热能与动力工程专业英语第1,2,3,4,7,8,9章译文

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。

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。

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（isobaric）过程中压强恒定；等容（isometric）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1kg水。假定活塞和其上的重物使气缸内压强维持在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

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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，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0.1MPa、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BC表示等温过程，即液体气化转变为蒸汽的过程。线CD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IJKL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。 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。

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。

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

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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。

理想的卡诺循环包括四个可逆过程，如图1-4所示：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。卡诺循环的效率为公式 (1-1)

注意，提高TH（提高吸热温度）或降低TL（降低放热温度）均可使循环效率提高。 1.1.7 朗肯循环

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；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Wnet?Qnet。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公式 (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。这可以通过增大泵出口压强p2，提高锅炉出口温度T3，或降低汽机出口压强p4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?-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，

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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(x0, y0, z0, t)，V(x0, y0, z0, t)，a(x0, y0, z0, t)，其它相关参量也可计算。坐标(x0, y0, z0)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，?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

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?dr=0。这是因为V和dr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

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

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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(r)。平行平板间的速度也只与y坐标有关，即u=u(y)。即使流动为非定常流动，如启动时的情形，u=u(y, 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τ=μdu/dy这个简单的关系式来描述牛顿流体的特性。τ为流体施加的切向应力，μ为流体的动力黏度，du/dy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。

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。

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。

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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。

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，?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。通过定义临界雷诺数Recrit，可更加精确地进行表述，当Re

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xT下，Re变为Recrit，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106。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3×105。 1.2.7 不可压缩和可压缩流动

如果任一流体质点在通过流场时密度保持相对恒定，即D?/Dt=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100 m/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。

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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

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，则有公式 (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Tw，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，应用牛顿冷却定律公式 (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。

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式(1-4)表明，当热流量的单位为W时，h的单位为W/(m2?℃)。

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，因此有公式(1-5)

式中，?为比例系数，称为斯忒藩－玻耳兹曼常数，其值为5.669×10-8 W/(m2·K4)。式(1-5)称为热辐射的斯忒藩－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，即公式 (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射力，然而，这些物体的辐射力仍大致与T14成正比。为了考虑这些表面的“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，则有公式 (1-7)

式中，Fε是发射率函数，FG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。β＞700 m2/m3的换热器归为紧凑式换热器。例如汽车散热器（β≈1000 m2/m3）、燃气轮机中的玻璃陶瓷换热器（β≈6000 m2/m3）、斯特林机的回热器（β≈15,000 m2/m3）以及人的肺部（β≈20,000 m2/m3）。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。

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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。 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10×106磅/小时（1260kg/s），压力从一些加热应用的14.7磅/ in2（1.0135bar）212F（100℃）到先进循环电厂的4500磅/ in2（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降到最低。

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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 Development of Utility Boiler

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2400lbf/in2(165.5bar)，568℃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。 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。 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

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3500 sec到6500sec的残渣燃料油。为了有效的燃烧，

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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：

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 = 系统内部能量的积累 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。

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。

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。

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

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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 0.007 MPa）。凝结水以及抽汽用泵打入锅炉。

3.1.1 蒸汽轮机的类型 记书上

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(W2)小于动叶入口的相对速度(W1)。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。

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%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(W2)大于动叶入口的蒸汽相对速度(W1)：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。

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（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和一组安全装置

（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%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100 MW,，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。

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。

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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。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

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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))。

? 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) and 3-5 (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660 MW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。660 MW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。

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

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。

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。

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

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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%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（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120 MW)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。

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3.4 汽轮机叶片 3.4.1 冲动级

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，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。

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、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

静叶片和动叶片—零部件及结构

尽管称之为“反动级”，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Charles Parsons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。

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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，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3000 r/min机组上叶片的高度可达940 mm。

