热能动力基础知识及电厂培训资料Word文件下载.docx
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第二章事故预想第三章汽机专业电源
一．6KV二．400V三．MCC四．直流负荷五．厂房、控制室照明开关柜六．UPS不间断电源
第一章．热工基础
第一节。
一．分子及其运动
物质在通常情况下有三态－固态、液态和汽态，一切物质都是由极小的微粒组成的，这些微粒叫做分子。
分子的特征：
（1）分子的质量很小，在很小的体积内，分子的数目却是很大的。
如：
直径0.1mm的一滴水含有106个分子；
标准状态下（0℃，1个大气压）1cm3的氧气含有2.7×
1019个氧分子。
（2）分子是运动的。
（3）分子与分子之间存在一定的距离。
（4）分子与分子之间有相互作用的分子力。
分子力是分子间引力与斥力的结合。
（5）分子的运动与物质的温度有关。
二．工质
汽轮机利用具有一定压力和温度的蒸汽作功，把热能转变成机械能，这里，蒸汽起了媒介作用。
这种实现能量转换的媒介物质，我们就称其为工质。
电能生产是连续的，为了使热机不断的做功，就要求工质连续不断的流过。
因此工质应具有良好的流动性和膨胀性，水蒸气正好具有价廉、易得、热力性能稳定、无毒、不腐蚀等这样的特性，所以发电厂中主要以水和水蒸汽作为工质。
三．工质的状态参数
工质的状态是由于工质的压力、温度、比热容等物理量来确定的，这些表明工质状态特征的物理量，称为工质的状态参数。
工质如有一组（最少2个）确定的状态参数，就表明工质处于一个确定的状态，若工质确定状态对应的状态参数中有一个或几个发生了变化，则工质的状态就会发生变化。
工质的状态参数有压力、温度、比容、内能、焓、熵六个常用量，其中温度、压力、比容这三个状态参数可以通过仪表直接测得，因而称为基本状态参数，而内能、焓、熵则称为导出参数。
（一）温度
温度是表明物体冷热程度的度量。
温度的数值表示方法叫做温标，常用的温标有两类，即摄氏温标和绝对温标（也称热力学温标）。
1．摄氏温标
摄氏温标又称为国际XX温标，它规定标准大气压下（1.01325×
105Pa）下水的冰点为0℃，沸点为100℃，其间划分一百等分，每一等分称为1摄氏度。
摄氏温度用字母t表示，单位为℃。
2．绝对温标
又称开氏温标，它以摄氏零下273.15℃作为零度，用字母T表示，单位为K。
即273.15K=0℃。
两者的换算关系是：
T=t＋273.15
（二）压力
1．压力的定义
物体单位面积上所受到的垂直作用力称为压力，用P表示。
相当于物理学中的压强
即P=F/S
式中P－压力（Pa）
S－面积（m2）
F－作用在面积S上的垂直作用力（N）
2．压力的单位
我们介绍两个非法定计量单位：
标准大气压和工程大气压。
（1）物理学上，把纬度45°
海平面上常年平均气压定为标准大气压（物理学上又称为1物理大气压）。
1标准大气压=1.01325×
105Pa=760mmHg
（2）而在工程计算中，更多的是用工程大气压作为压力单位。
1工程大气压=1Kgf／cm2=9.81N／cm2=9.81×
104Pa=736mmHg735.6
3．绝对压力、表压力和真空值
容器内气体的真实压力称为绝对压力。
此压力若高于大气压力，则气体处于正压状态pe，须用压力计来测量气体的绝对压力；
反之若容器内绝对压力低于大气压力则称气体处于负压状态pv，测量时应用真空计。
（1）表压力：
用压力表测得的压力，称为表压力。
表压力是气体的绝对压力与大气压力的差值，也就是说表压力是以大气压力为起点测量的，而绝对压力是以完全真空为起点测量的。
其间关系式为：
P绝=P表＋B
（2）真空值：
真空计测得的数值称为真空，它表示大气压力超出绝对压力的部分，真空值愈大，则绝对压力愈低。
P绝=B－H
（三）比容
单位质量的物体所占有的容积称为比容，用字母υ表示，单位为m3／Kg。
其数学表示式为：
υ=V／m
式中υ－物体的比容（m3／Kg）
