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热电厂热力过程及效率分析

第一部分：

热力学基础

热电厂是以蒸汽为工质的一个热力系统，因此，对热电厂的分析必须建立

在热力学定律及理想热力循环的基础上。

一、热力学的基本概念：

1．热力系：

在分析热力过程或现象时，常从若干物体中取出需要研究的对象，这被取

出的研究对象称为热力系。

热力系可以是元件或设备，也可以是系统或空间。

在同一个大的热力系统中，因研究问题的不同所选择的热力系也不同。

以热电

厂为例，可以把锅炉、汽轮机或单独一部分蒸汽管道作为一个热力系研究锅炉

运行、汽轮机运行或管道损失问题，也可以把锅炉、管道及汽轮机共同作为一

个热力系研究发电供汽过程存在的问题。

外界：

热力系以外的物质世界统称为外界或环境；

边界：

热力系与外界的分界面称为边界；因此热力系即为由界面包围的作

为研究对象的物体的总和。

按热力系与外界进行物质、能量交换的情况不同，热力系主要有：

闭口系：

热力系与外界无物质交换；

开口系：

热力系与外界之间有物资交换，或者说有物质穿过边界。

按热力

系

绝热系：

热力系与外界无热量交换；

孤立系：

热力系与外界既无能量交换又无物质交换；

2.热力过程与热力循环：

2.1 概念：

热力系状态连续变化的过程称为热力过程。

热力系统从一个初态

出发经历一系列状态变化后又回到初始状态封闭的热力过程，称为热力循环。

2.2 工程中常见的两类热力循环：

热能动力和制冷装置

热机的经济性用热效率衡量，等于净功与向循环输入1 12 2

的热量比，η=W/Q43

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高温热源

0 热力循环

高温热源

热机

Q1 Q1

W W

热机

Q2 Q2

低温热源

热能动力装置制冷装置

二、热力学第一定律：

1.第一定律的实质：

热力学第一定律是能量守恒与能量转换定律在热力学中的具体体现。

热力学第一定律：

在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换

的能量的总量保持恒定不变。

“永动机是不可能制造成功的”。

2.热力过程的两种能量传递方式：

热力系与外界传递能量的方式有两种：

作功和传热。

2.1 功：

力学中功的定义为物体所受的力与沿力的方向所产生的位移之积。

δW=F.dx

在热力学中功的定义为：

功是物系间相互作用而传递的能量，当系统完成

作功时，其对外界的作用可用在外界举起重物的单一效果来代替。

热力系对外

作功符号为正，外界对热力系作功符号为负。

在工程中，热与功的相互转换常常是通过气体的体积变化（膨胀或压缩）

来实现的。

2.2 热：

热是系统与外界交换能量地另一种形式，它是与物质内部分子运动有关的

能量，当热力系与外界间温度不等而发生接触时，彼此将进行能量交换。

热力

系与外界之间依靠温差传递的能量称为热。

热力系吸热时符号为正，放热时为

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负。

δQ=m.c.dT

热与功是物系在与外界相互作用的过程中传递的能量，传热和作功是热力

系与外界传递能量的两种方式，它们是过程量而不是状态量，因此不能说“物

体具有多少热量”和“物体具有多少功量”。

3.热力学第一定律表达式：

3.1 基本表达式：

根据能量守恒定律，对于闭系能量守恒方程式：

Q=ΔU+W

δQ=dU +δW

式中：

U 为物质的内能，是以一定方式储存于热力系内部的能量，是热力

系的状态函数。

在闭系中，不存在与外界的物质交换，只存在能量交换，只涉及内能、热、

功的相互转换，不牵涉任何其它形式能的转换，上述方程的惟一依据是能量守

恒定律，因而适用于闭系内进行的一切热力过程。

