《发电厂动力部分》
教
案
教学学院：机电学院
授课班级：电力201001、02
主讲教师：徐鹏
上课时间：2012 年 2 月至2012 年 6 月
第 1 单元(Unit) 第 1 周(Week) 2 学时(Periods) 单元标题(Title) ：
热力学基本概念
教学地点(Place) ：
汇贤阁1401
教学目标(Teaching Target) ：
1、了解热力学的常用术语
2、熟悉工质的状态参数及状态描述
3、学会识读焓熵图等曲线图
教学方法(Teaching Approaches) ：
理论教学、课堂讲授
教学材料及工具(Teaching Materials & Aids) ：
教案、图示
考核与评价方式(Testing & Evaluating Mode)：
采用当堂提问及下堂课提问上次课学习内容的方式，考察学生的掌握情况
主要教学内容及过程
Main Teaching Contents & Procedures
一、基本概念及内容
1、热力学的基本概念：是研究热现象规律的学科，它主要是研究热能与机械能之间相互转
换时量与质的关系，着重研究热能转换成机械能的基本规律，寻求进行这种转换的最有利条件。
2、火力发电的任务是以合理的热力学过程，高效安全地将燃料的化学能转换成电能。
二、热力学的常用术语
1）工质：工作介质（热能---机械能转换中必须借助的携带热能的）水或水蒸气是最好之一。2）状态：宏观性质的总称（制定瞬间工质呈现的所有的宏观性质的总称）
3）过程：工质从一种平衡状态到达另一种新的平衡状态所经历的变化过程，也称热力过程4）热力学系统：热力学研究中作为分析对象所选取的特定范围内的物质或空间。
5）恒定流：工质的流动速度随时间变化而保持不变的流动。
三、工质的状态参数
用来描述系统状态的宏观物理量称为状态参数
系统：由工质组成
因此用来描述系统在某瞬间所呈现的宏观物理状况的状态参数，也就是工质的状态参数状态参数的特性：
1.状态参数都是宏观的物理量。
2.状态参数是热力系统的单值函数，其值只取决于初终态，与过程无关。
六个状态参数，分别是：（基本状态参数）比体积v，温度t(T)和压力p；（导出状态参数）比热力学能u、比焓h和比熵s。
1）.比体积
?单位质量的工质所占有的体积称为比体积，用符号v表示，单位为m/kg 。
?如果质量为m 的工质占有的体积为V，则工质的比体积为：ν=V/m
?单位体积工质的质量称为密度，用符号ρ表示。单位为kg/m 。显然，比体积与密度互为倒数，
?即: vρ=1
?比体积和密度都是说明工质在某一状态下分子疏密程度的物理量，二者互不独立，
?工程热力学中通常以比体积ν作为状态参数。
2）.压力
定义：单位面积上所受到的垂直作用力称之为压力。物理学上称之为“压强”。
用P表示；
国际单位：“帕斯卡”，简称“帕”，符号“Pa ”；
公式：压强=压力/受压面积（P=F/S）；
压力=压强*受力面积（F=PS）。
3）.温度
定义：表征物体冷热程度的度量。
温标：温度的“标尺”——依据温标就是测量一定的标准划分的温度标志，就象测量物体的长度要用长度标尺——“长标”一样，是一种人为的规定，或者叫做一种单位制。
开氏温标：用符号K表示。是建立在卡诺循环基础上的热力学温标。规定摄氏零度以下273.15℃为零点，称为绝对零点。其分度法与摄氏温标相同（即绝对温标上相差1K时，摄氏温标上也相差1℃）；所不同的只是绝对温标上水的冰点定为273.15K，沸点定为373.15K。目前中国已规定采用这种热力学温标。
4）比热力学能：(比内能)
（1kg物质的热力学能）
符号：u
单位：J/kg
外部储存能
需要用在系统外的参考坐标系测量的参数来表示的能量，称为外部储存能，它包括系统的宏观动能和重力位能：
系统的总储存能（简称总能）
系统的总储存能为系统的内部储存能与外部储存能之和，用E表示：