V－物体所占有的容积（m3）
m－物体的质量（Kg）
而单位容积内物体的质量称为密度，用ρ表示，单位为Kg／m3，它与比容的关系为
υρ=1
比容愈大，说明物体愈轻；
比容愈大，表示物体愈重。
（四）能
任何物体具有做功的能力，我们就说这个物体具有能。
1．动能：
物体因为运动而具有的做功的能力称之为动能。
Eυ=1/2mυ2
式中Eυ－物体的动能（J）
υ－物体的速度（m／s）
2．热能：
物体内部分子由于热运动而具有的能量称为内动能，又叫热能，它与温度有关。
3．位能：
物体由于处于一定的高度（离开地球一定距离），所具有的能称为重力位能活势能与比容有关
Eg=WH
式中Eg－重力位能（J）
W－物体重量（N）
H－物体离开地面的垂直高度（m）
4．内能：
物体的内能是指储存于物体内部的能量。
内能有时又称内热能，它包括内动能和内位能两部分。
外加给气体的能量可以转换为它的内能储存起来，如蒸汽被加热时温度升高；
而有时气体的内能又可以释放出来对外做功，如高温高压蒸汽在汽轮机内作功时温度降低。
（五）焓
在某一状态下，单位质量的工质比容为υ，压力为p，则乘积pυ称为流动势能，这一能量是工质固有的，它与工质的内能之和称之为工质的焓。
用i表示，单位为KJ／Kg。
表达式：
i=u＋pυ
由此可见，焓也是一个状态参数。
从热力学观点看，蒸汽的热焓就是蒸汽的能量，对于一定状态下（压力、温度）单位重量的蒸汽，焓是一定的。
气体在t℃的焓就等于气体从0℃定压加热到t℃时吸收的热量，所以只需知道两状态的焓降，就可以计算热量。
（六）熵
熵是一个物理量，也是热力计算中常用的一个状态参数。
它的定义是加热1Kg工质的热量q和加热时绝对温度T的比值，叫做工质在这个加热过程中熵的增加量。
用s表示，单位为KJ／（Kg·
K）。
表达式△S=S2－S1=q／T
1．若给工质加入热量，工质的熵增加，表明工质是吸热，即△S取正。
2．若工质对外放热，工质的熵减小，表明工质是放热，即△S取负。
3．若工质即不增加热量，也不放出热量，表明工质的熵不变，即△S=0。
于是熵增的正负就可以判定此热力过程是加热过程还是放热过程，这就是熵这个概念的物理意义。
四．功、功率
（一）机械功
就是力与位移的乘积。
物体在外力的作用下，沿着这个外力的方向发生了位移，我们就说这个力对物体做了功。
用W表示，单位为J（N·
m）。
表达式W=F·
S
式中W－功（J）
F－物体上的作用力（N）
S－物体在力的方向上的位移（m）
做功是一个过程，完成这个过程必须具备两个条件：
一是必须存在作用力，这个作用力必须是外界加在物体上的，且在整个做功过程中不能消失；
二是物体必须在力的作用方向上有一个位移。
（二）热功
热功也是机械功，这里只是为了便于说明问题，才将气体膨胀对外所做的机械功称为热功。
气体膨胀，则气体对外作正功，W＞0；
气体被压缩，说明外界作功，也就是说气体作负功。
（三）功率
单位时间内所做的功叫做功率。
功率愈大，说明物体做功的能力就愈大。
因此常用功率来比较不同机器的做功能力。
功率的符号为N，其单位是W（瓦）。
其表达式N=W／t
式中N－功率（W）
W－物体所作的功（J）
t－做功的时间（S）
应该指出：
功有正、负之分，但功率是没有正、负之分的。
五．热量、比热容和热容量
（一）热量
在实际生产、生活当中常遇到加热（吸热）和冷却（放热）的问题，例如电厂锅炉中，燃料燃烧加热给水，冷凝器中循环水冷凝乏汽等。
在加热和冷却过程中，物体吸收或放出的热能称为热量。
用Q表示，其单位是KJ。
热量的传递多少和热力过程有关，叫做过程量，只有在能量传递的热力过程中才有功和热量的存在，没有能量传递的热力状态是根本不存在什么热量的。
需要说明的是，温度和热量是两个互有联系但又不同的概念：
温度是物体的冷热程度的标志；
而热量是指物体在某个热力过程后的热能的增减幅度。
一般情况下，物体吸收热量，则温度升高；
放出热量则温度降低。
（二）比热
单位质量的气体每变化（升高或降低）1℃时所吸收或放出的热量称为比热。
