——流动损失。
就一个梳齿单元而言，由于压力降△p 很小，相对气流动能变化，流体压缩性的影响可以忽略。首先考虑不计节流损失的情况。
设：在密封环缝处，漏气量为G ，间隙环缝面积为f ，流速为c ，角标1，2分别代表轴封前（高压侧）和轴封后（低压侧）。
设：蒸汽压力为p ，密度为ρ， 比容为v ，轴封齿数为z ，齿距为△x ， 轴封长 X= z△x 。
因为 c 2△p ρ
2ρ△p
G= ρcf = f v = 1/ρ 所以 △p =
v G 2 f 2
2
＝＞
p △p
△x
p v G2
=
2 f 2△x
若梳齿数量足够多，则△p / △x ≈ dp / dx，代入上式并积分：
∫
1
pdp = 2
2
∫2
1 p v G2 2 2 f △x
d x
p v G2
z 2 f
假定气体在梳齿间隙中的动能到空腔后全部转化为热能，则梳齿前后空腔中气流的温度基本保持不变。即 p v = const
由上式可得理想状态下梳齿密封的泄漏量公式：
G = f
γ
由于梳齿密封中蒸汽存在流动损失，因此实际的梳齿密封泄漏量G ' 的计算要乘以修正系数。 亚临界流动时高低齿汽封的实际泄漏量计算公式：
( p
1
2
p v G2
－ p 2) = X =
2 f △x
p 1－p 2
= f
z p1 v1 p 1－p 2
1 z p1
G 0=αβf Gｎ
式中： G 0 —— 高低齿汽封实际漏汽量，kg/s；
α —— 流量系数； β —— 泄漏系数；
f —— 迷宫环缝面积 m 2；
G ｎ —— 单位环缝面积单位时间的漏汽量 2
kg / ( m·s) ；
G ｎ ＝
式中：
g c p 1 v 1
c/△x
图10—16泄漏量修正系数γ图表
α
g c —— 换算因子； g c ＝１kg ·m/(N·s 2) ； 1.8 p 1 —— 汽封高压端压力； 1.6 v 1 —— 汽封高压端比容m 3/kg；
1.4
亚临界流动时平齿汽封的实际泄漏量计算
公式：
G １=γG ０
式中：G 0 —— 平齿汽封实际漏汽量 kg/s； γ —— 泄漏量修正系数；
1.2 1.0 0.8
γ与齿数ｚ1、齿距△x 、迷宫环缝的半径0.6 间隙c 有关, 如图10—16所示。
也可以将平齿齿数ｚ1按下式折算成高低齿0.4 数z ，利用高低齿汽封的实际泄漏量计算公式进行近似计算。
0.2
z =（ｚ1+1）/2
流量系数α和泄漏系数β的选取： α与迷宫的结构形式和尺寸有关，由试验
得出在常用的齿顶间隙△h 和齿间距△x 范围
0.2 0. 4 0. 6 0. 8
1.0
齿顶半径间隙△h
图10—17泄漏量系数α
内，α近似与△h 成正比、与△x 成反比，取值约在1.0～1.2左右，可依据图10-17近似选取。
水蒸汽泄漏系数β可由下式确定：
1－ ( p 1 / p 2 ) β ＝
z + ( 2/K )ln( p 1/p 2 )
K 为气体绝热膨胀指数，饱和蒸汽取1.135，过热蒸汽取1.3。对于蒸汽的计算，可通
过表10—5来查出β值。
临界流动：
当密封出口和入口的压比 p 2/ p 1减少到一定数值时，泄漏量将不再随压比的减少而增大，说明密封中汽流速度已达音速，我们称这种状态为临界状态。显然，密封中汽流速度只可能在最后一个环缝间隙中出现，在此间隙中的流动状态称为临界流动，此时的压比称为临界压比。临界流动状态下临界压比的判定参考图10—18，临界流动的的泄漏量计算略。
p 2/ p 1临界值（z =30～160）
0.12
p 2/ p 1临界值（z=2～30）
0.10
2
6
10
15 齿数z
20
25
30
0.08
0.06
图10—18 临界压比图
（三）汽轮机的损失
汽轮机的损失分为两大类：一类是不影响蒸汽状态的损失，称为外部损失，如机械损失、外部漏气损失；另一类是直接影响蒸汽状态，称为内部损失。
1．外部损失 （1）机械损失 汽轮机运行时，要消耗一部分有用功，用于克服支承轴承和推力轴承的摩擦阻力、带动维持自身安全稳定运转的主油泵、调速器和机械转速表等（即汽轮机的调节保安及监控系统在很大程度上依赖汽轮机运转提供的能量）。这一部分损失称为机械损失，通常占汽轮机额定功率的0.5%～1%。
（2）外部漏汽损失
由于汽轮机的密封与轴颈之间存在间隙，必然有蒸汽的外泄漏。称为外部漏汽损失。 2．内部损失