1kg工质的总能为比总能：
5）焓
1、概念
(1)焓是工质内能和体积能之和以符号H表示
H=U+PV
(2)单位(1kg)工质的焓称为比焓，
以符号h表示，h=u+pv
单位为J/kg ,
(3)mkg工质的总焓以符号H表示，单位J，H=U+PV，
2、特性
h=u+pv,u、p、v均是状态参数，故h也是状态参数。
3、测量
工质的焓无法直接测出，通常只需求出从一状态到另一状态内能的变化量
6）熵
1、概念：（1）物理学上指热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度。用符号S表示
（2）比熵：单位工质与外界发生微小热交换dq时，热交换量dq与工质绝对温度T的比值等于比熵的微增量ds，即ds=dq/T KJ/(Kg。K)
2、测量
国际上规定以水的三相点（即273.15K）作为基准点，其液相水的比内能和比熵值均为零，其他任何状态下的比热力学能和比熵值均是相对于基准点的数值而言。
四、工质状态描述
工质状态的描述有定量和定性描述。定量描述较多地用在需要进行热力学计算的场合；定性描述较多用在对热力设备的热力过程进行分析的场合。
六个工质参数，只要知道任意两个，其他四个也为定值。根据工质的压力p和温度t，在水蒸气的焓熵图中能很方便的查出工质的比体积v、比焓h和比熵s，热力学能课根据u=h-pv 得到。
焓熵图的看法要注意作业P21 1\2
第 2 单元(Unit) 第 2 周(Week) 2 学时(Periods) 单元标题(Title) ：
热力系统的能量平衡、水蒸气的动力循环
教学地点(Place) ：
汇贤阁1401
教学目标(Teaching Target) ：
1、了解热力学的第一第二定律
2、熟悉热力系统及其分类
3、熟悉热量传递的基本方式
4、了觧水蒸汽的定压产生过程、掌握蒸汽动力循环的特点
教学方法(Teaching Approaches) ：
理论教学、课堂讲授
教学材料及工具(Teaching Materials & Aids) ：
教案、图示
考核与评价方式(Testing & Evaluating Mode)：
采用当堂提问及下堂课提问上次课学习内容的方式，考察学生的掌握情况
主要教学内容及过程
Main Teaching Contents & Procedures
一、热力学第一定律
热力学第一定律就是能量守恒与转换定律在热现象中的应用。
（一）热力学第一定律的实质：
在工程热力学中热力学第一定律可表述为：
热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。
热力学第一定律又可表示为要想得到功，必须花费热能或者其它能
“第一类永动机”是不可能制成的
（第一类永动机：不消耗任何能量而能连续不断作功的循环发动机。）
第二类永动机
?违反热力学第二定律，只需从单一热源吸收热能便能永远对外做功的动力机械。
?第二类永动机它的原始构想是使温度均匀的物质（如海水）自动变成一部分更热而另一部分更冷（总热能不变）进而利用温度差产生例如电能等等……。这种机器如真的存在，我们可以从海水中提取人类用不完的能量。
三.热力系统及其分类（热力系）：
概念：被人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统称为热力系统。简称热力系或系统
外界：热力系以外的物质称为外界。
边界：系统与外界交界面称为边界。边界可以是真实的，也可以是假想的；可以是固定的也可以是移动的
以空间为系统，进、
出口边界均为假想边
界，系统与外界有物
四、热传递的基本方式
传导、辐射、对流
五、水蒸汽及动力循环
（一）、水蒸气的常用术语及表示参数
1.汽化过程：水由液态变为气态的过程从微观上讲，汽化是液体分子脱离液体表面的现象。
2.蒸发：汽化过程若发生在气液自由表上称为蒸发.
