-
第一章热科学基础
1.1
工程热力学基础
热力学是一门研究能量储存、转换及传递的科学。能量以内能（与温度有关）、动能（由物体
运动引起）、
势能（由高度引起）和化学能（与化学组成相关）的形式储
存。不同形式的能量可以相互转化，
而且能量在边
界上可以以热
和功的形式进行传递。
在热力学中，我们将推导有关能量转化
和传递与物性参数，如温度、压强及密度等关系间的方程。因此，在
热力学中，物质及其
性质变得非常重要。许多热力学方程都是建立在实验观察的基础之上，而且这些实验观
察
的
结果已被整理成数学表达式或定律的形式。其中，热力学第一定律和第二定律应用最为
广泛。
1.1.1
热力系统和控制体
热力系统是一包围在某一封闭边界内的具有固定质量的物质
。系统边界通常是比较
明显的（如气缸内气
体的固定边界）。然
而，系统边界也可以是假想的（如一定质量的流体流经泵时不
断变形的边界）。
系统之外的所有物质和空间统称外界或环境。热力学主要研究系统与外界或系统与系统
之间的相互作用。
系统通过在边界上进行能量传
递，从而与外界进行相互作用，但在边界上没有质量交换。当系统与外界间没有
能
量交换时，这样的系统称为孤立系统。
在许
多情况下，当我们只关心空间中有物质流进或流出的某个特定体积时，分析可以得到简化。这样的特定
体积称为控制体。例如泵、透平、充气或放气的气球都是控制体的例子。包含控制体的表面称为控制 表面。
因此，对于具体的问题，我们必须确定是选取系统作为
研究对象有利还是选取控制体作为研究对象有利。
如
果边界上有
质量交换，则选取控制体有利；反之，则应选取系统作为研究对象。
1.1.2
平衡、过程和循环
对于某一参考系统，假设系统内各点温度完全相同。当物质内部各点的特性参数均
相同且不随时间变化时，则称系统处于热力学平衡状态。当系统边界某部分的温度突然上升时，则系 统内
的温度将自发地重新分布，
直至处处相同。
当系统从一个平衡状态转变为另一个平衡状态时，系统所经历的一系列由中间
状态组成的变化历程称为过程。
若从一个状态到达另一个状态的过程中，始终无限小地偏
离平衡态，则称该过程为准静态过程，可以把其中任一个
中间状态看作为平衡状态。准静
态过程可近似视为许多过程的叠加结果，而不会显著减小其精确性，
例如气体在内
燃机内的压缩和膨胀过程。如果系统经历一系列不平衡状态（如燃烧），从一个平衡状态转变为
另一个平衡状态，
则其过程为非平衡过程。
< br>当系统从一给定的初始状态出发，经历一系列中间过程又回到其初始状态，则称系统经历了一个循环。
循环
结束时，系统中的各参数又与初始参数相同。
< br>
在任一特性参数名称前加上前缀
iso-
，表示该参数在整个过程保持不变。等温（
isothermal
）过程中温度
保持
不变；等压（
< br>isobaric
）过程中压强恒定；等容（
isome
tric
）过程中体积保持不变。
1.1.3
纯物质的气
-
液相平衡
如图
1-1(
a)
所示，由活塞和气缸组成的装置中装有
1k
g
水。假定活塞和其上的重物使气缸内压强维持在
1
<
/p>
0.1Mpa
，初始温度
20
℃。当有热量开始传递给水时，缸内水温迅速上升，而比容略有增加，气缸内压强保持恒定
不变。当水温达到
99.6
℃时，如若再增加传
热量，水将发生相变，如图
1-1(b)
所示。也就是说，一部
分水开始气
化变为蒸汽，在此相变过程中，温度和压强始终保持不变，但比容却有大幅度
的增加。当最后一滴液体被气化时，
进一步的加热将使蒸汽温度和比容均有所增加，如同
1-1(c)
所示。
在给定压强下发生气化的温度称为饱和温度，压强称为给定温度下的饱和压强。因此，
< br>99.6
℃水的饱和压
强
是
0.1MPa
，
0.1MPa
水的饱和温度为
99.6
℃。
如果某一工质为液态并处于其饱和温度和饱和压强下，则称该液体为饱和液体。如果
液体温度低于当前压
强下的饱和温度，则称该液体为过冷液体（表明液体的当前温度低于
给定压强下的饱和温度）或压缩液体（表
明
液体的当前压强大于
给定温度下的饱和压强）。
若某一工质在饱和温度下以液、气
共存的形式存在，则称蒸汽质量与总质量之比为干度。因此，如图
1-1(b)
所示，若蒸汽质量为
0.2kg
，液体质量为
0.8kg
，则其干度为
0.2
或
20%
。干度只有在饱和状态下才有意义。
若
某一工质处于饱和温度下并以蒸汽形态存在，则称该蒸汽为饱
和蒸汽（有时称为干饱和蒸汽，意在强
调其干度为
100%
）。当蒸汽温度高于其饱和温度时，则称之为过热蒸汽。过热蒸汽
的压强和温度是彼此独立的，
因为温度上升时，压强可能保持不变。
在图
1-2
所示的温度
-
比容图上作等压线，表示水由初压
0.1MP
a
、初温
20
℃被加热的过程。点
A
代表
初始状态，点
B
为饱和液态（
99.6
℃），线<
/p>
AB
表示液体由初始温度被加热至饱和温度所经历的过程。点
C
表示
饱和蒸汽状态，线
< br>BC
表示等温过程，即液体气化转变为蒸汽的过程。线
C
D
表示在等压条件下蒸汽被加热
至过热的过程，在此过程中，温
度和比容均增大。
类似地，线
IJK
L
表示压强为
10MPa
下的等压线，
相应的饱和温度为
311.1
℃。但是，在压强为
22.09MPa
条件下（线
MNO
），不存在等温蒸发过程。相反，点
N
是个转折点，在
该点上，切线斜率为零，通
常把
N
点<
/p>
称为临界点。在临界点处，饱和液体和饱和气体的状态都是相同的。临界点下的温度、压强
和比容分别
称为临界温度、临界压强和临界比容。一些工质的临界点数据如表
1-1
所示。
1.1.
4
热力学第一定律
通常把热力学第一定律称为能量守恒定律。在
基础物理课程中，能量守恒定律侧重动能、势
能的变化以
及和功之间的相互关系。更为常见的能量守恒形式还包括传热效应和内能的变化。当然，也包
括其它形式的能，
如静电能、磁场能、应变能和表面能。
历史上，用热力学第一定律来描述循环过程：净传热量等于循环过程中对系统所做的净功。<
/p>
1.1.5
热力学第二定律
热力学第二定律有多种表述形式。在此列举两种：克劳修斯表述和凯尔文
-
普朗克表述。
克劳修斯表述
：制造一台唯一功能是把热量从低温物体传给高温物体的循环设备是不可能的。以冰箱（或
热泵）为例，不可能制造一台不用输入功就能把热量从低温物体传给高温物体的冰箱，如图
1-3(a)
所示。
< br>凯尔文
-
普朗克表述
：制造一台
从单一热源吸热和做功的循环设备是不可能的。
2
换句
话说，制造这样一台从某一热源吸热并对外做功，而没有与低温热源进行换热的热机是不可能的。因此，
该表述说明了不存在工作效率为
100%
的热机
，如图
1-3(b)
所示。
1.1.6
卡诺循环
卡诺机是低温热源和高温热源间运行效率最高的热机。卡诺机是一个理想热机，利用多个可逆过程组成一
循环过程，该循环称为卡诺循环。卡诺机非常有用，因为它的运行效率为任何实际热机最
大可能的效率。因此，
如果一台实际热机的效率要远低于同样条件下的卡诺机效率，则有
可能对该热机进行一些改进以提高其效
率。
< br>理想的卡诺循环包括四个可逆过程，如图
1-4
所示：<
/p>
1→2
等温膨胀；
2→3
绝热可逆膨胀；
3→4
等温压缩；
4→1
可逆绝热压缩。卡诺循环的效率为
?
?
1
?
T
L
T
H
注意，提高
T
H
（
提高吸热温度）或降低
T
L
（降低放热
温度）均可使循环效率提高。
1.1.7
朗肯循环
(1-1)
我们所关心的第一类动力
循环为电力生产工业所采用的，也就是说，动力循环按这样的方式运行：工质发
生相变，
由液态变为气态。最简单的蒸汽
-
动力循环是朗肯循环，如图<
/p>
1-5(a)
所示。朗肯循环的一个主要特征是泵
耗费很少的功就能把高压水送入锅炉。其可能的缺点为工质在汽机内膨胀做功后，通常进入湿蒸汽区，形
成可能
损害汽轮机叶片的液滴。
朗肯循环是一个理想循环，其忽略了四个过程中的摩擦损失。这些损失通常很小，在初始分析
时可完全忽
略。朗肯循环由四个理想过程组成，其
T
-
s
图如图
1-5(b)
所示：
1→2
为泵内等熵压缩过程；<
/p>
2→3
为炉内定压吸热
过程；
3→4
为汽轮机内等熵膨胀做功过程；
4→1
为凝汽器内定压放热过程。
泵用于提高饱
和液体的压强。事实上，状态
1
和状态
2
几乎完全一样，因为由
2
点开始的较
高压强下
的
吸热过程线非常接近饱和曲线，图中仅为了解释说明
的需要分别标出。锅炉（也称蒸汽发生器）和凝汽器均为
换热器，它们既不需要功也不产
生功。
如果忽略动能和势能的变化，输出的净功等于
T
-
s
图曲线下面的面
积，即图
1-5(b)
中
1-2-3-
4-1
所包围
的面积，由用热力学第一定律可证明
W
net
?
Q
net
。循环过程中工质的吸热量对应面积
a-2-
3-b-a
。因此，朗肯循
环的热效率可表示为
?
?
面积
< br>1
?
2
?
3
?
4
?
1
面积
a
?
2<
/p>
?
3
?
b
?
a
(1-2)
即，热效率
?
等于输出能量除以输入能量（所购能量）。显然，通过增大分子或减小分母均可以提高热效率。这< /p>
可
以通过增大泵出口压强
p
2
，提高锅炉出口温度
T
3
，或降低汽机出口压强
p
4
来实现。
1.1.8
再热循环
对于一个处于高锅炉压强和低凝汽器压强条件下的朗肯循环，显然，很难阻止液滴在汽轮机低压部分的形
成。由于大多数金属不能承受
600
℃
以上的高温，因此，通常采用再热循环来防止液滴的形成。再热过程如
3
<
/p>
下：经过汽轮机的部分蒸汽在某中间压强下被再热，从而提高蒸汽温度，直至达到状态
5
，如图
1-6
所
示。然
后
这部分蒸汽进入汽轮机低压缸，而后进入凝汽器（状态
6
）。再热循环方式可以控制或者完全消除汽轮机中的
湿
蒸汽问题，因此，通常汽轮机分成高压缸和低压缸两部分。虽然再热循
环不会显著影响循环热效率，但带来了显
著的额外的输出功，如图
1-6
中的面积
4-5-6-4
?<
/p>
-4
所示。当然，再热循环需要一笔可观的投资来购置额外的设备
，
这些设备的使用效果必须通过与多增加的输出功进行经济性分析来判定。如果不采用再
热循环来避免液滴的形成，
则凝汽器出口压强必须相当地高，因而导致循环热效率较低。
在这种意义上，与无再热循环且高凝
汽器出口压强
的循环相比，
再热可以显著提高循环效率。
1.2
流体力学基础
流体运动表现出多种不同的运动形式。有些可以简单描述，而其它的则需要完全理解其内在的物理规律。
在
工程应用中，尽量简单地描述流体运动是非常重要的。简化程度通常取决于对精确度的
要求，通常可以接受
±
10%
左右的误差，而有些工程应用则要求较高的精度。描述运动的一般性方程通常很难求解，因此，
工程师有责
任了解可以进行哪些简化的假设。当然，这需要丰富的经验，更重要的是要深
刻理解流动所涉及的物理内涵。
一些常见的用来简化流动状态
的假设是与流体性质有关系的。例如，黏性在某些条件下对流体有显著的影
响；而在其它
条件下，忽略黏性效应的影响可以大大地简化方程，但并不会显著改变计算结果。众所周知，气体
速度很高时必须考虑其压缩性，但在预测风力对建筑物的影响程度，或者预测受风力直接影响的其它物理
量时，
可以不计空气的压缩性。学完流体运动学之后，可以更明显地看出采用了哪些恰当
的假设。这里，将介
绍一些重
要的用来分析流体力学问题的一般
性方法，并简要介绍不同类型的流动。
1.2.1
拉格朗日运动描述和欧拉运动描述
描述流场时，将着眼点放在流体质点上是
非常方便的。每个质点都包含
了微小质量的流体，它由大量分
子组成。质点占据很小的体积，并随流体流动而移动。对不可压缩流体，其体积大小不变
，但可能发生形变。对
可压缩流体，不但体积发生形变，而且大小也将改变。在上述两种
情况下，均将所有质点看作一个整体在流
场中
运动。
质点力学主要研究单个质点，质点运动是时间的函数。任一质点的位移、
速度和加速度可表示为
s
(
x
0
,
y
0
,
z
0
,
< br>t
)
，
V
(
x
0
,
y
0
,
z
0
,
t
)
，
a
(
x
0
,
y
0
,
< br>z
0
,
t
)
，其它相关参量也可计算。坐标
(
x
0
,
y
0<
/p>
,
z
0
)
表示质点的起始位置，也是每个质点的
名字。
这就是拉格朗日运动描述，以约瑟夫
?
Ｌ
?
拉格朗日的名字命名，该描述方法通常用于质点动力学分析。拉格朗日法
跟踪多个质点的运动过程并考虑质点间的相互作用。然而，由于实际流体包含质点数目巨大，因而采
用拉格朗日法研究流体流动则非常困难。
与分别跟踪每个流体质点不同的另一种方法是将着眼点放在空间点上，
然后观察质点
经过每个空间点时
的质点速度，由此可以得到质点流经各空间
点时的速度变化率，即
?
V
/
?
x
，
?
V
/
?
y
< br>，
?
V
/
?
z
；还可以判断某一点上的
速度是
否随时间变化，即计算
?
V
/
?
t
。这种描述方法称为欧拉运动描述，以莱昂
哈德
?