3.2 稳定流动能量方程式：

稳定流动：

工程中常遇到工质流过热力设备时，工质不但与外界有能量传递与转换，

而且有质量交换，即有工质流进流出，如汽轮机，是开口系。

在流动过程中，开口系内部及其边界上各点，工质的热力参数及运动参数

都不随时间而变，这种流动过程称为稳定流动过程。

稳定流动的条件：

单位时间进入和流出热力系的工质质量相等，并等于常数；

单位时间加入热力系的净热及热力系输出的净功不随时间而变；

1Wnet 2

p1 v1 T1p2 v2 T2

u1 c1 z1u2 c2 z2

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稳定流动能量方程式：

因为存在工质的进出及能量的转化，因此在研究稳定流动过程时，应以能

量守恒定律为基础，同时兼顾热力学能量变化与宏观机械能等能量的变化。

工质进入热力系界面 1-1 时携带的能量：

工质的内能：

U1；工质因具有流速 c1 而具有的宏观动能 1/2mc12；工质在

进口截面相对某一基准面有一定的高度而具有的重力势能 mgz1；因此工质进入

热力系统时携带的能量为：

E1= U1+1/2mc12+ mgz1。

同理，工质流出热力系界面 2-2 时携带的能量为：

E2= U2+1/2mc22+ mgz2。

因而，工质流经热力系统时，热力系统储存能量的变化为：

ΔE=E2-E1=（U2-U1）+1/2m（c22- c12）+mg（z2- z1）

=ΔU+1/2mΔc+mgΔz

热力系与外界功、热量的变化为：

外界加入 Q 的热量；系统输出净功

Wnet；工质进入热力系克服系统内工质阻力而对热力系作的功 P1V1，工质流出

热力系克服外界阻力而对外界作功 P2V2。

Wf= P2V2- P1V1=ΔPV 称为流动功。

综上，根据能量守恒定律有：

Q= E2-E1+Wnet+ Wf=ΔE+Wnet+ Wf=ΔU+1/2mΔc+mgΔz+ Wnet+ Wf

= （U2+ P2V2）- （U1+ P1V1）+ 1/2mΔc+mgΔz+ Wnet

定义 H=U+PV 或对于单位工质 h=u+pv 分别为焓及比焓，则有：

Q=ΔH+1/2mΔc+mgΔz+ Wnet

其微分形式为：

δQ=dH+1/2mdc+mgdz+ δWnet

此即为稳定流动的能量方程式。

焓的概念及实质：

在稳定能量方程中引入了一个新的参数焓 H=U+PV，显然焓是由状态参数

组成的，因此它也是一个状态参数。

从物理意义上讲，焓实际上是流动工质的

内能与流动功之和，可以认为是流动工质所携带的能量。

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稳定流动的能量方程式是热电厂分析中最常用的工具。

第二部分：

蒸汽动力循环：

一、概述：

蒸汽动力循环系指以蒸汽作为工质的动力循环。

热电厂即是以蒸汽动力循

环为理论依据设计、建设的，因此研究蒸汽动力循环，分析循环热效率是分析

提高热电厂运行效率的基础。

1、动力循环的热效率：

动力循环过程的热力学第一定律表达式为：

q=w，其中 q=q1-q2，w=wt-

wp，q 和 w 分别表示循环的净热量和净功量；q1 和 q2 分别表示循环的吸热量和

放热量；wt 和 wp 分别表示循环的作功量和耗功量；则循环效率为：

η=w/q1=（ q1-q2）/ q1=1- q2/ q1

2、卡诺循环：

根据热力学第二定律，当冷热源温度确定时，可逆循环的热效率最高。

由

两个定温过程及两个绝热工程组成的可逆循环称为卡诺循环。

对于可逆过程有 q2/ q1= T2/ T1，故循环热效率为：

η=1- T2/ T141

而对于一般的动力循环，如图，引入平均吸热T1

温度 T1 和平均放热温度 T2，则循环效率可表达为：

η=1- T2 / T132

可见欲提高循环效率，应设法提高平均吸热温度和O