3.沸腾：汽化过程发生在液体中及气液分界面上称为沸腾。
4.局部沸腾：当液体整体温度较低时，如果存在局部温度较高，产生小汽泡，而这些小汽泡不能上升到液面就被淹灭。此时液体的温度上升速率很大。
5.整体沸腾：当液体温度上升到与压力相应确定的温度时，整个水空间产生汽泡，汽泡不再淹灭而集汇上升到液面逸出。
6.液化:蒸汽变成水的现象。
从微观上讲，处于容器汽空间的汽态分子进入容器液体空间的现象称为液化
饱和状态:当汽化的分子数量与凝结的分子数处于动态平衡时，这种动态平衡状态称为饱和状态。
对于一个汽液共存系统，微观意义上的汽化速度等于液化速度相等时，系统内的液体量和汽体量达到平衡的状态。即汽化和液化还在同时进行，但汽液两相分子数量都不再增加或减少。
饱和蒸汽(干蒸汽)：处于饱和状态时的蒸汽称之为饱和蒸汽
饱和压力ps、饱和温度ts:
系统处于饱和状态时的压力、温度就称之为饱和压力、饱和温度。
饱和压力与饱和温度不是彼此独立的，它们有一定的函数关系。因为液体的汽化速度取决于液体的温度，而汽体的液化速度取决于蒸汽的压力。
过冷水：在定压下，未达到饱和状态的水。
饱和水：在定压下，达到饱和状态的水，也就是只需再上一点热量，就会产生水蒸汽。湿饱和蒸汽：在定压下，饱和水与饱和蒸汽的机械混合物。
干度: 在饱和蒸汽这种汽——水混合物中，干饱和蒸汽所占的质量百分比。
用x表示。
湿度：则(1-x)即为“湿度”.
干饱和蒸汽：在定压下，纯饱和水蒸汽。
过热蒸汽：在定压下，对干饱和蒸汽进一步加热。
过冷度: 过冷水的温度低于同压力下饱和温度的差.用D表示
过热度：过热蒸汽温度高于同压力下饱和温度的差.用D表示。
（二）、水蒸汽定压形成过程：
假设汽缸内有1kg, 初温为t ℃的纯水，活塞上总压力为p的封闭汽缸内进行定压力Ps下加热，观察一个近似可逆的定压水蒸汽形成过程如下：
（三）、水蒸汽的p-v T-s图
将上述定压下水蒸气的形成过程，表示在压容图和温熵图上，如下图所示。
图中a点相应于未饱和水的状态；b点相应于饱和水的状态；c点相应于某种汽水混合比例的湿蒸汽状态；d点相应于饱和蒸汽的状态；e点是温度为t的过热蒸汽的状态。
改变压力，重复上述过程。然后将不同压力下蒸汽的形成过程，画在p-v图和T-s图上，并将不同压力下相应的状态点连结起来，就得到了图2-8中的线，线及线。图中线叫做饱和水线，又称下界限线。线叫做饱和蒸汽线，又称上界限线。由于温度非常接近，在T-s 图上水的定压加热线、、可近似认为与下界线重合。在图2-8上饱和水线b-c和线之间，为未达到饱和状态的水，也就是未饱和水的状态区。在饱和水线b-c与饱和蒸汽线c-d之间，为湿蒸汽的状态区，而饱和蒸汽线c-d的右侧为过热蒸汽状态区。
两线: 饱和液体线CA和饱和蒸气线CB
三区: 未饱和液体区（ CA线左边）
湿蒸气区（CA线和CB线之间）
过热蒸气区（ CB线右边）
五态: 未饱和液体
饱和液体
湿蒸气
干饱和蒸气
过热蒸气
课后小结
水蒸汽定压形成特点：
一点：临界点C
两线：饱和液体线、饱和蒸汽线
三区：未饱和液体区、
湿饱和蒸汽区、
过热蒸汽区
五种状态：未饱和水状态、
饱和水状态、
湿饱和蒸汽状态、
干饱和蒸汽状态
过热蒸汽状态。
第 3 单元(Unit) 第 2 周(Week) 2 学时(Periods) 单元标题(Title) ：
提高郎肯循环热效率的途径
教学地点(Place) ：
汇贤阁1401
教学目标(Teaching Target) ：
1、了解热力学的第一第二定律
2、熟悉热力系统及其分类