欧拉的名字命名。在欧拉法中，
速度等流动参数是空间和时间的函数。在直角笛卡儿坐标系中，速度表示为
V
=
V
(
x
,
y
,
z
,
t
)
。我们所研究
的流动区域
称为流场。
1.2.2
迹线和流线
4
<
/p>
可采用两种不同的流动线来帮助我们描述流场。迹线是某一给定质点在流场中运动时所经过
的不同空间
点
形成的轨迹，它记录了质点的
―
历史
‖
位置。一定曝光时间下可
以拍得发亮粒子的运动迹线。
流线是流场中具有这样特性的线
：任一质点在流线上某点处的速度矢量与该流线相切，即
V
?<
/p>
d
r
=0
。这是
因
为
V
和
d
r
具有相同的方向，而具有相同方向的两
个矢量的叉乘积等于零。同迹线相比，流线不能直接由相
机拍摄获得。对于一般的非定常
流动，根据大量质点的短迹线相片可以推断出流线的形状。
1.2.3
一维、二维和三维流动
<
/p>
一般来说，欧拉运动描述中的速度矢量取决于三个空间变量和时间变量，即
V
=
V
(
x
,
y
,
z
,
t
)
。这
样的流动
称为三维流动，因为速度矢量依赖于三个空间坐标。三维流动的求解非常困难，
并且也超出了序言的范围。即
使
假设流动为定常的（如，
V
=
V
(
x
,
y
,
z
)
），该流动仍为三维流动。
三维流动常常可以近似成二维流动。例如，对于一个很宽的大坝，受坝两端条件的影
响，水流经大坝时的
流动为三维流动；但远离坝端的中间部分的流动可看作是二维的。一
般来说，二维流动是指其速度矢量只取决于
两个空间坐标的流动。平面流动即是如此，速
度矢量只依赖于
x
，
y
两个空间坐标，而与
z
坐标无关（如，
V
=
V
(
x
,
y
)
）。
一维流动的速度矢量只依赖于一个空间坐标。这类流动常
发生在长直管内和平行平板间。管内流动的速度
只随到管轴的距离变化，即
u
=
u
(
< br>r
)
。平行平板间的速度也只与
y
坐标有关，即
u
=
< br>u
(
y
)
。即使流动为非定常流动，
如启动时的情形，
u
=
u
(
y
< br>,
t
)
，但该流动仍是一维的。
对于完全发展的流动，其速度轮廓线并不随流动方向上的空间
坐标而改变。这要求研究区域要远离入口处
或几何形状突然改变的区域。有许多流体力学
方面的工程问题，其流场可以简化为均匀流动：速度和其它流体特
性参数在整个区域内均
为常数。这种简化只对速度在整个区域内均保持不变时才成立，而且这种情况非常普遍。
例如：管内的高速流动和溪水的流动。平均速度可能从一个断面到另一个断面有所不同，而流动条件仅
取决于流
动方向上的空间变量。
1.2.4
牛顿流体和非牛顿流体
牛顿流体是指应力与
变形率关系曲线为过坐标圆点的直线的流体。直线的斜率称为黏
度。用
< br>τ
=
μ
d
u
/d
y
这个
简单的关系式来描述牛顿流体的特性。
τ
< br>为流体施加的切向应力，
μ
为流体的动力黏度，
d
u
/d
y
为垂直于切应力
方向
上的速度梯度。
如果流体不满足上述关系式，则被称为非牛顿流体，它包括以下几种类型：
聚合物溶液、聚合物熔体、固体
悬浮物和高黏度流体。在非牛顿流体中，切向应力和变形
率成非线性关系，甚至可能是非定常的，因此不能定义
恒定的黏度系数。但可以定义切向
应力和变形率的比值
(
或随切向应力变化的黏度
)
，这个概念对不具有时
间相关
性行为的流体非常有用。
1.2.5
黏性和非黏性流动
流体的流动可大致分为黏性流动和非黏性流动。非黏性流动是指黏性
作用对流动的影响很
小、可被忽略的
流动。而在黏性流动中，黏度的影响极为重要，不容忽视。
5
为了模拟分析非黏性流动，简单地
让黏度为零即可，这显然忽略了一切黏性作用。在实验室中，制造非黏性
流动则非常困难
，因为所有的流体（例如水和空气）都有黏性。然后问题变为：是否存在我们感兴趣的、且黏性
< br>影响微乎其微的流动？答案是：
―
存在，只要流动中的切
向应力很小，而且其作用范围小到不会显著影响流
场就
可以
‖
。当然，这种描述非常笼统，需要大量的分析以证明无黏性流动假
设是正确的。
根据经验，发现可以用于模拟非黏性流动的基本
流动为外部流动，即存在于物体外部的流动。非黏性流动对
于绕流线型物体的研究非常重
要，如绕流机翼或水翼。任何可能存在的黏性影响只限于薄薄的一层之内，称之为
边界层
，它紧贴物体的表面，如图
1-7
所示。受黏性的影响，边界层
内固定壁面处的速度始终为零。对于许多流
动情形，边界层非常薄，当研究绕流线型流动
的总体特征时，可以忽略边界层的影响。例如，对绕翼型的流动，
除了边界层内和可能接
近尾缘的区域之外，非黏性流动解与实际情况非常吻合。管道系统中收缩段的
流动，以及
内部流动中黏性影响均可忽略不计的小段区域都可简化成非黏性流动。
< br>
内流中的很大一部分情形都属于黏性流动，如管道流、暗渠流以及明渠流。在这
些流动中，黏性作用造成相当
大的
―
损
失
‖
，以此解释了管道输运石油和天然气必定耗费大量的能源。
无滑移条件使得壁面处的速度为零，
由此产
生的切应力，直接导
致这些损失的产生。
1.2.6
层流
和紊流
黏性流动可分为层流和紊流。在层流中，流体与周围流体质点无明显的混合。如果
在流动中注入
染料，除
了分子运动的
影响外，流体质点不与周围流体混合，并将在相当长的一段时间内保持其状态。黏性切应力始终
< br>影
响层流流动。层流可以是高度非定常的，也可以是定常的。
在紊流中，流体运动作不规则地变化，速度和压强等参数的大小在时间和空间坐标
上呈现随机变化，这些物
理量往往通过统计平均值来描述。在这个意义上，可定义
―
定常
‖
紊流：即时
均值不随时间变化的紊流。注入紊流
中的染料在流体质点随机运动的作用下，迅速与周围
流体进行掺混，染料在此扩散过程中很快就会消散而变得无
法识别。层流和紊流可用一个
水龙头进行简单实验来观察其流动状态。打开水龙头，这时的水流正如静静的小溪
一样，
流动得非常缓慢，此时的流动状态就是层流；慢慢开大水龙头，观察到流动逐渐变得紊乱。注
意，紊流从
相对较小的流量下开始发展而成。
流动状态依赖于三个描述流动条件的物理参数。第一个参数是流场的特征长度，如边界层厚度或管道 直径。如
果这个特征长度尺度足够大，流动中的扰动可能会逐渐增大，从而使得流动转变
为紊流。第二个参数是特征速度，
如空间平均流速，足够大的流速将导致紊流的产生。第
三个参数是运动黏度，流体的黏性越小，紊流的
可能性越
大。<
/p>
上述三个参数可以整理成一个参数，用于预测流动状态。这个参
数就是雷诺数，以奥斯本
?
雷诺的名字命名，该
参数为无量纲参数，定义为
Re=
VL
/
?
，式中，
L
和
V
分别为特征长度和特征速度，
< br>?
为运动黏度。例如，在管
道流
中，
L
为管径，
V
为平均速度。如果雷诺数相对较小，流动为层流；如果雷诺数较大，则为紊流。通过定义临
< br>界雷诺数
Re
crit
，可更加
精确地进行表述，当
Re
crit
，流动为层流。例如，粗糙管内的流动，其
Re
crit
≈2000
，
这也
是最低的临界雷诺数，并适用于大多数工程应用。如果管壁极为光滑且无振动，由于流动中脉动水平的减
6
弱而使临界雷诺数可能增大，曾经
实测到
40000
以上的临界值。采用不同的特征尺寸计算所得
临界雷诺数将有所
不同，例如，用平均速度和平板之间的距离计算得到的平行板间流动的
临界雷诺数为
1500
。
对于平板上的边界层，由于来流为均匀来流，其特征长度随到前缘点的距离
x
而变化。计算雷诺数时采用
长
度
x
作为特征长度。在某一特定的
x
T
下，
Re
变为
Re
crit
，流动从层流过渡到紊流。处于
均匀流中的光滑刚性
平板，且自由来流的脉动水平较低时，已观测到的临界雷诺数高达<
/p>
10
6
。在大多数工程应用中，通常假设
壁面为
粗糙壁面，或者自由来流的脉动水平较高时，相应的临界雷诺数约为
3×
10
5
。
1.2.7
不可压缩和可压缩流动
<
/p>
如果任一流体质点在通过流场时密度保持相对恒定，即
D
?
/D
t
=0
，则该流动为不可压缩流动。这并不要求各
处的密度值均相等。如果流场
中各处的密度值均相等，则很明显，流动是不可压缩的，但那是一种更加严格的情
况。密
度发生变化的不可压缩流动的例子有大气流动，
?
=
?
(
z
)
，
z
为垂直方向的坐标，以及江河流入海洋时
淡水与
盐水相邻的分层流动。
除液体流动之外，低速气体流动也被视为不可压缩流动，例如上文提到的大气流动。马赫数，以厄恩斯特
?
马
赫的名字命名，定义为
M
=
V
/
c
，
V
是气体流速，波的传播
速度为
c
?
?
RT
。如果
M
＜
0.3
，密度的最大变化
为
3%
，此时流动可认为不可压缩的；对于标
准状态下的大气，这种情况对应的气体流速低于
100m/s
。
如果
M
＞
0.3
，密度的变化将影响流动，则必须考虑流体压缩性带来的影响，这样的流动就是可压缩流动。
不可压缩
的气体流动包括大气流动、商用飞机着陆和起飞时的气体流动、供暖和
空调系统中的气流、绕流
汽车周围的流动、通过散热器的气流
以及绕流建筑物的气体流动等等，不胜枚举。可压缩流动包括高速飞行器周
围的气体流动
，通过喷气式发动机的气体流动，电站中通过汽轮机的蒸汽流动，压缩机中的气体流动以及内
燃机
中空气和燃气混合物的流动。
1.3
传热学基础
传热学是一门研究在存在温差的物体间发生
能量传递的科学。热力学中将这种方式传递的能量定
义为热量。
传热学不仅可以解释热量传递是如何传递的，而且可以计算在特定条件下的传热速率。事
实上，传热速率正是一
个分析所期望的目标，它指明了传热学和热力学间的差别。热力学
处理的是平衡状态下的系统，它可计算当系统
从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态时所
需要的能量，但不能解决系统处于过渡过程的非平衡状态时能量变化
的快慢程度。传热学
提供了可用于计算传热速率的实验关联式，从而对热力学第一定律和第二定律进行
补充。
这
里，我们介绍热量传递的三种方式和不同型式的换热器。
1.3.1
热传导
< br>当物体内部存在温度梯度时，经验表明，就有能量从高温区向低温区传递。我们说，此时的能量通过传导< /p>
进行传递，单位面积上的传热速率与
法向温度梯度成正比，即
q
/
A
~
?
T
/
?
x
。引入比例系数，则有
q
??
?
A
?
T
?
x
(1-3)
其中
q
是热流量，
?
T
/
?
x
是热流方向上的温度梯
度，正常数
?
称为材料的导热系数。方程中插入的负号表示热传
7
导过程
应满足热力学第二定律，即热量必须沿温度降低的方向传递。式
(1-3)
称为傅立叶导热定律，以法国数理学
家约瑟夫
?
傅立叶的名字命名，傅立叶在导热的分析处理方面做出了极其重大的贡献。值得注意的是，式
(1-3)
也是
导热系数的定义式，在
典型的单位体系中，当热流量
q
的单位为
W
时，
?
的单位为
< br>W/(m
?
℃
)
。
1.3.2
对流换热
众所周知，与热金属板放置在静止的空气中相比，放置在转动的风扇前的热金属板会更快地冷却。我们说
热
量通过对流进行传递，称此类换热过程为对流换热。对流这个术语给读者提供了有关传
热过程的直观概念，然而，
必须扩展这种直观概念，使我们可以达到对某一问题进行充分
的分析和处理。例如，我们知道流过热平板的空气
速度会明显影响其传热量，但它是以线
性方式影响冷却的吗？即如果速度增加一倍，传热量也会增加一倍吗？我
们猜想，如果用
水代替空气冷却热平板，传热量可能有所不同，但是，二者的差异会有多少呢？这些问题在了解
< br>一些非常基本的分析后，可得以回答。现在，我们来简要描述对流换热的物理机理，并且说明它
< p>和传导过程的联
系。
被
加热的平板如图
1-8
所示，平板的温度为
T
w
，流体的温度为
T
∞
。速度分布如图所示，受黏性作用，平板上
的速
度减小为零。因为壁面处流动薄层的速度为零，因此，在该点上热量只能以导热方式传递。因此，可以利用
式
(1-3)
，以及壁面上的流体导热系数和
温度梯度来计算传热量。如果热量在该层经导热传递，那么，为什么我们
要谈及对流换热
以及需要考虑流体速度的影响呢？答案是，温度梯度依赖于流体带走热量的速度，较高
的流速将产生较大的温度梯度。因此，壁面上的温度梯度依赖于流场的变化，在以后的分
析中，我们将建立这
二
者间的关系。然而，必须记住，壁面上传
热的物理机理是一导热过程。
为描述对流换热的整体效应，应用牛顿冷却定律
q
?
hA<
/p>
(
T
w
?
T
?
)
(1-4)
这里，热流量与壁面和流
体间的整体温度差以及表面积
A
有关。参数
h
称为对流换热系数，式
(1-4)
是其定义式。对
某些传热过程，可获得
h
的分析表达式，而复杂情形下的传热系数必须通过实验研究来确定。式
(1-4)<
/p>
表明，
当热
流量的单位为
W
时，
h
的单位为
W/(m
2
?
℃
)
。
如果将热平板置
于没有外部风源的房间空气中，平板附近的密度梯度将造成空气运动。我们称此换热过程
为
自然对流，以区别于风扇吹扫平板表面时形成的强制对流。沸腾和凝结现象也属于对流
换热的范畴。
1.3.3
辐射换热
对于导热和对流换热，其热量传递需要介质才得以进行，与此不同的是，热量也可以在完全真空中传递，
其
传热机理是电磁辐射。我们将讨论限定在由温差导致的电磁辐
射，即所谓的热辐射。
热力学研究表明，对于理想的热辐射体
或黑体，其辐射力正比于物体绝对温度的四次方及其表面积，因此
有
q
emitted
?
?
AT
4
(1-5)
式中，
< br>?
为比例系数，称为斯忒藩－玻耳兹曼常数，其值为
5.
669×
10
-8
W/(m
2
·
K
4
)
。式
(1-5)
称为热辐射
的斯忒藩
8
<
/p>
－玻耳兹曼定律，该式仅适用于黑体。值得注意的是，该表达式仅适用于热辐射，其它类型
的电磁辐射要比该
式
复杂得多。
式
(1-5)
只能用于确定单个黑体的辐射
能。两个表面间的净辐射换热量与其绝对温度四次方的差成正比，即
q
netexchange
A
?
?
(
T
1
?
T
2
)
4
4
(1-6)
我们已经提到，黑体
是按四次方定律辐射能量的物体。因其黑色的表面我们称之为黑体，如覆盖炭黑的金
<
/p>
属片，就近似具有这种辐射特性。其它类型的表面，如有光泽的漆面或抛光的金属板，并不
具有黑体那样大的辐
4
射力，然而，这些物体的辐射力仍大致
与
T
1
成正比。为了考虑这些表面的<
/p>
―
灰
‖
特性，在
式
(1-5)
引入另一个参
数，称为发射率
ε
，发射率将这些
―
灰
‖
表面的辐射与理想黑
体的表面辐射联系起来。此外，我们必须考虑这样一
个事实，并非一个表面发出的所有辐
射都可以到达到另一个表面，因为电磁辐射是沿直线传播的，将有部分
能量
散失到周围环境中。因此，考虑到这两种情况，式
(1-5)
引入另外两个新的参数，则有
4
(
4 <
/p>
)
q
?
F
?
F
G
?
AT
1
?
T
2
(1-7)
式中，
F
ε
是发射率函数，
F
G
是几何角系数。此时，值得提醒读者的是，式
(1-7)
中的这两个函数通常并不是相互
独
立的。
1.3.4
换热器的
类型
最简单的换热器是由两个不同直径的同心圆管组成，称为套管式换热器。套管换热器
中的一种
流体流经细
管，另一种流体
流经两管间的环形区域。套管换热器中包括两种不同类型的流动方式：一种为顺流，即冷、热流
< br>体从同一端进入换热器，并沿同一方向流动；另一种为逆流，即冷、热流体从相反的两端进入换热器，且沿
相反
方向流动。
另一类换热器，被专门设计成单位体积内有很大的换热面积，称为紧凑式换热器。换热器的换热面积与其
体
积之比称为面积密度
β
< br>。
β
＞
700
< br>m
2
/m
3
的换热器归为紧凑式换热器。例如汽车散热器（
β
≈100
0
m
2
/m
3
）、燃气轮机
中的玻璃陶瓷换热器（
β
≈6000
m
2
/m
3
）、斯特林机的回热器（
β<
/p>
≈15,000
m
2
/m
3
）以及人的肺部（
β
≈20,000
m
2
/m
3
）。紧凑式
换热器能实现小容积
内两种流体的高换热率，通常用于换热器重量和容积受到严格限制的场合。
紧凑式换热器通过在分离两种流体的壁面上附加间隔紧密的薄板或波纹翅片来扩展其表面。紧凑式换 热器通常
用于气－气和气－液（或液－气）换热器，通过增加传热面积来抵消气侧低传热
系数所带来的影响。例如，
汽车
散热器是水－气紧凑式换热器的
典型例子，通常管子气侧表面装有翅片。
工业应用中最常见的
换热器也许是管壳式换热器，如图
1-9
所示。管壳式换热器外
壳里封装有大量的管束
（有时为数百根），其轴线与外壳轴线
平行。当一种流体在管内流动，另一种流体在管外流动并穿过壳体时，就
进行了热交换。
壳内通常布置有挡板，用于使壳侧流体沿壳流动以强化传热，并保持均匀的管间距。虽然管壳式
< br>换热器应用广泛，但因其相对较大的尺寸和重量，因而并不适用于汽车和航空器领域。注意，管壳式换热器 的管
束两侧开口处的较大流动区域称为封头，它位于壳体两端，管侧流体流入、流出管子
前后都在此汇集。
管壳式换热器依据所含管程和壳程的数目可
进一步分类。例如，换热器壳内的所有管束采用一个
U
型布置<
/p>
9
的称为单壳程双管程换热器（
1-2
型换热器）
。同样地，含有双壳程和
四管程的换热器叫做双壳程－四管程型换
热器（
2-4
型换热器）
。
一种广
泛使用的新型换热器是板翅式（或板式）换热器，它由一系列平板组成，并形成波纹状的流动通道。冷、
热流体在间隔的每个通道中流动，每一股冷流体被两股热流体所包围，因此换热效果非常好。此外
，板式换热器可
通过简单添加更多的平板来满足增强换热的需求。该类型换热器非常适用
于液－液式换热场合，但需
要冷、热液
流的压强大致相等。
另一类冷、热流体交替通过同一流动面积的换热器为蓄热式换热器
。静态型蓄热式换热器基本上由多孔介质
组成，其热容量大，如陶瓷铁丝网。冷、热流体
交替地流经这些多孔介质，热量先由流过的高温流体传递到换热
器的换热基体，再由基体
传递给接着流过的低温流体。因此，基体充当了临时储热介质的作用。动态型蓄热式换
热
器内有转筒，冷、热流体连续流动通过转筒的不同部分，使得转筒的任一部分周期性地通过热流体，
存储热量，
再通过冷流体，释放存储的热量。转筒作为热量从热流体传递到冷
流体的媒介。
换热器往往被赋予特定的名称来反映它们的特定
用途。例如，冷凝器是流体流经它时会发生冷却凝结的一种
换热器。锅炉是另一类换热器
，流体在其内吸热并汽化。空间辐射器是以辐射方式将热流体的热量传递到周
围空
间的换热器。
10
第二章
锅炉
2.1
简介
SSC
锅炉利用热量使水转变成
蒸汽以进行各种利用。其中主要是发电和工业供热。由于蒸汽具有
有利的参数和无毒特性
，因此蒸汽作为一种关键的工质（资源）被广泛地应用。蒸汽流量和运行
参数的变化很大
：从某一过程里
1000
磅
/
小时（
0.126kg/s
）到大型电厂超过<
/p>
10×
10
磅
/
小时
（
12
60kg/s
）
，压力从一些加热应用的
14.7
磅
/in
（
1.0135bar
）
212F
（
100
℃）到先进循环电厂的
<
/p>
4500
磅
/in
（
310bar
）
1100F
（
593
℃）。现代锅炉可根据不同的标准分
类。这些包括最终用途、
燃烧方式、运行压力、燃料和循环
方式。
大型中心电站的电站锅炉主要
用来发电。它们经过优化设计，可达到最高的热效率。新机
组
的
关键特性是利用再热器提高整个循环效率。
各种附加的系统也
产生蒸汽用于发电及其他过程应用。这些系统常常利用廉价或免费燃料，
联合动力循环和
过程，以及余热回收，以减少总费用。这些例子包括：
燃气轮
机联合循环（
CC
）：先进的燃气轮机，将余热锅炉作为基本循
环的一部分，以利用
余热并提高热效率。
整体煤气化联合循环（
IGCC
）：在
CC
基础上增加煤气化炉，以降低燃料费用并将污染排
放<
/p>
降到最低。
增压循环流化床燃烧（
PFBC
）：在更高压力下燃烧，包括燃气净化，以及燃烧产物膨胀
并
通过燃气轮机做功。高炉排烟热量回收：利用高炉余热产生蒸汽。
太阳能蒸汽发生器：利用集热器收集太阳辐射热产生蒸汽。
2
2
6
2.2DevelopmentofUtilityBoiler
现代
660MW
燃煤锅炉有大约
6000
吨的压力部件，包括
500
千米的受热面管材，
3.5
< br>千米连
接
管与联箱和
30000
个管接头焊口。
这是经过大约
50
年发展的结果，并形成了煤粉在具有蒸发管束的炉膛燃烧，烟气然
后流经对流过
热器和热回收表面的基本概念并保留至今。蒸汽参数的提高，机组容量的增
大及燃料燃烧特
性的
改进都要求在材料、制造技术和运行程序上
相应发展。
二战后的一些年里，在电厂安装锅炉的
数量多于汽轮
机是很常见的，锅炉提供蒸汽到母管然后到汽机。这种布置反应了锅炉的可用性低
于汽轮
机。四十年代后期，随着锅炉可用性的提高，
锅炉和汽机开始可以相互配套使用。
锅炉
和汽机成套的变化使得再热成为可行，而且伴随着高温钢材的应用
，经过蒸汽参数的不断提高，
达到了当前的标准循环
2400l
bf/in2(165.5bar)
，
568
< br>℃和再热
568
℃。为充分利用更高的蒸汽参数和
获得经济容量，在接下来的
15
年，机组容量
又增加了
20
倍。
< br>2.3
燃料与燃烧
大部分锅炉以煤、天然气和石油作为燃
料。然而，在过去的几十年里，至少在发
电领域核
能开始扮演一个主要角色。
同样，不断增加的各种生物质和过程副产品也成
为蒸汽生产的热源。
这些包括泥煤、木材及木材废弃物、稻草、咖啡渣、稻谷壳、煤矿废
弃物（煤屑）、炼钢炉废热
甚至太阳能。
11
现代美国中心电站用燃料主要是煤，或是烟煤、次烟煤或是褐
煤。
虽然天然气和燃油也许是未
来化石燃料电厂的燃料选择，但
煤仍然是今后新的，基本负荷电站
锅炉的主要燃料。
2.3.1
煤的分类
?