用字母C表示，单位是KJ／Kg·
℃。
气体的比热除与气体本身的物理性质有关外，还与压力和温度有关，实践证明：
气体的比热随温度的升高而升高。
气体温度升高的过程，实际是一个加热过程，采用不同的加热方式，可得到不同概念的比热。
常见的加热方式有：
定容加热过程和定压加热过程。
前者指在容积不变化的前提下加热气体，得到的比热为定容比热；
后者是在压力保持不变的条件下加热气体，得到的比热为定压比热。
为维持气体压力不变，定压加热时气体必然膨胀，膨胀所需的热量必来自热源。
由于定容加热无需这部分热量，所以定压比热必大于定容比热。
对同一物体，温度不同，比热也不同，但在实际热力计算中，忽略了温度对比热的影响，把比热看作是一个常数，称定比热，这样就可以方便地计算出在热力过程中吸收和放出的热量。
表达式Q=mCp△t
式中Q－质量为m（Kg）气体吸收或放出的热量（KJ）
m－气体的质量（Kg）
Cp－气体的定压质量比热（KJ／Kg·
℃）
△t－加热前后气体的温度差（℃）
（三）热容量
在热力学中，m千克物体温升1℃所吸收的热量称该物体的热容量，其单位为KJ／℃。
热容量实质上是指物体贮藏热能的能力。
等质量的物体，比热愈大，热容量愈大；
若比热相同，则物体质量愈大，热容量愈大。
例如汽轮机的汽缸由于其质量大于螺栓，比热又近似相等，所以汽缸贮热能多，热容量大。
第一节火力发电厂概述
一．火力发电厂
利用煤、石油及天然气等燃料生产电能的工厂叫做火力发电厂。
火力发电厂的分类：
1．火力发电厂按其所采用的蒸汽的参数可分为：
（1）低温低压1.18～1.47MPa
（2）中温中压1.96～3.92MPa
（3）高温高压5.58～9.81MPa
（4）超高压11.77～13.75MPa
（5）亚临界压力15.69～17.65MPa
（6）超临界压力＞22.16MPa
2．火力发电厂按其生产产品的性质可分为：
（1）凝汽式发电厂
（2）供热式发电厂
（3）综合利用发电厂
二．火力发电厂的生产过程
利用水在锅炉中吸收燃料燃烧时放出的热量，变成具有一定压力和温度的蒸汽，被送入汽轮机。
蒸汽在流经汽轮机时，通过喷管降低压力和温度，提高流动速度，这种高速的气流冲动汽轮机转子上的叶片使转子转动旋转。
汽轮机旋转时就带动同一轴上的发电机旋转而发出电来。
工作过的蒸汽送入冷凝器中（或供给其它热用户），被凝结成水后送回锅炉继续工作。
火力发电厂的生产过程概括起来就是：
通过高温燃烧把燃料的化学能转变成热能，从而将水加热成具有一定压力温度的蒸汽；
然后用蒸汽推动汽轮机把热能转变成机械能，发电机就把汽轮机输入的机械能转变成发电机输出的电能。
即能量转换过程为：
燃料的化学能――热能――机械能――电能。
三．火力发电厂的主要生产系统
1．汽水系统：
火力发电厂的汽水系统主要由锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵等组成。
水在锅炉中被加热成蒸汽，再经过过热汽使蒸汽进一步加热后变成过热蒸汽，过热蒸汽经过主蒸汽管路进入汽轮机，做完功的蒸汽排入凝汽器被冷却水冷却成凝结水，凝结水在低压加热器加热后，经过除氧器加热除氧后由给水泵打至高压加热器，经高压加热器加热后再进入锅炉。
2.燃烧系统
燃煤由皮带机输送到煤粉间的煤斗内，煤斗的煤经给煤机进入磨煤机磨成煤粉；
煤粉和经过空气预热器的热风一起喷入炉内燃烧，燃气经除尘器除尘后由引风机抽出，最后经烟囱排入大气。
锅炉排出的炉渣经碎渣机破碎后连同除尘器下部的细灰一起由灰渣泵打至贮灰器。
3.电气系统
由发电机――主变――输配线路――用户。
它包括厂用高压变压器及负荷控制回路；
低压变压器及负荷控制回路；
一次主接线；
二次测量、保护、控制回路等。
4．化学水处理系统
（1）流程：
生井泵――精密过滤器（除去水中砂及悬浮颗粒）――阳床（去除水中的钾、钙、镁等金属离子）――中间水箱――阴床（去除水中的OH-离子）――除盐水箱――除盐水泵――除氧器.