（1）级内损失
静、动叶栅内的流动损失：包括叶栅型面结构表面边界层的摩擦损失、汽流分离的涡流损失和尾迹损失、二次流损失和冲波损失等；余速损失：级的出口汽流尚有一定的余速能量，并未用于推动叶轮做功；轮盘摩擦损失：蒸汽与轮盘的摩擦损失；鼓风损失：对于部分进汽的级，其动叶片在转动到无进汽区域时，基本处于静止状态的蒸汽被吸入到动叶流道所消耗的能量；斥汽损失：对于部分进汽的级，其动叶流道在转至无进汽区时，滞留了轴向速度几乎为零的蒸汽，在转至进汽区域后，进汽需推动这些滞留的蒸汽，才可流入下一级；级间漏汽损失：级间漏汽主要通过隔板汽封、叶顶汽封、平衡孔从高压侧漏向低压侧。湿汽损失：湿蒸汽含有雾状水滴，其流速小于蒸汽，对蒸汽的流动起阻滞作用，引起能量损失，另外由于水滴流速低，部分大水滴进入动叶栅的冲角为负冲角，冲击在叶片的非工作面，形成反向力矩，使转子的输出功率下降。
（2）进气阻力损失
在蒸汽进入汽轮机第一级之前，须先经过主汽门、调节汽门、蒸汽室。蒸汽在通过这些部位时将产生压降，如果忽略蒸汽通过进汽机构的散热，则这一过程为一节流过程。必然因节流导致损失。进汽阻力损失与汽速、进汽机构的结构形式有关。通常控制蒸汽压降△P 0=（0.03～0.05）P 0。减少进汽阻力损失的方法主要有：改进结构，控制主汽门、管道等部位的汽速小于40～60m/s；改进蒸汽室、调节汽阀结构及型线，使之符合蒸汽的流动特性；提高加工和安装的精度，以减少局部涡流、流场偏分等现象。
（3）高低压缸之间的联通管流动损失 （4）排气阻力损失
进入汽轮机的蒸汽在各级做功后，末级动叶栅出来后经排汽管排出时由于摩擦、涡流等形成的阻力会产生压损，使末级动叶出口压力高于凝汽器（或排汽管出口）压力，这一损失称为排汽损失。
（5）汽缸散热损失
虽然气缸有保温层，由于汽缸温度大大高于大气温度，故仍然存在一定的热量散失。 （四）汽轮机的轴向推力（轴流式）
蒸汽自汽轮机高压端（入口）向低压端（出口）流动，推动转子做功。其总体方向是沿轴向的，必然对转子形成轴向推力，其方向沿高压端指向低压端。转子承受的轴向推力由三部分组成：动叶片上由于蒸汽动量变化及动叶片两侧压差形成的轴向推力，轮盘两侧表面压差形成的轴向推力；隔板汽封处轴的迷宫凸环所受的轴向推力。对于相同功率的多级汽轮机而言，反动式汽轮机比冲动式汽轮机轴向推力大得多。因为反动式动叶栅的进出口压差比冲动式要大得多。需要指出的是，在汽轮机负荷突然降低时，有时可能会出现与汽流方向相反
的轴向推力。因为负荷的突然降低会导致每级的焓降突然下降，使级后的蒸汽参数有升高的趋势（转速升高是它的负反馈）。而由于调节系统的作用，调节汽门有一个向下打压，并在反馈装置的作用下建立新的平衡的过程。这个过程如果过于灵敏，则可导致蒸汽经调节汽门节流后的参数低于级出口的参数，使轴向推力发生反向。
对于轴向推力的处理通常采取以下方法： 1．平衡盘（平衡活塞）：利用平衡盘两侧面积差异，使低压侧面积远大于高压侧，从而形成反向的轴向推力，与原轴向推力平衡。也可在低压侧导入高压汽，而高压侧则抽汽降压。 2．平衡孔：通过在叶轮上开平衡孔来减少轮盘两侧的压差。但是开平衡孔降低了叶轮的强度，因此在调节级和反作用度大、负载重的低压轮末一、二级一般不开孔。开孔一般为单数对称布置，以避免在同一个截面存在两个孔，削弱强度。
3．采用反向流动的结构形式：如，高、中压缸反向布置；低压缸对称分流布置等。 4．推力轴承：推力轴承用于平衡以上方法处理后剩余的轴向推力。推力轴承一般有两个方向相反的推力瓦面，一个为主推力瓦（也称为工作瓦），一个为副推力瓦（也称为非工作瓦），轴上的推力盘在运转时一般与工作瓦面接触。推力盘在主、副推力瓦之间的窜动距离称为推力间隙，一般不大于0.4mm 。瓦面上的乌金厚度一般为1.5mm 左右，其值小于汽轮机转子与静子部件之间的最小间隙。以确保即使在乌金瓦熔化的情况下，汽轮机动静部分也不会发生碰擦，而引起更严重的后果。
（五）汽轮机的热膨胀控制 汽轮机工作温度很高，是一个复杂的热态工作机械，其热态线性膨胀量高的可达数十毫米。因此，其设计、安装、调整、运行和监控均应充分考虑热膨胀所带来的影响。热膨胀控制不好可能造成的后果有：上下缸膨胀不一致导致缸体的变形；差胀过大导致的转子部件与汽缸部件发生轴向碰擦；因为冷态调整不佳导致热态汽缸镗孔与轴承镗孔的中心线重合度不好，从而导致转子与汽封等静止部件发生径向碰擦，以及发电机组的不对中振动；部件受到过大的热应力而发生裂纹、变形等等。