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。

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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）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1200 mm，这被认为是传统的含12%铬叶片材料的极限。实际上，前苏联机组上使用的1200 mm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50Hz电网系统中，最大的核电站可采用3000 r/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19-32 mm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。

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。

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。

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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系数量级的大大减小，范围为8500-20,000 W/m·K。在工厂实际应用中，这个数值一般为11,500 W/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/565oC/565oC和300bar/600oC/600oC，发电出力有望达到1100MW。

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565oC，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。

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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，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565oC的汽轮机，内缸通常采用传统的1%铬.钼.钒钢铸造，而对于温度参数为600oC的汽轮机，则变为采用高铬含量的铁素体钢。当温度大于>600oC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。

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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，现在需要采用12%铬含量的钢制转子。

中压汽轮机

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600oC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，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。 3.6.2 汽轮机发展趋势

240bar/565oC/580oC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600oC。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600oC或更高温度的蠕变强度大大改善的钢材。最近开始的EC-THERMIE项目资助的?700‘工程的目的是到2013年进行蒸汽参数达到700oC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

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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。

第4章 火力发电厂 4.1 简介

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。 4.1.3 回热加热系统 regenerative feedheating

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

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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2608.2psi (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3477.6psi (24MPa)左右，即在水或蒸汽的临界压力之上(3205.2psi (22.12 MPa))。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。

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℉(590℃)，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 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。

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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。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

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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))，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，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℉ (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)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

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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“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-H2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1000F (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

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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Claus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NOx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0.05 lb/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

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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氮氧化物的排放水平，脱除温度高达1000F(538C)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。

第7章 燃气轮机和联合循环电站

7.1 燃气轮机

7.1.1燃气轮机的发展

1.燃气轮机是以连续流动的气体为工质，把热能转换为机械能的旋转式动力机械。绝大多数燃气轮机的工质是空气。公元1世纪，亚历山大城的希罗发明了风车，这是人类最早的利用空气动能的装置。

2.工业革命时进一步发展了利用运动的空气带动机器旋转的原理。依据这个原理，19世纪出现了燃气轮机的前身，一些利用压气机产生压缩空气推动的透平。这些机械的压气机和透平一般都是独立的。

3.1872年德国工程师F. Stolze1的专利勾勒出了现代燃气轮机的原型。压缩空气由与透平共轴的轴流式压气机产生，然后与燃料混合后燃烧生成高温高压的气体推动透平。

4.依据Stolze1的专利的设计，压气机由燃气轮机本身来带动，从而解决了压气机的所需的动力问题。如果燃料燃烧产生的高温燃气通过透平生成的功不足以带动压气机，燃气轮机就不能正常运转。因此，透平和压气机都最低需要达到80%左右的效率。另外，能量的充分利用要求气流的充分膨胀，所以对透平燃气进口温度也有最低要求。只有满足这些条件，燃气轮机才能持续运行。

5.由于制造水平达不到要求，虽然Stolze1设计的系统已经包含了现代燃气轮机的所有特征，却不能连续运行。1903年，在巴黎制造出了第一台能连续运行的机器，但其压气机并不与透平共轴。同年晚些时候，Aegidus Elling在挪威制造出了第一台压气机与透平共轴的燃气轮机，其燃气进口温度达到了400°C。

6.20世纪初，工业应用的用来压缩空气、输出动力或同时两方面作用的燃气轮机都有了很大发展。20世纪30年代，人们认识到了燃气轮机在飞机动力上应用的前景。德国、英国和美国都已有战斗机运用涡轮喷气发动机作的成功之例。军事上的应用促进了在民航飞机上的应用，到现在，全球的航空公司的飞机的发动机基本都是燃气轮机。

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7.20世纪70年代末至80年代初期，燃气轮机开始有限的应用于发电上。由于燃气轮机发电机组能快速的启动和加载，主要作为电网尖峰负荷时的紧急备用电源，从而较好的保障电网的安全运行。此时，用来发电的燃气轮机是由航空发动机发展而来的。直到20世纪80年代末，发展了专门应用于发电的重型燃气轮机。