（2）化学水处理监督的是汽、水、油、煤。
提高蒸汽品质应从提高补给水品质和凝结水品质着手；
5．输煤系统
发电厂的输煤系统包括从卸煤装置起，直接把煤运到锅炉房煤斗的整个生厂工艺流程。
输煤系统一般包括煤料运输、卸煤机械、贮煤装置、煤场设施、输煤设备和筛分破碎装置、集中控制和自动化以及其他辅助设备与附属建筑。
第二节热工测量和自动化系统
汽轮发电机的热力过程自动化有热工检测、自动调节、远方操作、程序控制、热工信号及自动保护等几部分组成。
一．热工检测
为了在电力生产过程中观测和控制设备的运行情况，分析和统计生产情况；
保证电厂安全经济运行；
提高劳动生产率，减轻运行人员劳动强度。
就必须对运行设备的各种热工参数：
压力、温度、转速、流量、水位等进行测量、显示和记录，使值班人员能够及时了解设备及系统的运行情况，以便正确的进行调整和操作，用来测量热工参数的仪表叫热工测量仪表。
二．自动调节
在热力生产过程中，热工参数大多数需要进行调节与控制，通常采用人工或自动调节方式。
所谓手动调节，是指挥操作人员（即运行人员）根据仪表指示观察被调量是否发生变化，按照所规定的规律去操作阀门或挡板，使被调量稳定在规定的范围内。
如果用自动化装置代替上述人工操作，就叫做“自动调节”。
1.常用术语：
（1）调节对象：
被调节的生产设备称为调节对象。
（2）调节系统：
调节设备与调节对象构成的具有调节功能的统一体叫做调节系统。
（3）被调量：
调节对象中需要加以控制和调节的物理量叫做被调量。
（4）扰动：
引起被调量变化的各种因素称扰动，调节系统由于内部原因引起的扰动叫内部扰动；
外部因素引起的扰动叫外部扰动。
（5）调节：
通过外加控制作用使被调量保持定量，或按一定规律变化，称为调节。
依靠自动设备来实现这种作用，叫做自动调节。
2．调节过程的品质指标
（1）稳定性：
若调节系统受到扰动后，经过自动调节能达到新的稳定的数值，则称这种调节系统是稳定的调节系统。
（2）准确性：
被调量的实际值与给定值之间的动、静态偏差值不应超过生产所允许的范围。
（3）快速性：
要求过渡过程时间越短越好。
三．热工信号及保护装置
热工信号与保护装置的任务就是对汽轮机的允许参数实施越限监督，当运行参数达到整定值时，由设备异常信号报警装置发出光子、音响等报警信号，当设备发生事故时，信号装置发出事故信号，对应光子出现，警铃、喇叭齐鸣，保护装置动作，切除（或停止）事故设备及相关设备运行，以避免人身和设备的损坏。
常用的热工信号有：
热工预告信号、热工事故信号、热工联络信号三种。
第三节热力循环
以水蒸汽作为工质的火力发电厂，在能量转换过程中，要使热功转换连续进行，则工质就必须完成一个热力循环，并周而复始。
火力发电厂中，燃料燃烧产生高温热源，将热量传给工质，工质流过汽轮机完成热功转换过程，然后在凝汽器内放热给冷源，恢复其初始状态，再重新由热源获得热能，从而完成热力循环。
热力学第一定律――实质上是能量守恒与转换定律在热力学上的一种特定应用形式。
热可以变为功，功可以变为热，一定量的热消失时，必产生一定量的功；
消耗一定量的功时，必出现与之对应的一定量的热。
热力学第二定律――说明了能量传递和转化的方向、条件、程度。
它有两种叙述方法：