3、熟悉热量传递的基本方式
4、了觧水蒸汽的定压产生过程、掌握蒸汽动力循环的特点
教学方法(Teaching Approaches) ：
理论教学、课堂讲授
教学材料及工具(Teaching Materials & Aids) ：
教案、图示
考核与评价方式(Testing & Evaluating Mode)：
采用当堂提问及下堂课提问上次课学习内容的方式，考察学生的掌握情况
主要教学内容及过程
Main Teaching Contents & Procedures
1、提高郎肯循环热效率的途径可从两方面着手，共五种措施，具体如下：改变蒸气参数（降
低终参数、提高初参数），改变热力循环（再热循环、回热循环、热电联产）
2、五种措施的优缺点：
1）提高初温
优点：乏汽干度增大，水珠含量减少，水珠对叶片的腐蚀减轻，对叶片背面的撞击阻力减小，有利于汽轮机的安全运行。
缺点：受金属热性能的限制（目前的金属材料的技术水平很少高于600度）
2）提高初压
缺点：乏汽干度减小，水珠含量增多，水珠对叶片的腐蚀加重，对叶片背面的撞击阻力增大，不利于汽轮机的安全运行。同时初压的提高受到金属材料强度性能的限制。
3）降低终参数
缺点：排气口乏汽干度减小，不利于汽轮机的安全运行。
4）再热循环
优点：乏汽干度增大，有利于汽轮机的安全运行。
缺点：每再热一次，在汽轮机与锅炉之间增加了一对再热增强冷热管道，汽轮机的汽缸增多，使管网复杂设备增加，投资增大，最多采用两次再热循环。
5）回热循环
优点：热量利用率高，对整个循环热效率提高的效果明显
缺点：每增加一次回热加热就增加一根抽汽管、冷凝管和回热加热器，使设备负责，随着抽气次数的增加，循环热效率增加不再明显。
6）热电联产循环
分为背压式热电联产循环和调节抽气式热电联产循环
背压式热电联产循环
缺点：汽轮机的排汽全部送往热用户，取消了凝汽器，因此发电完全受供热的牵制，当热用户的耗气量减小时，发电机的发电量被迫减小。
调节抽气式热电联产循环
优点：供热与供电相互不影响，实际热电厂中被广泛应用。
3、说明：提高郎肯循环热效率的措施尽管有5种，但实际热效率仍只有40%左右，当前超临界压力机组的净效率已逼近50%。
第 4 单元(Unit) 第 3 周(Week) 2 学时(Periods) 单元标题(Title) ：
火电厂的生产流程
教学地点(Place) ：
汇贤阁1401
教学目标(Teaching Target) ：
1、能按顺序描述火电厂的生产过程
2、分别了解燃烧系统和汽水系统的生产流程
教学方法(Teaching Approaches) ：
理论教学、课堂讲授
教学材料及工具(Teaching Materials & Aids) ：
教案、图示
考核与评价方式(Testing & Evaluating Mode)：
采用当堂提问及下堂课提问上次课学习内容的方式，考察学生的掌握情况
主要教学内容及过程
Main Teaching Contents & Procedures
1、火力发电的主要过程及设备：
输电系统（发电机、出线、主变压器、高压电器、输电铁塔），控制系统（测量仪表、传感器、分布式控制系统），其他系统（除灰系统、除渣系统、脱硫系统、制水系统、燃烧系统、消防系统、汽轮机调节保护系统）
2、火力发电基本原理
3、蒸汽动力装置流程简图
4、工质:水和水蒸汽
锅炉:燃料燃烧产生热量，将水变成蒸汽
(吸热过程)
汽轮机:将蒸汽携带的热能→动能→转子旋转机械能
(对外作功过程)
冷凝器:将作功后的低温低压蒸汽凝结成水
(对外放热过程)