7.1.2布雷顿循环体系

1.燃气轮机一般都是如图7-1所示的开式循环。压气机连续的从大气中吸入空气并将其压缩。压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即进入透平在喷管叶栅内膨胀做功，推动透平叶片旋转，透平叶片带动在磁性线圈内的轴旋转，从而产生电力。开式循环中，透平的尾气排放入环境中而不再进入下次循环。

图 7-1 燃气轮机开式循环 图 7-2 燃气轮机闭式循环

2.采用空气标准假设的开式循环燃机，可以设计为如图7-2所示的闭式循环。闭式循环的压缩过程和膨胀过程是一样的，而等压加热代替了燃烧。理想的闭式布雷顿循环中包括四个内部可逆过程：

1-2 等熵压缩（在压气机中） 2-3 等压加热

3-4 等熵膨胀（在透平中） 4-1 等压冷却

3.空气标准假设：假定压缩过程和膨胀过程都是绝热可逆的，在加热过程没有压降，并且工质的初压与末压相等。

4.内可逆过程：根据热力学，限定温度下，绝对可逆循环（机械和热力学都可逆）有最高的效率和功率。机械可逆是一系列机械平衡状态，如流体没有磨擦、涡流和自由膨胀。依据热力学第二定律，热力学可逆只能在循环最高温度时加热，并在最低温度时放热。

5.等熵：过程等容或等压。

6.压气机：高效的压缩大体积空气，是一台成功的燃气轮机的是必不可少的特征。有两种可行的压气机，轴流式压气机和离心式（径流式）压气机。大部分发电厂的压气机是轴流式的。好的压气机要求压气机级数尽可能小，可通过尽可能多的空气，并在运行工况下有最高的效率和保持空气动力稳定性。压气机的动叶栅在静叶栅之后，压气机的一级由一个动叶转子和一个静叶叶栅组成。动叶转子推动流体进入静叶栅，流体在静叶中增压后导向下一级动叶转子。流体相对于叶片的初速和终速的角度不同。

7.燃烧/燃烧室：燃烧，是物质和氧化剂，通常是氧气的化合反应，并伴随着生成高温或放热的过程。燃烧室的作用是将压气机增压后的高压空气加热到透平前允许的温度，理想的过程中没有压损。在燃烧室中，空气直燃加热，少于1/3的空气与燃料燃烧，然后与余下的部分混合。开式循环燃机，燃料是在燃气轮机内部燃烧，必须解决燃料的投放，混合和燃烧问题。常见的是气体和液体的燃料，固体燃料尚在试验阶段。液体和气体燃料通常是碳氢化合物。最常用的气体燃料是天然气，成分以甲烷、丁烷和戊烷为主。从高精炼汽油到煤油和轻柴油甚至到重质残油都可以作为液体燃料。燃烧本身是一个技术难点，其难点在于如何在固定大小的燃烧室中安排燃烧，满足低压降的同时，达到高功率重量比、高输出潜力和转动元件。如果允许的压降足够大使空气和燃料可以充分混合，并且空间足够大可在必要的时间内充分燃烧，那么基本上所有的燃料都可以顺利燃烧。

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8.透平：（见图7-3，4和5）相对大量的空气在燃气轮机循环中高速运动。由于没有往复式运动，燃气轮机的力学特性是非常平滑的。高应力的转子部件是不安全，必须精确平衡，以避免高速旋转时引起破坏性振动，。叶片必须经过精密调整以避免共振。相对而言，燃气轮机的运动部件较少（没有滑行部件）并不受到振动作用力。因此，如果设计和开发恰当，能达到较高的可靠性。燃气轮机本质上是最普通的气体连续流动的热机，其过程包括从大气中吸气并压缩、等压燃烧以获得高温燃气、高温燃气的膨胀以及最后向大气中排气。燃气轮机和汽油机、柴油机的工质是一样的，并也是内燃的，而工质的稳定流动与蒸汽轮机相同。在旋转的转子中压气和膨胀，通过旋转运动进行流体和转子的能量交换，而不是利用往复式装置。 图7-5 燃气轮机横截面