由于煤是一种不均匀的物质，且其组成和特性变动很大，所
以建立煤的分类系统是很必要
的。中国煤的性质如表
2-1
所示。以煤阶进行煤的分类是典型的做法。这表现为煤化程度的大
小
：从褐煤到贫煤、烟煤以及无烟煤。煤阶表明了煤的地质历史和主要特性。
现在美国应用
的煤分类标准是由美国材料试验学会（
ASTM
）建立的。其分类是通过煤的工业分析所确定的挥
发分和固定碳的含量以及煤的
发热量作为分类标准。这套系统目的在于确定煤
的商业使用价值，
并提供关于煤燃烧特性的基本信息。
2.3.2
燃烧系统
锅炉内化石燃料燃烧以产生蒸汽的技术已成熟多年。然而，在过去
的二十多年中，
为了将大气
排放和污染降到可行的最低程度，燃
烧技术得到了很大程度的提高。
油燃烧系统
< br>所有的电站锅炉都燃用油，在燃煤锅炉中点燃煤粉，在煤进入炉膛之前加热炉膛并升
压，而在燃油锅炉中则作为主要负荷燃料。一般地，燃油都是粘度在
3500sec<
/p>
到
6500sec
的残渣燃
料油。为了有效的燃烧，这些油必须被加热到
120~130
℃并被良好地分散或雾化成很小的微滴
?
燃用渣油，要比一般的馏分油（柴油，汽油等）便宜，但又带来一些问题：酸性污染物和< p>
粉尘的排放。酸性污染问题是由石油中的硫产生的，硫分的含量有时可高达
3%
。在
20
世纪
60
年
代早期，人们对油燃烧器设计进行了深入研究和开发
，目的在于解决燃油的排放问题。由此诞生
了一种油燃烧器
——
―
标准燃烧器
‖
，它可以在非常低的过
量空气系数下减少碳排放。为保证锅炉
中每个燃烧器获得同样多的空气也做了大量的工作
。目前油燃烧过量空气系数运行水平
为
2%
。
煤燃烧系统
煤燃烧器的发展模
式同油燃烧器类似，而且重点放在准确控制每只燃烧器煤和油的供
给量。实际中所有的燃
煤锅炉都是燃烧煤粉（由磨煤机生产），这些煤粉经过很好的粉碎，然后由
空气流
（一次风）送入燃烧器。同以前相比，在流动平衡上的设计成果现在
已能使锅炉在较低的过量
空
气水平下运行，并在不增加飞灰含碳
量水平的情况下提高了总的效率
煤燃烧系统部件的布置必
须根据
经济因素和煤的性质来确定。作为整个燃烧系统设计的性能参
数，煤粉细度、磨煤机出口
温度、空煤比等都必须达到要求。
低
NOx
燃烧系统
影响
NOx
生成的因素包括燃料含氮量、火焰峰值温度、火
焰中的可用氧量以及气流在锅炉系统
中的停留时间。当煤进入炉膛其化学结构被破坏时，
一些煤中的化合氮就作为挥发分被释放出
来。
由大气中的氮生成的一氧化氮即
―
热力型
NOx‖
可以通过减少烟气在高温区域的停留时间而得到
控
制，这样就会控制燃烧阶段中可用氧量，最后生成的是无害氮而不是
NOx
。
因为煤在燃烧区
的
燃烧需要一定的过量氧气以便使所有的碳燃尽，且不含氮的煤是难以获得的，因此
NOx
的减少
必须依靠锅炉和燃烧器的设计来完成。
< br>
天然气燃烧系统
天然气曾经作为电厂主要燃料。然而一
些年来，没有太多的天然气可供电厂使用，
并且人们没
有正视这
样的事实，即天然气作为一种优质燃料将会重新得到大量应用。
12
丙烷常常作为一种点火剂，广泛地应用于燃油锅炉和燃煤锅炉中的油燃烧器。
2.3.3
流化床燃烧
?
流化床燃烧是煤粉燃烧方式的一种，采用这种燃烧方式时煤
在空气中的燃烧发生在流化床中，
典型的是循环流化床。循环流化床最适合于燃烧低成本
废弃燃料、低品质或低热量煤。将煤粒和石
灰石投入到床中，石灰石在床内煅烧成石灰。
流化床中主要是石灰和少量的煤，煤焦在其中循环。
运行中的床温很低，只有
427
℃
(800
℉
)
，在这个温度下的热力学环境有利于减少
NOx
的形成和
捕集
SO2
，使之与
CaO
反应生成
CaSO4
。
对于煤燃烧，蒸汽循环可以是亚临界，也可能是超
临
界，它们具有相近的发电效率。循环流化床技术的最大的优点是它在床中捕捉
SO2
的能力和它对
煤质的广泛适应性，其中包
括低热量煤、高灰分煤和低挥发分煤，并且在运行中可以改变煤种。
循环流化床锅炉适合
与生物质共燃，最
近就新建了几台燃烧褐煤的循环流化床机组。
如图
2-1
所示，目前最常用的流化床
技术是循环流化床燃烧技术。煤和煤焦燃烧的同时，空气携
带煤、煤焦、煤灰和脱硫剂通
过炉膛。固体材料通过旋风分离器从烟气中分离出来，然后通
过
对流烟道部分，烟气把热量传给炉管以产生高压蒸汽。
另一部分蒸汽是由流化床中的高温
固
体在返回炉膛前放出热量产生的。炉膛内固体快速运动会引起过量的磨损，因此炉膛底
部不安装
炉管。通过低燃烧温度和空气分级燃烧来控制
NOx<
/p>
的生成。
SOx
排放通过床中石灰脱硫剂
控制。
这些为烟气净化节省了大笔的投资，但是低的
SOx
排
放需要燃烧低硫分煤，并且
NOx
的排放
受燃烧反应的限制。
极低的排放需要额
外的烟气净化设备，同时会增加相应的维护成本。在中
国最大的流化床锅炉是
330MWe
，设计最大的锅炉是
600MWe<
/p>
，但是还没有投建。
2.4
制粉系统
煤粉制备与煤粉燃烧技术的发展是同步的。为了使煤在炉膛中有效
燃烧，煤在离开
燃烧器时必须被粉碎到一定的大小，这样才能迅速燃烧，这就意味着煤必
须被加工成小颗粒，才
能被迅速
加热到着火温度并和空气良好混
合。
?
磨煤机的工作就是把煤磨碎
到符合上述要求的合适的大小。较早的系统使用筒式球磨机磨
煤粉，并且在燃烧前利用储
仓暂时储存煤粉。如果对该技术进行改进，去掉中间储仓而将从磨
煤机出来的煤粉直接送
去燃烧，就会对磨煤机的可靠性有很高的要求。
正压制粉系统中，提
供煤粉输送介质的一次风机位于磨煤机前，因而它运送的是清洁空气，不会像排粉风机一样受到
侵蚀磨损。这是正压磨煤系统的主要优点。然而，磨煤机需要由单独风
机提供
高于磨煤机内部
压力的密封空气。
正压磨煤机的一个缺点是它必
须完全由空气密封以避免煤粉泄露到大气中。
相对来说，负压磨煤机的密封标准并不需要
这样高，但也不允许漏入过多空气，因为冷空气难以
干燥湿煤。这种
方式泄露的空气量也无法测量，如果达到高的空
/
煤比，遇
到明火则可能发
生爆炸。
2.4.1
中速磨
磨辊在一层耐磨层上滚动，通过移动的磨盘把煤压碎。磨
辊的运动引起煤粒间的相互
运动同时磨辊的压力在煤粒间形成压力负荷。一定压力下在煤
粒层上的运动引起摩擦（煤粒依靠
摩擦力破碎），这就是磨煤机的工作原理。耐磨层具有
缓冲作用，虽然降低了磨的效率，但也大
大降低了磨辊的磨损。当磨煤区的工作面间距离
很近时，比如到了一个颗粒大小，三个部件（磨
辊，颗粒，磨盘）间的磨损就会大大增加
，磨损速率会是正常磨煤机的
100
倍。当带有石英的石
头尺寸等于或大于磨层厚度时，也会
在运行中发生三部件接触的磨损。
13
随着磨煤的进行，为了防止过度磨制和降低能耗及磨损，磨好
的煤粉从磨煤机中排出。图
2-2
是
M
PS
型中速磨的示意图，显示了中速磨煤机的基本组成。在磨煤机下部有一个转动的台面
，
称
为辊胎的辊子在台面上滚动。
?
原煤由上部的磨煤机给入，然后在磨辊和转动的磨盘间经过
，磨辊下的煤就被磨碎了。离
心力加上磨辊对煤层的沉降力共同作用，将部分磨好的煤粉
挤出磨盘边缘，由上升的空气流流
化并携带这些煤粉。
空气进入
点一般称为进风环，喷嘴环或者喉部。上升的空气流与煤粒混合
在进风环上面产生流化的
颗粒床。空气的流速很低，以至于只能携带少部分的煤粒通过床层过滤。
空气和煤粒离开
流化床形成了第一步的分离。预热的空气同时干燥煤粉以保证煤粉的有效燃
烧。
立式中速磨是有效的干燥装置。即使煤中水分到
40%
也能在中速磨中很好地得到干燥，干
燥水分再高些的煤粉
也是可能的，但是需要的一次风温度则要求使用特殊材料，并且增加了磨煤
机着火的可能
。实际运行的水分最大值是
40%
（质量），此时要求一次风温
高达
750
℉。
?
空气煤粉向上流动时，由于流动面积增大使流动速度降低，大粒径的煤粒就会回落
到磨盘
上。最后的煤粉分离采用磨煤机上部的粗粉分离器，粗粉分离器是利用离心力的分
离装置。风粉
混合物以一定角度进入，从而发生旋转并产生离心力。粗一点的煤粉冲击到
分离器的周边，不再
保持悬浮状态而回落到磨盘上。风粉混合物中的细煤粉颗粒保持悬浮
状态，并最终上升进
入煤
粉管。
2.4.2
低速磨
?
筒式钢球磨是现在仍在使用的最早的磨煤机。它是一个卧式
的筒体，里面装有小直径的钢
球。
筒体内衬耐磨材料以加强球的
滚动，球占筒体总容积的
25%
到
30
%
。转速取离心力可以
克服
重力时速度
的
80%
，这样可以使钢球贴在筒体的内壁上。通过筒体转动时
钢球的碰撞来实
现煤粉
的磨制。
筒式钢
球磨有单进单出和双进双出两种。对于单进单出型，空气和煤从一端进入从另一端
流出。
双进双出型磨煤机是空气和原煤从两端进入，磨好的干燥的煤粉从两端流出。对于这两种类
型，粗粉分离器布置于磨煤机的外部，粒径过大的粗粉被送回到磨煤机与原煤混合。筒式钢球磨
不具有类似立式磨的流化床特点，同时由于空气和煤粉的混合不均匀限制了干燥能力。如果筒式
钢球磨要磨的煤中水分高于
20%
，就必须使用
辅助的干燥装置，比如破碎干燥机。
对新建锅
炉来说，中速磨已
经大量的取代了筒式钢球磨。相对于中速磨，筒式钢球磨往往需要大的建筑空
间和较高的
能耗。同时，筒式钢球磨难于控制且有较高的磨损速度。但是，筒式钢球磨能很好的
适应
极具磨损作用的、低水分的难磨燃料，比如石油焦。煤在其中较长的停留时
间可以实现有
效
的磨制。
2.4.3
制粉系统
磨煤机只是庞大的制粉系统的一部分，制粉系统一般有直吹式和中储
式两种。在直
吹式系统中，从磨煤机出来的煤粉直接参与燃烧过程，同时参与的还有空气
、水蒸汽和通入磨煤
机的热能。中储式系统把煤粉从空气、水蒸汽和通入磨煤机的能量中
分离开再去燃烧。储仓中的
煤粉由新的一次风输送到燃烧设备。目前生产蒸汽的过程中很
少采用中储式制粉系统，但是很多
特殊的
场合仍然需要，比如煤
气化和高炉投煤。目前在美国运行的中速磨大约有
1000
台，
其
中
99%
以上的是直吹式系统。
直吹式系统的主要部件有：
?
(1)
给煤机，通过煤仓调节进入
磨煤机的给煤量。
?
(2)
热源，用来预热干燥煤粉的一次风
14
?
(3)
一次风机，典型的情况是作为鼓风机布置于磨煤机之前（
正压系统），或作为排粉风机
位
于磨煤机之后（负压系统）
?
(4)
磨煤
机，作为正压系统或负压系统的主体部分。
?
(5)
管路，把煤和一次风从磨煤机输送到燃烧器
?
(6)
燃烧器，混合煤粉和平衡燃
烧空气
?
(7)
< br>控制和调节装置
根据工程的经济性，以上部件可以按照不同的形式布置。在正压系
统中，
需要做出选择，是采用热一次风风机（每个磨一个风机），还是采用冷风风机（布
置在特定的空
气加热器前面）。热风输送系统初始投资费用较低，因为不需要特定的空气
加热器。对大型机组
而言，冷风风机系
统具有较低的运行费用，
可以补偿较高的初始投资。
中速磨这个术语是指空
气引入到磨煤
机中作为一次风用来干燥和输送煤粉。一次风的控制对制粉系统的正常运行是非常
重要的
。不管是直吹式还是中储式制粉系统，也不管采用热风还是冷风风机系统都需要普遍的控
制。必须控制一次风量和磨煤机出口温度，这个控制由三个相互联
系的节气阀来实现。<
/p>
其中的
两个是热和冷的节气阀，用来调节磨煤机的空气温度，这些
节气阀通常是相互关联的，从而保证
一个开启另一个则关闭。第三个节气阀是独立的，用
来控制空气容积。一些生产商只采用两个节
气阀，但是缺乏稳定性，而变负荷时的低反应
能力抵消了初投资的减少带来的好处。
2.5.1
炉膛
?