1．汽缸支承 汽缸支承通常采取猫爪形式。通过缸体上伸出的猫爪支撑在轴承座上，猫爪支承分为上缸猫爪支承和下缸猫爪支承两种方式，如图10—19所示。
3 1
3 2
1
下缸猫爪支承
1-猫爪横销；2-下汽缸；3-上气缸；4-压板；5-轴承座
上缸猫爪支承
1-猫爪横销；2-下汽缸；3-上气缸；4-工作垫片；5-压板；6-水冷垫铁；7-轴承座；8-安装垫片
图10—19 汽缸支承形式图
上缸猫爪支承和下缸猫爪支承各有利弊：下缸猫爪支承结构简单检修方便，但由于支承面低于汽缸镗孔中心线，汽缸温度升高时其镗孔中心线将向上抬起；对于高参数大功率汽轮机而言，其温度高、法兰厚，猫爪的膨胀将对机组的定心有不可忽视的影响。因此下缸猫爪支承适于中低参数汽轮机的高压缸。而上缸猫爪支承支撑面与汽缸中分面在同一水平面上，
故受热膨胀后可以保持转子中心线与汽缸镗孔中心线一致，因此适用于高参数大功率汽轮机。但是下缸猫爪支承结构相对复杂，尤其是在检修中极为不便。由于下缸悬空，接盖检修时为了确保下缸与转子的相对位置，需加装安装垫铁，使检修的数据不直观、精度控制困难，且装卸复杂。
有些中低压汽轮机气缸以及汽轮机的低压排汽缸，由于膨胀量不大而采取下缸直接与轴承座通过半圆法兰连接或直接与基础台板连接的方式。如采用直接与基础台板连接的方式，则连接螺栓不应拧死，而保留0.04～0.07mm 间隙。与轴承座采用半圆法兰连接时，在横向和垂直方向均装有定位的膨胀滑销以确保轴承座在膨胀时中心不致变动。轴承座底部螺栓同样要保留一定间隙，这样可以保证汽缸能够沿轴向自由膨胀。具体要求可参阅厂方提供的安装图纸。
2．滑销系统
汽轮机在启动、带负荷和停机过程中，温度变化很大。为确保汽缸与转子中心保持一致，必须使汽轮机按给定的方向自由的膨胀和收缩。因此汽轮机均设有滑销系统。滑销按结构形式、安装位置和布置方向可分为以下几种：
（1）纵销：其安装方向与机组中心线平行，在基础平面上的投影与中心线重合。用于确保机组沿中心线方向正确膨胀，控制汽缸中心线不发生横向偏移。一般安装在低压气缸排气室的支撑面、前轴承箱底部与基础台板的结合面和双缸汽轮机中间轴承箱底部与基础台板的结合面等部位。
（2）横销：安装方向与机组中心线垂直，且平行于基础平面。用于确保汽缸横向的正确膨胀，限制汽缸沿轴向移动。横销一般安装在汽轮机通流部分温度最低的区域——排气室。在排气室的横向中心线上或排气室尾部对称布置，左右各安装一个。横销与纵销中心线的交点称为“死点”，在汽缸膨胀和收缩时，死点保持不动。有些带中间支承的双缸机组一般设有两个死点，高、中压缸和低压缸分别向不同方向膨胀，使各自的绝对膨胀量减少。
（3）立销：铅锤方向安装，其中心线与机组中心线相交。用于确保汽缸在铅锤方向正确膨胀，与纵销共同保持机组的纵向中心线。一般安装在高压汽缸的前端与轴承座之间、低压气缸排气室尾部与基础台板之间。
（4）猫爪横销：与横销有相似的作用。安装在汽缸与前轴承箱、中间轴承箱结合部位的猫爪处，用于保证汽缸在横向的正确膨胀与收缩。同时控制汽缸在沿纵向自由膨胀与收缩时，不与轴承座发生相对移动，即带动轴承箱沿纵销方向前后移动。
（5）角销：安装于前轴承箱及中间轴承箱（双缸汽轮机）底部的左右两侧，以替代连接轴承座与基础台板的螺栓。作用是保证轴承座与台板的紧密接触，防止产生间隙和轴承座翘头现象。
（6）斜销：安装于排气缸前部左右两侧与基础台板之间，与轴线成一定的夹角，起纵横方向的双重导向作用。是一种辅助滑销，一般不经常采用。
汽轮机的滑销系统对汽轮机的正确膨胀与收缩起着关键的作用。因此在检修中应按照图纸的要求，确保正确的配合间隙。防止卡死或间隙过大，以保证机组的热态精度和安全运行。
3．差胀
由于汽缸和转子形状、材质和质量不同，它们在温度发生变化时，膨胀和收缩的的速度及大小不同。通常转子的膨胀、收缩速度大于汽缸。转子与汽缸轴向膨胀量的差值称为“差胀”。我们规定当转子膨胀量大于汽缸时，差胀为正值，反之为负值。显然在汽轮机启动时，差胀为正值。而当汽轮机停机或甩负荷时，蒸汽温度迅速下降，由于转子收缩较快，有可能出现差胀为负值的情况。由于差胀的存在，在汽轮机的设计中在叶轮与隔板、汽封梳齿与轴上凸台等与转子部件及与静子部件之间预留了一定的安全间隙，在安装与检修中应特别注意，确保这些安装尺寸，以免发生危险。
