[定稿]第二章 燃用化石燃料的电厂

[定稿]第二章 燃用化石燃料的电厂 第二章 火力发电厂 2(1 火力发电厂的主要类型 火力发电厂又称为燃用化石燃料的发电厂，简称为火电厂。其燃料主要为煤、石油及天然气。 (一) 按能量供应情况分类 分为只供电的凝汽式发电厂和热电联供的热电厂。 (二) 按原动机类型分类 分为汽轮机发电厂、燃气轮机发电厂、燃气—蒸汽联合循环发电厂。 (三) 按机组或火电厂容量等级分类 (1)小型发电厂:单机容量6MW及以下、全厂容量25MW及以下; (2)中型发电厂:单机容量6,100MW、全厂容量25,250MW; (3)大型发电厂:单机容量100MW及以上、全厂容量250MW及以上。 (四)按进入汽轮机的蒸汽初参数等级分类 (1)低压电厂:主蒸汽压力小于1.47MPa; (2)中压电厂:主蒸汽压力为1.96,3.92MPa; (3)高压电厂:主蒸汽压力为5.88,9.8MPa; (4)超高压电厂:主蒸汽压力为11.77,13.93MPa; (5)亚临界电厂:主蒸汽压力为15.69,17.65MPa; (6)超临界电厂:主蒸汽压力大于22.15MPa; (7)超超临界电厂:主蒸汽压力大于32MPa。 (五)按服务范围分类 区域性发电厂、企业自备发电厂，移动式(如列车)发电厂、未并入电网的孤立发电厂。 火力发电厂的主要设备是锅炉、汽轮机和发电机，锅炉、汽轮机的种类很多。限于篇幅，本篇重点介绍目前应用较多的由固态排渣、自然循环燃烧煤粉的锅炉和冲动、凝汽式汽轮机组成的火力发电厂的生产过程。 2(2 火电厂的主要生产过程 由于在我国以及整个世界范围内，火电厂主要以燃煤电厂为主，故这里以图2-1所示采用煤粉炉的燃煤凝汽式电厂为例，来介绍其生产过程。 火电厂的工作过程主要是以燃烧系统、烟风系统和汽水系统这三条线展开的。下面，以图2-1所示的某超高压火电厂为例分别介绍这三个系统。 一、燃烧系统生产 煤经过铁路运输到电厂后，铁路车厢可以通过底部开门将煤卸入煤仓，也可以通过旋转装置将车厢在煤仓上倒转过来卸入煤仓。有时候，需要为车厢配备机械振动装置以帮助从 底部仓门处卸煤。在寒冷地区，如果车厢里的煤结冻，还必须提供融化设施。为了防止卸煤 过程中大量扬尘，在受卸漏斗开口处装有吸风口，用于抽吸由煤驱赶出来的上升气流。 入厂原煤必须经过预处理后才能用于制粉。为此，原煤送入磨煤机的途中还必须经过 50-凝汽器冷却水出水管;加热器疏水管;27 -冲渣沟; 15-40过热器;51-1-除氧器;28-江河或冷却水水池;运煤皮带机;-冲灰沟;16-41省煤器;-给水箱;29-2饱和干空气管;-原煤斗;17-5242空气预热器;--主变压器;化学补水入口;3-给煤机;30-主蒸汽管;1853-4-送风机;-油枕;磨煤机;43-除氧抽汽;543119--5高压输电汽轮机;--除尘器;粗粉分离器;44-回热加热抽汽;线;3220-发电机;-55烟道;6--铁塔细粉分离器;2133--引风机;45励磁机;-给水泵;7-22煤粉仓;34--烟囱;46乏汽口;-给水管道;8-23给粉机;-35送风机吸风口;-凝汽器;479--冷却水泵;排粉机;36-热井;2410-一次风热风道48-汽包;-37吸水滤网;-凝结水泵;11-燃烧器;;4925-38-冷却水泵出水管;冷灰斗;-低压加热器;12-炉膛;26-排渣排灰设备;13-39水冷壁;-低压14-下降管; 图2-1 火电厂基本生产过程示意图 称重、分离、破碎、筛分，并应取出煤样。 