7.1.3 现代燃气轮机设计

燃气轮机运行的关键是压气机和透平的效率。有效功必须大于本身耗功，才能保证持续运行。另外，效率越高，实际效用越大。

现代燃气轮机在电力生产中广泛应用的关键原因之一，就是因为有较高的运行效率。等量的燃料，效率越高，生产的电力越多。另外，效率问题也是从环境角度考虑的。使用化石燃料的电厂效率越高，生产一单位的电力对大气的污染物越少。就这方面而言，燃气轮机具有很大的优势。

效率对于航空工业同等重要，但是航空应用的涡轮必须要轻，而且要极端可靠。对于电力生产而言，需要考虑的是成本，而不是重量。因此，两种类型的燃气轮机的有着不同的发展道路。

上文已经提到，最早设计的燃气轮机，压气机和透平是独立的。Stolze的设计通过将压气机和透平共轴，简化了燃气轮机的结构。采用这种结构，电厂可以直接使用透平输出的机械能来带动压气机。

现代电力生产应用的燃气轮机，压气机为多级轴流式压气机，可将空气增压到15-19个大气压。这些压气机一般有10-12级，其效率大约为87%。

压气机增压后的高压空气进入燃烧室，在其中与燃料混合后燃烧，形成1400°C的高温燃气，一些最新的型号能达到更高的温度。高温时，氧气和氮气会生成NOx，通过设计燃烧室控制燃烧过程，使氧气充分消耗，尽量减少和氮气化合的氧气量，从而减少NOx的产生。

燃烧室有不同的设计和布置。一些燃气轮机的燃烧室与涡轮是独立的；另一些燃烧室布置在压气机和透平之间；还有另外一些有多个燃烧室，环绕的布置在涡轮周围。

为了防止烧坏透平的第一级，必须小心的控制燃烧室加热后的燃气温度，这是非常重要的。但是为了达到更高的效率，需要尽可能的提高温度。因此，随着材料的发展，透平进口温度也在不断提高。在1967年，透平初温大约为900°C，1970年1100°C，到了2000年材料的发展使得进口温度达到1425°C。

现代燃气轮机的透平一般有3到5级，达到89%左右的透平效率。一些设计中，压气机和透平叶片装置在一根轴上；另外的设计有两根同心的轴，其中一根装置压气机叶片和透平的第一级或前两级叶片。第一根轴上的透平级带动压气机，第二根轴带动发电机来生产电力。

发电用的35-45MW的小型燃气轮机可以达到38%的能量转换效率。更大的燃气轮机一般是应用于联合循环电站，效率传统上略低一些。但是现在，改进设计的大型燃气轮机，可以达到38.7%的效率。其功率可达到单机265MW。

燃气轮机的透平初温决定最大效率，现今的大部分技术进展集中于开发可以承受更高温度的透平初级叶片材料。其中包括精密单晶体金属，陶瓷材料也是替代金属材料的选择之一。

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另外一些因素也会对涡轮的运行产生影响。吸入的空气必须经过严格的过滤，以除去那些在高速运动时会损坏透平和压气机叶片的固体微粒。空气中添水也可以提高效率。对于最新的高温透平，通常还需要的对叶片进行冷却。因此，燃气轮机可能是常规动力电站中最高精尖的机械设备，需要专业的设计和机械设备。

7.1.4 燃气轮机改进设计

燃气涡轮航空发动机要求重量轻、紧凑，大幅度的改进性能是不现实的。固定式的发电用燃气轮机则不受这个限制，性能的提高容易实现。工程师已经开发了很多能明显的提高固定式燃气轮机性能的方法。（见图7-6(a)(b)(c)）

