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电厂动力工程（B）,能源与环境工程学院动力工程系孙坚荣,绪论,发电厂是通过能量转换而生产电能的工厂。根据生产电能的能源不同，主要有火力发电厂、水电站和核电站。此外，还有一部分利用风能、太阳能和地热能等新能源进行发电的电站。而火力发电厂是目前世界大多数国家电能生产的主力电厂。火力发电是利用煤、石油或天然气等燃料的化学能来生产电能的。根据我国的燃料政策，我国火电厂的燃料主要是煤，即为燃煤电厂，燃煤火电厂的生产过程如图0－1所示。,能够提供可利用电能的一次能源,波浪发电站,风力发电站,水力发电站,地热发电站,太阳能发电站,太阳能收集站,沼气发酵池,潮汐发电站,火力发电站,核电站,,,,,,,,,,,,,由上图可以看出，在火力发电厂的生产过程中存在着三种形式的能量转换在锅炉中燃料的化学能转变为热能；在汽轮机中热能转变为机械能；在发电机中机械能转变为电能。锅炉、汽轮机和发电机称为火力发电厂的三大主机。,第一章能量转换基本知识,,能量的转换与利用,能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。,氢、酒精等二次能源,电能,,机械能,,辐射能,,热能,风能、水能、海洋能,机械能,煤、石油、天然气,热能,核能,太阳能,生物质能,,90％,第一节热力学基本定律,一、基本概念“热力发动机”“工质”“高温热源”“低温热源”“热力系统”“闭口系统”“开口系统”“绝热系统”,（一）常用参数描写工质在平衡状态下热力特征的物理量压力P，压强；单位MPa，bar温度T，热力学温标；单位oC，k比容v，与密度互为倒数；单位m3/kg焓h，比焓是用来衡量单位工质具有“热力势能”大小的一个尺度，单位“J／kg、kJ/kg”。,二基本热力过程热力系统由其初始平衡状态，经过一系列之间状态变化而达到另一个新的平衡状态，其中间的物理变化过程称为“热力过程”。常见的基本热力过程有1定压过程热力系热力统状态变化过程中，工质的压力保持不变。如工质在锅炉内的吸热过程。2定温过程热力系统状态变化过程中，工质的温度保持不变。如工质在凝汽器内的放热过程。3绝热过程热力系统状态变化过程中，工质与外界无任何热量交换。如工质在汽轮机内的膨胀做功过程。4定容过程热力系统状态变化过程中，工质的比容保持不变。如工质在汽油机内的加热过程。,二工程热力学基本定律工程热力学基本定律的实质*研究热能和机械能相互转化的基本规律例如各种电厂的能源转换基本过程火电站燃料化学能→热能→机械能→电能核电站重核裂变能→热能→机械能→电能水电站水能→机械能→电能,（一）热力学第一定律1、热力学第一定律的表述◊热可以变为功，功也可以变为热；◊一定量的热消失时，必产生与之数量相当的功◊消耗一定量的功时，也必出现相应数量的热；2、热力学第一定律表达形式进入系统的能量－离开系统的能量＝系统储存能量的增加对于开口系统进入系统的能量＝离开系统的能量,（二）热力学第二定律1、热力学第二定律的表述各种说法⑴热不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体。⑵只冷却一个热源而连续做功的循环发动机是制造不成功的。⑶在经历任意过程之后，孤立系统的熵只会增加或保持不变，但永远不会减少。（熵增定律）,2、热力学第二定律的实质⑴一切事物都具有方向性热、功之间的相互转化也具有方向性有序→无序，无条件的，功→热；无序→有序，有条件的，热→功。⑵能量是有品位的给定的热量，有多少可以转化为机械能,3.卡诺循环著名的卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成是实际动力循环中效率最高的理想循环，它在理论上确定了一定范围内热能转变为机械功的最大限度，为实际循环的组成及热效率的提高指出了方向与途径，其循环的热效率表达式为η＝1－T2/T1（式中T1为热源温度，T2为冷源温度）由上式得出一些重要结论如下1循环热效率决定于高温热源与低温热源的温度T1和T2，提高工质吸热温度并且尽可能降低工质排向冷源大气环境的温度，可提高循环热效率。,,2循环热效率永远小于100％，因为T1无穷大和T2＝0都是无法实现的，这正是热力学第二定律所揭示的规律。3当T1＝T2时，循环热效率为零。这就是说，在没有温差存在的体系中，热能不可能转变为机械功，要利用热能来产生动力，就一定要有温度高于环境的高温热源。