炉膛是一个四周封闭的开口大空间，燃料在其中燃烧，产生
的烟气在进入对流烟道前得到冷
却。离开炉膛进入管束的烟气温度过高则会导致烟尘微粒
沉积在管壁上或使金属管壁超温。燃料
和燃烧设备的类型对炉膛的几何形状和尺寸影响很
大。在这种情况下，磨细的煤粉被送入炉膛悬
浮燃烧。燃烧产物上升穿过炉膛上部。过热
器、再热器和省煤器等受热面被特定布置于锅炉围墙
内部的水平或垂直烟道内（对流烟道
）。在现代蒸汽发生器中，炉膛和对流烟道的炉墙是由碳钢
或低合金钢的汽冷或水冷壁组
成，以维持炉墙的金属温度在允许的范围内。这些管子在顶部和底
部由联箱或母管连接在
一起。这些联箱用来分配或收集水、蒸汽或汽水混合物。在最现代化的机
组中，炉墙管道
也作为主要的产生蒸汽的部件或受热面。这些管子用钢条焊接在一起，组成气密
的、连续
的、刚性的膜式墙。这些管道通常预制成可装运的膜板，并且板上留有燃烧器口、观察孔、
吹灰器口（锅炉清洁设备）
和燃气喷入口。
2.5.2
过热器和再热器
?
过热器和再热器被专门设计成顺列管束，用来提高饱和蒸汽
的温度。一般形式下，它们是简
单的单相换热器，蒸汽在管道内流动，烟气从外面经过，
通常二者是交叉流动。由于其较高的运
行温度，这些关键的部件一般用合金钢制造。典型
的布置通常有利于控制出口蒸汽的温度，
保持金
属温度低于其可
接受的极限和控制蒸汽流动的压力损失。
?
< br>过热器和再热器的主要区别是蒸汽压力。在典型的汽包锅炉中，过热器的出口压力为
2700psi
（
186bar
），
而再热器的出口压力为
580psi
（
40bar
）。受热面的结构设计和布置取决于所
要求的出口温
度、吸热量、燃料的灰分特性和清洁设备。这些受热面可以呈水平或垂直布置。
过
热器和有的再热器经常被分为几段以利于控制蒸汽温度和优化热量回收。
过热器的类型
根据烟气侧的传热方式，过热器可分为两种基
本类型。最初的一种是对流过热器，
从烟气吸收的辐射热量很小。在这样的机组中，蒸汽
温度随锅炉负荷的增加而升高，这是因为炉
膛吸收单
15
位输入热量的百分比下降。这导致过热器吸收了更多的热量。因为对流传热速率几乎与烟
气流率
即锅炉负荷成直线关系，因此，过热器中每磅蒸汽的总吸热量以及蒸汽的温度都会
随锅炉负荷而
增长（见图
2-5
）。过
热器布置得离炉膛越远，进入过热器的烟气温度越低，这种效果越明
显。
辐射式过热器主要吸收来自炉膛的辐射热，对流传热量很少。一般采用较大间
距（
24
英寸或很
大的侧边距）的屏式
凝渣管或悬吊屏式过热器的型式布置于炉膛中。有时这种过热器和包墙管组
合成一体。因
为炉膛受热面吸热不如锅炉负荷增长快，所以随着锅炉负荷的增长辐射式过热
汽温
度反而下降，如图
2-5
所示
某些情况下，在较大的负荷范围内，这两条变化趋势相反的曲线可
由一系列联合
的辐射、对流过热器叠加为平缓的过热曲线，如图
2-5
所示。
一个单独加热的过热
器也能产生平缓的过热曲
线。
辐射和对流式过热器的设计需要特别注意避免因蒸汽和烟气流量分
配不均而造
成的管子超温。一般过热器中有
100,000
到
1,000,000lb/hft2(136
到
13
56kg/m2s)
或更
多的蒸汽质量流量。这种设置是在允许
压降的范围内对管子内部进行充分的冷却。质量流量的选
择取决于蒸汽的压力和温
度，还有过热器的热负荷。此外，高速下的高压损会改善蒸汽侧流
场分
布。
2.5.3
省煤器和空气预热器
省煤器和空气预热器在提高锅炉总的热效率方面发挥着重要作用
,<
/p>
它们回收了排入大气前烟气中
的低品位热量，也就是低温热量。烟
气被省煤器或空气预热器冷却每
40
℉（
22
℃），总的锅炉
效率就会被提高大约
1%
。省煤器吸热加热锅炉给水，空气预热器则是加热燃烧空气。热空气
强化
了多种燃料的燃烧，并保证了稳定的着火。
省煤器
?
省煤器是一种逆流布置的热交换器，在流过过热器或再热器（如果使用）的烟气中获取能量。
它提高了汽包进水的温度。其管束布置是一种典型的平行水平蛇形管束，水在管内流动而烟气在
外侧反方向（逆流）流动。管子间尽量紧密以强化传热，同时要求有足够的管子表面清
洁空间和
合理的烟气侧压损。根据设计，这些管子内一般不会产生蒸汽。
最普通、最可靠的省煤器设
计就是光管、顺列、交叉流省煤器（如图<
/p>
2-6
）。煤燃烧后，飞灰就会产生一种高污垢、侵蚀的
环境。相对于如图
2-6
的错列布置，这些顺列
布置的光管就会尽可能减少飞灰粘附、侵蚀的可能
性。这也是通过吹灰器保持清洁的最简
单的几何形状。然而，这
种布置的好处必须要结合它大
重量、大
空间以及造价进行综合评估
为减少投资，大多数锅炉省煤器应用了各种鳍片以强化烟
气侧的传热效率。鳍片是廉价的非承压物件，它可减少省煤器的总尺寸和造价。然而，成功的
应
用对于烟气环境是非常敏感的。表
面的清洁能力是一关键因素
。
空气预热器
空气预热器是利用经过
省煤器的锅炉烟气携带的热量加热燃烧空气，并提供干燥煤粉
的热空气。在燃煤电厂中，
空气预热器的出口温度受限于磨煤机的出口温度和调温风系统容量，
烟气出口
温度则要考虑传热表面的污染和后面设备的腐蚀情况。
在较老的锅炉中一般
采用管式
或板式空预器，体积大，很难清理，而且坏损的传热表面不易替
换。现代锅炉都采用回转式。
回
转式空气预热器的最大
特点是显著地节省了空间。回转式空预器采用紧密的受热面布置方式，
必
须采用性能良好的吹灰器使其保持清洁。
受热面由压制成特殊形状的钢板或考登
钢板组成。这
些板子厚
0.5
到
0.8mm
，一般被压紧并装
16
进置于支撑结构上的钢制仓体。这些板子的形状经过优化，具有很高的传热效率，同时要
在使
用
吹灰器充分保持清洁的情况下保证压损最小。
一台
660MW
的单元
机组配有两台空气预热器，每台直径
14.6m
，重约
500
吨。传热元件的表面
积总共约
100,000
平方米。燃煤电厂典型的温度应是烟气进口
335
℃，出口
120
℃，空
气进口
32
℃，
出口
< br>290
℃。空气预热器的性能主要表现在传热效率、压损以及空气对烟气侧的泄漏
上。
?
前两项能被理想的表示为一组
无量纲数：雷诺数、普朗特数和斯坦顿数的关系。通过实验
室规模试验可以确立每种空气
预热器组件的关系式。这就可以进行优化设计，估算新开发部件
的
几何性能，以及评估由于灰污问题而需使用替代部件的效果。
2.6
锅炉在线吹灰
是否高效的燃烧化石燃料来生产电力很大
程度上取决于蒸汽产生设备对煤燃烧
产物（煤灰）的适应性。吹灰器用来吹扫沉积在锅炉
受热面上的积灰来保证有效地向蒸汽传热。
在英国吹灰介
质大部
分用蒸汽而在美国一般用空气。
2.7
能量守恒
?
由热力学第一定律，蒸汽发生器系统的能量平衡如下所述：
进入系统的能量－离开系统的能量
=
系
统内部能量的积累
?
因为蒸汽发生
器应在稳态下检测，这样积累的能量就为
0
，其方程为：
进入系统的能量
=
离开系统的能量
进入系统的能量就是进入系统的质量流所携带的能量，以及辅助设备的驱
动能量。离开系统的
能
量就是离开系统的质量流所携带的能量，
以及通过蒸汽发生器表面传递给环境的能量。
?
效率为输出能量和输入能量的比值，以百分数的形式表示：
当输入
能量定义为燃料释放的所有能量时，所得的效率通常称为燃料效率
2.7
.1
效
率
-
能
量平衡法（反平衡法）
?
在能量平
衡法中，采用能量损失和外来热量来计算效率。能量平衡法是确定效率的首选方法。
因为
测量误差仅影响着各项损失而不影响总能量，所以它一般情况下比输入－输出法更精确。例
如：如总损失占总输入能量的
10%
，则
1%
的测量误差仅会导致
0.1%
的效率误差，而在
测量燃
料流量中
1%
的误差将会导致效率的
1%
的误差。<
/p>
能量平衡法的另一个优点就是可以确认两次效
率测试结果不同的原
因，另外，对于诸如燃料分
析数据等试验条件的变化，该方法可以容易的
将效率修正到基准工况或保证工况。
2.7.2
效率
-
输入
-
输出法（正平衡法）
根据输入－输出法计算的效率是基于测定燃料量
和计算输出
能量所必需的锅炉汽水侧参数。该方法计算的效率的不确定度直接与燃料测量
、样本燃料分析和
锅炉输出能量求取等的不确定度
成正比。所以
，要获得可靠的结果，在精确测量上述各项时必
须格外谨慎。
17
第三章蒸汽轮机
3.1
引言
蒸汽轮机是最重要的涡轮发动机之一，是发电领域的主要原动机。本文简单讨论了作为蒸
汽轮
机发电厂部件之一的蒸汽轮机的作用。
< br>对于一个简单的蒸汽轮机发电厂，第一个部件就是把蒸汽提高到汽轮机所需压力和温度的
< br>
蒸汽锅炉。蒸汽锅炉接受经过不同回热和热回收装置提高了温度的给水。在大多
数电厂中，采
用了
过热蒸汽；大型电厂中，蒸汽在汽轮机的一些
级中膨胀后，要经过一次或两次再热。
过热蒸汽经过调节阀进
入蒸汽轮机。蒸汽轮机总是多级汽轮机，根据汽轮机容量的大小采
用一个或多个缸。
在汽轮机中膨胀后
的蒸汽在凝汽器中以低压凝结（
0.0035
到
0.007MPa
）。凝结水以及抽汽
用泵
打入锅炉。
3.1.1
蒸汽轮机的类型
蒸汽轮机可用以下方式分为
许多类型。
根据流向
?
轴向
?
径向
根据膨胀过程
?
冲动式
?
反动式
?
冲动反动混合式
根据级的个数
?
单级
?
多级
根据汽轮机入口结构
?
全周进汽
?
部分进汽
根据汽流个数
?
单流
?
双流
?
单轴或双轴
根据转速
?N=3000rpm,f=50Hz
?
N=3600rpm,f=60Hz
?N=1500rpm
?
变速机组
根据应用
?
发电
?
工厂用
?
船用
根据蒸汽参数
?
低压汽轮机，采用压力为
0.12
到
0.2MPa
的蒸汽
;
?
中压汽轮机，蒸汽压力达到
0.2MPa
；
?
高压汽轮机，
采用压力为
0.2
到
16.8MPa<
/p>
或更高压力，温度为
535
℃或更高温度
的蒸汽；
?
超临界压力汽轮机，采用
蒸汽压力为
22.2MPa
或大于此压力。
3.1.2
冲动式汽轮机
冲动式
汽轮机是指在转子中没有流体静压头改变的汽轮机。转子叶片仅仅引起
能量的传递
而没有任何能量的转变。由压能转变为动能或动能转变为压能的能量
转换仅仅发生在静叶片中。
如在冲动式汽轮机中，高速流体的
动能传递到转子上仅仅由于作用在转子上的流体冲动力。图
3
-1
给出了典型的冲动级速度三角形图。动叶出口蒸汽的相对速度
(W
2
)
小于动叶入口的相对速度<
/p>
18
(W
1
)<
/p>
。这表示了在动叶中发生了动能向机械功的转化。由于在冲动式汽轮机中转子叶片通道不会
引起流体的任何加速，在叶片表面由于附面层的增加引起流体分离的机率要大一些。由此
，
冲动
式汽轮机中转子叶片通道的损失较大，导致了较低的级效
率。
w
2
C
2
C
1
w
1
u
u
u
C
1
C
2
w
2
w
1
u
图
.3-
1
冲动级速度三角形图
图
.3-2
反动级速度三角形图
U=
动叶轮周速度
,m/s
c
1
=
动叶入口蒸汽的
绝对速度
,m/s
C
2
=
动叶出口蒸汽绝对速度
,
m/s
w
1
=
动叶入口蒸汽的相对速
度
,m/sw
2
=
动叶出口蒸汽相对速度
,m/s<
/p>
3.1.3
反动式汽轮机
涡轮机械级的反动度定义为转子中发生的压头改变与整级的全部压头改变<
/p>
之比。
在转子叶片通道和静子叶片通道都有压头改变的涡轮机或级
称作为反动式涡轮机或反
动
级。其中
，在静叶和动叶中都有能量的转换。转子上既有能量传递又有能量转变。因此在反动
式<
/p>
汽轮机中，由于流体的连续加速及较低的损失，它的效率应当高一些。
反动度为
50%
或一半的涡轮机
有一些特殊的特点。反动度为
50%
的轴流式涡轮机和压缩机转
子和静子上的叶片对称。对于反动度为
50%
< br>的级，可看出它的出口和入口速度三角形也是对称的。
图
3-2
给出了典型的反动级的速度三角形。动叶出口的蒸汽相对速度
(W
2
)
大于动叶入口的
蒸汽相
对速度
(W
1<
/p>
)
：这是由于动叶的焓降导致通过动叶的速度增加。
3.1.4
多级汽轮机
后面可以看到，当转速给定时，在涡轮机械的一级中，流体能量水平的改变是有限的。这
对
于涡轮机、压缩机、泵和吹灰器是一样的。因此，在能量水平改变很大的应用中，采用
了多
级。
在多级汽轮机中，可仅采用
冲动级或采用反动级或冲动级和反动级的组合。冲动式汽轮机可
采用许多压力级承担大的
压降或许多速度级承担高的动能。还可同时采用速度级和压力级。在一
定的压缩机中，同
一个机械上采用了轴向流动的级和静向流动的级是有意义的。不同的级
可安装
在一个或多个轴上。
在大型汽轮机中，锅炉出口
和凝汽器入口的蒸汽压差非常大。如果汽轮机中只有一个级，那
么就需要采用一个高转速
的直径很大的转子，这不仅会使制造困难，而且会引起严重的强度
和支
< br>承问题。
一般说来，一个多级蒸汽轮机基本由下面几部分组成：
（
1
）汽缸，为了便于装配和拆卸，通常汽缸
在水平中分面分开为两半，这两半由螺栓连
接，
用于支承静止叶
片系统。
（
2
）转子，转子上有动叶片安装在叶轮上，以及还有叶轮。
（
3
）轴承箱置于汽缸中，用于支承轴
（
4
）调节系统依靠控制蒸汽流量，调
节汽轮机转速和出力，还有用于轴承润滑的油系统
19
和一组安全装置
（
< br>5
）联轴器用于转子的连接，并与发电机相连；
（
6
）管道与汽缸入口蒸汽供给管道、汽缸出
口排汽系统相连。
3.2
汽缸结构
汽轮机汽缸实质上是一个压力容器，在水平中心线的两端支撑它的重量。设计中要求在汽缸
< br>的横断面上，能承担管道的应力，而且沿汽缸的长度方向，要有一定的刚性从而维持汽轮机
动静
部分准确的间隙。
汽缸
由于内部通道的需要使得其设计复杂。所有的汽缸都从水平中分面分开，从而使转子能
放
入汽缸内和汽缸装配为一个整体。在汽缸的水平结合面上，设置了巨大的法兰和螺栓用以
承担压力。相比汽缸的其余部分，相对厚重的法兰对温度变化的反应较慢，导致了不同的
膨胀
率，产生了温度应力和变形，尽管这些在汽轮机中已采用
了法兰加热蒸汽使其减至最低程度。
轴
封汽室和蒸汽出入通道使
得应力进一步复杂。
高压和中压汽缸都是铸造结构，并且在横
截面上采用圆形结构从而使得应力达到最小。法
兰、螺栓、蒸
汽出入通道和其他特征尽可能布置成对称结构，从而减少热不对称和由此引起的
变
形。低压汽缸可以采用装配结构或装配与铸造组合的结构。
和所有的压力容器一样，汽缸在制造完后要进行液压试验检查设计的完善性，液压试验要
进行最高工作压力
150%
< br>的压力试验。
3.2.1
高压汽缸
许多现代汽轮机，蒸汽压
力超过
10MPa
并且功率大于
100MW,
，采用了双层缸结构
的高压汽缸。这是因为高压缸
既要承担热和压应力，而又能
灵活运行，这时设计单层缸结
构是困难的。对于双层缸结
构，缸间充满了处于排汽参数
的蒸汽，从而使得每层缸都能
设计成承担小温差和小压差的
结构。在双层缸间靠近排汽
端设置了挡板，这个挡板是内
缸铸件的一部分。挡板向外延
伸几乎达到外缸，但没有与外
缸封住。高压缸的紊流排汽在
挡板的作用下排入排汽管道，
避免冷却内缸；这减小了内缸
进汽端的温差及由此引起的
应力。从高压缸进汽端内缸和
转子间轴封泄漏的蒸汽用管
图
3-3
高
压
缸
轴
向剖面
图
子排向高压缸排汽处，从而使
得双层缸间充满了处于排汽
状态的蒸汽，并且通过外缸轴封泄漏在双层缸间维持小流量的蒸汽流动。<
/p>
较小的压差可以采用
较薄的汽缸，这一点以及双层缸结构的较大的
表面积，使得汽轮机在
启动时能较快的暖机。另外薄汽缸还易
于铸造，并且可能有较少的缺陷。
在一些汽轮机中，采
用了反向
流叶片，其中蒸汽在其膨胀过程中的某处，从缸间返回以相
反
的方向继续流过最后的级。这种布置导致了较高的缸间压力和温度，在外缸应力增加的代价
下减少了热内缸的应力。另外这种结构还使得以缸间参数抽汽的抽汽口结构简单，并
且减少了
高
压转子的净推力。
在一些现代汽轮机中，为了进一步减少热内缸的应力以及热变形，采用了三层缸结构，内
20
缸置于一个没有水平结合面的筒状套筒中，（这种）内缸应力
小，可以做得相对薄，这样法兰也
不厚，而包着它的筒状汽缸应力相对高。然而，由于筒
状汽缸没有法兰，厚度均匀，因此即使
相
对薄，仍可承担（一定
的）应力。
三层缸的这种形式，其中一个缺点是在装配和拆卸
高压汽缸时麻烦。在装配中，需要把转子
装入内、外下缸中，之后把内上缸装配好，然后
把转子和内缸一块吊起，置于一个特殊的夹具上，
使得筒状汽缸穿过。套好后，放下置于
外缸的下半部分上，最后把上半外缸扣上即可。蒸汽进汽
管道通过外缸，将蒸汽送入到内
缸的进汽部分。进汽部分由内缸的一部分形成，
这样确保入口
蒸汽不直接与转子接触，而是必须首先流过喷嘴和第一列动叶栅。
当主蒸汽温
度超过
538
℃时，有时会采用由耐热合金钢制造
的单独喷嘴室结构，这样可以
避免汽缸与最高温度的蒸汽接触
。这种单独喷嘴室结构取代了进汽部分，把蒸汽从入口管道送
入第一级喷嘴。
一些国外机组采用喷嘴调节代替了节流调节。对于喷嘴调节，汽轮机的进
汽部分
分成几部
分，每部分由顺序开
启的调节阀控制，这样导致了更加复杂的铸造结构和强度要求更高的第一
级动叶片。
静叶片支撑在隔板上，隔
板由靠近水平结合面和垂直中分线的键支撑和导向，从而允许同
心
膨胀。
图
3-3
< br>中高压缸的特征包括：双层缸，叶片支撑在内缸的隔板上，两个进汽管道对称布置，
底部有两个抽汽管道，缸间有挡板，缸间靠近排汽端有键，外缸的两端都有立销，进
汽管道上
有
热衬套，转子汽缸间有轴封。
3.2.2
中压汽缸
现代再热机组中，设计中压缸时考虑
的因素和高压缸相似，进入中压缸的蒸
汽
温度和高压缸相同，压力却低于高压缸压
力。这使得中压缸可
以薄点。一般而言，
大于
300MW
功
率的机组至少有一部分为
双层缸支承前几级，之后的级由持环支持。
内缸和持环都减少了作用在外缸上的压力
和温度，也使得外缸的型线光滑，这使外<
/p>
缸设计和制造简单，热性能好。持环（的
结构）使得汽缸的设计有
较大的灵活性，
因为当叶片改变时，不需要改变主要的汽
缸，而
且一个汽缸的设计能满足级的不同
布置方式。
中压汽缸常为双流设计，并且在现代
大型汽轮机上常常如此。采用单流还是双<
/p>
流主要根据叶片的设计和效率来决定，但
是双流汽缸还有取消高压端轴封的优点。
图
3-4
中
压
缸
轴
向剖面
图
和高压汽缸一样，中压汽缸转子在进汽处
要避免与高温蒸汽接触；中压汽缸上设有导流环结构，导流环将入口蒸汽引至喷嘴，同时在邻近
转子的导流环中心还通有温度较低的高压缸排汽。导流环单独支撑在内缸的键上，或支持在
第一
级喷嘴内部。
在中
压缸的两个反向流中，叶片略有不同，导致两端的压力不同，从而部分内缸外形成了
一<
/p>
股冷却汽流。这使得内缸外和螺栓的温度较低，从而可以采用小直径的螺栓。
图
3-4
中压缸的特征有
：中间采用内缸，两端为持环结构，外缸上部有四个排汽口，底部
有两个抽汽接口，进汽管道上设有热衬套，保护转子中心的导流环支撑在第一级喷嘴上，外缸
的
两端设有立销，外缸和转子之间有轴封。
3.2.3
低压汽缸
低压汽缸常常是双层缸结构，其中内缸上有隔板支撑，抽汽和抽水接头，外缸将排汽引导至
凝汽器并且为内缸提供结构上的支撑。然而，低压缸的结构并不常常如此，尤其是背篮式凝
21
汽器，其对应的低压缸为单层缸结构。形体大的低压外缸以及
它们所承受的低压负载使得低压缸
尽可能采用装配式结构而不是铸造结构。更加复杂的内
缸基于经济性考虑可采用装配式或铸造式。
所有汽缸都采用螺栓连接它们的水平结合面。
对于一个典型的低压汽缸，它的特征包括：装配式
内缸、外缸；内缸上有抽汽口，排汽处
有导叶，轴封支持在轴承上并且外缸上有膨胀节
连接。
3.3
汽轮机转子和联轴器
3.3.1
转子结构类型
在大型汽轮发电机组上
，采用了四种不同类型
的转子结构：
?