温度变化过大、过快，是导致差胀过大的主要原因。在操作过程中，要注意防止过快的温度变化或温差，严格按设备使用说明书的要求操作设备。尤其注意开停机、甩负荷及蒸汽初始参数突然变化等特殊情况下的操作。例如，启动机组时，汽缸与法兰加热装置投用不当，加热汽量过大或过小；热态启动时，新蒸汽的温度过低；暖机升温速率太快或暖机时间过短；升速或增负荷过快；甩负荷后机组空负荷或低负荷时间过长；机组发生水冲击；新蒸汽参数变化过快；停机时蒸汽温度下降过快等都可能引起过大的差胀，导致转子与静子发生轴向碰擦，酿成事故。机组保温失效、安装检修中各部间隙调整不正确、滑销系统或轴承台板因锈蚀发生卡涩使缸胀不畅等，设备安装检修维护原因也可能引发因差胀导致的事故。
（六）汽轮机的保护装置
为了保障汽轮机的安全运行，汽轮机设有必要的保护装置。汽轮机常用的的保护装置有：超速保护、低油压保护、轴向位移保护、差胀保护、低真空保护(对凝汽式而言) 、轴承温度和振动保护、功率限制和防火保护等。在保护装置动作时，通常控制自动主汽门、速关阀等可以迅速、直接地切断主蒸汽回路的执行元件，实现快速停机。从广义上讲，保护装置也是一种自动调节装置，它同调节系统一样，由感受器、放大器和执行机构三个基本部分组成。只是，自动调节装置是持续控制指定的参数在设定的范围内波动，维持稳定的运行。而保护装置只有在保护参数大于给定值时，执行机构才会动作。保护装置的调节动作只有两种方式，即全开和全关，因此也称为双位调节。
1．超速保护
汽轮机转子部件所受的离心力与转速的平方成正比。转速增加，转子部件的结构应力将按平方的关系迅速增加。因此，汽轮机超速运行是十分危险的。汽轮机均设有超速保护装置，控制汽轮机转速不超过额定转速的8%～12%。
超速保护装置由危急保安器、连杆或拉钩部件和危急遮断油门（危急遮断滑阀）组成。危急保安器分为飞锤式和飞环式。安装在轴上的飞锤或飞环的质心与旋转中心线之间有一定的偏心距离。当转速超过设定值时，飞锤或飞环的离心力大于弹簧的约束力而飞出。撞击连杆部件，导致危急遮断油门动作，迅速关闭自动主汽门和调节汽门，实现保护性停机。飞锤或飞环的动作转速（即超速停机转速）可通过调整螺母，改变弹簧的预紧力来调整。
2．轴向位移保护 轴向位移保护装置是汽轮机组的一个重要安全装置，用于防止转子因发生过大的轴向移动而与气缸静子部件发生摩擦，酿成事故。轴向位移装置的基本原理是，通过感受元件，将主轴位移信号传递给调节机构控制元件及报警装置。当轴向位移达到一定数值时，则发出报警信号。当轴向位移超过给定的停机值时，则通过控制滑阀或磁力断路油门使油压主汽门关闭，实现自动保护性停机。有些小型机组在机体进汽室前装有速关阀，这些机组的主汽门通常为电动或手动，则轴向位移保护装置对速关阀起作用。
轴向位移按感受器的结构可分为机械式、液压式和电气式三类。机械式通过乌金触块直接与主轴圆盘接触，主轴发生移动时，通过杠杆将主轴位移的信号传递给控制滑阀。当轴向位移达到一定数值时，控制滑阀被推动到相应位置，使油压主汽门泄压关闭。液压式则通过转子的位置来改变控制滑阀下部压力油的喷油间隙。当轴向位移增大时，控制滑阀的喷油口与轴上挡油盘的间隙增大，滑阀底部压力油油压下降，滑阀在弹簧作用下下移，从而控制油压主汽门关闭。电气式一般用于大功率机组，采用一个“E ”形铁芯线圈。主轴上的转盘位于“E ”形铁芯两个侧柱之间，通过主轴移动改变主轴转盘与“E ”形铁芯的相对位置（“E ”形铁芯中部线圈通有交流电，两边为感应线圈），使 “E ” 形铁芯感应线圈的磁通分布发生变化，从而在两个感应线圈之间形成感应电动势差△ε。△ε铁，实现自动保护停机。
3．低油压保护
经过放大后可以控制磁力断路油门的电磁
低油压保护装置用于防止润滑油压过低而导致汽轮机轴承损坏，酿成事故。低油压保护装置的动作过程为：当油压降至报警值时，发出报警信号，提醒操作人员注意和采取必要措施；当油压降至安全运行值以下时，自动启动辅助油泵，恢复油压；当油压在辅助油泵启动后仍继续下降，则在其降至危险停机值时自动停机；当油压低于盘车油压时，则停止盘车。 低油压信号的获取比较容易实现。被控制的油管路与弹簧管、波纹管或活塞缸等感受元件接通，通过上述元件随压力变化而发生变形或移动，使相应的微型开关、接点接通或断开，控制报警装置、辅助油泵和自动主汽门等发生相应的动作，达到保护机组的目的。常用的感受器有电接点压力表、波纹管压力继电器和活塞弹簧装置等。