4在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆循环，均具有相同的热效率，且与工质的性质无关。5在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆循环，其热效率必低于在两个同样恒温热源间工作的可逆循环。实际循环都是不可逆循环，其热效率必低于同温限的卡诺循环。,第二节水蒸气动力循环一、水蒸气的基本性质,1、水的饱和状态（1）饱和状态对于一个汽液共存系统，当液体汽化和蒸汽液化的速度相等时，这一动态平衡状态称为饱和状态。处于饱和状态时，系统的压力、温度称为饱和压力、饱和温度（2）饱和压力（ps）（3）饱和温度（ts）对于一定的物质饱和压力和饱和温度是一一对应的。例如1个大气压下，水的沸点100℃,2、水及水蒸气的状态（1）过冷水（未饱和水）（2）饱和水（3）湿蒸汽（湿饱和蒸汽）饱和水和饱和蒸汽的混合物，其中纯饱和蒸汽的质量百分数称为湿蒸汽的干度，以x表示，其状态一般由（ps，x）或（ts，x）确定。（4）干饱和蒸汽（5）过热蒸汽,3、水及水蒸气的六个基本状态参数（1）压力pMPa（2）温度t℃（3）比容vm3/kg（4）比焓hkJ/kg（5）比熵skJ/kg℃（6）干度x注意在饱和水线、湿蒸汽区、干饱和蒸汽线，压力和温度是一一对应的，此时这两个参数将缩减为一个参数；通常已知其中两个独立参数，可以求得其他参数。,4、水及水蒸气的临界点临界点参数压力Pc22.129MPa温度tc374.15℃比容vc0.00326m3/kg特性及应用超临界参数PPc在水蒸气的定压发生过程中，水直接瞬间汽化为过热蒸汽ρ汽ρ水亚临界参数ppc经历湿蒸汽的汽化阶段ρ汽ρ水,5.过冷水定压加热成过热蒸汽的三个阶段①过冷水加热到饱和水的预热阶段，所需的热量为预热热；②饱和水汽化成干饱和蒸汽的汽化阶段，所需的热量为汽化潜热；③干饱和蒸汽加热成过热蒸汽的过热阶段，所需的热量为过热热。过冷水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽是加热过程中涉及到的五个典型状态，其中饱和水和干饱和蒸汽状态是定压力下的两个惟一状态点，其他可具有无限多个状态点。,二、水蒸气动力循环,（一）朗肯循环1－2为过热蒸汽在汽轮机内的理想绝热膨胀做功过程，所做的功为wh1-h2；22－3为乏汽即汽轮机排汽向凝汽器冷源的理想定压放热的完全凝结过程，其放热量为q2h2-h3；33－4为凝结水通过水泵的理想绝热压缩过程，所消耗的功为Wp＝h4-h3；44－1为高压水在锅炉内经定压加热、汽化、过热而成为过热蒸汽的理想定压吸热过程，所吸收的热量为q1h1-h4。,朗肯循环的热效率,机械功wh1-h2放热q2h2-h3水泵耗功wp＝h4-h3吸热q1h1-h4对外做功w0w-wph1-h2－h4-h3朗肯循环的热效率η＝w0/q1[h1-h2－h4-h3]/h1-h4由于wp很小（h4≈h3），忽略之η＝h1-h2/h1-h4（式中h4可用排汽压力下的饱和水焓h2’代替）即η＝h1-h2/h1-h2’h1汽轮机的进汽焓h2汽轮机排汽压力下的排汽焓h2’排汽压力下的饱和水焓重要结论提高蒸汽的初参数、降低排汽压力可以提高效率。,二中间再热循环,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1,5,7,H.P,L.P,8,9,3,一、蒸汽再热循环,,,Boiler,Reheater,Low-Pturbine,High-Pturbine,Pump,Condenser,,,,qin,qout,,,,,,蒸汽再热循环系统示意图,wturb,out,wpump,in,,蒸汽再热循环系统示意图,再热循环,,,,,水蒸气再热循环的T-S图,1．采用再热技术的目的●提高吸热过程的平均吸热温度→提高循环效率2、再热循环的描述在朗肯循环的基础上，将做过部分功的蒸汽从汽轮机的某一中间位置（一般为高压缸排汽）抽出来，通过管道送回锅炉内的再热器，使之再加热到与过热器出口过热蒸汽相同或稍高的温度，然后返回到汽轮机的中、低压缸继续膨胀做功，直至达到终压。3、再热循环的特点（1）提高循环热效率（约4％～5％）；（2）可以提高乏汽的干度，有利于汽轮机安全工作，提高了汽轮机的内效率；（3）减少了汽耗率，减小了设备尺寸；（4）（不利因素）设备复杂，运行管理要求高。