整锻转子，其中叶轮和轴由一个锻件锻造而成
(
图
.3-5(a))
。
<
/p>
?
套装轮盘转子，由分别锻造好的钢轴和钢制轮盘组成，其中钢制
轮盘通过冷缩配合套装在钢
轴上，并且利用键连接和定位
(
图
.3-5(b))
。
?
鼓形转子，由实心或空心锻件制造而成
(
图
.3-5(c)and3-5(d))
。
?
焊接轮盘转子，这
类转子在英国并不常见，有用于低压转子上的方式。在国外的应用中，
包括
高压和中压转子采用了这种类型。
由于各种各样的
原因，四种类型的转子中，优先采用整锻转子，但是当锻件尺寸超过锻造能
力时，采用了
套装轮盘结构。目前，英国设计的
660MW
机组全部采用了整
锻转子。
为了避免运行中的问题和疲劳裂纹，套装转子在冷缩
配合和定位时需要非常仔细。虽然轮
盘可能便于进行无损检测
，但是整锻转子的无损检测能力已发展到能满足所有要求的程度。对于
采用整锻转子的低
压转子，有更好的刚性，从而有更好的动态性能。
660MW
机
组几乎无一
例外
的采用了这种结构的转子，并且试验结果很好。
原来在实践中，沿着锻件轴心方向钻孔得到试验材料，从而可
用来验证锻造质量。但是随
着
锻造技术和材料性能的提高，目前
在一些设计中已经取消了中心孔结构。
焊接转子的优点是锻件
尺寸小，但需要有高的整体焊接技术，一些缺乏大型锻造能力的国家
采用了焊接转子结构
，他们已成功地制成焊接高、中和低压转子，在英国，只有有限数量的
焊接
低压转子。
由中空柱体制成的高温鼓形转子，与短
轴连接，易于产生不同的蠕变。在现在的设计中已由
整锻鼓形转子取代。受末级叶片设计
的限制，双流汽缸取代了高压缸所采用的单流设计。对于
660MW
机组的设计，中、低压缸的标准设计是采用双流设计。对于单流高压缸，在某种程度上，
需要采用平衡活塞来平衡轴向推力，从而减少推力轴承负荷，尤其是反动式机组（动叶
两端压降
大）需采用面积大的平衡活塞。
< br>相反，相比反动级设计，采用冲动级的高压汽轮机转子，它的叶片节距直径降低。另外由
< br>于
轴向推力更小，仅需要非常小的平衡活塞。
3.3.2
转子材料
22
图
3-5
汽
轮
机
转
子
结
构
类
型
没有对应材料的发展，蒸汽轮机设计领域的
发展是不可能的。高温下有好的抗蠕变性能的合
金钢的发展以及有好的机械及高断裂韧性
的其他合金钢的发展，是冶金领域重大成就的一个方面。
另外生产能够在高温和低温下都
适用的组件，验证了炼钢技术的进步。这些组件有很大
的物理
尺
寸，而且有能够满足严格的内部缺陷要求的一致的材料性能。
23
高
温转子既要求蠕变强度、断裂强度，还要求一定的延展性。利用锻造的铬钼钒钢制造的
转
子能满足这些要求。铬钼钒合金刚是一种铁素体材料，能够提供可能最好的蠕变性能。<
/p>
对于低温转子，主要的要求是有相对高的伸张强度和高的韧性。
由于
3.5
镍铬钼钒整锻转子锻件避免
了套装转子冷缩配合时的复杂性，所以目前的转子采用
了这种结构。对于套转低压转子，
它的轴和轮盘都采用了镍含量高达
3.5%
的镍铬钼钒合金钢；
对
于大型整锻转子，为了获得整锻转子所必需的伸张性能，也首选这种合金钢材料。对于
采用一系
列实心轮盘组成的装配式低压转子的设计，需要一定的焊接技术。这时对于合金
钢材的需
求是矛
盾的，一方面是对伸张强度的要求，另一方面是
可焊接性的要求。
因为低压转子可能在不超过周围环境温度很
多的温度下运行。这样，提供防止脆性断裂的安
全装置是重要的。对于轮盘、叶轮和整锻
转子，使用可能最低的脆性转变温度的材料，采用严格
的无损检测，以及断裂力学的评估
都为低压转子的安全运行提供了必要的（框架）保证。
3.5%NiCrMoV
钢的
FATT
值低。在水淬冷和回火条件下，加
上对材料成分的仔细控制，
3.5%NiCrMoV
钢的
FATT
值很好地低于环境温度，有高的抗
拉性能以及随之而来的断裂韧性。
3.3.3
超速试验
所有大型汽轮发电机转子在制造时，都规定要做耐超速
20%
< br>试验。这样在转子的运行转速
范围内，能够保证很好的转子平衡。从而在由电网系
统扰动引起的正常超速和超速螺栓试验中经
常的
10%
超速中，能有足够的余度。另外对转子进行超速试验还能验证锻件，因为在超速运行时，
转子的离心应力要大于常规运行中的离心应力，由此为衡量防止转子自发快速断裂的裕
度提供
了定量手段。
3.3.4
转子平衡
在装配好叶片后，需要对转子进行动平衡和静平衡。对于套装转子，在装配前须先对装好
叶
片的叶轮单独进行平衡。
静平衡是指转子重量均匀地置于轴心周围。将转子置于水平放置的刀刃支撑上，滚动转子
可进行静平衡检测。
动平衡是指针对任一个轴承支撑，沿轴向方
向转子不平衡重量的动量之和达
到零。动平衡
试验是将转子置于弹性支撑面上，转动转子同时测量振动，并且通过添加或减少重量一直到振
动可忽略为止。
3.3.5
临界转速
支持在两个轴承之间的静止转子存在一个自振频率，自振频率的大小取决于转子的直径和轴
承间距。如果转子转速对应于它的自振频率，残余的不平衡力会被放大并可能达到危险的程
度。
临界转速可高于运行转速，也可低于运行转
速，这和转子结构有关。如果临界转速低于运行
转速，我们称之为挠性轴。对于这种轴在
启动时需要多加小心，以确保临界转速尽可能快地
通过。
随着转子长度增加，转子直径下降，临界转速会降低。现代大型机组的趋势是提供刚性转子<
/p>
（临界转速高于运行转速）。因为大型机组的转子长度增加（安装所需的动叶级数需要），
随
着
转子直径的增大，达到了一定的刚性。
大型机组的转子利用实心联轴器连接，因此可能由几个单独的转子组成的轴应该作
为一个整
体来对待。每个转子都支撑在两个轴承上，这些轴承支撑不是简单的支撑。轴承
中的油膜有
机动
性，这会大大影响轴的临界转速。
3.3.6
联轴器
由于锻造转子长度的有限性和在不同温度和应力条件下，需要采用不同的转子材料，故在转<
/p>
子系统中采用了联轴器。大型汽轮发电机的多缸结构也需要采用一个由联轴器连接的轴系。
联轴
器实质上是传递扭矩的设备，但是它们也可能不得不允许相对的角不对中，传递轴向
推力，并且确保轴向定位或允许相对的轴向位移。它们可分为
挠性、半挠性和刚性联轴器三种。
小型汽轮发电机上
(
如，最高达到
120MW)
< br>常采用挠性和半挠性联轴器，而对于大型机组，实际
中
通
常采用刚性联轴器。
3.4
汽轮机叶片
3.4.1
冲动级
24
动叶片
---
零部件及结构
在冲动级中，这种冲动级由
Rateau
专家发明，大部分焓降发生在静叶中，级的驱动力来源
于通过动叶的蒸
汽动量的改变。冲动级设计的优点是紧凑，而且由于动叶中发生的压降小，对动
叶的间隙
相对不敏感。然而，动叶易于受到喷嘴尾迹扰动的影响，所以必须避免共振并维持低的
蒸
汽弯曲应力，而且由于动叶中动量改变相对高，故要求动叶强度高而且可能重。因此在实际中，
< br>经常把单独制造好的叶片利用叉形叶根安装到轮盘上，叉形叶根与在轮缘上机加工出
的轴向凸
肩相配合。
动叶的外端留
有一个或多个凸肩。这些凸肩穿过围带上的孔，同时围带依次装入叶片外机加
工出的槽中
。当把这些凸肩用铆钉铆好后，就能把围带固定住。围带可用于汽封并且可支撑叶片
从而
减小振动。每一部分围带将一小部分叶片连在一起并且可和下一部分连在一起或搭接，从而
形成了强度非常高的结构。因为在所有冲动级叶片的顶部，反动度增加到一定程度，所以
在动叶
围带上有与之一体的轴向汽封片。
< br>静叶
---
零部件及结构
静止喷嘴叶片有两种制造方法。焊接叶片由一整体钢板铣制而成，（和冲有叶型孔槽的内、<
/p>
外围带）共同焊成环形叶栅，（然后再将它焊在隔板体和隔板外缘之间）组成焊接隔板；而
铸造叶
片，由钢板制成，在浇铸隔板体时铸入叶片，用于温度低于
230
℃的场合。在一些最新的机组上，
高压叶片采用电化学
加工。高压缸的第一级往往采用冲动级，静叶片可装于喷嘴室中，从而避免
了隔板的压力
密封问题。由于第一级承担了比较大的焓降，这种喷嘴室结构降低了蒸
汽对高压转
子和内缸的压力和热冲击。
由于冲动级隔板
承担的压降大，所以隔板和叶片的强度都需要很高。尽管冲动级隔板在隔板
汽封处的直径
相对较小，但其隔板汽封仍需要尽可能地好从而可以承担大的压差。在动静部
分发
生轴向位移时，要确保对径向汽封的影响不是很大。
复速级
汽轮机的第一个高压级，尽可
能增大喷嘴叶栅的压降。它有时包含有两个冲动级。这两个冲
动级置于同一个叶轮上，从
而可保护汽缸和转子免于较高温度、压力蒸汽的冲击。由于这种级的
焓降相当于四个冲动
级，所以尽管会牺牲一些效率，但小型的便宜的汽轮机上会采用这种级。它
不再用于带基
本负荷的大型汽轮机上。这种级的喷嘴，采用缩放型，会产生很高的蒸汽动能，其
中一部
分用于动叶的第一列叶栅，剩下的经过静止导向叶片改变方向后，用于第二列
叶栅。它<
/p>
的动叶和喷嘴叶片都由实心钢板机加工而成，要求强度非常高。
3.4.2
反动级
< br>静叶片和动叶片
—
零部件及结构
尽管称之为
―
反动级
< br>‖
，实际上反动级的冲动度和反动度相同，导致了动叶片和静叶片的型线
相同。这种类型的叶片由
CharlesParsons
先生设计提出，便于利用标准轧制型线进行经济生产。
为了获得好的效率，这种
级的速比相对较高，所以每一列叶栅上的焓降小，这也就是说，
对于
输出相同的轴功，这种级的级数较多。
对于反动级，蒸汽
以较低的速度进入动叶，并且基本上是以轴向方向进入的。因此作用在动
叶上的驱动力基
本全部来源于蒸汽通过动叶加速流动时产生的反动力。这样作用在动叶上的力相
当平稳，
加上静叶的喷嘴尾迹产生非常小的扰动，故反动级的动叶片上可有相当高的弯曲
应力，<
/p>
而不存在由于振动而引起的疲劳故障风险。
由于反动级静叶片两端的压差小，故反动式汽轮机不需要隔板，但是为了防止过度的漏汽
损
失，仍需要保持小的叶顶间隙。
现代的反动式汽轮机在动静部分间，通常既有轴向汽封，也有径向汽封。这样在转子叶片的
外端，有与叶片形成一体的围带，围带与汽缸上装有汽封齿片的汽封体配合形成汽封。静叶
< br>内径
上的汽封齿片为静叶与转子间的间隙提供了汽封。
3.4.3
低压级
气体动力学与机械限制
在早期的机组
上，末几级低压动叶片是定截面叶片。这种定截面叶片的应力从叶顶到根部呈
二次方的增
加，在叶片连接到叶根的部位应力达到最大。这样限制了可能运行于同步转速的
25
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
94
0mm
。
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）<
/p>
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
< br>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
120
0mm
，这被
认为是传统的含
12%<
/p>
铬叶片材料的极限。实际上，前苏联机组上使用的
1200mm<
/p>
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
50H
z
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
26
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
< br>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。<
/p>
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
< br>
图
3-6
单
< br>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<
/p>
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
3000
r/min
和
3600
r/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/565?
C/565?
C
和
300bar/600?
C/
600?
C
，发电出力有望达到
110
0MW
。
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
565?