4．差胀保护
差胀保护用于防止汽轮机动、静部分由于差胀过大而发生轴向碰擦。大机组一般都设有差胀保护，即在差胀过大时，实现紧急自动停机。
（七）调节系统
1．调节系统的组成和基本原理
调节系统的主要作用是在外界负荷（电负荷或热负荷）发生变化时，调整机组的进汽状态，以保持被控制参数（转频或输出蒸汽压力）稳定，保障机组正常开停机以及运转的安全。
调节系统一般由感受器、传动放大机构、执行机构和反馈装置等组成。感受器是调节系统的眼睛，调节系统通过感受器探测被控制参数的变化后做出相应的反应。感受器可以感受转速、压力等的变化，并转换成位移、油压或电信号输出；传动放大机构将感受器的输出信号放大成能够推动执行器动作的油压或电流，使执行器发生动作，执行器包括调节汽门和传动机构等，根据传动放大机构的输出，来改变汽轮机的进汽量。反馈装置有动态反馈和静态反馈两种，是使机构的输出信号对输入信号进行一定程度反向调节的特殊装置，用于保持调节系统的稳定。调节机构原理示意图如图10—20。调节系统应满足的要求：当主汽门全开时能维持空负荷运行；由满负荷突然降到零负荷时，能使汽轮机转速保持在飞车转速以下；当增减负荷时，调节系统应动作平稳无晃动现象；当危机保安器动作后，应保证主汽门、调节汽门迅速关闭；调节系统速度变动率应满足要求（一般在3%～6%），迟缓率应越小越好
2．调节系统静态特性
（1）调节系统静态特性曲线
我们用曲线n=f(P)来描述汽轮机的静态特性，如图10—21所示。曲线n=f(P)反映的是在稳定状态下汽轮机转速n 和功率P 之间的相互关系，通过实验法测得。汽轮机的静态特性可以表达为P/n，它与转速感受器、传动放大机构和执行机构的静态特性有关。设在任一稳定
n min 0图10—21静态特性曲线
图10—20 调节机构原理示意图
n max
的P/n下，调速器滑环位移为x ，油动机活塞位移为y ，则P/y为执行机构的静态特性。y/x为传动放大机构的静态特性，x/n为调速器的静态特性。显然：
P/n=(P/y)(y/x)(x/n)
可以通过实验测得P/y、y/x和x/n三个静态特性曲线，通过作图法间接得出P/n。 （2）速度变动率
速度变动率δ是衡量调节系统性能的一个重要指标。它是汽轮机空负荷时对应的最大转速与额定负荷时所对应的最小转速之差Δn 与额定转速n 0之比。它反映了由于负荷变化所引起的转速变化的大小。不同汽轮机要求有不同的速度变动率，一般要求δ为3%~6%。速度变动率不能过大。因为，机组甩负荷时转速升高将达正常速度变动的约1.5倍，即可达9%，接近超速保护动作条件。
对于带一定基本负荷的机组，要求其静态特性曲线陡一些，即速度变动率相对大一些。以使机组负荷
变化较小，保持基本负荷。
对于带尖峰负荷的机组，要求其静态特性曲线平Δn 坦一些。以保证在较小的转速变化范围内，承担较大的变动负荷，通常要求δ为3%~4%。
对于并列运行的机组，如果它们的静态特性曲线不同，δ不一致，则会出现负荷变动自动分配的现象，如图10—22所示。当外界负荷增加时，并列机组转速下降Δn ，电网频率降低。对于相同的Δn ，δ大的机组功率增加小，δ小的机组功率增加大。即：机组δ大
大小图10—22 电网负荷在并列机组上的分配
的分配到的负荷小，δ小的将承受较大的负荷变动，但并列机组承担的总的负荷变动与外界负荷变动相等。
（3）迟缓率
在调节系统中由于摩擦和间隙等因素影响，使调速系统在转速上升和下降时各有一条静态曲线，不相重合。这种现象称为调节系统的迟缓现象，如图10—23所示。l 1、 l 2分别为调节系统上升和下降的静态曲线，则汽轮机的动态
n
工况点可以是l 1、 l 2之间所夹带状区域（含边界）内的任何点。假定为A 点，此时的电负荷为P A 。当负荷由A 向B 减少时，工况点并未沿中间的曲n
线自A 向B 移动，而是向上（A 1）移动，即转速n 升高。到达A 1前，机组发出的功率并未随负荷的n 减少而减少，相当于调节系统并未发生作用。当转速升高到大于n 1时，调节系统产生的应变信号足以克服系统的阻力，调节汽门才开始关小。亦即调节系统开始发生作用，到B 点建立新的平衡。当负荷升高时，情况正好相反。