降低平均放热温度。

卡诺循环

在蒸汽卡诺循环中，定温吸热过程 4-1 是在锅炉T

内的定压吸热过程，定温放热过程 2-3 是在冷凝器中T141

的定压放热过程，定熵膨胀过程是在汽轮机中的理想

绝热膨胀过程，定熵压缩过程 3-4 是在压缩机中的理T23

想绝热压缩过程。

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在实际工程中，前三个过程均可近似的实现，但

第四各过程，将汽水混合物压缩则需要耗费很大的一般的热力循环

压缩功，而且压缩机工况极为恶劣，难于实现。

因此，蒸汽动力循环的卡诺循

环是难以被采用的。

为了改进上述压缩过程，人们将汽轮机出口的低压湿蒸汽

完全凝结成水，以便采用水泵来完成压缩过程，如此改进的结果即构成了蒸汽

动力循环的朗肯循环。

2、蒸汽的朗肯循环：

最简单的水蒸汽动力循环装置由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵组成，如图

所示。

其工作过程如下：

水在锅炉中吸热，由水变为过热蒸汽；过热蒸汽进入

汽轮机中膨胀，对外作功；在汽轮机出口，工质为低压湿蒸汽状态（称为乏汽），

此乏汽进入冷凝器向冷却水放热，凝结为饱和水（称为冷凝水）；水泵消耗外功，

将凝结水升压并送回锅炉，完成动力循环。

上述理想的简单蒸汽动力循环称为

朗肯循环。

可以看出，朗肯循环过程即是一个基本的冷凝机组循环。

汽轮机中的膨胀过程 1-2：

可逆绝热过程，即定熵过程。

应用开口系能量方

程，过程中对外作功 wt=h1-h2。

冷凝器内的放热过程 2-3：

定压过程。

过程中工质放热 q2=h2-h3。

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水泵中的压缩过程 3-4：

定熵过程。

过程中工质接受外功 wp=h4-h3。

锅炉中的吸热过程 4-1：

定压过程。

过程中工质吸热 q1=h1-h4。

朗肯循环的热效率为：

η=w/q1=（wt-wp）/ q1={（ h1-h2）-（ h4-h3）}/（ h1-h4）

功比 rw=w/wt 是反映动力循环经济性的另一指标，其定义为循环的净输出

功量与汽轮机作功量之比值。

朗肯循环的功比为：

rw=w/wt=（wt-wp）/ wt={（ h1-h2）-（ h4-h3）}/（ h1-h2）

由于水的不可压缩性，故泵功常用下式近似计算：

wp=v3（p4-p3）

水泵耗功一般运小于汽轮机作功，因此近似计算中常忽略泵功不计，此时

循环热效率为：

η=（ h1-h2） /（ h1-h4）；

评价蒸汽动力装置的另一重要指标是汽耗率 d，其定义是装置每输出 1kwh

功量所耗费的蒸汽量：

d=3600/w；

朗肯循环是最基本的蒸汽动力循环，其结构简单而热效率较低。

现代蒸汽

动力装置中实际所采用的较复杂的蒸汽动力循环都是在其基础上加以改进后得

到的。

例题：

蒸汽参数为 p1=5.0Mpa t1=4350C p2=0.0049Mpa，试计算循环功量、

吸收热量、热效率、功比、汽耗率，若忽略泵功，循环效率又为多少？

解：

查表 h1=784kcal/kg=3281kJ/kgs=6.75kJ/kg.K

h2=553.1kcal/kg=2080kJ/kgx=0.794

h3=h2’=32.56kcal/kg=136.3kJ/kg

h4=33.62kcal/kg=140.73kJ/kg

则：

汽轮机作功为：

wt=h1-h2=3281-2080=1201kJ/kg

水泵耗功为：

wp=h4-h3=140.73-136.3=4.43kJ/kg

循环功量为：

w=wt-wp=1196.57kJ/kg

吸热量为：

q1=h1-h4=3281-140.73=3140.27kJ/kg

放热量为：

q2=h2-h3=2080-136.3=1943.7kJ/kg