,（三）给水回热循环,,,,,,,,,,,,,,1,2,A,4,T,s,,,２,A,1,5,3,,,,,,,,回热循环系统示流程图和T-s图,,,Boiler,Turbine,Pump,Condenser,,OpenFWH,FWHFeedwaterheater,,qin,,qout,4,,,,,,,,,,,,3,,6,6,5,,,,Pump,1kg,kg,kg,,,wturb,out,,,,,回热循环,1．采用给水回热循环的目的①提高给水温度→提高吸热过程平均吸热温度→提高循环效率②减少汽轮机排汽量→减少冷源损失→提高循环效率2．回热循环的描述①在朗肯循环基础上，从汽轮机的某些中间部位抽出一部分做过功的蒸汽，送入回热加热器中用来加热凝汽器来的凝结水，使锅炉的入口水温提高。由于锅炉中水的预热起点温度提高，工质在锅炉内的平均吸热温度T1将提高，故可使循环热效率提高。②一般超高压以上的机组采用7～9级回热。3．给水回热的特点（1）提高了循环效率（2）减轻了汽轮机末级的工作负荷,（四）热电联产循环所谓热电联产循环就是将电能生产和热能生产联合成一体，既供热又供电，所供热能是已做功发电的汽轮机排汽所携带的热能。（1）热电联产循环的做功发电收益（高品位能量）（2）热电联产循环的供热收益（低品位能量）将相对于朗肯循环少做的功和朗肯循环的冷源损失全部（或部分）地送到热用户利用了。所以热电联产循环的热量有效利用程度比纯动力循环要高得多，这正是热电联产循环的意义之所在。,热电联产循环,,,,,,,,,,,,1,2,3,4,背压式汽轮机热电联产循环,User,,Boiler,Turbine,Pump,,qin,qout,,,Generator,,,,,,,,,,,,,Electricity,,,,,,,,,,,,,,Heatexchanger,,,,,,热电合供循环,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,抽汽调节式热电联产设备系统图,,,,,,,,Turbine,Boiler,Pump,Pump,,Generator,,,,,,,,,,,,,Electricity,OpenFWH,Condenser,,qin,qout,,Regulatorvalve,,,,,,,,,,,Heatexchanger,,User,,提高循环热效率的途径,改变循环参数,提高初温度,提高初压力,降低乏汽压力,,改变循环形式,回热循环,再热循环,,改变循环形式,热电联产,燃气-蒸汽联合循环,新型动力循环,IGCC,PFBC-CC,...,,,第三节换热器热交换器换热器是实现冷热流体热量交换的设备，对冷流体来说是被加热，对热流体来说是被冷却。因此，通常所说的加热器也就是冷却器。换热器在火电厂的热力系统中应用非常广泛。按其工作原理，换热器一般可分为混合式、表面式和再生式三大类。1混合式换热器冷、热流体通过直接接触彼此混合来完成热量交换，同时也存在质量交换。混合式换热器具有换热效率高、设备简单的优点，但因冷热流体直接混合，其应用受到限制。如火电厂中给水除氧器就属于混合式换热器。,2表面式换热器冷、热流体被固体壁隔开，分别在其两侧流过，借助于固体壁，热流体的热量传给冷流体，故又称为间壁式换热器。表面式换热器是火电厂应用最多的一类。如锅炉中的各汽水受热面、回热加热系统中的高、低压加热器等。3再生式换热器冷热流体先后交替地流过同一固体换热壁面，热流体流过时将壁面加热并储蓄热量，冷流体流过时则壁面放出热量并加热冷流体，这样借助壁面的蓄、放热过程，使热流体的热量传给冷流体，又称回热式换热器。大容量锅炉中采用的回转式空气预热器就属于这类换热器。,表面式换热器有两种基本布置方式，即顺流式和逆流式布置如图所示，其他布置是在基本方式上派生出来的，称为混合流布置。,顺流布置，冷热流体总体上同向流动；逆流布置，冷热流体总体上反向流动。在冷热流体进出口温度相同的条件下，逆流式的传热平均温差较顺流时为大，可以获得较好的传热效果。所需的换热面积小，但两种流体的最高温度集中在换热器的同一端面上，容易造成该端面的金属壁超温而导致毁坏，没有顺流式安全。因此，在安全允许的条件下，尽量采要逆流式布置．需要考虑壁面安全时，则采用顺流式布置，或低温段采用逆流布置而高温段采用顺流布置即混合流布置。在锅炉内的各受热面的布置就突出了这一原则。,第二章火力发电据官方统计，至2009年末我国发电装机容量已达8.74亿千瓦，其中“火电”的比例占到七成以上。而我国的火电厂绝大部分是燃煤火电厂。目前火电机组朝高参数、大容量的方向发展。