C
，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。
< br>
27
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，
< p>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
565?
C
的汽轮机，内缸通常采用传统的<
/p>
1%
铬
.
钼
.
钒钢铸造，而对于温度参数
为
600?
C
的汽轮机，则变为采用高铬含量的铁素
体钢。当温度大于
>600?
C
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
< br>需
要采用
12%
铬含量的钢制转
子。
中压汽轮机
< br>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
600?
C
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
< br>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，
< br>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。
< p>3.6.2
汽轮机发展趋势
240bar/565?
C/580?
C
< br>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
600?
C
。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
600?
< br>C
或更高温度的蠕变强度大大改善的钢材。最近开始的
E
C-
THERMIE
项目资助的
?700‘
工程的目的是到
2013
年进行蒸汽参
数达到
700?
C
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< p>
28
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。
29
第
4
章火力发电厂
4.1
简介
< br>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
< p>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
< br>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
< p>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。
<
/p>
4.1.3
回热加热系统
regener
ativefeedheating
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
26
08.2psi(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
30
3
477.6psi(24MPa)
左右，即在水或蒸汽的临界压力之上
< br>(3205.2psi(22.12MPa))
。尽管使用超临界
压
力要求在锅炉设计上进行特殊考虑，但对于汽轮机来说则是压力越高越好。<
/p>
热效率的进一步改
善也许能够通过提高蒸汽温度来获得。尽管有些
电站工作在
1049
℉
(565
℃
)
，甚至一些早期投运电
< br>站的工作温度高达
1166
℉
(
630
℃
)
，但是，全世界运营的大多
数超临界电站都工作在
1000.4
℉
(538
℃
)
。在更高的温度下，经常
通过使用两次中间再热来进一步地增加热效率。提高蒸
汽温度除了带来增加效率的好处之
外，还能够减少汽轮机排汽的湿度从这样先进的
最初的情况将
否
则需要的高级的涡轮尾气水湿。
350-1000
兆瓦中所谓的
?
超超临界
‘
电站的蒸汽参数为
4491.9psi(31MPa)
、
1094
℉
(59
0
℃
)
，并且
有
些被提高到
5071.5psi(35MPa)
、
1166
℉
(630
℃
)
，这些电站都具有两次中间再热循环，
已经或
即将投入运行。
两次中间再热循环的使用增加了系统的复
杂程度。首先，必须增加额外的锅炉蒸
汽温度控制系统，另外汽轮机必须有一个额外的汽
缸，或者必须将联合汽缸用于前两次蒸汽膨胀
做功。额外汽缸增加了设备的尺寸和费用，
而联合的汽缸有可能带来两次膨胀做功之间密封的问题，
或冷、
热段再热温度过于接近的问题。
只要有足够的时间和资源，这
些发展都不存在技术问题。它们的实际应用依赖于潜在的客户，要
让客户满意于效率提高
的潜在回报，同时不伴随机组寿命、操作灵活性或可用性方面的额外风险。
发展方案以及
第一个实际大小的原型机组将为此提供必要的保证，方案包含全方位的研
究、设计、
装配测试，以及原型组件测试。
然而，引进这些电厂的速度尚不确定
，这取决于电力需求、燃
料成本、经济环境、可替代能源
的范围
，以及为延长现有电站寿命进行的改造等诸多因素。
4.2<
/p>
现代蒸汽电厂
锅炉大多应用在电力生产或蒸汽供应这两方面。而某
些情况下的应用，则是在
发电的同时进行蒸汽供应，我们称之为热电联产。无论哪种应用
，锅炉都是一个大系统中的重要
组成部分之一。这个大系统的关键子系统包括燃料获取和
制备、锅炉和燃烧、环境保护、汽轮发
电机组和带有
冷却塔的热
量排放。
图
4-1
< br>显示了能够满足当前低污染排放要求的先进的燃煤机组。燃煤机组中最主要的三大部分分
< br>别为：（
1
）锅炉部分，在这部分煤粉燃烧以在炉管中产
生蒸汽；（
2
）发电机部分，包括汽轮发电
机组装置，控制蒸汽、凝汽器和冷却水系统。（
3
）烟气净
化处理部分，除掉烟气中的颗粒物和标
准规定的污染物。烟气净化处理部分包括选择性催
化还原法脱硝装置，接着是去除颗粒物的电除
尘器和湿法烟气脱硫装置。煤的选择、烟气
系统的设计和运行都要保证污染物排放低
于允许的水
平。
燃料处理系统存放着燃料供应
(
在本例中的煤
炭
)
，为燃烧准备燃料并且输入锅炉。辅助风系
统通过送风机为燃烧器提供空气。锅炉子系统包含有空预器，涉及风煤混合物的燃烧和余热回收，
并产生可控的高温、高压蒸汽。经过空预器后的烟气进入除尘器和脱硫
(SO2)
系统，在这里污染物
被收集起来并且飞灰和脱除装置
的固体残留物被清除。净化后的烟气通过引风机排入烟囱。锅炉蒸
发水并且在精确的控制
条件下供应高温、高压蒸汽。蒸汽进入汽轮发电机组生产电能。在通过多
级汽轮机系统的
一部分级以后，蒸汽可能会被送回到对流受热面（未显示的再热器），从而在锅
炉中接受
再热。最终，蒸汽流经汽轮机排入凝汽器，释放残留的热量。水从凝汽器返回到锅炉之
前
，经过一些水泵和换热器
(
给水加热器
)
以提高压力和温度。凝汽器吸收的热量最终通过一个或
更多的
冷却塔被排入大气。冷却塔或许是电力系统中最显眼的部分。图示的自然通风冷却塔基本
上是一个空心圆柱结构，通过空气和水蒸气的流通来吸收凝汽器排放的热量。
31
多数现代电厂都建有这样的冷却塔。
4.3
主要系统和部件
4.3.1
锅炉和主蒸汽系统
锅炉中的水被加热沸腾
，转化为干饱和蒸气，然后进入过热器过热。出
来的过热蒸汽进入汽轮机。经过汽轮机的
蒸汽推动汽轮机转子产生机械能，汽轮机转子带动交流
发电机，从而生产出可供分配的电
能。通过新式的具有回热循环的汽轮机后，部分蒸汽从汽轮机
汽缸上一系列的七个或八个
(
或多或少
)
抽汽口引出，进入给水加热器加热给水。通过调节阀进入
汽轮机的蒸汽大约有
70~75%
在汽轮机中完全膨胀做功，通过排汽缸进入凝汽器。
4.3.2
凝结水系统
凝汽器是一个大型表面式换热器，进入凝汽器的蒸汽被凝结，从附近的河或湖
中抽取的
循环水将所产生的潜热带走。循环水由电动或汽动循环水泵泵入凝汽器。因为进入凝汽
器
蒸汽的流量极大，不可避免的会有一定比例的气体不发生凝结。为了在凝汽器中建立并保持一
个非常接近真空状态的负压，必须从凝汽器壳体中去除这些
―
不凝结气体
‖
。通常通过射汽抽气器
去除这些气体，它的主要组成是一个喷嘴，蒸汽通过喷嘴获得很高的流速，从而带走那些不凝结
< br>的的气体。然后流经喷嘴的蒸汽
(
作为原动力的蒸汽
)
和被其机械携带的不凝结气体进入通常被称
作二次凝汽器的换热装置，蒸汽在环境压力下凝结，不凝结气体被排入大气。射汽抽气器置于一
个或两个级内，本质上是一台压缩机，它将不凝结蒸气的压力从几乎完全真空提高到大气压来清
除掉。
流经汽轮机的主蒸汽，在凝汽器中被凝结成接近真空压力下的近似
饱和的水。这些凝结水
在重力的作用下流向凝汽器底部，然后进入热井。通常热井水位通
过控制热井水泵来维持。热井
水泵将热井中的水泵出，经给水加热系统的低压部分后，到
达锅炉给水泵。凝结水经热井水泵升
压后首先进入低压加热器，被压力最低的抽气加热。
如图所示该低压加热器配有一台疏水泵，疏
水泵的作用是将加热器疏水（水蒸气凝结而成
）泵入位于其后的凝结水主管道。这种型式的
加热
器也被称作强
制疏水加热器。
4.3.3
除氧和给
水系统
凝结水流经低压加热器后进入除氧加热器。除氧加热器是混合式加热器，
通过加热凝结水使其沸腾的方法除去所有携带的氧气。除氧加热器除去氧气的依据是，当水的温<
/p>
度接近沸点时能极大地降低不凝结气体在水中的溶解度。加热进入除氧器凝结水至沸点的热
量由
汽轮机的抽汽提供。从被加热凝结水表面释放出的不凝结气体必须被去除。正常情况
下除氧器的
工作压力高于环境压力，因此这些气体能通过排气冷却器被排放掉。通常是引
入凝结水来冷却排
气冷却器，在冷却不凝结气体的同时冷却水蒸气，但有一部分水蒸气不
可避免地随着气体从除氧
器逸出。通过对排气冷却器适当的设计，蒸汽凝结后可能以疏水
形式回到除氧器，而不凝结气体
则通过
节流孔排入大气。
在原始的设计中有时也许有除氧器的工作压力低于环境压力的考虑。
即
使当额定负荷的设计压力比环境压力高得多，也会遇到较低负荷时变成负压的情况。于是有必
要将不凝结气体继续从除氧器中去除，为达到这个目的就需要射汽抽气器。但是该设施产生的费
用和复杂化使它的安装并不普遍。为此普遍的做法是在低负荷时切换抽汽段，以便除氧器的蒸汽
供应由下一个更高的抽汽点提供。一个简单的布置是安装一个带有控制阀的连通管，并在连接到
连通管的低压抽汽管道上安装逆止阀。在这种布置中，打开连通管上的控制阀会自动提供
较高压
力的蒸汽至除
氧器，并且逆止阀关闭，用来防止蒸汽回流
到较低压力的抽汽段。
在许多电站
中设有与除氧器并联的缓冲水
箱来储存水。缓冲水箱的作用是在事故时，如其它水
32
源
中断的情况下提供蒸馏水，或者作为负荷变动时存储过剩水量的水箱等。正常情况下除氧器的
存储容量足以维持电站运行几分钟，但是多数设计师认为用一个更大的缓冲水箱来增加存储
< br>容量
是明智的。
在相当多的大型电站，锅炉给水泵与除氧
器疏水出口相连。由于除氧器内的水达到了
沸点，所
以布置在除
氧器下方的锅炉给水泵要有一个必需的汽蚀余量
(
通常至少
20
英尺
(6
米<
/p>
))
，
以避免锅炉给水泵出现汽蚀。
4.3.4
加热器和给水加热系统
离开除氧器的水经锅炉给水泵泵入下一级加热器。这台加热器是疏
水加
热器，即，疏水通过换热器
(
疏水冷却器
)
，释放热量加热进入的凝结水。离开这台加热器以
后，凝结
水进入高压加热器被加热到最终给水的温度。最后一级加热器是一台闪蒸加热器，使用
这
种叫法是因为它允许疏水通过一个控制节流口或调节阀，到达相邻的较低压力的加热器，其中
一部分饱和水闪蒸为
蒸汽。这种布置取消了疏水泵和疏水冷却器，但是会导致较大的
热损失。
图
4-2
< br>示意了四种不同类型的加热器，即闪蒸加热器、疏水冷却加热器、除氧或混合式加热器，
< br>以
及配有疏水泵的加热器。
现代蒸汽动力电站的加热器布
置方式没有确立很好的标准。粗略的分类，
所有加热器可分为表面式或混合式。对于表面
式加热器，这样叫是应为它使用间接的加热表面，凝
结水在管内流动，而抽汽则进入加热
器的壳侧。翅片管或光滑管都有应用，但显然光滑管的应用更
普遍。当抽汽进行加热时，
表面式加热器的换热面布置必须能够承受管束的自由热膨胀。出于膨胀
的考虑，可以通过
具有一定自由度的设计或安装发卡弯类型的管束来解决。表面式换热器通常会用
在给水加
热循环中压力较高的场合，因为在该循环的出口凝结水压力接近或高于锅炉压力，且与混
合式加热器相比，在管内输水更加容易。
混合式加热器通常被用作除氧器。它有能储存大
量凝结
水的钢制外壳，使蒸汽和凝结水充分地混合。凝结水通过排气凝汽器进入混合式加
热器，再通过一
系列淋水盘流至加热器底部。蒸汽穿过淋水盘侧边流下的凝结水，保证了
蒸汽和水充分地混合，并
将凝结水加热至加热器压力下对应的饱和温度。众所周知，当水
被加热至沸点时，水中包含的所有
永久气体的可溶性会大大减小，从而使这些气体从水中
逸出。在电站循环中的除氧器具有双重功能：
一方面加热水使其
有一个显著的温升，大约
60
或
70<
/p>
℉
(15.6
或
21.1
℃
)
，另一方面能够使其达到
饱和温度。这就
使得不凝结气体从水中逸出。然后这些不凝结气
体通过排气凝汽器，其中水蒸气
被凝结，气体
则被排放到大气。
有时混合式加热器也用于给水加热系统的低压部分，但这是特例而
不是一般的规则。虽然如此，至少有一个大型汽轮机装置，对所有的抽汽采用混合式加热器。这种
布置的可用性
(
纯粹从热量的角度
< br>)
是不容置疑的，但是它的热力学收益必须和每台混合式加热器必需
配备分离水泵的支出相平衡。事实上每个分离水泵必须具备处理电站全部凝结水流量的能力，这就
又带来了维护费
用和运行可靠性的问题。
各
种类型的加热器可以应用在许多途径。混合式加热器
作为除氧器被广泛采用，其出水则被
直接引入锅炉给水泵。由于除氧器是蒸汽和凝结水共用的水箱，
常常引入其它疏水与主凝
结水混合。因此，图
4-2(a)
中所示的混合式换热器只有这
一个重要用途。
表面式加热器在实践中至少有三种可能的布置
。最通常的布置如图
4-2(b)
所示。在这种布置中被
称为闪蒸加热器。它名称的由来是因为在其壳侧抽汽凝结成的疏水
―<
/p>
闪蒸
‖
进入到低压力的疏水扩
容器。该类型常常是来自上一级较高压力加热器的疏水被引入到闪蒸加热器，然后和本加热器抽
汽凝结成的疏水混合后排出。这种布置必须在加热器疏水出口管道上安装出口阀，用来
33
维持该加热器壳侧和低压疏水扩容器之间的差压。有一种替代
情况是加热器中的给水以给定的
流
率流经一个孔口，而给定的流
率建立在热平衡的基础上。
如图
4-
2(c)
所示，在另一种布置中表面式加热器被称为带疏水泵的加热器。它名称的由来是
因为
加热器疏水是靠疏水泵泵入该加热器出口主凝结水管路。和简单的闪蒸加热器一样，
来自上一级
较高压力加热器的疏水有时也被引入其壳侧。衡量此种加热器相对于闪蒸加热
器的热力学收益必
须考虑不得不使用疏水泵所带来的不利因素。一般来说，疏水泵是可靠
的；尽管如此，
它毕竟是
可能降低循环可靠性的一个额外的机械
设备。
第三种同时也是非常复杂的表面式加热器的布置
如图
4-2(d)
所示。这里，预热设备可作为管束整体的组成部分，合
理地布置在表面式加热器壳内，
也可以整个以外置式单元形式布置。预热单元将加热器疏
水中的热量传递给流入的凝结水，可能由
于存在温差，它被称作疏水冷却器。这就是疏水
冷却器加热器布置。疏水冷却器的明显优点在于
它减少了引起其内部热量传递的传热温差
。加热时使用的是温度较低的水，而不直接用抽汽，这
样就提高了传热的可逆性和循环热
效率。在热平衡设计中可以看到疏水冷却器具有显著优点。虽
然它是一个具有高可靠性的
静
态设备，但它在传热方面的优点常常被人们忽略。
4.4
用于电力生产的煤气化
煤气化炉合成的煤气有很多应用。通过附加的化学反应处理，
CO-H
2
负载气体可以进一步转换为
氨水、甲醇、乙酸酐、汽油和其它
副产品，这些应用正在全球范围内进行商业运作，然而
和基于
石
油、天然气的化学制品相比，常常需要更高的费用。
合成煤气也可以用来发电，最近的应
用
是在燃气轮机中燃烧。通过从气化炉和燃气轮机排气中回收余热生产蒸汽，一个燃气轮
机（布雷
顿）循环和汽轮机（郎肯）循环可以有效地结合，构成整体煤气化联合循环。虽
然技术上可行，
但是这种用煤发电的方法还没有大量的商业应用，因为常规的燃烧系统较
为便宜和简单。然而，
进一步的发展和越来越严格的环境规章制度使更