煤从卸煤斗处通过安装在钢结构输煤长廊中的运动的倾斜皮带送往碎煤机塔楼和储煤场，或者送到高架在磨煤机上方的原煤仓中。为了保证可靠地供电和供热，要求由足够的燃料储存量。一般规定，发电量在100MW以上的电厂，要求至少有满足30天运行需要的燃料储备。水路运输时，则应该有更大的储煤量，以防止河流结冰或水位降低影响运输。 图2-2 燃烧系统生产流程方框图 由图2-1和图2-2可见，来自煤场的原煤经皮带机(1)输送到位置较高的原煤仓(2)中，原煤从原煤仓底部流出经给煤机(3)均匀地送人磨煤机(4)研磨成煤粉，以便使煤燃烧更加充分。电厂要在每个磨煤机上方设置原煤仓。每个原煤仓要有容纳供机组使用几个小时的储煤量。煤在重力的作用下流到每个磨煤机的给煤机中。通常每台锅炉还要配备备用磨煤机。自然界的大气经吸风口(23)由送风机(18)送到布置于锅炉垂直烟道中的空气预热器(17)内，接受烟气的加热，回收烟气余热。从空气预热器出来的热风分成两路:一路直接引入锅炉的燃烧器(11)，作为二次风进入炉膛助燃;另一路则引入磨煤机人口，用来干燥、输送煤粉，这部分热风称一次风。流动性极好的干燥煤粉与一次风组成的气粉混合物，经管路输送到粗粉分离器(5)进行粗粉分离，分离出的粗粉再送回到磨煤机人口重新研磨，而合格的细粉和一次风混合物送入细粉分离器(6)进行粉、气分离，分离出来的细粉送人煤粉仓(7)储存起来，由给粉机(8)根据锅炉热负荷的大小，控制煤粉仓底部放出的煤粉流量，同时从细粉分离器分离出来的一次风作为输送煤粉的动力，经过排粉机(9)加压后与给粉机送出的细粉再次混合成气粉混合物，由燃烧器喷入炉膛(12)燃烧。 一次风、煤粉和二次风通过燃烧器，喷射进入炉膛后充分混合着火燃烧，火焰中心温度高达1600?。火焰、高温烟气与布置炉膛四壁的水冷壁(13)和炉膛上方的过热器(15)进行强烈的辐射、对流换热，将热量传递给水冷壁中的水和过热器中的蒸汽。燃尽的煤粉中少数颗粒较大的成为灰渣下落到炉膛底部的冷灰斗(25)中，由排渣设备(26)连续或定期排走，而大部分颗粒较小的煤粉燃尽后成为飞灰被烟气携带上行。在炉膛上部出口处的烟气温度仍高达1100?。为了吸收利用烟气携带的热量，在水平烟道及垂直烟道内，布置有过热器、再热器(本图中没设置)，省煤器(16)，空气预热器。烟气和飞灰流经这些受热面时，进行对流换热，将烟气和飞灰的热量传给流经这些设备的蒸汽、水和空气，回收热能提高锅 炉热效率。最后穿过空气预热器后的烟气和飞灰温度已下降到110,130?，失去了热能利用价值，经除尘器(19)除去烟气中的飞灰，由引风机(21)经烟囱(22)高空排人大气。 二、汽水系统生产流程 参看图2-1和图2-3。储存在给水箱(41)中的锅炉给水由给水泵(45)打入锅炉的高压给水管路(46)，并经过高压加热器(图中未示)，以便提高给水温度，加热后导入省煤 图2-3 汽水系统生产流程方框图 器。