水泵:提高水的压力,将水送入锅炉(消耗外功)
第 5 单元(Unit) 第 3 周(Week) 2 学时(Periods) 单元标题(Title) ：
锅炉的型号和分类
教学地点(Place) ：
汇贤阁1401
教学目标(Teaching Target) ：
1、了解锅炉的种类
2、了解锅炉的工作原理
教学方法(Teaching Approaches) ：
理论教学、课堂讲授
教学材料及工具(Teaching Materials & Aids) ：
教案、图示
考核与评价方式(Testing & Evaluating Mode)：
采用当堂提问及下堂课提问上次课学习内容的方式，考察学生的掌握情况
主要教学内容及过程
Main Teaching Contents & Procedures
一、锅炉设备的作用及组成
作用：将燃料燃烧释放出的热能；通过受热面的金属壁面传给水，把氺加热成具有一定压力和温度的蒸汽，供汽轮机使用。
组成：锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。
所谓“锅”是指锅炉的汽水系统，由汽包、下降管、集箱、导管及各热交换受热面等承压部件组成，用以完成水变为过热蒸汽的吸热过程。“炉”是指锅炉的燃烧系统，由炉膛、燃烧器、烟道、炉墙构架等非承压部件组成，用以完成煤的燃烧放热过程。将两者有机地结合起来所形成的整体即称锅炉。
锅炉设备是锅炉本体及其辅助设备的总称。
本体设备包括：炉膛、喷燃器、烟道、水冷壁、过热器、再热器、省煤器、汽包、下降管等。辅助设备包括：送风机、引风机、给煤机、磨煤机、排粉机、除尘器等。
根据锅炉的工作流程，可将锅炉系统分为制粉燃烧系统、汽水系统及设备、输煤与灰渣系统、通风除尘系统及设备。
二、锅炉类型及工作原理
（一）按所用燃料分类
火电厂锅炉可分为燃煤炉、燃油炉和燃气炉。我国火电厂锅炉中主要是燃煤炉。
(二)按锅炉产生的压力分类
火电厂锅炉可分为高压锅炉、超高压锅炉、亚临界锅炉、超临界锅炉。具体参数
(三)按水冷壁内工质的流动动力分类
火电厂锅炉可分为自然循环锅炉、强制循环锅炉和直流锅炉。
1、自然循环锅炉
自然循环锅炉是指在锅炉蒸发系统中，利用降水管中的水与上升管中的汽水混合物的密度差作为推动力，建立起工质循环流动(又称水循环)，使蒸发受热面受到冷却的锅炉。
自然循环它是由汽包、下降管、下联箱和上升管(即水泠壁)组成一个循环回路。
由于上升管中的水在炉内受热产生了蒸汽，汽水混合物的重度小，而下降管在炉外不受热，管中是水，其重度大，两者重度差就产生推动力，水沿下降管向下流动，而汽水混合物则沿上升管向上流动，这样就形成水的自然循环流动。
2、强制循环锅炉
下降管中需串接循环水泵，在水泵与水和蒸气的密度差共同作用下，强迫工质在水冷壁管内自下而上流动，这种锅炉称为强制循环锅炉。
随着给水压力的不断升高，饱和水与汽的密度差越来越小，当压差已不能维持给水自然循环时，就必须通过强制循环泵升压来克服回路中的阻力，维持水循环的正常进行。
3、直流锅炉
工质在省煤器水冷壁、过热器中，一次性地完成预热、汽化和过热，这种锅炉称为直流锅炉。
特点：直流炉的结构与自然循环锅炉结构不同，它没有汽包，是依靠给水泵压力使工质锅炉受热面管子中依次经过省煤器,蒸发受热面和过热器一次将水全部加热成为过热蒸汽。现在一般只宜用于亚临界,超临界压力锅炉。
※强制循环锅炉与自然循环锅炉比较:
优点:可适用于亚临界、超临界压力;由于工质在受热面中是强制流动,因而受热面的布置较灵活,受热均匀水循环好;起停炉快;水冷壁可使小管径、薄管壁(压力准许),相对汽包容积减小,节省钢材。