600MW以上超临界机组占新增火电容量的59左右，已有30余台超超临界1000MW机组投入运行或即将建成。中国已是世界上拥有超超临界机组最多的国家。,第一节火电厂生产过程在火力发电厂的生产过程中存在着三种形式的能量转换在锅炉中燃料的化学能转变为热能；在汽轮机中热能转变为机械能；在发电机中机械能转变为电能。锅炉、汽轮机和发电机称为火力发电厂的三大主机,,火电厂的经济性指标1.发电热效率发出电能与燃料供给热量的百分比是在循环效率的基础上再考虑到锅炉、汽轮机、发电机及管道的热效率后得出的，大机组一般发电热效率为37412.供电效率发电热效率扣除厂用电率后得出的电厂热效率一般供电效率为30343.供电煤耗率每供一千瓦时电所消耗的标准煤量大机组的供电煤耗率一般在312～360g/千瓦时例如一个1200MW的中型电厂，煤耗降低10克，每天可节省288吨标准煤。,不同蒸汽参数机组经济性比较锅炉出口参数,第二节锅炉设备一.锅炉概述电厂锅炉由锅炉本体和辅助设备组成。电厂锅炉机组是由锅炉本体、辅助系统和附属设备、锅炉附件等构成的。锅炉本体主要包括“锅”和“炉”，“锅”部分省煤器、汽包、下降管、水冷壁、过热器、再热器、进出口联箱及汽水联通管道等。“炉”部分炉膛、燃烧器、点火装置、空气预热器、烟道和风道等。,,,,此外，锅炉本体还包括用来固定和悬吊锅炉部件、受热面、炉墙等设备的构架包括平台扶梯。现代大型电厂锅炉机组的辅助系统和附属设备较多。辅助系统包括燃料供应系统、煤粉制备系统、给水系统、,通风系统、除尘除灰系统、吹灰系统，水处理系统、测量及控制系统等。各个辅助系统都配有相应的附属设备和控制装置。,,二、锅本体部件介绍1．省煤器省煤器是利用低温烟气加热给水的受热面，用来完成给水吸热的预热阶段，可以降低排烟温度、节省燃料、提高锅炉效率。大容量锅炉一般采用非沸腾式省煤器，即其出口水温低于给水压力下的饱和温度未饱和水，给水经省煤器加热后，再进入汽包到水循环系统。省煤器布置在锅炉的尾部烟道中，由许多并列蛇行钢管组成，成水平错列或顺列逆流布置如图1－10所示。,,2．汽包汽包是自然循环锅炉和控制循环锅炉蒸发设备中的重要部件，是汇集水和饱和蒸汽的一个厚壁圆筒形容器。其上半部是汽空间，下半部是水空问，水空间的高度就是水位。汽包布置在锅炉炉墙外、炉顶部不受热，一般采用优质碳钢或低合金钢制造。大容量锅炉的汽包，直径为1600～1800mm左右、长度与炉膛宽度基本相同。,汽包的主要作用⑴与下降管、水冷壁等构成水循环回路，接受省煤器来的给水，并向过热器输送饱和蒸汽，是预热、汽化、过热三阶段的连接枢纽；⑵汽包内储存有一定数量的饱和水及饱和汽，具有一定的蓄热能力，故可适应负荷的骤然变化，减缓汽压的波动，有利于锅炉的运行调节；⑶汽包内部有各种设备，进行汽水混和物的分离、清洗蒸汽，保证蒸汽品质如图1-11所示。,,3．下降管下降管的作用是把汽包中的水连续不断地供给水冷壁，布置在锅炉炉墙外不受热。大容量锅炉采用大直径下降管。4．水冷壁水冷壁是锅炉的蒸发受热面，依靠火焰对其的辐射传热，使未饱和水加热成饱和水，再部分蒸发成蒸汽。水冷壁由许多单排平行管通过上下联箱组成如同墙壁式的受热面，紧贴炉墙，布满炉膛的四周。现在的大容量锅炉均采用膜式水冷壁，可以减轻炉墙的重量和厚度如图112所示。,5．过热器过热器是将汽包引出的饱和蒸汽加热成为具有一定过热度的过热蒸汽的受对流过热器由许多根并列的蛇形管与进出口联箱组合而成，或做成多片管屏组合在一起，现在大锅炉多采用后者。对流式过热器按管内蒸汽与管外烟气的相对流向又可分为顺流、逆流和混合流等几种布置方。在烟温较高区域一般采用顺流布置或先逆流、后顺流的混合流布置，以避免管壁温度过高；在烟温较低区域则采用逆流布置，以获得较好的传热效果。,由于过热器内流经的是高压、高温的过热蒸汽，传热性能差，又处于高温烟气区，过热器的管壁温度高，运行中要严格控制汽温，不允许超温。过热器按换热方式不同，可以分为对流、辐射、半辐射三种型式。1对流过热器。对流过热器布置在水平烟道垂直布置或竖井烟道人口水平布置处，主要以对流换热方式吸收烟气的热量。图113所示为蛇形管对流式过热器。,,2半辐射式过热器。半辐射式过热器是指布置在炉膛出口处折焰角前方或上方的过热器，既能直接吸收炉膛火焰的辐射热又可以吸收烟气通过时的对流热，故称为半辐射式过热器。半辐射式过热器的结构为多片管屏型，如图114所示。每片管屏由若干根并联管子绕制并与联箱相焊接而成，联箱中间隔开，以形成进、出口联箱，管屏沿炉膛宽度方向均匀布置，相邻管屏间留有较大的间隔，以形成畅通的烟气通道，,,3辐射式过热器。