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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1356kg/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,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

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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。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。

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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(W2)小于动叶入口的相对速度

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(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。

w2 C2 C1 w1 u u u C1 C2 w2 w1 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 c1=动叶入口蒸汽的绝对速度,m/s C2=动叶出口蒸汽绝对速度,m/s w1=动叶入口蒸汽的相对速度,m/sw2=动叶出口蒸汽相对速度,m/s

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。 （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

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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

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。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

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