再热

大型蒸汽轮机电厂传统上将透平按蒸汽压力进行分成高压缸、中压缸和低压缸。这样，可在较窄的蒸汽压力范围内分别调节各缸的运行来提高效率。另外，还可将蒸汽在从高压缸进入中压缸前（此时温度已经有所降低）进行再加热获得额外的效率。这是燃煤电厂的常见措施。

图7-6(a) 改进的燃气轮机循环图示：再热

燃气轮机也可以进行类似的分缸，实际应用的一般只分成两部分，称为双转子。同样的，可在高压透平和低压透平之间进行二次燃烧。和蒸汽轮机一样，再热可以带来更高的效率。

已经有实际运行的再热燃气轮机电厂。墨西哥的蒙特雷的一座4机组1000MW的燃气轮机电厂，高温燃气通过透平第一级叶片后经过二次燃烧之后再进入透平余下的后4级叶片。

中间冷却

对压气机也可以进行类似透平的分缸，分成低压部分和高压部分。类似高压透平和低压透平之间的再热，在压气机低压部分和高压部分之间对压缩空气进行冷却可以提高效率。（压缩空气会使温度升高而占更大的体积，冷却可以减少体积从而更容易进行压缩。）这称为中间冷却。

图7-6(b) 改进的燃气轮机循环图示：中间冷却

中间冷缺技术在航改式燃气轮机（直接使用航空发动机的发电用燃气轮机）上有很好的表现，大约提高5%的效率，并能将其输出功率翻倍，而且极大的减少发电成本。

回热

回热也是提高燃气轮机性能的方法，将燃气轮机的部分排气送入压气机，可利用废气中的部分余热，从而减少燃料消耗。 图7-6改进的燃气轮机循环图示：回热

7.1.5 燃气轮机对环境影响

至少相对于燃煤电厂，燃气轮机电厂最明显的优势之一是污染相对较小。在发达国家，排放物控制已经成为新建电厂是选择技术的关键问题之一。

大部分燃气轮机电厂以清洁能源天然气作为燃料。燃气轮机要求燃料含有尽可能少的杂质，当以气化煤或生物质为燃料时，必须先经过严格的净化。

但是，燃气轮机也并不是完美的。会产生较多的NOx，部分一氧化碳和少量的碳氢化合物。其中，NOx通常是需要考虑的最严重的问题。

氮氧化物

Nox产生于燃烧过程。燃烧产生的NOx的量直接由的温度决定，温度越高，产生的NOx越多。由于

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燃气轮机的设计者都急切的追求更高的透平进口温度以提高效率，NOx的问题也越来越严重。

从20世纪70年代开始，发展旨在少NOx排放的燃气轮机减越来越必要。方法之一是给燃烧室注水，最终将取代控制燃料和空气混合过程的干式低NOx排放燃烧室，尽可能的降低将NOx的排放。

早期的低NOx燃烧室不能证明像生产商所希望那样可靠。20世纪90年代出现的第二代低NOx燃烧室有了很大的进展。最新的重型燃气轮机电厂的NOx排放一般在15 –25 ppm。新一代的燃气轮机，如GE的H-Series预期可以达到9ppm。

世界上绝大部分地区，NOx和一氧化碳的排放都要受到监管。日本是执行严格强制性限制的国家之一。为了达到要求，燃气轮机上安装精密的催化还原反应 (SCR) 系统。该系统使用金属催化剂催化NOx和氨或尿素反应，将NOx还原为氮气。SCR昂贵但是有效。东京电力生产公司在日本横滨建造的一部2800MW燃气联合循环机组利用SCR可将NOx排放降低至5ppm以下。