辐射式过热器是能够直接吸收炉膛火焰辐射热而无烟气冲刷的过热器。通常悬挂在炉膛上前方空间，称为前屏过热器或称大屏、分隔屏，采用多片管屏型式。而在炉顶平铺的单层直管，管内流过的是过热蒸汽，故称为顶棚过热器，其吸收的热量并不多，主要作用是在其上面敷设耐火、保温材料，以形成封闭的轻型炉顶，与其类似的还有包覆管过热器即在水平烟道、竖井烟道的炉墙上平铺单层直管，用来提高烟道密封性。顶棚过热器与包覆管过热器都采用膜式结构。不同型号锅炉的过热器系统布置都有差别，现大容量锅炉的过热蒸汽流程大致如下,汽包引出的饱和蒸汽一包覆管过热器一低温对流过热器一顶棚过热器一前屏过热器一后屏过热器一高温对流过热器一去汽轮机高压缸做功。6．再热器随着初参数的提高，机组普遍采用中间再热循环，再热器的作用就是将汽轮机高压缸的排汽重新加热，使其温度提高后再回到汽轮机中低压缸继续膨胀做功。,再热器的结构与过热器类似，由于再热器中流过的是低压过热蒸汽，对管壁的冷却效果较差，以前国产锅炉的再热器一般布置在水平烟道后部或竖井烟道进口，为对流式布置。现引进型大容量锅炉，再热器不仅布置在水平烟道，还布置在炉膛内。炉膛内的再热器一般为单排管，垂直密排布置在炉膛上部、紧靠前墙和两侧墙水冷壁的向火面，直接吸收炉膛火焰辐射热，称为壁式辐射再热器。其他再热器可以做成与过热器类似的管屏结构后屏再热器或蛇形管结构对流再热器，悬挂在后屏过热器后面的水平烟道中。,过热器与再热器的布置1－对流式过热器2－屏式半辐射式过热器3－炉顶辐射式过热器4－对流式再热器,三、炉本体部分1．炉膛炉膛是由四周水冷壁、炉顶围成的供燃料燃烧的立体空间，为了使燃料的化学能尽可能完善地转换为烟气热能，炉膛内温度水平很高并有足够的空间让燃料完全燃烧，同时控制炉膛出口的烟气温度，保证炉膛出口及其以后受热面的安全。2．燃烧器燃烧器是将燃料及空气送入炉膛的设备。对于燃煤锅炉，主燃烧器是煤粉燃烧器，另有点火用的轻油燃烧器，助燃用的重油燃烧器。,煤粉燃烧器的结构和布置方式应保证煤粉和空气进入炉膛后混合充分，着火迅速，燃烧稳定。国内大锅炉大多选用直流燃烧器，采用四角布置、切圆燃烧方式。目前为了减少NO的排放，采用低NO燃烧器，即分级送风、分段燃烧的方式。3．空气预热器空气预热器是利用锅炉的低温烟气热量来加热燃烧用空气的热交换器。随着回热循环的应用，给水进入省煤器前已达到相当高的温度，省煤器出口烟气温度超过400％，采用空气预热器后，既能降低排烟温度110－150℃，又可以改善炉内燃料的着火和燃烧减少不完全燃烧损失，都可提高锅炉效率，成为现代锅炉不可缺少的重要受热面。,,空气预热器结构示意图,空气预热器,大锅炉多采用两台回转式空气预热器，对称布置在省煤器之后，为最后一级受热面，常把空气预热器和省煤器称为尾部受热面。省煤器、水冷壁、过热器、再热器、空气预热器是电站锅炉的五大受热面。四、锅炉主要辅助设备1．通风设备通风设备由送风机、引风机、风道、烟道、烟囱等组成。送风机的作用是把冷空气经空气预热器提高温度后再送入炉膛。引风机的作用是将炉膛内燃烧生成的烟气经烟道、各受热面及除尘器吸出，再经烟囱排人大气。,送、引风机是锅炉的重要辅助设备，一般各配备两台，采用平衡通风方式。其炉膛和烟道内呈微小负压，称为平衡通风负压锅炉，这是我国电厂燃煤锅炉普遍采用的通风布置方式。仅具有较强通风能力送风机的锅炉，其炉膛和烟道内的压力稍大于环境压力，称为微正压锅炉。2．除尘设备大锅炉常用干式静电除尘器。效率大于99％，清除排烟中的飞灰，减少对环境的污染。,3．制粉设备制粉设备是锅炉的主要辅助设备，也称为制粉系统，其作用是将原煤磨成合格的煤粉连续不断地供给锅炉，并根据锅炉负荷的需要随时调节燃料量的大小。制粉系统有直吹式和中间储仓式两种。直吹式制粉系统中，磨煤机出口的煤粉与空气混合物由排粉风机直接送入炉膛内燃烧；中间储仓式制粉系统中，磨煤机出口的煤粉与空气混合物由排粉机先进入旋风分离器，利用离心力将煤粉从空气中分离出来，储存在煤粉仓，再通过给粉机送入炉膛。现大锅炉多选用冷一次风正压直吹式制粉系统。,五、锅炉设备的规范和型号锅炉设备的生产能力、产品规范及运行效益通常用下列特性指标表明。1．蒸发量蒸发量亦称锅炉容量，指锅炉在安全经济条件下连续正常生产时每小时所生产的蒸汽量，亦即锅炉出口的蒸汽流量。额定工况和最大连续工况下每小时的产汽量，分别称为锅炉的额定蒸发量和最大连续蒸发量。