热效率为：

η=w/q1=1196.5/3140.27=38.10%

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功比为：

rw=w/wt=1196.57/1201=0.996

汽耗率为：

d=3600/w=3.008kg/kw.h

若忽略泵功，则循环热效率为：

η=wt/q1=1201/3140.27=38.25%

3.蒸汽参数对循环热效率的影响

前面提过，对一般动力循环，提高平均吸热温度，降低平均放热温度，即

可提高蒸汽动力循环的热效率。

因此进出汽轮机的蒸汽参数将对循环的热效率

产生影响。

我们把汽轮机进口处的蒸汽参数称为初参数，出口处称为终参数。

3.1 蒸汽初压力的影响：

维持汽轮机终参数不变，当提高初压力后，因饱和温度的提高，平均吸热

温度提高，由一般动力循环热效率公式可知，循环效率提高，特别是初压较低

的时候，效率随初压的提高有显著的增加。

因此，现代大型火力发电机组蒸汽

压力选用高参数、汽轮机运行中要求保证进汽压力。

但有两点需要注意：

1.机

组选型参数增大对机组制造材料的要求增高，且高参数时，饱和蒸汽与水的比

容差减少，不利于锅炉工质循环；2.汽轮机运行中单纯提高初压，会使汽轮机

膨胀终了时的乏汽干度下降，而蒸汽中含水过多将危及机组安全，因此，在提

高初压的同时应提高蒸汽温度。

3.2 蒸汽初温度的影响：

若维持初压和终压不变，而将初温提高，必然会提高循环的平均吸热温度，

循环热效率亦必然提高。

另外，初温度提高后，循环功量将增大，汽耗率降低，

且乏汽干度增加，对汽轮机的工作有利。

但要注意的是：

1.提高初温，锅炉过

热器、汽轮机的高压部分要使用较高性能的材料。

而且初温度的提高受到材料

耐热性能的限制。

2.运行中初温度超出规定值，一方面影响汽轮机动静膨胀，

另外，降低汽轮机材料寿命。

3.3 蒸汽终参数的影响：

当初参数不变，而降低终压（即降低终温）时，循环的放热平均温度将明

显下降，因此循环热效率将有明显的提高。

综上所述，蒸汽参数对循环热效率的影响可归纳如下：

提高蒸汽初参数和降低终参数可以提高循环热效率。

4.朗肯循环的改进：

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为了提高动力循环的热效率，人们在朗肯循环效率分析的基础上，对朗肯

循环的过程加以改进，从而产生了再热循环、回热循环。

回热循环是在朗肯循环的基础上，对其吸热循环改进而得到的。

从朗肯循环的 T-S 图可见，水的预热阶段是整个吸热阶段中吸热温度最低

的部分，若能改善此低温吸热段，使循环的平均吸热温度有较大的提升，则可

较大程度地提高循环热效率。

利用在汽轮机中作过功的蒸汽来加热锅炉给水，以减少工质在低温液态阶

段从锅炉的吸热，从而提高循环的平均吸热温度的循环，称为回热循环。

采用

分级（即在不同压力的蒸汽压力下）从汽轮机中抽出部分已作过一些功的蒸汽，

在回热加热器中加热给水，从而减少了低温水从热源的吸热，这种循环称为抽

汽回热循环。

见图示；

在回热循环中，锅炉进口水的温度（即凝结水被回热加热的最高温度）称

为给水回热温度或简称给水温度，是回热循环的一个重要参数。

根据回热级数、

给水温度的不同，循环效率增长幅度不一，以公司现有 3#、4#机组分析，给水

温度 1500C，估算循环热效率提高 6～7%。

5、热电循环：

尽管采用了高参数和回热等措施，现代蒸汽动力循环的效率一般仍低于 50%。

即有约 50%的热能通过冷凝器换热散失于大气之中。

这部分热量虽然数量很大，

但由于它接近大气温度，因而很难将其转换为机械功，然而在一定的条件下可

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以作为热能的形式直接加以利用，如用于工业工程的加热、采暖等。