二氧化碳

燃气轮机也会产生大量的二氧化碳。对于燃烧天然气而言这是不可避免的。但对于同等功率容量，燃气轮机电厂产生的二氧化碳要少于常规的燃煤电厂。

天然气主要成分为甲烷，决定了燃烧产物中的二氧化碳较少。每个甲烷分子含有1个碳原子和4个氢原子，在空气中燃烧放热时，生成1分子二氧化碳和2分子水。

煤炭主要成分为碳，因此，煤炭在空气中燃烧时只生成二氧化碳，而没有水。事实上，各种情况的产热量和两种类型电站的情况都是复杂的。但就总体而言，根据电力研究机构(EPRI)的估算，每生一单位电力，燃气电站的二氧化碳排放量大约为燃煤电站的一半。

就目前来说，燃气电站替代燃煤电站可以显著的减少二氧化碳排放。因为二氧化碳是引起温室效应的主要因素，用燃气电站替代燃煤电站是一些国家达到京都议定书排放规定的方法之一。从长远来看，要继续使用天然气作为电站燃料可能还需要一些二氧化碳捕集装置。

一氧化碳和微粒

燃气轮机中天然气的不完全燃烧，会生成少量大约为10ppm左右的一氧化碳和固体微粒。

7.2联合循环电站

7.2.1简介

在本节中，我们简要的回顾一些可采用的燃气联合循环电站的模式。在这里，我们不涉及热电联产电站，限定于只生产电力的电站。并且不讨论目前联合循环电站运行中的细节问题，只对其进行简单分类。

其中一些模式没有经过实际应用，还在理论阶段。然而，我们在文献中讨论许多种联合循环的组和模式的理论研究展示了联合循环发展的思路。

我们首先详细说明了双循环电站，含有两个闭式循环。但类似于单工质循环，通过使用单一的工质，在它们之间进行内部耦合。

接下来，我们详细说明了双工质电站，两种工质分别在一个独立的闭式循环中运行，之间有热交换（外部耦合）。自然可以延伸到三工质循环电站，使用三种工质和三个闭式循环，并外部耦合，但是这种电站还没有得到发展。

第三种，开路/闭式循环电站。使用两种工质；燃料在开式循环装置（如燃气轮机）中和空气燃烧，

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水/蒸汽则在闭式回路循环。蒸汽轮机循环利用燃气轮机的尾气来加热（无论是否补燃）的是外部耦合；但是如果燃料供应给一个增压锅炉同时加热两个循环（共热），实际上是内部耦合。还有提议使用磁流体或热离子装置的开式回路联合循环电站，但是并没有得到发展，我们在此不进行讨论。

第四种，内部耦合双开式回路联合循环电站。这种类型的一种形式是将蒸汽注入开式燃气轮机的燃烧室。本质上，是不进行蒸汽冷却的开式回路电站。

这章节里，我们所讨论的联合循环电站的分类概要在表7-1中给出。注意，作为速记，我们把燃气和蒸汽闭式循环归为布雷顿和朗肯循环。严格的布雷顿循环是等压可逆燃气循环，透平和压气机的效率都为100%，并在加热和放热过程均没有压损。同样的，朗肯循环精确的定义是：液体/气体循环，工质等压加热，等压冷凝，透平和给水泵完全绝热。为了方便，我们将这些真实循环（不可逆的）用引号来表示，如“布雷顿”和“朗肯”循环。另外，我们也使用开式“布雷顿”和开式“朗肯”电站两个概念。

表 7-1 联合循环电站分类

_______________________________________________________________________________ 1. 双循环电站

(两个闭式循环之间使用一种工质内部耦合) (a) ―布雷顿‖/―朗肯‖ 循环

(i) (ii) (iii)

理想超再生循环 菲尔德循环 桑尼菲尔德循环

(b) ―朗肯‖/ ―朗肯‖ 循环

分体式 ―朗肯‖ (两重) 循环 (类似于两重压力循环) (c) ―布雷顿‖/ ―布雷顿‖ 循环

苏尔兹 半闭合燃气轮机循环 2. 双工质和三工质闭式循环电站

(使用两种或三种工质,循环之间外部耦合) (a) ―朗肯‖/ ―朗肯‖ 循环

（i）―顶部‖ 汞/水蒸汽或钾/水蒸汽循环 (ii)