（1）从能量传递角度来讲：
热不可能自发地不付代价地从低温物体传质高温物体。
（2）从能量转化角度来讲；
不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化成为功而不留下任何其它变化的热力发动机。
一．热力过程
工质在一定条件下，由一种状态转变为另一种状态所经过的路径，叫做热力过程。
典型的热力过程有：
1．等温过程
工质在温度维持不变的条件下（T＝常数），由一种状态改变到另一种状态的热力过程。
2．等容过程
工质在维持体积不变的条件下（V＝常数），由一种状态转变到另一种状态的热力过程。
所有加入工质的热量全部用于增加工质的内能。
3．绝热过程
这是在即不输入也不输出热量（q=0）的条件下，工质由一种状态转变到另一种状态的热力过程，理想的绝热过程是熵不变的过程。
这里需要说明的是，实际上发生的过程都不可能是上述某一个纯粹的过程，而是以某过程为主，其它过程影响较小，因而是可以忽略不计的过程。
二．热力循环
工质从某一状态点开始，经过一系列的状态变化，又回到原来这一状态点的变化过程的综合。
（一）卡诺循环
卡诺循环是由两个可逆的等温过程和两个可逆的绝热过程组成。
但由于：
（1）卡诺循环只允许用在湿饱和蒸汽区，这就使冷、热源的可利用温差不大，上限温度受临界温度（374.15℃）的限制，下限受大气温度限制，这样热效率η=1－T2／T1不可能提高很多；
（2）整个热机都处于湿蒸汽状态下工作，运行条件十分恶劣；
（3）绝热压缩过程是蒸汽比容比水大1～2千倍，需要的压气机体积很大，消耗的功率也很大。
故火电厂不采用卡诺循环。
这里我们再导入一些相关概念：
1．饱和温度：
对水进行定压加热时，水自0℃开始升高至沸腾，通常把水沸腾的开始温度称饱和温度，即沸点。
2．饱和水：
沸点状态下的水即为饱和水。
3．饱和压力：
饱和水状态时对应的蒸汽压力，称为饱和压力。
4．饱和蒸汽：
蒸发的蒸汽称为饱和蒸汽。
5．湿饱和蒸汽：
在水没有完全气化之前，这时饱和水与饱和蒸汽共存，把这种含有饱和水的蒸汽叫湿饱和蒸汽，简称湿蒸汽。
6．干饱和蒸汽：
当水达到饱和温度后，如继续定压加热，则饱和水开始气化，此时比容增大，而水温并不升高，保持饱和温度。
继续加热，水不断气化直至完全变为蒸汽，最后一滴水变为蒸汽的状态称干饱和蒸汽。
7．干度：
是指1Kg湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的重量，用x表示。
如x=90％表示：
1Kg干蒸汽中有0.9Kg干蒸汽和0.1Kg的水。
饱和水x=0；
干饱和蒸汽x=1。
8．湿度：
1Kg湿饱和蒸汽中饱和水的重量叫湿度。
9．液体热：
在水加热到饱和水的阶段所加入的热量叫液体热。
10．汽化潜热：
把1Kg已经加热到饱和温度的水在定压下完全气化，所加入的热量叫汽化潜热。
用r表示。
11．过热度：
将干饱和蒸汽继续定压加热，蒸汽温度就要上升，而超过饱和温度，其超过的温度叫过热度。
12．过热蒸汽：
具有过热度的蒸汽叫过热蒸汽。
13．过热热：
过热过程中吸收的热量叫过热热。
14．热效率：
表明循环过程中热能转变为功的有效程度，用η表示。
η=W／q1W=q1－q2