锅炉给水在省煤器管内吸收管外烟气和飞灰的热量，水温上升，但从省煤器出来的水温仍低于该压力下的饱和温度，属高压未饱和水。水从省煤器出来后沿管路进入布置在锅炉外面顶部的汽包(10)。汽包下半部是水，上半部是蒸汽。高压未饱和水沿汽泡底部的下降管(14)到达锅炉外面底部的下联箱，锅炉底部四周的下联箱上并联安装了许多水管，这些水管穿过炉墙进入锅炉炉膛，在炉膛四周内壁构成水冷壁(13)，高压未饱和水在水冷壁的水管内由下向上流动吸收炉膛中心火焰的辐射传热和高温烟气的对流传热。 水冷壁上部出口的汽水混合物再重新回到锅炉顶部的汽包内。在汽泡内由汽水分离器进行分离，分离出来的高压饱和水与从省煤器送来的高压未饱和水混合后，再次通过下降管、下联箱、水冷壁，进行下一个水的汽化循环，汽包、下降管、下联箱和水冷壁构成水汽化的循环蒸发设备。而分离出来的高压饱和干蒸汽由饱和干蒸汽管(29)导入锅炉内炉膛顶部的过热器中，继续吸收火焰和烟气的热量，成为高温高压的过热蒸汽。压力和温度都符合要求并携带着巨大热能的过热蒸汽由主蒸汽管(30)送人汽轮机(31)，蒸汽在汽轮机中释放热能做功，将热能转为汽轮机转子旋转的机械能，汽轮机转子做功后的低温低压乏汽从汽轮机排汽口(34)排出，进入凝汽器(35)，由进人凝汽器的冷却水(49)带走乏汽的汽化潜热，乏汽全部凝结成凝结水，落人热井(36)中，再由凝结水泵(37)输送到低压回热加热器(38)，接受从汽轮机中抽出的做了部分功的蒸汽(44)对凝结水加热，以提高热力循环的热效率。抽出的蒸汽释放出汽化潜热后，自身全部凝结成水，由疏水管(39)送到热井中。从低压回热加热器出来的低压未饱和热水在除氧器(40)中进行除氧处理，除氧用的蒸汽来自汽轮机中做了部分功的抽汽(43)。汽水循环过程中总会有水汽泄漏损失，因此必要时需向汽水系统补充经化学处理过的化学补充水，大机组补充水通常补到凝汽器中，小机组通常补到除氧器中。图中所示为补到除氧器(42)中，凝结水和补充水全汇集在给水箱中，进行再一次汽 水动力循环，从而完成了一个完整的封闭的水蒸气动力循环过程。 2(3 火力发电厂的规划 一、单机容量 单机容量是指单台机组的额定电功率。设计规划火电厂，首先应该考虑的就是机组单机容量的选择。从造价上考虑，由于机组单位功率的造价随机组容量的增大而减小，如图2-3所示。同样，电厂运行和维护费用也遵循这个规律。因此，单机容量应该尽量选择大一些。但由图2-3可见，当单机容量超过500MW以后，机组单位容量造价的降低不是很明显。 此外，单机容量的选择还要受负荷增长预测、厂址和电网容量的限制。当电网中最大容量的机组突然停止运行时，为了维持供电负荷的稳定，必须要有其他机组提高负荷或由相邻电网的供电以补偿功率的缺额。也就是说，机组单机容量越大，其出现故障对电网的影响越大。 目前，在世界范围内，最大单机容量基本上在600,800MW之间摆动。只有美国投运了单机容量为1300MW的机组，日本投运了单机容量为1000MW的机组。 图2-3 单位造价与单机容量之间的关系 二、燃料 在各种化石燃料中，由于石油、天然气的价格较高，故我国提倡采用煤作为火电厂的燃料，称为燃煤电厂。在美国以及世界上的大多数地区，燃煤电厂在电力工业中所占比例超过50,，我国燃煤电厂的比例更高。 