热电循环

就是一方面生产电能，一方面将做过功的蒸汽一部分或全部引出，供给工业或

生活用热户，使能量得到更加充分利用的一种综合循环方式。

热电循环经济性：

从动力循环效率分析的角度，不考虑热能的利用，热电循环效率的计算方

法与纯凝循环相同，即 η=w/q1=1- q2/ q1，其中 q2 包括向用热户的供热热量在

内。

显然，由于背压或抽汽压力的提高，使热电循环的热效率低于凝汽式循环，

这也可以说明为何背压机组发电汽耗率高于抽汽机组，抽汽机组高于凝汽式机

组。

其原因就是动力循环的热效率指标仅把功量作为产出，而未考虑供热热量。

如果从能量利用的角度来看，热电循环的能量利用系数则高于凝汽式循环。

能

量利用系数 K 定义为：

已利用的能量与工质从热源得到的能量之比，其中已利

用的能量包括功量和供给用户的热量。

循环热效率中未考虑低温热能的利用，而能量利用系数中又未考虑电能与

热能的差异（按市场价计算电能 118.8 元/GJ，热能约 31.05 元/GJ），二者各有

其片面性，在衡量热电循环经济性时，应将两者综合考虑。

第三部分：

热电厂热经济性分析及指标

热电厂生产过程中，以燃料—原煤为投入，产出热能和电能，在产品成本

中，燃料费用占总成本的 70%左右，因此，发电、供热煤耗率对热电厂的经济

效益起着决定性的作用。

所谓热电厂的热经济性即为其燃料能量的利用率，研究热经济性，其目的

就是减少能量转换过程中的损失，提高燃料能量的利用率。

热电厂的热力过程基本为抽汽回热或背压热电循环，以我公司为例，

3#、4#机组即是采用了抽汽回热循环的抽汽式汽轮机机组，1#、2#机组为背压

式汽轮机机组。

因此，分析研究热电厂热经济性必须以朗肯循环、热力学基本

定律为理论依据。

又由于动力循环仅讨论了以汽轮机为主的理想蒸汽动力过程，

而热电厂的整个过程是从燃料能量开始到输出电能、热能的实际运行过程，因

此，对热电厂的热经济性分析应当从燃料输送、锅炉运行、管道输送、汽轮机

运行、发电机运行以及各种辐助设备的运行全面的分析、研究。

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一、热电厂能量转换过程中的各种能量损失及效率：

1、锅炉的热损失与锅炉效率：

锅炉把燃料的化学能转换为热能，并将热能传递给工质—水和蒸汽。

在锅

炉内的主要损失有排烟热损失、化学不完全燃烧热损失、机械不完全燃烧热损

失、散热损失以及灰渣物理热损失等。

锅炉的热效率等于锅炉的热负荷与消耗燃料热量之比，即

ηb=Db（hb-hfw）/BQnet

式中：

Db—锅炉每小时的产汽量，kg/h

hb—过热器出口蒸汽焓值，kJ/kg

hfw—锅炉给水焓，kJ/kg

B—锅炉每小时的消耗燃料量，kg/h

Qnet—燃料的低位发热值，kJ/kg

2、管道热损失与管道效率：

锅炉生产的蒸汽通过主蒸汽管道进入汽轮机，蒸汽作功后凝结成水，经过

水泵生压，再通过给水管道回到锅炉重新吸热。

工质通过这些汽水管道时，要

散失部分热量，其损失为管道的散热和工质的泄漏，这部分热量损失常用管道

效率来表示，它等于汽轮机的耗热量与锅炉热负荷之比，即：

ηp=（h0- hfw）/（hb- hfw）

式中 h0—汽轮机的进汽焓，kJ/kg

3、汽轮机损失与热效率

汽轮机损失可分为冷源损失与机械损失。

3.1 冷源损失：

蒸汽在汽轮机内膨胀作功，乏汽冷凝成水，乏汽焓与冷凝水焓之差即为冷

源损失。

冷源损失分为两部分：

固定冷源损失和附加冷源损失。

理想汽轮机乏汽在冷凝器内的放热量，该部分损失即使是理想汽轮机也无

法避免，其大小仅决定于动力循环的形式及参数，称为固定冷源损失，通常用

循环效率（即动力循环效率）来表示：

ηt=（ h0-hca）/（ hb- hfw），式中 hcr 为理想汽

轮机乏汽焓。

蒸汽在实际汽轮机内膨胀作功时还要产生一定的损失，包括节流损失、漏

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汽损失、叶轮摩擦损失、余速损失等，这些损失使蒸汽作功量减少，乏汽焓大