―底部‖ 水蒸汽/氨或水蒸汽/有机工质循环

(b) ―朗肯‖/ ―朗肯‖/―朗肯‖循环

汞,水蒸汽,氨循环 (c) ―布雷顿‖/―朗肯‖循环

气体(例如氦气),水蒸汽循环 3. 开路/闭式循环电站

(使用两种工质, 一般组和为开式回路―布雷顿‖/闭式―朗肯‖) (a) 利用燃气轮机废气加热蒸汽 (外部耦合)

(i) (ii)

非补燃型蒸汽锅炉(HRSG) 补燃型蒸汽锅炉

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(iii)

4. 双开路电站

完全（最大化）废气锅炉r

(b) 增压锅炉(通过共同加热内部耦合) (两种工质，内部耦合)

开式 ―布雷顿‖, 开式 ―朗肯‖电站---蒸汽注入式开式燃气轮机.

_______________________________________________________________________________ 注释

外部耦合—工质在各自的闭式回路中流动,热交换在两个循环之间进行. 内部耦合---两种形式

(i) (ii)

工质一个共同的循环, 或 两种工质共同加热。

7.2.2典型的联合循环电站

本节我们将介绍一些实际应用的联合循环电站。这些电站在50多年的发展中，有许多不同的形式。我们这里包括一些有历史意义（现今已经过时）的旧式电站，一些已建立的并发展成熟的电站，更新的一些处于发展极端的电站。下文是我们所选取的所有主要联合电站的实例。

奥地利Korneuburg的CCGT电站(B)（无额外热源HRSG）

Brown Boveri 125 MW (额定) CCGT (燃气联合循环) 电站, Korneuburg B,是非补燃型开式燃气循环/闭式蒸汽循环的一个很好的实例。燃气轮机机组的功率81.1MW，蒸汽轮机机组48.7MW。采用低热值燃料（天然气），吸气温度为10℃，电站总体效率在发电机终端为0.470（扣除电厂备用，变压器终端为0.460）

图7-7是该电站的简图，显示了流量，压力和温度。燃气轮机(Brown Boveri type 13)是开式回路，质量流量为357kg/s，压比为10.0，透平进口温度大约为1000℃（涡轮转子局部最高温度冷却限制为540℃）。以低热值天然气为燃料（36.7 MJ/ N m3）的燃气轮机的总效率为0.294.

燃气轮机的排气温度为491℃，排气余热在蒸汽锅炉内回收，提高双压系统的蒸汽两个大气压。HRSG(余热蒸汽锅炉)的排气在较低温度95℃，这是允许以低硫天然气作为燃料。这意味着，蒸汽循环的给水加热只有一个过程需要添加燃料，低于大气压(4.4 bar)的水在直接接触式给水加热器中/脱氧器从28℃中加热到54℃。然后，首先在HRSG的废气余热节热器中预热。部分的水在低压(4.4bar)下蒸发,并过热到180℃。另外的一部分水加压(33.2bar)后，在高压余热锅炉中蒸发并过热到433℃.

图7-7 Korneuburg B 开式 (燃气轮机)/闭式 (蒸汽轮机)联合电站

该电站在一个简单循环中达到较高的热效率。最初那基荷电站设计的，现在慢慢作为中等负荷电站来运行，具有更高的实用性

奥地利Korneuburg的CCGT电站(A)（额外热源HRSG）

Korneuburg (Korneuburg A)的Brown Boveri CCGT电站最初75MW，包括两个25MW燃气轮机，一个补燃型余热蒸汽锅炉和一个25MW蒸汽轮机（全部为额定值）。建造于1960年，作为基荷电站运行的40多年，平均每年生产6000千瓦时的电力。