P B P A P C P
图10—23调节系统迟缓现象
我们用调节系统迟缓率ε来描述调速系统的迟缓现象：
ε = [（n 1- n2）/ n0]×100%
=（Δn / n0）×100%
式中n 1、 n 2表示机组在同一功率下的最高和最低转速；Δn 为同功率下最大转速摆动量；n 0为额定转速。
从上面的分析可知，由于迟缓率的存在，在同一功率下，机组转速可以在n 1，n 2之间
任意位置摆动。反之当转速一定时，机组发出的功率可以在较大范围内摆动。如果按线性关系来计算，功率摆动范围ΔP=(ε/δ)P 0，式中P 0为额定功率。显然，在发生上述情况的时候，调节系统是不发生作用的，这对机组的稳定运行极为不利。因此在设计、制造和运行维护、检修过程中要尽可能将迟缓率ε降到最低程度。整个系统的迟缓率是由每个元件的迟缓率累积而成，从检修维护的角度要设法保证每个元件的安装精度和维护质量。防止变形、卡涩、松动、润滑不良、机械杂质过多和堵塞等现象的出现，以保证调节系统的灵敏度。
3．调节系统的动态特性
调节系统的动态特性描述的是，机组由一个稳定工况改变到另一个稳定工况的动态过程的调节质量特性，如图10—24所示。给调节系统加入一个恒定的扰动信号后，调节系统的功能应实现使被调节量在一定的时间内稳定到一个新的水平，且被调节量在新的水平上的波动应在可接受的范围内。被调节量φ（转速相对值）随时间t 变化有六种不同的情形。显然，虚线的三种情况不能满足调节需要。l 1是直线上升，l 2是发散振荡，l 3是等幅振荡，三者均为不稳定过程。而实线的三种情况则是稳定过程：L 1、L 2为周期性过程， L 3为非周期过程。衡量调节系统的动态品质的主要参数有：
动态超调量ζ =[(φmax – δ ) / δ]×100 % ，（φmax = nmax /n0）, 反映调节系统的动态安全性。不能因动态超调量过高而导致汽轮机意外超速停机。
静态偏差φ(∞)= δ，反映在调节系统的作用下，被调量稳定后的值不随时间发生漂移的特性。
过渡过程的调整时间T ，即从扰动信号加入时开始到被调量波动幅值小于等于2Δ时调节系统所用的调整时间，反映调节系统的反应速度。T 一般为几秒到几十秒，最长不应超过一分钟；Δ为被调节量的允许偏差，一般Δ=5%δn 0。
φ
φ(∞) 213图10—24 调节系统动态特性 t
振荡次数：在过渡过程调整时间T 内被调节量的振荡次数。反映调节系统的动态稳定性。汽轮机的被调量明显振荡次数不能超过3次。
4．调节系统稳定性的因素
速度变动率δ越大，系统的动态稳定性越好，反之亦反。
迟缓率，ε越小，系统的动态稳定性越好，反之亦反。
转子飞升时间常数：即汽轮机转子在受相当于额定力矩的作用时，由静止升速到额定转速所需的时间。时间越长，稳定性越好，反之亦反。
油动机时间常数，即当错油门开至最大时，油动机完成满行程所用的时间，时间越短，系统稳定性越好，反之亦反。
容积时间常数：进汽室及流道、中间抽汽管道等存有的蒸汽，在主汽门关闭后仍会膨胀做功，由此而导致转子减速时间延长。时间越短系统稳定性越好，反之亦反。
第四节 汽轮发电机组运行与维护
一、汽轮机的调试
在机组新安装和机组大修后必须对机组进行调试。新建机组的调试目的是使发电机组最终投入运行，实现既定的功能。对机组设计制造和安装质量进行鉴定，测量和保留必要的机器性能和运行状态数据，为以后的使用、维护和检修提供参考依据。大修后的调试目的是为了鉴定检修质量，检测及其性能状态，调整运行工况，实现机组的正常运行。
汽轮发电机整体启动中的主要实验项目：不同转速下的机组各部振动，发电机及主励磁机转子的交流阻抗；励磁系统试验；发电机空载和短路特性试验；发电机空载灭磁时间常数测定；核对发电机、主变压器的相序；并网前同期装置的检查和试验；并网后继电保护带负载试验；汽轮机危急保安器超速试验；热控自动调节系统的调试和投入；停机时测量惰走曲线。
（一）新建机组的调试
新建机组调试大致分为三个阶段。分部试运转：主机调试、辅机与分系统的单项调试和试运转，使其达到系统或整套试运转的条件；整套启动：完成主机启动前的各项检查试验和联锁保护模拟试验后，机组整套启动，并网带满负荷运行72h ，完成各项调试以及机器性能和运行状况的检测工作；试运行移交：处理试运行中发现的问题后，再次带负荷运行24h ，移交生产。