于理想乏汽焓，从而增大了冷源损失，称为附加冷源损失。

通常用汽轮机相对

内效率来表示附加冷源损失，其值为：

ηri=（ h0-hc）/ （ h0-hca），式中 hc 为实际汽

轮机乏汽焓。

汽轮机的绝对内效率等于汽轮机的实际作功（称为内功）与汽轮机的耗热

量之比，ηi=（ h0-hc）/ （ h0-hfw）= ηt. ηri。

3.2 汽轮机的机械损失与机械效率

汽轮机的各部轴承、调速系统和油系统的转动部件都会因为存在摩擦阻力

而消耗一部分内功，汽轮机机械部分的能量损失称为机械损失，常用机械效率

表示，其值等于汽轮机的输出功与内功之比，ηm=Pax/Pi= Pax/（ h0-hc）。

综上汽轮机的总效率为汽轮机输出功与耗热量之比，

ηq= Pax/（ h0-hfw）= ηi. ηm=ηt. ηri. ηm

4、发电机损失及效率

发电机损失包括机械部分和电气部分损失，常用发电机效率表示，它等于

发电机输出功率与有效功率之比，ηg=Pe/Pax。

5、凝汽式发电厂的损失及效率：

上述能量损失的总和极为凝汽式发电厂的损失，凝汽式发电厂的效率就等

于汽轮发电机组发出的电能与消耗的燃料能之比：

ηcp=3600 Pe/BQnet=ηb.ηg. ηt. ηri. ηm

凝汽式发电厂的总效率决定于各设备的分效率，其中提高任何环节设备的

效率均可提高发电厂效率，且两者提高的相对值相等。

因此，欲提高电厂的综

合效率，必须提高各设备的能源利用率。

6、热电厂的损失与效率：

与凝汽式电厂不同的是热电厂存在外供热能，相应增加了一部分外供管网

损失，它由汽轮机抽汽至用热户之间输送管道的散热及泄漏损失组成，其值为：

ηwp=hpc/hcs。

则热电厂的热效率等于汽轮发电机组发出的电能与外供配出热能之和与消

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耗的燃料能之比。

η=（3600 Pe+Dpc. hpc）/BQnet

二、热电厂效益影响因素及小指标：

上述分析仅从入炉燃料开始进行了热效率分析，热电厂实际生产过程中还

存在着其它消耗，如动力电、工业水等，都对热电厂的综合效益产生影响。

1、燃料管理及指标：

作电厂热效率分析时，我们自入炉燃料量及低位发热值开始，实际生产中，

在燃料入炉前，还存在着原煤采购、验收、储存管理及输送等环节，这些环节

对电厂的生产效益有着重要的影响，特别是原煤入厂和煤场管理问题是电厂控

制煤耗的最关键的一步。

1.1 入厂原煤与入炉原煤热值差：

入厂原煤的平均发热值（收到基低位发热值的加权平均值）与入炉原煤平

均发热值之差。

部颁标准要求该值不超过 3%，国家一流电厂标准不超过

502kJ/kg，达标标准不超过 627 kJ/kg。

指标控制措施：

a规范并加强原煤的检斤、采样、外观检验、化验管理，实现检斤率、检

斤合格率、检验率、检验合格率 100%。

b 通过外观检查、化验分析及时发现并纠正煤质指标不合格项，保证满足

锅炉正常燃烧。

c 控制库存存储煤量，避免长期堆放造成损失并积压资金。

1.2 上煤用电率：

上煤用电率是指燃煤电厂将 1T 煤从储煤场输送至锅炉煤仓中，上煤系统

所消耗的电量，计算公司为：

上煤用电率（kwh/t）=计算期内上煤系统耗电量 kwh÷计算期内上煤量 t

指标控制措施：

a合理调度，减少输送设备空载或轻载运行时间；采用非全日制工作使上

煤系统仅在满负荷下工作若干小时，其他时间不运行；

b保证筛分设备效率，只使不符合锅炉然用标准的原煤进入粉碎机，减少

粉碎机负荷；

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c 做好照明用电管理；

1.3 入炉燃煤颗粒度合格率：

入炉燃煤颗粒度是实现锅炉长时间稳定、经济运行的保障，保证燃煤颗粒

最大直径不大于 10mm，并且粒径分布合理，对循环流化床锅炉运行至关重要。

指标控制措施：

a 保证输煤系统筛分设备、粉碎设备完好；

b 定期测试入炉原煤颗粒组成；

2.锅炉运行管理及指标：

锅炉运行损失主要有：

排烟热损失、化学不完全燃烧热损失、机械不完全

燃烧热损失、散热损失、灰渣物理热损失等，如何通过表记显示及化验分析结

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