缺点:加装循环泵,系统复杂,投资高,检修困难。
（四）按锅炉燃烧方式
按电厂锅炉燃烧方式可分为层状燃烧、悬浮燃烧、旋风燃烧和流化燃烧四种：
1、链条炉
在层状燃烧的锅炉中，块状固体燃料的燃烧在不断移动的链条式炉箅（bi）上进行的，助燃空气从炉箅下面向上穿过煤块层。
2、煤粉炉
燃料与助燃空气一起从炉膛壁面上的燃烧中喷射到炉膛中央，在空中一边下落，一边燃烧。它属于悬浮燃烧。
煤粉炉根据排渣方式不同分为固态排渣、液态排渣。
3、旋风炉
高速运动的煤粉和空气沿切线方向进入专门的燃烧室，一边旋转，一边燃烧。
4、流化床
具有一定细度的煤粒在炉床上保持一定的厚度，助燃空气从炉床下面将煤粒吹起，使煤粒悬浮在一定的高度范围内燃烧，煤粒在空气中上下运动就像开水沸腾一样。
三、锅炉的特性指标
1、锅炉容量
蒸发量也称锅炉容量，指锅炉在维持连续正常生产时每小时所产生的蒸汽量，即锅炉出口的蒸汽流量，单位为t/h。
额定工况和最大连续工况下每小时的产汽量，分别也称锅炉的额定蒸发量和最大连续蒸发量。
2、蒸汽参数
蒸汽参数指锅炉在额定工况或最大边疆工况时过热器出口的过热蒸汽温度和压力及再热器出口再热蒸汽的温度和压力。
3、给水温度
给水温度指锅炉在额定工况或最大连续工况时省煤器入口的水温。
4、锅炉效率
锅炉效率指锅炉生产蒸汽的吸热量占锅炉输入燃料的热量的百分比，用ηb表示。
锅炉效率ηb的大小表明了燃烧热量的有效利用程度。现在大型锅炉效率一般在85%~92%之间。
四、锅炉型号
锅炉型号由三组字符组成，第一汉语拼音符号代表生产厂家。
如：SG（上海锅炉厂）
HG（哈尔滨锅炉厂）
DG（东方锅炉厂）
第二组数字符号代表锅炉主要参数，依次代表锅炉容量、额定压力、额定过热汽温、额定再热汽温；
第三组数字表示该锅炉改型设计生产序号。
如：SG1025-170/540/540-2表示如下：
上海锅炉厂
蒸发量为1025t/h
新蒸汽压力为170atm（16.7MPa）
新蒸汽的温度是540
再蒸汽的温度是540
第二次设计
第 6 单元(Unit) 第 4 周(Week) 2 学时(Periods) 单元标题(Title) ：
锅炉本体的主要结构
教学地点(Place) ：
汇贤阁1401
教学目标(Teaching Target) ：
1、掌握锅炉系统各设备的特点及维护的要领。
2、能熟练地叙述出锅炉系统的组成结构，
教学方法(Teaching Approaches) ：
理论教学、课堂讲授
教学材料及工具(Teaching Materials & Aids) ：
教案、图示
考核与评价方式(Testing & Evaluating Mode)：
采用当堂提问及下堂课提问上次课学习内容的方式，考察学生的掌握情况
主要教学内容及过程
Main Teaching Contents & Procedures
一、汽水系统系统作用和流程
1、作用:
汽水系统是为了不断地向锅炉供给水以保证正常的水循环，同时保证产生过热蒸汽与再热蒸汽送往汽轮机。
2、组成:
汽水系统主要设备有给水泵、汽包、下降管、水冷壁、过热器、再热器。
二、主要设备
1、给水泵
（1）概念：对给水升压的水泵
（2）作用：给水泵的作用是将低压饱和水加压成高压未饱和水。
（3）结构：一般采用多级串联离心式高压给水泵。根据其动力来源可分为电动给水泵和汽动给水泵。
（4）位置：汽机房的零层。
2、汽包
汽包是循环锅炉中用以进行汽水分离和蒸汽净化，组成水循环回路并蓄存一定水量的长筒形压力容器。