< br>多的人对
IGCC
感兴趣。
4.4.1
整体煤气化联合循环电站
如图
4-3
所示，在联合循环电厂中，
通过煤气化和燃烧气体燃料进行电能生产的方式要求设备高
度地一体化。简而言之，高温
燃气在燃气轮机中膨胀驱动空气压缩机和发电机，其中部分压
缩空
气被用来气化煤炭。
高达
1000
F(538C)
的燃气轮机排气流经余热锅炉
(HRSG)
生产过热蒸汽，用以驱动汽轮发电机组。
气
化过程中释放的大量热能也必须被回收进入蒸汽循环来提高电站的整体效率。
整体煤气化
联合
循环系统的设计是相当复杂的，需要综合考虑，合理地的平衡投资成本、电站效率、
可操作性和特
定应用下的环境保护等诸多因素。例如，气化炉的选型就影响燃气热量回<
/p>
收的数值。
在设计的高
效率循环中，工作
在高温下的氧气携带流气化炉需要冷却更多的新烟气。这些冷却
器必须在恶劣
的气体环境中工作，而且是关乎电站运行可靠性的一个重要设备。
将大量低
品质蒸汽的热量
(
受
限于金属承受温度
)
吸收至蒸汽循环会使电站控制系统和操作变得复杂。与之相比
，通过冷却新烟
气可减少回收热量的投资成本和复杂程度，但会极大地降低效率
(
比回收全部热量效率下降近
10%)
。
制氧设备整合是另一种设计方向。如图
4-3
所示，由汽轮机驱动的空压机直接将空气送至制氧设
备，由于减少了外部压缩设备，因此制氧过程更加高效。然而，压缩机和汽轮机之间存在相
当大
的系统容积，因此这些地方对汽轮机有更高的控制要求。
燃料特性等其他一些技术因素会影响
工艺设计。褐煤这样的高水分燃料可
能不适合作为水煤浆
34
提供给气化炉，因为那样会降低效
率。燃烧较大容积、较低热值的煤气时，在燃气最小热值、污
染物排放性能和空压机工作
范围方面，燃气轮机有更好的能力处理空气流量和烟气流量之间
的不
匹配问题。设计时还需考虑环境温度的影响和电站负荷需求特性。
电站的规模主要取
决于燃气
轮机。一套燃气
/
蒸汽轮机机
组出力可超过
250MW
，其中
60%
来自燃气轮机。更大的电站则需要
多级燃气轮机，这样就可以实
现规模经济，因为只需要维护一台蒸汽轮机，并且具有更大的电厂平
衡系统，如燃料处理
，电气和控制以及水处理。
IGCC
可以分期建设，先建一个以
天然气为燃料的燃
气轮机（简单循环），再依次建造蒸汽轮机和余热锅炉（联合循环），
最后建设一个煤气化系统，
这样就能使业主更加灵活地满足负荷在峰谷之间变化的需求，
同时也适应于天然气成本高于煤炭
的现状。虽然原理很简单，但将天然气改为煤气，还需
要在燃气轮机和蒸汽侧热平衡方面做很
多改进。
各种各样可利用的技术和外界设计因素结合起来使
IGCC
电站的设计变成一个复杂、地
点相关性强的过程。同时，这种灵活性提供了一个机会
，可以针对各种应用制造出一个最优化的系
统。
4.4.2
IGCC
的优点
对更加清洁环境的需求是推动整体煤气化联合循环发展和实施的主要力量
。常
规燃煤电厂持续增加环境控制措施来满足日益严格的污染物排放要求。整体煤气化联
合循环电厂
本质上有潜力达到非常低的排放物。带有冷气清洁系统的吹氧气化炉就非常合
适，具有较低的二
氧化硫、氮
氧化物、固体废弃物和空气污染物
的排放水平。
如上所述，采用带有
C
laus
和尾气净化系统的
IGCC
电
厂可以脱除
99%
以上的硫。常规燃煤电
厂的湿法脱硫也可以在设计后达到相似的性能，这需要通过使用更加昂贵的高性能脱硫剂和
/
或
更
多的辅助能源用以提供更多
的脱硫剂与烟气的相互作用。
由于已经在冷气清洁系统中脱除了燃
料氮，从
IGCC
系统中排放的
NO
x
严格地由燃气轮机的性能决定。以目前科技水平的燃烧室，氮
氧化物排放小于
0.05lb/106Btu(21.5g/GJ)
是可行的，取决于燃气燃烧的热值
(
可以加上水分和
/
或氮
)
和汽轮机入
口温度，这两者都影响火焰峰值温度和热力型
NOx
的生成。比
较起来，常规燃煤电厂
只能通过低
NOx
燃烧技术结合烟气脱硝才能达到
这样的数值。
带有鼓泡气化炉的
IGCC
电厂产生的固体副产物主
要包括气化炉的炉渣和单质硫。如果硫磺作为
商品出售，需要处理的就只有燃料灰了。根
据燃料硫含量，常规燃煤电厂由于二氧化硫
(SO2)
副产
品可能生成两倍的固体废料。然而，这也许可以通过常规电厂脱硫系统产生的可供出售的
石膏或
可再生脱硫系统的其他副产品得到部分的补偿。
现在，重金属、空气污染物和极微小颗粒物排
放对环境的影响得到了仔细的调
查研究。
IGCC
系统也在这方面表现了优越性。
相对于常规电厂，高循环效率是
IGCC
系统的另一个优点。基于全球关心的二氧化碳排放问题，
效率已经不仅是
一个与燃料成本相关的经济问题，还是一个环境问题。
理论上的整体煤气化联
合循环的效率在
38%
到
43%
的之间，这取决于交易投资成本、电站一体化程度，以及燃料类型等
因素。由于开发出了具有更高燃烧温度的燃气轮机，进一步提高循环效率变为可能。最新型的大
型超临界蒸汽电站效率大约为
38%
，而亚临
界蒸汽循环效率大约为
35%
。
正在开发的带热烟气净化的吹空气
IGCC
系统可以作为另一选择，它不需要进行氧气分离，也不
需要类似化工厂的冷烟气净化过程
。这就将电厂设计简化成了电力工业更加熟悉的设备和过程设
计。比吹氧气系统具有更低
的投资成本和更高的效率是追求的目标之一。由于有关高温烟气清洁
的环境标准很严格，
所以需要进一步改进，以降低含有燃料氮化物的燃气轮机燃烧室中
35
氮氧化物的排放水平，脱除温度高达
1000F(538C)<
/p>
的烟气中的颗粒物，同时展现合理的性能和寿
命。
总之，无论是整体煤气化联合循环发电系统，先进的郎肯循环蒸汽电站，还是增压流化床这
样
一些具有竞争力的其他发电系统，它们的发电成本将会决定其在将来应用的
广泛程度。
36
第五章仪器仪表与过程控制
5.1
概述
仪器仪表与过程控制
CI
与
C)
涉及广泛的技术和科学，而且它们得到前所未有的
应
< br>用。例如加热、冷却的控制，家庭和办公室的热水系统，以及化学和汽车的仪表与
过程
控制。
5.
l.
1
仪器仪表
仪器仪表是
工
业过程控制
的基
础。然而
，它以多种形式出现，从家用热水器和暖
通空调中，测
址变化的温度，并用于控制热水器或加热系统的燃气、燃油或电流，或
制冷压缩机的电流
，到复杂
工
业过程控制的应用，如石油或化学
< br>工
业。
在
工
业控制中，多个变泣，从温度，流谥和压力到时间和距离，可以同时测址。所有<
/p>
这些变朵相互依存于一个需要复杂的微处理器系统实现全部控制的单一过程中。
由于技术
的迅速进步，今天所使用的仪器仪表在明天就可能过时，新的和更
有效的测
迳技术正不
断被引
入
。这些变化被更高
的精确度
、质
泣
、精密度和性能
需求所推动。
为了准确测
朵参数，仅在几年前被认为不可能的技术已经发展起来。
< br>
5.
l.
2
< br>过程控制
为了生产具有始终如
的高品质的产品
，严格的过程控制是必要的
。过程控制的
个易于理解的例子应该是，给
些清洁站供水，那里的水温需要保持不变，无论水
的需
求址是多少。一个简单的控制块图如图
5-1
(a)
,
蒸汽和冷水进入热交换器，
蒸
汽的热品是用来使冷水达到所需的工作温度。温度计用来测址过程
中
或换热器的水温
（被测变址）。
名操作员观察水温，为
了保持热交换器的出水温度恒为设定温度，<
/p>
调节
流入热交换器蒸汽流品
（调节变址）
。
控制器根据所观察的温度调整进入换热器
的蒸汽
流品
（
被控变址），
以保持
从换热器流出的水恒定在设定温度。这一操作被称
为过程控
制，
并在实践中会被自动化，如图
5-1(b)
所示。
过程控制是一个输出变址的自动控制，它通过测址过程输出参数的大小，并
将之
与理
想
值或设
定
值
进行
比较
，
送
回一个
差
值
信
号
来控制输入变垃
。
本例
中
输入
变址
是
蒸
汽
，
见
图
< br>5-
1
(
b
)
。
温度传感
< br>器放
在出
水
管感
应水流温度
。
随着热
水需
求的增加或
减少，水温的改变被感应并转
换为电信号，放大
，
并传送到控制器，控制器估算这个
信号
，
并发出了
一
个校
正信号到执
行器
。
执
行
器
调节进入换热器
的蒸
汽流谥
，
以
保持
水
温在其设定值。
冷水入
口
温度计
蒸汽入口阀
冷水入口
执行器
七
II
I
、
、
区
七
-
11
+
--
控制器
·
·
·
·
·
.1:
·
一
·
一
．
，
传惩器
』
出口热水
..
＂
＇
』
出口热水
.
(
a
)
(b)
图
5-1
过程控制
(a)
简单执交换器过程回路的手动控制
(b)
热交筷器过程回路的
自
动控制
图
5
-1
(b
)
是过于简单化的反馈回路图
，
图
5
-2
对其进
行了扩展。在任何过程中
都有数个输入朵和输出址。过程中被控制的
输入参数和被测址的输出参数都被称为变
垃
。
在
过
程控制
设
施的控制
器
不
<
/p>
定限
千
一个
变械
，
而是可以测址
和控制
多
个变址
。
z
传屈器
被控变童
对象
控制呈
韵
入
测盘元件
韵
出
执行器
控制元件
反馈通迼
设定值
图
5
-2
过程控制回路的方框图
5.
l.
3
控制回路要素的定义
过程
< br>调
严
坚
」
传
惑器
_
换
,
执行器
能
-
器
反馈回路
变送器
执行器供电
求和
谝差信号
校正信号
电源
畦
倌
功率驱动
电源
＇
．<
/p>
菩
壅
--
?
?
?
?
?
:
设定倌
图
5-.3
过程控制回路反馈通道构成要素方框
图
图
5-3
细分了过程控制回路框图
中
的各个要素。测谥元件包括传感器、
变换器
和
传送器，它们有自身的稳压电源
。控制元件有执行器、电源控制电路和其自身的电
力
供应。控
制器的处理器有存储器和加法电路，用来比较设定值
与
被测值，
从而能够
产生偏
差
信号。处理器使用偏
差
信号产生一个校正信号，控制执行器和输入变址。这
些
框图的定义如下：
反馈回路是从输出
回到输入，以校正输出值与设定值之间的
任<
/p>
何差值的信号通道。
换言之，过程的输出不断被监测
，以确定设定值
与
输出值之间的偏
< br>差
，
而后校正信号
被
送回用千校正过程输入之
，
同样用来校正被测输出参数的变化。
被控或被测变谝
是
被监测的过程输出变
址
。
被监测输出
的参数通常
保待
在
给定范
围内。
控制址是过程的输入变址或参
数，它由从处理器到执行器的控制信号所改变。通
过
改变输入变
泣，被测变谥的值是可以控制的。
设定值是被传感器监测的输
出参数或变址的理想值。任何偏离这个值的情况将产
生
一个偏差
信号。
仪表是任何用来说明或测址物理址或条件，性能，位置
，方向等的各种类型设备的总
称。
传
感器
是可以检
测物理
< br>变
:ig
,
< br>如
温
度
、
光
照
强度
或运动的设备
。
传感器有
能力提供
一个可
测
的
输出
，
该
输出的
变化
与
物理变址的
大小有关
。
温度
计是
很
好
的一
个可
视
传感
器的例子
，<
/p>
因为它
将给出准确的温度的视觉
指
示
。
其他传感
器
，
如
膜
式压力传<
/p>
感
器
，
应
变
压
力传感器在
测址
前
可能
需
要将
膜
片的
变
形<
/p>
的转换为一
个
电
气或气动
的
信
号
。
换能器是可以将
种形式的能
垃转
换为另一种形式能
址
的装
置
，例如，电阻温度
计将温度转换成
电阻，热电偶将温度转换成电压
。
这两种设备提供输出
正
比
于温度。
许
多换能器位于传感器的端部。
转换器是在不改变能垃形式的情况下改变信号形式的装萱，如电压与电
流信号之
间
的改变。
执行器是响应控制器信号来控制输入变
址
的装置
。
一种典型的执行器是流
址
< br>控制
阀，它能够依据控制器信号幅度按比例控制流体的流
址。其
他类型的执行器是控制电
源开和关的磁继电器。
控制器是监视传感器的信号并采取必要动作使过程保持在规定限度内的
装置。
它
通
过预定程序驱动或控制必要
的执行器。
可编程逻辑控制器
(PL
C)
用于过程控制的应用，并且系统基千微处理器。小系能
能<
/p>
够监测几个变址和控制几个执行器。在性能扩展下，监测
60
或
70
个变址和控制相
应
数址的执行器。
PLC
系统
，
可以使用模拟或数字输入信息和输出模拟或数字控制信
号，
可以在全球范围内与其他控制器通讯
，
很容易在线或离线编程，并给操作者提供
了前
所未有的大
泌
的数据和信息
。
梯形网络
图通
常用于控制器的编程。
偏差信号是设定值与被测址变垃之间的差值。
校
正信号是用来控制执行器电源的
信号，用来设定输入变址水平
。
变送器用千放大和标准化信号，使它们适合千信息
零损失或小损
失的长距
离传输
。
< br>变送信号可以是多种形式之一
，如气动、数字、模拟
电压
、模拟电流、射频
C
RF
)
信
号。数字传输在新系统中是首选的，因为控制器是一
个
数字系统，由
千模
拟信号能
准确
地数字
化
，数字信号能无信息丢损失地传输
。该控制器比较传感器信号和预设值
< br>，
在图
5
-
1(b)
中
是热水传感器的信号幅值。该控制器将向执行器
发出
个与参考值和传
感信号差值成比
例的一个信号给执行器，执行器开启或关闭阀门从而控制蒸汽流
.
调节水温到其设定值。
20mA:
线路驱动器
工一一日
仁
咎
乎
F
匕
竺<
/p>
图
程序
4
WmA
I
｀
-
-
-
、
一
-
--
-
---
·
一
-
--
·
-
!
,
P
LC
电流压力转换器
气源
尸
）
压力室
13-
1
5
psi
，
孔
板
流呈
f
压力
图
54
流量调节过程控制实例
例如
图
5-4
显
示了闭
环流
址
控制系统框图
，
图
中
包含下列要素
：
(a)
传感器，
(b
)
换
能器，
(c)<
/p>
执行器，
(d)
变送器，
(e)
控制器，
(f)
控制朵，
(g)
被测变
泣。
(a)
在图中传感器被标记压力室。
(b
)
换能器标记为转换器
，
换能器有两个，一个用
千
转换的压力为
电流，另一个转换电流为压力来操作执行器。
(c)
此例执行器
为气动
阀。
(d)
变送器为线路驱动器
。
(e)
控制器标记为
PLC
。
(f)
流体流经孔板产
生被测变
址
差压。
(g)
被控制变
谝是液
体的流
垃
。
5.2
文件和符号
5
.
2
.
1
介
绍
文件包括完整的
工
程和详细的
工
程图
。在
工
厂绝大多数的文件
中
，我们需要介绍
的也仅限千你要常用的那么
几
种，比如报警和跳闸系统
，
PLC
文件和管线仪表图
(P
和
ID)
。管线仪表图是非常详细的文件
，包括了仪表，安装位置
，过程控制环路以及
工
艺流程的细
节
。文件标准和符号是由
工
业标准体系结构
(ISA)
与
美国国
家标准协会
(ANSI)
共同建立并标准
化
的。
5
.
2
.
2
系统
文件报警
和跳闸系统
报警和跳
闸
系统
应用
千
工
业过
程控制
的安全
仪表
系统
。
AN
S
I/
ISA
-
84.
0
1
-
1
996
给出
了报警和跳闸系统的
有关信息及其实施。报警系统的目的是机组在故障时能引起操作
人员和维护人员的关注<
/p>
，
而跳闸系统是当故障发生时依次关闭系统，或将故障单
元
切
换
到备用的单
元
。使用在过程控制系统
中
这些
元
件作为预告故障的第一道防线。用于
报
警和跳
闸系统的传感器和仪表是第二道
防线
。这些传感器和仪表必须
与
用千过程控制
系统的仪表完全分开。
报警和跳闸系统或者安全仪表系统
(SIS)
有它们自
己的传感器
，
逻辑和控制
元
件，以
便
在发生故障时把系统切换到安全状态
，
从而保护人员，设施和环境
。控制装置用
来
准确
测址被测址不同垃值，而
SIS
的传感器是用千
测
址跳闸点的一
个
更为可靠耐用的设
备。
个常
见
的
SIS
< br>系统是二
重
冗余系统，该系统由主
SIS
系统和两个冗余系统构成。
这样
一
来
，
三选二逻辑监视系统通过输出
的对应关系来确定是检测器故障还是系统故
障。三
选二逻辑电路
如
图
5
-
5<
/p>
(a)
所示
，
真
值表如图
5
-
5
(b)
所示
，
正常悄况下输入通常<
/p>
是
低
电
平
(0)
。由阳可知
，
如果一个输
入
信号变为高
(1) <
/p>
意为检测器故障
，
并且检
测器故障输出由
0
跳变至
1,
而系统的输出仍旧维持在
0
。如果
2
个或者
2
个以上
的输入
信
号均为高值
，
那么就说明系统故障，并且系统故障的输出也由
0
跳变
至
1
。
监视器故障
D
AND
一
,
?
?
.