1．新建机组主要调试内容有
设备安装的正确性检验；
各类辅机、单机试车试压；
蒸汽、油和水等管路冲洗吹扫和阀门检验调试；
汽轮机调试：各油压调整；调节系统静态调试和静态特性曲线的测定；保安系统部套调试测定；联锁保护试验；盘车装置试验；汽轮机试转中各轴承振动、温度测定和调节系统空负荷试验；汽轮机起停特性测定；主汽门和调节汽门严密性试验；
整套启动：机组联锁保护投入；额定转速下发电机电气试验；并网带负荷试验；超速保护动作试验；
试运行移交：在装置建成投产后，应在设计工况下进行考核运行，用户提前通知卖方，并在卖方有人参加的条件下，按照规定的参数进行考核运行72h ，符合要求后，正式验收；
2．调节系统静态调试的内容
放大器特性试验、同步器特性试验、油动机特性试验、调节汽门开启顺序试验、主汽门及油动机活动试验和喷油及超速试验。
远程停机按钮、低油压联锁、轴向位移、差胀、发电机主保护、油开关跳闸、主汽门关闭和超速试验。
（二）大修后机组的调试
1．汽轮机大修后空负荷实验有：
空负荷时：危机保安器充油跳闸试验、自动主汽门及调速汽门严密性试验，同步器及调节系统静态特性的测定。
实验要求：同步器在额定参数下应保证机组转速不超出额定范围（通常为-5%～+7%），机组迟缓率≤0.3%。单独关闭自动主汽门或调节汽门，应保证汽轮机的稳定转速在1000rpm 以下且保证其中有一个汽门的稳定转速低于400-600rpm 。当主汽门全开时调节系统应能维持空空负荷运转，危急保安器充油试验动作合格。
2．汽轮机带负荷试验项目
在空负荷试验合格；各项保护及联锁装置动作正常；发电机空载试验完毕；投氢工作完
成（对氢冷式发电机组而言）。方可进行带负荷试验。
超速试验(新机组或大修后的机组，调节系统解体检修后，机组运行2000h 后，停机超过一个月启动前应作超速试验) 、真空系统严密性试验和调节系统带负荷试验；甩负荷试验（必要时）。
二、汽轮发电机组开停机
（一）汽轮机起动
汽轮机的启动方法按蒸汽参数的不同可分为：额定参数启动和滑参数启动；按冲动控制转速所用阀门可分为：调节汽门启动、自动主汽门和电动主闸门启动，以及总汽阀旁路门启动。启动方式可分为冷态启动和热态启动。
额定参数启动即在起动时新蒸汽参数始终保持额定值，通过限制流量来控制机体的温升。用这种方式进行冷态启动，会形成较大的温差，且过小的流量会导致加热不均。因此暖机时间长，且对机组的安全不利。但是其操作较为简单，在蒸汽参数无法变动的场合如母管制供汽或小型机组适用。
滑参数启动即主蒸汽参数随机组转速、负荷的上升而滑升。能够做到低参数启动、暖机，蒸汽流量大、加热均匀，有利于节能和延长设备寿命。但操作和控制复杂。
1．启动前的准备
启动前的准备工作包括：
系统检查：检查各阀门完好、灵活且阀位正确，检查各仪表完好显示正常，检查滑销、膨胀指示等各部位间隙及显示正常并作记录，检查辅机设备正常。
暖管：冷态启动时，主蒸汽管道至调节汽阀前须蒸汽疏水暖管，检查蒸汽泄漏、管道膨胀和管道支吊架情况。
油系统循环：暖管后启动油系统，充油驱赶空气。提升油温，检查油系统泄漏情况、油箱油位和轴承回油情况等。适当的油温有利于建立油膜，保证轴瓦的承载能力和稳定性。
调节保护装置试验：按运行规程进行超速保护、低油压和轴向位移等保护装置及调节装置静态试验。
盘车：按规程开启盘车，消除轴弯曲，检查是否有碰擦现象。通常冷态起动盘车2h ，热态起动盘车不应少于4h 。
起动辅机：冲转前应向轴封供气，对抽凝式机组而言应投入抽气器，建立冷凝器真空，背压式则开启向空排汽阀，关闭并网蒸汽阀门。
2．冲转和升速暖机
汽轮机冲转前要检查确认新蒸汽参数是否符合要求，凝汽器真空值应确保向空排汽阀开启（背压式），润滑油压力、回油和温度在规定范围内；且高、中压汽缸上下温差不大于50℃，盘车无异常。冲转后，可以按照规定的速率（通常为100-300rpm ）提升转速，在转速400-600rpm 时，对发电机组运行状况进行全面的检查。在通过临界转速时通常采用300-600rpm 的较高升速率，同时应密切监视机组的振动状况，通过临界转速后，应稳定一段时间，以确保机体升温均匀，最后按规定的升速率将转速升至额定转速。在整个升速暖机过程中，应随时监测机体及排汽温度。注意缸体及管道的疏水，记录缸胀指示读数，以保证上下缸温差在规定的范围内，防止因膨胀不一致而导致缸体变形，同时保证机体按正确的升温速率渡过材料的脆性转变温度。对于热态启动而言，根据机体温度情况和设备规程的规定，暖机时间可以缩短甚至不用暖机。