通常所说的锅炉容量是指最大连续蒸发量MCR。,2.蒸汽参数锅炉蒸汽参数是说明锅炉蒸汽规范的特性数据，一般指锅炉过热器出口处的蒸汽温度和蒸汽压力表压力，分别用符号P和t表示，单位分别为MPa和℃。3．锅炉效率锅炉热效率是指锅炉有效吸热量占锅炉燃料输入热量的百分比，说明燃料热量的有效利用程度。目前大型锅炉的热效率一般都在90％以上。,,,锅炉型号是指锅炉产品的容量、参数、性能和规格，常用一组规定的符号和数字来表示。我国电厂锅炉型号一般用四组字码表示，其表达形式如下AA一／一／一△如SG一1025／18.3一555／555一M8第一组符号是制造厂家HG表示哈尔滨锅炉厂，SG表示上海锅炉厂，DG表示东方锅炉厂；第二组数字分子是锅炉容量，单位t／h，分母数字为锅炉出口过热蒸汽压力，单位MPa；第三组数字分子分母分别表示过热蒸汽温度和再热蒸汽温度，单位℃；最后一组中，符号表示燃料代号，而数字表示锅炉设计序号。煤、油、气的燃料代号分别是M、Y、Q，其他燃料代号是T。,六.锅炉分类锅炉的分类方法很多，主要有以下几种。1．按锅炉容量分类2．按锅炉的蒸汽压力分类我国300MW火力发电机组的锅炉绝大多数采用亚临界参数，只有少数采用超临界参数。亚临界压力锅炉都采用中间过热，即都装设有再热器。3．按炉内燃烧方式分类锅炉有四种不同的燃烧方式，对应于四种不同的锅炉，即火床炉、旋风炉、室燃炉和循环流化床炉，大型电厂锅炉通常采用室燃炉和循环流化床炉。1室燃炉。燃料以粉状、雾状或气态随同空气喷入炉膛中进行燃烧的方式称为火室燃烧方式，用火室燃烧方式来组织燃烧的锅炉称为室燃炉。如果是燃用煤的话，则称为煤粉炉,2循环流化床炉。流化床燃烧方式就是燃料颗粒在大于临界风速由固定床转化为流化床的风速的空气流速作用下，在流化床上呈沸腾状态的燃烧方式。这种燃烧方式有明显的优点，即能够燃用劣质煤和污染物排放少等，40多年来发展很快，应用范围已从中、小型的工业锅炉发展到较大型的电站锅炉。循环流化床锅炉性能在很多方面都可与煤粉炉相比美，在减少污染方面还优于煤粉炉，所以循环流化床锅炉出现以后，立刻受到国内外的高度重视，并得到迅速发展，可望成为新一代高效率、低污染的电站燃煤锅炉机组。特别在我国，电站锅炉以燃煤为主，而且主要是劣质煤，燃料量的增大会引起更大的环境污染问题，因此促进了此类锅炉的发展。下图为循环流化床锅炉的简图,4．按锅炉蒸发受热面内工质的流动方式分类按工质在蒸发受热面内的流动方式可以将锅炉分成自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉和复合循环锅炉。1自然循环锅炉蒸发受热面内的工质，依靠下降管中的水和上升管中的汽水混合物之间的密度差所产生的压力差进行循环的锅炉，称为自然循环锅炉。2控制循环锅炉控制循环锅炉都是在自然循环锅炉的基础上发展起来的，蒸发受热面内的工质除了依靠下降管中的水和上升管中的汽水混合物之间的密度差所产生的压力差以外，主要依靠锅水循环泵的压头进行循环的锅炉，称为控制循环锅炉。,3直流锅炉给水靠给水泵的压头，一次通过锅炉各受热面产生蒸汽的锅炉，称为直流锅炉，直流锅炉的特点是没有汽包，整台锅炉由许多管子并联，然后用联箱连接串联组成。在给水泵压头的作用下，工质依顺序一次通过加热、蒸发和过热受热面。进口的工质是水，出口工质则是符合设计要求的过热蒸汽。由于所有受热面内工质流动是靠给水泵的压头来推动的，所以在直流锅炉中，受热面中工质都是强制流动。直流锅炉既可用于临界压力以下的锅炉，又可用于临界压力以上的锅炉，而超临界压力时只能采用直流锅炉。,第三节汽轮机设备一、汽轮机的工作原理汽轮机是将蒸汽热能转换成机械功的高速旋转设备，具有功率大、效率高、结构简单、运转平稳的优点，是火电厂及核电厂中采用的原动机。汽轮机、燃气轮机、水轮机等都是涡轮机，它们最基本的原理与风车相同，利用工质的动能做功，即利用具有一定速度的工质冲动其转动部分，从而输出机械功。汽轮机的基本工作原理可用图117说明。,,,,具有一定压力和温度的蒸汽在汽轮机中先流过固定的喷嘴，蒸汽的压力、温度逐渐降低，体积不断膨胀，蒸汽的速度越来越高；从喷嘴中流出的高速蒸汽冲击在动叶片上，动叶片受到汽流的作用力带动叶轮和轴转动。蒸汽源源不断地从喷嘴中流出，推动汽轮机的转轴连续转动，将蒸汽的热能转换为轴旋转的机械能。因此，实现蒸汽热能到机械能的转换可分为两个阶段1在喷嘴中蒸汽的热力势能焓降转变为高速汽流的动能。2在动叶片流道中蒸汽的动能转变为旋转的机械能。,一列喷嘴和与之对应的一列动叶栅就组成了一个基本做功单元，称之为汽轮机的‘‘级”。