Korneuburg A是利用燃气轮机余热的补燃型燃气/蒸汽联合电站（最大加热的反面）的一个实例。这个电站最大的特点的是有两个复杂的燃气轮机（有中间再冷和回热装置，但没有热交换器），每个燃气轮

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机透平进口温度（再热透平温度）为625℃（998K）的最大效率（纯）为0.26。算上蒸汽轮机联合电站总的效率可以达到0.32（纯）。燃气轮机基础上提高的效率不明显，但是蒸汽轮机提高了43%左右的功率容量。历史上有趣的是，Brown Boveri 设计的Korneuburg A是补燃型联合循环，透平进口温度相对较低（625℃）；后来建造Korneuburg B时，提高透平进口温度到1000℃，去掉了补燃装置和中间再冷及再热。这两个电站一起成为燃气联合循环从最早的60年到最近的70年发展的一个实例，复杂燃气轮机电站和废气补燃型电站都被透平进口温度更高的简单电站所取代。这可能是作者必须倒转30年才能找到一个补燃型联合循环的实例的原因。

荷兰Hemweg的CCGT电站（最大加热）

“最大化”CCGT电站的一个实例是Brown Boveri建造在阿姆斯特丹Pjipker 和 Keppel的Hemweg的电站。原来的500MW蒸汽电站燃气轮机电站改建增加了一个13E型燃气轮机，燃气轮机废气进入蒸汽锅炉并给进一步的燃烧供氧。锅炉的燃料（天然气或轻质油）和含过量15%的氧气的废气燃烧，锅炉排烟中仍含有3%的氧气。整个电站示意图见图7-8。

由于燃气轮机废气的温度高达534℃，原来的蒸汽机组的空气预热器对于联合循环并不需要。然而，锅炉烟气通过高压和低压节热器回收利用。但通过节热器的水并不是锅炉给水的总量，按照Seippel 和Bereuter建议的方法一部分水通过一个并行管路绕过7个给水加热器中的4个进入节热器。其余的水直接进入全部的7个给水加热器。L.P.和H.P.表面加热器之间是直接连接的，L.P.节热器内的水绕过头两个加热器。锅炉产生的蒸汽在H.P.透平中膨胀后经过再热再进入L.P.透平。和普通高性能蒸汽电站一样，最佳抽汽点在H.P.膨胀后。

图7-8 Hemweg开式（燃气轮机）/闭式（蒸汽轮机）联合电站（最大化加热）流程简图 改造前蒸汽轮机的总效率为0.413，改造后增加了4.6%的效率和28%的输出功率。 第八章 空调与制冷 8.1 空调

空调是一个可以同时进行多种处理的组合过程。它可以处理空气、输送空气并把空气送入被调空间中。空调可以从中央设备或屋顶单元提供热与冷。为了被调空间居住者的健康和舒适度，或者为了工业生产的目的，它还可以控制并保持预先设定的温度、湿度、空气流动、空气洁净度、噪音级别和压差。 HVAC&R是供热(Heating)、通风(Ventilating)、空调(Air Conditioning)和制冷(Refrigerating)的缩写。在通常采纳的术语中，这些组合过程与现在定义的“空调”是相同的。由于所有这些单个过程的发展要要比其完整概念的“空调”要早，所以业内也普遍使用HVAC&R这个词。 8.1.1 空调系统的分类

根据其结构与运行特性，空调系统可分类如下： （1）独立型房间空调系统

独立型房间空调系统或简单的独立空调系统采用一个单独、完全的房间空调器、一个整体式末端、一个独立的室内-室外分体机或一个热泵装置。热泵可以从一个热源吸收热量，在较高的温度上，将这些热量排放给水或空气，用于供热目的。与其他系统不同的是，这些系统通常在每个房间都采用一个完全独立的装置。独立型空调系统可分为两类： 1）房间空调器（安装在窗户上）；

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