3．并网带负荷
机组达额定转速后，确认运行状况正常，即可进行并网带负荷。并网后即带上初始负荷（按机组规程规定）。此时进汽量增大，机组温度会快速上升，须稳定一段时间，相当于带负荷暖机（约1h 左右）。无论是按电负荷或按热负荷运行，均应按设备规程的要求或设备供
应商提供的启动曲线，逐步提升负荷，以保证机组温度均匀升高。
（二）汽轮机的停机
汽轮机从正常运行状态到卸去负荷，解列发电机，切断进汽，到转子静止的过程称为汽轮发电机的停机过程。停机分为正常停机和故障停机两种情况。正常停机按对停机蒸汽参数的要求不同，分为额定参数停机和滑参数停机两种方式。
额定参数停机即从额定运行状况开始，保持蒸汽的初始状态，按正常的停机曲线，通过减少进汽量来减少机组负荷的停机操作。停机后机组保持较高的温度水平，对于短暂停机适用。
滑参数停机即在停机前，降低蒸汽参数至允许的下限。提高调节汽门的开度，同时投用汽缸法兰加热装置，使机体温度得以降低。按滑参数停机曲线，通过逐渐降低主蒸汽参数来减少机组负荷至零。当主蒸汽参数降至一定数值时，解列发电机打闸停机。滑参数停机是按降温-降压-降负荷的循环次序来逐步完成的，有利于机组的降温，适用于停机检修的情况。滑参数停机应注意保证蒸汽的过热度不小于50℃。滑参数停机时由于蒸汽的过热度不高，应禁止在滑参数停机过程中做超速试验。
1．停机前的准备
停机前应检查核试验停机时须启动设备的完好情况，例如高压油泵、辅助润滑油泵、盘车装置和主汽门等。
2．减负荷
按停机曲线的要求逐步减负荷至零，解列发电机。减负荷过程中应注意机组疏水。
3．转子惰走
即汽轮机打闸停止进汽后，转子依靠惯性继续旋转直到静止的过程。在新机组或机组大修后应绘制转子惰走转速与时间的关系曲线。其它时间应测量并记录转子惰停的时间与转子惰走曲线比较。惰走时间长可能是新蒸汽管、调节汽门和抽汽管道上的阀门不严，有压力蒸汽进入气缸；惰走时间缩短则可能是汽轮机动、静部分的摩擦阻力增大，均应查明原因进行处理。
4．盘车
转子静止后应立即投入盘车装置进行连续盘车，直到汽缸温度低于一定的数值，以防止转子发生热弯曲。
三、进出口工况发生变化对汽轮机的影响
初温和背压不变时，初压升高使蒸汽的做功能力增强，会使耗汽量下降。但初压升高导致蒸汽的露点升高，从而可能导致末级的蒸汽及背压汽湿度上升，对末级叶片以及后面的设备不利。另外，初压升高使调节级的焓降增大，对调节级的寿命有一定影响。初压降低的影响大体与前者相反。
初温升高，可使功率增加，背压汽湿度降低，效率有所上升。但却影响安全，会使机组零部件热应力增大、有可能使材料发生蠕变，由此引起高压端零件松动或失去密封性能和漏汽等。初温降低则会使机组经济性下降，效率降低，使除末级以外各级焓降减少，反作用度增加，从而导致轴向推力增加。如降温过大过快，易导致蒸汽结露，引发水击，影响设备寿命与安全。因此，蒸气初温应严格控制在规定的范围内。若超出范围应考虑降低负荷或停机。
负荷变化对汽轮机的影响：负荷（即驱动发电机所需功率）偏离设计工况时，效率会下降；假定效率变化忽略不计时，则负荷变化与蒸气耗量变化成正比；因此在设计工况工作是最经济的。
排汽压力（背压）变化对汽轮机的影响：背压对机组的经济性和功率影响很大。背压升高，流量不变则功率下降。如保持功率不变则流量上升，可能导致叶片过负荷，轴向推力增加。背压降低而流量不变时则功率上升，如保持功率不变则耗汽率减少。但由于蒸汽热能转
变为机械能的比例增加，会使温度下降，湿度上升，轴向推力增大。且易产生水蚀，对末级叶片以及后面的设备不利。
附录1：关于汽轮机报警联锁及仪表配置的要求
除非另有规定，否则汽轮机的报警及联锁点应按下列规定：
汽轮机机组应设置一块就地仪表盘，盘上至少应安装下列仪表：
(1) 润滑及控制油压力表。
(2) 蒸汽压力表，包括：
∙ 蒸汽入口。
∙ 多级汽轮机的第一级后。
∙ 排汽。
∙
∙
∙ 抽汽（对抽汽式而言）。 轴封及泄漏 轴封冷凝器的抽气器供气压力（对有轴封冷凝器的机组而言）。