,喷嘴,上述的能量转换，蒸汽仅在喷嘴中降压、降温、膨胀加速而在动叶流道内并不膨胀没有焓降加速，依靠汽流在动叶流道内改变汽流流动方向所产生的作用力使动叶栅带动转轴旋转，这种力称为冲击力。如果蒸汽在动叶流道内流动时，不仅改变流动方向面且膨胀加速，汽流不但给动叶一个冲击力，同时由于汽流加速还产生一个与汽流方向相反的作用力，称为反击力，此时，动叶栅是在汽流的冲击力和反击力的合力作用下带动转轴旋转的，如图118a所示,,只有一级的汽轮机叫做单级汽轮机，只能转换较小的蒸汽焓降，功率不大、效率也低。现代的汽轮机是由串联在同一轴上的若干个级组合而成，称为多级汽轮机。多级汽轮机的进汽参数高、蒸汽流量大，蒸汽依次流过每个级，逐级膨胀，最后以很低的压力排出，功率和效率远高于单级汽轮机。,,多级冲动式汽轮机,根据汽流在动叶流道内的膨胀程度和给予动叶作用力的形式，可将级分为三类1纯冲动级蒸汽在动叶流道内仅改变方向而不膨胀加速，动叶所受到的作用力仅为冲击力，级内蒸汽的焓降全部发生在喷嘴中。2反动级蒸汽在动叶流道内膨胀加速，动叶所受到的作用力为冲击力和反击力的合力，级内蒸汽焓降中有一半发生在喷嘴中，另一半发生在动叶流道内。3冲动级介于上述两种级之间的一种级，级的大部分焓降发生在喷嘴中，只有一小部分焓降发生在动叶流道内。,上述三种级中，纯冲动级的做功能力最大，但级效率最差；反动级的级效率高、做功能力较小；冲动级则介于两者之间，兼有做功能力大和级效率高的特点。因此冲动级在国产汽轮机尤其是中小型机组中得到了广泛的应用。但在近些年直接引进的设备或引进技术在国内生产的300MW以上的大型汽轮机中，则着重于级效率的进一步提高而较多地采用反动级。,二、汽轮机设备的组成及工作过程汽轮机设备由汽轮机本体和汽轮机辅助设备两部分组成，如图1一19所示。汽轮机本体由静止部分、转动部分、主汽门、调节汽门等组成。汽轮机辅助设备主要包括凝汽设备、回热加热设备、调节保安装置、供油系统等。汽轮机本体及其辅助设备由管道和阀门连成一个整体，称为汽轮机设备。汽轮机与发电机的组合称为汽轮发电机组。,,锅炉来的高温高压的蒸汽流经主汽阀、调节阀进入汽轮机，在压力差的作用下蒸汽依次通过各级向排汽口处流动。在流动中，蒸汽的压力、温度逐级降低，逐级将热能转变为机械能能。压力、温度已很低的汽轮机的排汽乏汽，进入凝汽设备，被冷凝成凝结水后送往低压加热器加热，进入除氧器除去水中所含的气体，经给水泵升压再由高压加热器加热后送回锅炉循环使用。此外，汽轮机的调节系统用来调节进汽量，以适应外界负荷的变化，保证供电的数量和质量。保护装置则用于监测汽轮机的运行，在危急情况下保证汽轮机的安全。调节系统和保护装置中用来传递信号和操纵有关部件的压力油，以及用来润滑和冷却汽轮机各轴承的用油，都是来自汽轮机的油系统。,三、汽轮机本体主要结构汽轮机本体由静止、转动两大部分组成。静子主要包括汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承等转子主要包括主轴、叶轮、动叶、联轴器等。1．汽缸汽缸是汽轮机的外壳，其作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开，形成蒸汽进行能量转换的封闭汽室。,,汽缸的外观一般呈圆锥形或圆筒形，为便于加工、安装、检修，汽缸一般从水平面中分面分成上下两半，即上汽缸和下汽缸，上下缸之间通过法兰水平结合面用螺栓连接。内部有喷嘴、隔板、汽封等零部件，外部与进汽管、抽汽管、排汽管、疏水管等相接。运行时，汽缸要承受内外的压力差和温度差，缸壁应有一定的厚度，保证其刚度和强度。随着参数的提高，缸壁和法兰要做得很厚，汽轮机启停时会产生较大的温差热应力。,因此大型汽轮机的汽缸采用双层或多层结构，形成内缸和外缸，如图121所示。2．喷嘴与隔板喷嘴也称静叶片，每两片组成喷嘴流道，蒸汽在其中完成热能到动能的转换。第一级的喷嘴分成4组或6组布置在对应的喷嘴室出口，由相应的调节阀门分别控制进入汽轮机的蒸汽流量来调节功率，就称该级为调节级，以后各级统称为压力级。冲动级喷嘴装在隔板上并将各级分开，隔板同样分成上下两半固定在上下汽缸内如图l一22所示。,,3．转子汽轮机的转动部分总称为转子。冲动式汽轮机的转子为叶轮式结构由主轴、叶轮、动叶片等组成；反动式汽轮机因在动叶中有较大的焓降，动叶两侧有较大的压力差，不宜采用叶轮式转子而为转鼓式结构，由转鼓和动叶片等组成，没有叶轮。