煤矿的煤通常是采用铁路运到发电厂，也有时采用河船和海船运煤。如果采用铁路运煤，每节车厢可装100吨煤。每节车厢的煤可供一个220MW的电厂在满负荷情况下运行大约一个小时。因此，电厂设计时必须考虑燃料运输的方便性。 三、冷却水 火力发电厂生产过程中需要大量的冷却水，冷却水主要用于冷却汽轮机的排汽。例如，对于一台额定功率为300MW的为了火电厂，每小时的用水量约为37300吨。对于缺水地区，应该考虑采用干式(空气)冷却。 空气冷却就是以空气取代水为冷却介质的一种冷却方式，汽轮机的排汽直接用空气来冷却，空气与蒸汽间进行热交换。我国的山西、内蒙等省份煤量较丰富，但水量不足，采用这种冷却方式的机组比较多。 在电厂选址时，必须结合水资源的情况，决定电厂的冷却方式。 四、厂址 在火电厂厂址选择上，有一系列的因素需要考虑。首先是离用户负荷中心的距离。一方面，由于电能有一半以上属于工业用电，从输送电能的经济性考虑，电厂应该建在工业密集的区域;但另一方面，火电厂建在工业密集区，有时候会燃料供应带来很大的问题。因此，在电厂选址问题上，应该对输送电能的经济性和输运燃料的经济性这二者进行综合考虑。 对于热电联供的热电厂的厂址选择，除考虑输送电能和输运燃料的经济性外，还应该考虑到距离热负荷中心的距离。 火电厂燃用的燃料油一般是原油加工的副产品。因此，燃油电厂一般应该优先选择在炼油厂附近。 燃用天然气的电厂，只有布置在天然气输送管线的附近才是合理的。 另外，有些情况下，燃煤电厂的灰渣和脱硫产物的综合利用也是个问题。在确定厂址之前，必须选定合适的工艺，并与建材部门缔结长期合同。 此外，确定电厂的位置也需要对工程进行全面研究。这个地点必须足够大以满足足够的储煤量，而且要满足煤的进出需要。选址还要适合于凝汽器冷却水来水的需要，冷却水可能取自于河流、水库或冷却塔。 五、环境保护 环境保护措施的任务在于，将燃料化学能转化成电能时所引起的污染(如粉尘、SO、2NO等)限制在环境能承受的范围内。它主要与保持大气和水的清洁以及防治噪声有关。而x 其中以保持大气清洁的费用为主。 目前，我国电厂环境保护措施的费用约占总投资的25,,30,，由此可见其在电厂建设中的重要地位。除因此而增大年折旧费用外，还会因运行材料消耗，维护工作量，厂用电等的增加和机组效率的降低而增加发电成本。 此外，在电厂的设计规划阶段，还应该考虑到废水及噪声的治理问题。 2(4 燃煤电厂的燃料运输系统 燃煤电厂的燃料运输系统，是指从厂外运煤车辆或船舶卸煤起，直到把煤送到锅炉的原煤斗中为止，如图2-4所示。其中包括卸煤设备、受卸装置、储煤场、煤的厂内运输系统及设备等。 图2-4 燃料运输系统示意图 1-车厢称; 2-卸煤装置; 3-运转台; 4-带式输送机; 5-碎煤装置; 6-自动称; 7-运转台; 8-原煤斗 一、车厢称 火车来煤的计量通常采用可校核的轨道衡。运煤火车缓慢地驶过或停留在轨道衡上，分别称量满载和空车质量，即可以求出载煤净重。 二、卸煤设备 卸煤设备是将煤从车厢中卸出的设备。对其要求是卸煤的速度要快，要彻底干净且不损伤车厢。目前我国常用的有以下几种。 1(螺旋卸车机 伸人敞顶煤车的旋转螺旋，将煤从煤车侧面推出的卸煤机械。