W－循环中转变为有用功的热量（KJ/Kg）
q1－1Kg蒸汽在锅炉中定压吸收的热量。
q2－1Kg蒸汽在凝汽器中定压放出的热量。
15．汽耗率：
汽轮机产生单位功所消耗的蒸汽量，用d表示。
d=D/N
d－汽轮机的汽耗率（Kg/KW·
h）
D－汽轮机每小时所消耗的蒸汽量（Kg/h）
N－汽轮机每小时所产生的电功（KW）
16．热耗率－单位功所消耗的热量，用qt表示。
qt=3600／ηt
（二）朗肯循环
火力发电厂中蒸汽动力装置的基本热力循环设备是由蒸汽锅炉、汽轮机、凝汽器和给水泵组成的。
工质在热力设备中不断地进行吸热、膨胀、放热、压缩等四个过程，使热能不断的转变为机械能，这就是火力发电厂的朗肯循环。
它是最简单的火力发电厂的理论循环，是组成蒸汽动力装置的基本循环。
其循环过程为：
作为工质的凝结水用凝结水泵和给水泵将其从凝汽器打入锅炉省煤器内，这个过程为工质的绝热压缩过程；
水在省煤器内预热，然后进入炉膛水冷壁内，被加热汽化成饱和蒸汽，再进入过热器内过热变成过热蒸汽，这个过程是定压吸热过程；
从锅炉出来的过热蒸汽导入汽轮机中，在其中膨胀做功（汽轮机带动发电机转动发出电能），这个过程是绝热膨胀过程；
在汽轮机内作完功的乏汽，排入凝汽器内，在循环水的冷却下放出它的汽化潜热，定压凝结成饱和水，这个过程是定压放热过程凝汽器内的凝结水重又通过凝结水泵和给水泵送入锅炉加热蒸发从而完成了循环。
（三）中间再热循环
为了保证末几级蒸汽的湿度在允许范围内，就必须提高初压的同时提高初温，但提高初温又受到金属材料强度的限制，为解决此问题采用中间再热循环。
就是将汽轮机高压缸内已经作了部分功的蒸汽，再引入锅炉中间再热器中重新加热，使蒸汽温度提高至初温，再热后的蒸汽引向汽轮机低压缸继续做功。
由于再热，使得流经低压缸末几级的蒸汽湿度大为减少。
（四）回热循环
在纯凝汽式汽轮机的热力循环（即朗肯循环）中，新蒸汽的热量在汽轮机中转变为功的部分只占30％左右，而其余的70％左右的热量随乏汽进入凝汽器，在凝结过程中被循环水带走了，可见乏汽在凝汽器内的热损失是很大的。
用乏汽直接及热锅炉给水，由于温度太低（不存在传热温度差）是不可能的。
为了使热力循环的效率提高，利用在汽轮机内做了一定量功后的蒸汽，即进入汽轮机的蒸汽一部分按朗肯循环继续作功直至凝汽器；
而另一部分则在汽轮机中间抽出，用来加热由凝汽起来的凝结水或锅炉给水，提高给水温度。
显然，这部分抽气的热量重新回入锅炉，没有在凝汽器中被冷却水带走的热量损失，故这部分蒸汽的循环效率可以等于100％。
其余部分的蒸汽进入凝汽器，其热效率为朗肯循环的热效率。
整个热力循环便是上述两循环组成，其总的热效率必大于同样参数下的纯凝汽式循环的效率。
这种具有利用抽汽加热给水的热力循环称为给水回热循环。
采用回热循环的效果：
（1）显著的提高了循环的效率，使锅炉热负荷减低，此时汽耗率虽然增加了（因每千克蒸汽所作的功较少），但热耗率却降低了,锅炉中换热量反而减少，故换热面积需要的较少。
（2）采用回热后，若凝汽量相同，则汽轮机前面几级（抽汽前）的蒸汽量增加，若汽轮机进汽量相同，则是
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