一
e
系统故障
的入
韵出
A
B
C
U
f
0
0
0
O
0
I
O
ti
I
0
I
I
O
I
J
I
A
B
真值表
(b)
O
O
I
I
c
{a)
图
5-5
监视器和
(a)
三选二故障指示
器以及
(
b)
真值表
< br>
报警和跳闸文件
报警和跳闸系统的文件
定是最新最好
的。所有的
SIS
设备必须要清楚地标识和编号。
系统图纸必须使用标准符号指示所有的
SIS
设备及
其位萱
、
功能和设定限值。
工
程图纸
必须包括联锁和逻辑图。
报
警和跳闸系统所需信息分类如下
：
(1)
安全要求说明
；
(2)
逻辑图及功能描
< br>述
；
(3)
功能测试程序及所需维护；
(4)<
/p>
过程测点及
跳
闸址值
；
(5)
跳闸时
SIS
动作的描述
；
(6)SIS
掉电时将采取的动作；
(7)
手动关闭程序；
(8)SIS
关闭后的重启程序。
PLC
文件
如同所有的技术设
备
一样
，
详细的
工
程
记录
是
必不可
少
的
。
没有
粒确
的
工
程
图
，
做
升级
所需
的
变更和修改
是
极其困难甚至是不可
< br>能
的
。
为
了
便千修改布线
和
进行诊断
，
从
PLC
到监测
和控
制
设
备的每<
/p>
根接线两端都必须
清晰
明
确地标示出来
，
并且
画于
接线
图
上
。
PLC
必
须
有
最新的
梯
形图
（
或者其
他编
程<
/p>
语言）。
PLC
包中的基本文件如下：
(1)
系统概要和控制操作的完整描述。
(2)
系统单元的方块图。
(3)
每
个
输入输出点
、目的地址和编号的完整列表
。
(4)
I/0
模块的接线图<
/p>
，每一个
I/0
点的地址标识以及机架的
位
詈。
(
5
)
梯级
描
述
，
编号和功能
。
5.2.3
管线仪表图
标准化
电子行业有其标准符号来表示电路元件，并将其用千电路图。同样地，过程
< br>工
业也有
标准符号来代表过程控制
系统的元件。不同于
电路图，过程工业图就是管线仪表图
(P
和
ID)
C
不
要与
PIO
混淆）
，它来描述过程系统
的元件和要素是如何相互连接的。
ANSI
和
< br>ISA
已经开发并标准化了用于标识所有应用于工业过程的元件的符号。管线仪表
文件
即
ANSI/
ISA
S5.
1
-
1984
(R
1992)
--{)'(
表符号和标识标准
。
P
和
ID
图或者
工<
/p>
艺流程
图都
是为了过程系
统
的详
细
设计而开发的
。这
些图表显
示
全<
/p>
部所
需管道
、
仪
表及
位
詈
、
信
号
线
、
控
制回路
、
控制
系统
和设
备
的细节
。
工艺流
程
图
和
系
统控制需求由
工
艺过程及控制
工
程
的队伍提
出<
/p>
。
这些
工程图纸必
须
是
正
确
的
，
当
前的
，<
/p>
最新
的
，
并且<
/p>
严格维护
的
。
P
和
ID
图通
常包含以下类型的信息：
(1)
工厂
设备和容器的放詈地点、容谥、压力、液位操作范围和用法等等。
(2)
所有区分互连类型的连接管线，即气的或者电的，以及管线的
< br>工
作范围。
(3)
所
有电机的供电电压
、功
率及其他相关
信息
。
(4)
仪器显
示仪表的位置，它的主要功能
，过程控制回
路编号和
范围。
(5)
控制阀的控制类型
、阀门的类
型、阀门动作的类型<
/p>
、故障保
存特性以及流址
和
压力信息。
(6)
所有安
全阀
、
压力调
节器、温度调节器的操作
范
围。
(7)
所有具有控制回路编号的测泌装置
、记录仪和
变送器。
5.3
基本的锅炉仪表与控制
5.3.1
介绍
尽管手动控制来操作锅炉在理论上是可行的，但是不断的扰动和参数变化使运行
人<
/p>
员保持长时
间的沉闷。锅炉响应校正作用需要
段时间，这样则可能导致过度校正，
并
< br>进一步破坏锅炉的正常运行。自动控制器
减少锅炉的扰
动
，更精确和
可靠
地控制系统。
锅炉的仪表系统可以实现如下功能：
(1)
测址所设计的锅炉不同参数的真实值。
(2
)
维持不同参数的安全
工
作范围。
旦调节好
，将迅速产生恰
当的调
节来尽
垃
(3)
同时监视
个或者更多的变泣
，
并且提供自动控制
系统的输入。
(
4)
<
/p>
故障条件下
，
一
旦操作员
采
取补救措
施失败
，通过
报警和跳闸
来保护
锅炉
。
(
5)
设
备出现故障
前
提供运行状况
的数据
，
从而为故
障
分
析做
准备
。
选择锅
炉
仪
表时
应
该
特别小心
。
有
许多
仪表
和控制回路提供给
锅炉
。
基千
所
收缕
的
不同
电
厂
的反
馈
，
些
重
要的保护
和控制是电
厂
必
不可少
的
，
列举如
下
。
5
.
3
.
2
汽包水
位高
／
低
保护
汽包中的水位应该维持在期望的限值之
间。当汽包水位在低位之下时
，
将出现水
冷
壁传热危机。反之，汽包水位高到高位之上时
，
蒸汽将会带水进入汽轮机。因此
，
在
汽包两端安装可靠的指示水位仪表是必需的。当水位下降到低千允许限值之下时
，
水位
低跳闸就会关闭锅炉
。
对
于所
有锅炉来说
，
建议采用水位
高跳
闸
（或报警）。通常
推荐使
用单独的液位开关用做液位
高／
低限报警和跳闸。
5.3.3
炉温探针
新型锅炉需要受控的启动和负荷程序。因此，绝大多数制造
商提供有
启动曲线，
该曲线大致给出锅炉要跟随的升
压速率
。在锅炉启动过程中，没有足够的蒸汽流经过
热
器，因此，如果
给锅炉炉膛提供较
高
的热输入
率
，将会导致较
高
的烟气出口温度，
从
而引起过热和爆管
。建
议控制锅炉的热输入
率
同时维持烟气温度使得炉温在
540
度
左右。
炉
温探头是一个
带有冷却水夹套
的
高温热电
偶
。
冷
却
水流过夹
套
，
防
止热电
偶过
热
。
一
旦过
热器中有
足够
址
的蒸<
/p>
汽流过
，
燃料的燃烧率
< br>也
就不再
有任何限
制
。
也可以使用没有冷却水的温度探针。当烟气温
度超过
540
摄氏度时，必须把热电
偶
撤回
。
该热电偶和长吹灰器有相似的可伸缩机构。
5.3.4
蒸汽纯度
<
/p>
蒸汽纯度表明蒸汽从炉水携带的盐分的多少。过热器内表面和汽轮机叶片上的钠
盐会缩短设备寿命并且
降低锅炉的可用性。为了避免携带盐分
，汽包通常都有干燥箱。
蒸汽纯度应该定期监视以提高锅炉的可用性。
钠
示踪技术可以测址蒸汽
中低
至
的溶解性固体
。
5.3.5
控制回路
由于蒸汽的产生是连续的，因此控制也应该是连续的
，
对于空气、燃料、水等等
需要的调节
也应
该同
步进行
。
这些
变址
的手动
控
制主要
依
靠运
行
人员判断和校正
参数
能力
，而没有太多的试错操作。锅炉的自动控制是维持锅炉稳定输出的最好方法
。
和
气
动以及别的过时系统相比较，电子学的发展已
经使得电子控制系统更加受欢迎。
以下是推荐使用在现代
高压
电站锅炉中的一些至关
重要控制
回路。
给水控制／汽包水位控制
维持汽包水位在
正常的参考运
行
< br>水
位
非常重要
。
水位太低能引
起
水
冷壁
管缺水
，
导
致
爆管
；
水
位太高
导致携带炉水并且
降
低蒸汽
纯度
。
许多现代锅炉其运行
的蒸汽温度接近
金属
的最大允许温度
。
低水平给水控制引发
的温度
波动将会损
坏锅炉管子
。在设计
过程中，通过
高<
/p>
水蒸汽释放
率获得较
好的性能
。
该比率需要
高可靠的水位控制。
如图
5
-6
所示的三冲址就是汽包水位，蒸汽流址和给水流泌。该系统
中，
基本的
控制是依据蒸汽流址和给水谥之间的关系。该闭环系统
< br>中，
在正常的稳定状态下
，
汽<
/p>
包水位处于恰当值
，此时
蒸汽流址和给水
流谝之比为
l
:
1
。该条件的任何变化都将产
生一施加在给水控制阀上的控制信号，液位信号也会引起
给水阀的重新调整，从而把
液位信号调整回期望值。控制系统中的给水流朵测虽信号用于
决定给水管路中调节阀
的开度，从
而
使
得流入的给水
址和锅炉
的蒸汽输出
垃相
等。因
此调节阀前给水
压
力的
任何变化所导致的给水流
< br>谝变
化将由流
谝
计立刻检测出来
，
调节阀将起作用。
锅炉通风控制系统
在所有燃烧控制系
统
中，
不管什么类型，都有独立的控制回路用来维待恒定的炉<
/p>
膛负压
（
图
5<
/p>
-
7)
。控制器检测偏
< br>离设定值的任何变化，直接输出信号去调整送风机挡
板的位
笠。
炉腔送凤变送器
过热
温度热电偶
蒸汽
压力
流鱼
温度
汽包
水位
压力
给水
流呈
r
A
倌
I
设
定
温度压力补偿
K
IJ
议<
/p>
A
)
手
／
自
动
控制站
r
ev
油动缸
入
1
给水流量控制阀
终
端控制设备
图
5-
6
给水
I
汽包水位控制
（
三
冲量
）
蒸
汽温度控制系统
图
5
-
7
炉
膛
送
温度调节器
风
控制系统
图
5-
8
蒸汽
温度
控
制
通过喷水或减温器减温的方法
，蒸汽冷凝的水通过喷嘴喷撒到途径的一级过热器
和二级
过
热
器之
间
。
为了实
现减
温
的目
的
，
必须测<
/p>
址蒸汽
温
度
，<
/p>
并
且控制器探测偏离
期
< br>望
值
的任何变
化
。
控制器
发
出信号给
调节阀
。
图
5
-
8
所
示
系统是
适合电
厂
锅
炉的
。
燃烧控制系统
锅炉自动
燃
烧控制
系
统
的主
要目标就是自动
调节
。
在
燃
料和
空<
/p>
气
的供给上
，
使
输入
到锅
炉
的热
朵与
输出热
址或者
所
需
蒸
汽
垃相适
应
。
基于
燃烧品
质
和
锅炉的稳定性
，
应
该尽
可能发挥其最
大
效
率
。
随着
锅炉
负
荷的
变
化
，
调节参
与
燃烧的
空
气址
。
蒸汽
压
力
作
为锅
炉
负荷
的
符
号
，
因此检
测蒸汽
压力的
变化
并且相应地调整燃料
和风址
（
参看图
5-9)
。
蒸汽压力变送器
风
< br>呈
变送
器
蒸汽流堡变送器
蒸汽温度
尸
定倌
＄
K
二<
/p>
次风
流虽
偏暨
J
温度压力补偿
丁
．
．
k
图
5
-
9
燃烧控制
燃烧控制系统的运行依赖
于
基
于
控制信号调整燃
料供应
泣
的能力
。
5
.
3
.
6
锅炉的基本联锁
为了锅炉和其辅机的运行，甚至在控制系统出现故障时候的
安
< br>全，在控制系统中
提供一些联锁和跳闸也是很有必要的
。
锅炉的跳闸保护
电
< br>厂
锅炉应该提供有跳闸设备，当接收到以下条件引发的跳闸
命令或者盘面上的
跳闸按钮按下时
，
该跳闸设备能够关闭系统
。
a
.
引风机跳闸
／<
/p>
关闭
b
.
送风机
跳闸
／
关闭
c
.
汽轮机跳闸
d
.
汽包水位低
／高
跳闸
以下是锅炉辅机启动时所
推荐的一些
基
本联锁
：
a
.
当送风机和二次风机
关
闭时，
开启
引风机
b
.
仅当引风机开
< br>启
时
，
启
动送风机
c
.
< br>仅当送风机和引风机都
开
启时，
启
动
二
次风机
d
.
仅当二次风机
< br>开
启时
，
启动给煤机
e
.
最后跳闸引风机
f
.
当
二<
/p>
次风机跳闸时
，
跳闸给煤机
5
.
3
< br>.
7
般的
< br>当选择仪表的
元
件时，选择恰当的范
围
是
重
要的。一
< br>个
粒心设计的系统
（
组态）
对
千
仪表的有效性发挥
着重
要的作用
。
训练有素的电
厂
维修人员和合格的技
工
< br>对
千
设
备的校
< br>准和维护
也
是非常
重
要的。
5
.
4
汽轮机控制和保护系统
5
.
4
.
1
概述
汽轮机分散控制系统分为两部<
/p>
分
：
部
分
是控制
，
另一分
是<
/p>
保护
。
控
制
功能包
括
自
启动<
/p>
和转速控制
、
并网
、
负
荷控制
、
频
率
控制和阀门实验
。
保护功能包括监视汽轮机
的
重
要
参
数
、
超
速减负荷
、
跳
闸
、
甩负
荷
预
测
、
油
压
低<
/p>
跳闸
、
润
滑油<
/p>
压
低
跳
闸
、
低
真
空
跳闸
。
尽
管相对独立
，
汽轮机系统也是
媒
成到分散电
厂
控
< br>制
系统中的
，
与
电
厂
分散控制使
用相
同的组件
、
共
享
操作
员
界面
和通
信网
络
，
使
用
工
业
标准的软
、
硬件
。
5
.
4
.
2
主
要特征
独立
，
冗
余控制和保护功能
一
提高
了
窀
厂
灼可靠性
和可
房杻
自
动的转速控制
启
动
更
< br>侁
、
更
安
全
自
动的
负
荷控制
桉
甜
阀
fl/
苏
砬
劭
线
线
牲<
/p>
化
，
并
互
可
以
提
佚
平
将
恍
速
肪
负
荷
变
化
3
取
2
的冗
余转速测
址
和跳闸
模块
一
汽
舵
< br>杭
单
测
点
故
障
屎
护
通
过编程使
汽轮机
工
作
在
指定
的阀门位
萱
一
滑
压
方
式
下
提
高
学
元
杭
级<
/p>
灼
敖
率
电
厂
强
制协
调器
一
以
允
浒
盼
最
恍
速
率
变
负
荷
转子应力计算可以保
持其加
速度低
于
限值
一
憎
加
存
致
仿
延
长
侁
虏
寿
谛
5
.
4
.
3
背
< br>景
及简介
由
< br>于
汽轮机对
于
电
厂
来说是
重
要设备
，
它的控制系统必须非常地可靠
，
因
此
设计冗
余
、
响应快
，
在某种程度上保护
措施在几个亳秒内就要动作
。
汽轮机
控制
系统的
发展已经经过近
四
十
年
，
从机电
系统
到模拟
电
液
(E
H
C),
到专用
数字系统
，
再到
微
处理器系
统
。
后来汽轮机控制
系统
的进步反映
了
计算机技术的
进
步
一
更快
、
更强
、
更价廉
、
更通
< br>用
、
更灵
活
等
。
现在
，
汽轮机控制
系统是
电
厂自
动
化系
统
不可
分
割
的组成
部
分
。
该部
分
与
电
厂自
动化
系统有
相同的
特
性
、
软
件以及
外
观
和
感觉
。
汽轮机控
制
不再
是
独立
的系
统了
。
集成
体的电厂自动化系统有如下优点
：
a
.
b
.
d
.
e
.
f
.
共同的操作员接口
集成的操作报告
c<
/p>
.
压缩
的总体成本
较少的备件类型
简化的维护
和
自动
调度系统
(ADS)
单
接
口
g
.
共同的锅炉汽轮机协调控制
h
.
灵活、轻松地扩展
i
.
统
的组态
工具
操作员站
工程师站
厅”
历史站
汽轮机营理
“泗
酝
·
转子应
力
自
．
启动
冗余通信网
超速保护模件
印
IJO
1/0
I
I
心
l
l
tJO
I
1
00
1
I
山
速度信号
夕其他
超驰跳间
保护部分
闾位指令及位置反愤
阀位控制
超速跳闱
图
5
-
10
汽
轮机控制系统
5
< br>.
4
.
4
汽轮机控制
该系统分两部分
：
一部分控制
，另
部分保护
< br>。
每
部
都提供有冗余的分布式处
理单
元
(DP
U
)
。
而
且
，每一部分都有其一套冗余的
AC
/
D
C
电源。冗余的
DP
U
不断地进行通信，使
后备单
元具
有更新的数据库。一
旦主
DP
U
发生致命的错误，系统将
自动
、无扰地切换
至后备
DP
U
。
同时，系统
中
操作员接口和其他
DP
U
是通过冗
余
的高速网络进行通信的
。
电
厂自
动
化系统
中
的所有处理单
元
，
包
括报表生成器
、
操作员
工
作站、历史数据以及电
厂
信
息
管理系统
，
都可以得到所有的汽轮机
数据和控制性能参数。诸如转子应力计算
、自
启
动程序和性能计算这些监督系统也能很容易地通过通信网络访问控制系统。
<
/p>
保护部分监视汽轮机的超速状况
。
该系统
中使用了两个速度测址和跳闸模块
。
需
要
注意的是，跳闸功能是通过
I/0
模
块来执行的
，
而
不是通过
DP
U
,
这样确保尽可能快
地执行超速检测和跳闸
。每
一模块询问
三
个相同的速度信号
。如
果
三
个信号
中
的两个
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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