汽轮机转子按结构可分为套装转子、整锻转子和焊接转子三种基本类型如图123所示。套装转子冲动式的主轴和叶轮分别加工，工艺简单、造价低，但在高温下叶轮有松脱的问题，可用于冲动式汽轮机的中低温段、低压转子。现代高参数大功率汽轮机，,,一般采用合金钢整锻转子或轴向分段、整体锻造再组合焊接在一起的转子，前者居多。整锻转子除动叶片以外的主轴和叶轮或转鼓是用一个锻件整体加工而成的，因此不存在高温下叶轮松脱的问题，且结构紧凑，可使轴向长度缩短。但整锻转子的制造工艺复杂、造价高。目前，国产引进型300MW、600MW汽轮机的高、中、低压转子均为整锻转子。,动叶片是汽轮机重要的工作部件，相邻的两个动叶片构成一个动叶流道。由喷嘴射出的高速汽流进入动叶流道，推动动叶片旋转，进而带动主轴旋转，使蒸汽动能转变为机械功。动叶片见图124由叶根、叶型叶身或称工作部分和连接件围带或拉筋组成。许许多多的动叶片以同样的间隔和角度通过叶根安装在叶轮的轮缘或转鼓上，排列成动叶栅，形成汽轮机的一级动叶流道。叶型则决定动叶流道的形状，冲动式叶型之间构成的流道截面变化较小,,由于蒸汽比容随其压力的逐渐降低而迅速增大，蒸汽的容积流量也将逐渐增大，因而要求动叶长度也随之逐级增大。这样，前几级叶片很短，末几级叶片很长，通流部分呈渐扩形。对长叶片，所受到的离心力较大且叶根与叶顶的圆周速度相差大，因此为保证动叶强度以及蒸汽沿叶高各处有良好的流动，长叶片均按等强度原理设计成变截面扭曲叶片。短叶片可采用直叶片即等截面叶片，当然所有叶片都采用扭叶片最合理。,4．汽封汽轮机的动、静之间必须留有一定的间隙，在压力差的作用下会形成漏汽，即漏汽损失。汽封就是各动、静间隙处装设的密封装置，由很多薄金属片与主轴的凹凸处形成多个曲折间隙，以减少漏汽。隔板内孔与主轴间的汽封称为隔板汽封；动叶片的顶部、根部与静子间的径向、轴向汽封称为叶片汽封；转子穿出汽缸两端处的汽封称为轴端汽封轴封，高压端轴封防止蒸汽外漏，低压缸排汽端轴封防止空气漏入汽轮机。,5．轴承轴承有支持轴承和推力轴承两种。支持轴承用于支持整个转子的重量以及由于转子质量不平衡所引起的离心力，并固定转子的径向位置，使转子中心与汽缸中心保持一致；推力轴承则用于承受转子上的轴向推力，并确定转子的轴向位置，以保持动、静之间合理的轴向间隙。由于汽轮机的重量及轴向推力很大、转速很高，故其轴承不是通常的滚珠轴承而采用油膜润滑的滑动轴承，依靠油膜压力来平衡作用力。6．联轴器及盘车装置,联轴器也叫靠背轮，其作用是将汽轮机的高、中、低压转子以及发电机转子连接成一个整体。汽轮机启动前，需通过转子的低速转动以检查动、静部件是否存在碰撞和摩擦，汽轮机停机后，为使转子在上下温度不同的汽缸内受热均匀，避免转子冷却不均而产生大轴弯曲，也要保持转子的低速转动。盘车装置就是能够人为盘动转子的一套装置，一般由电动机、蜗轮蜗杆及减速齿轮组、离合器等部件组成。,四、汽轮机的调节与保护系统1．汽轮机的调节系统由于电能还不能大量储存，而用户的电负荷随时在不断变化并对电的质量电压和频率要求越来越高，因此发电设备必须根据用户的需要，随时调节供电数量并保证供电质量。汽轮机的调节系统就是根据电负荷的大小自动改变进汽量，调整汽轮机的输出功率以满足用户数量上的需求；控制转速在额定范围以保证供电质量。,当汽轮发电机组的发电量等于外界用户的用电量时，处于能量平衡状态，汽轮机保持一定负荷在额定转速下稳定运行，如果外界用户的用电负荷增大或减小，平衡状态被打破，汽轮机转速将随之减小或增大，因此发电量与用电量的平衡就反映在转速的变化上，如转速降低说明用电量大于发电量，汽轮机需要增加进汽量增大机组的发电量，重新回到平衡状态。汽轮机的调节系统的实质就是转速调节，其基本原理是利用转速的变化作为调节信号，通过调节系统各部件的一系列连锁反应，最终改变汽轮机进汽量，以适应外负荷的变化。,目前大型汽轮机采用数字电液调节系统DEH2．汽轮机的保护装置为保证汽轮发电机组安全运行，设有必要的保护系统，在事故或异常情况下及时切断汽源关闭高中压主汽门和调节汽门，系统主要由超速110％。114％额定转速保护和参数超限保护组成。五、汽轮机的主要辅助设备1．凝汽设备凝汽设备是凝汽式汽轮机必不可少的辅助设备，作用1.建立和保持汽轮机排汽口的高度真空，获得较高的循环热效率；2.回收汽轮机排汽凝结的水，作为锅炉给水循环使用。,凝汽设备主要包括凝汽器、抽气器、凝结水泵等，其系统
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