常用的有下列两种型式: (1)桥式螺旋卸车机。螺旋机构架于横跨铁路上方的桥架上。沿着铁路两侧两排柱子支承的吊车梁行走，借螺旋转动，将煤从车皮两侧推出。(2)门式螺旋卸车机。螺旋机构架于门型架上。门型架横跨于铁路上方，沿铺设在地面上的门架轨道行走，借螺旋转动，将煤从车皮两侧推出。其主要缺点是卸煤不彻底，还需要人工清扫配合，对车厢有一定的损伤。 图2-5 桥式螺旋卸煤机 1-提升机构;2-行车机构;3-机架;4-螺旋本体 2(翻车机 将敞顶煤车翻转一定的角度，使煤靠自重卸下的一种机械。一般有下列两种型式:(1)转子式翻车机。煤车的中心基本与转子同心，煤车进入翻车机中被固定后与转子同时回转，将煤卸在转子下方的受煤斗中。这种翻车机的优点是消耗功率小，但地下工作量大。(2)侧 (a)转子式翻车机 1-机架; 2-传动机构; 3-齿轮; 4-车厢; 5-支座 (b) 侧倾式翻车机 图2-6 翻车机 倾式翻车机。煤车与翻车机转子有一偏心距离，煤车借转子悬臂将煤车举起，使它旋转，煤即倾卸到一侧的受煤斗中。这种翻车机的缺点是消耗功率大，但地下工作量小。 3(自卸式底开车厢 底开车厢是煤矿至发电厂的专用煤车车厢。车厢底部为两块相互对合可翻动的平板，当平板翻动时，煤由车厢底部卸出。采用这种卸煤方式时，厂内只需建设受煤装置，可不设卸煤机械。 三、受卸设备 受卸装置是接受和转运设备及建筑物的总称。对其要求是具有一定的货位，使之不影响一次或多次卸车，并尽快地将煤转运出去。 1(长缝煤槽受卸装置 螺旋卸煤机、底开车厢通常与这种受卸装置相配合。其装置的布置如图2-7所示。煤由铁路两侧的箅子落入煤槽中，散落在卸煤台上，再经下边缘的长缝口，由叶轮给煤机单侧或双侧拨到单路或双路带式输送机的胶带上。 2(翻车机受卸装置 如图2-8所示，煤由翻车机卸入设有箅子的受煤斗中，经带式给煤机输送至与翻车机轴线平行或垂直引出的带式输送机上。 图2-7 长缝煤槽受卸装置 图2-8 翻车机受卸装置 1-车厢;2-煤槽;3-叶轮给煤机;4-带式输送机 1-翻车机;2-带式给煤机;3-带式输送机 四、给煤设备 输煤系统中，为使煤连续均匀 地送入带式输送机，一般均装有给煤设备。常用的给煤设备有叶轮给煤机和带式给煤机，分别与长缝煤槽受卸装置和翻车机受卸装置配套。 五、皮带输送机 皮带输送机是将煤从受卸装置的给煤机或煤场送往锅炉的原煤斗中，目前火电厂中普遍采用的带式输送机，其主要组成部分和工件如图2-9所示。 输送带是带式输送机的主要构件，电厂中一般采用橡胶带，也有 采用塑料带的。电动机、传动减速 图2-9带式输送机 1-重锤;2-滑轮;3-拉紧装置;4-改向滚筒;5-装煤斗; 装置与传动滚筒总称为驱动装置。 6-输送带; 7-上托辊;8-传动滚筒;9-卸煤斗;10-驱动装置; 利用输送带与传动滚筒之间的摩擦 11-电动机;12-下托辊 力把输送带带动。 借助于重锤可以使输送带拉紧就可以得到所需要的摩擦力，因此改向滚筒应做成活动的，能和枢架作相对移动，将输送带拉紧。改向滚筒以及使其移动的构件合称为拉紧装置。 六、筛选设备 原煤在进入碎煤机之前，先利用煤筛进行筛选，粒度符合要求的小颗粒(通常直径不大于30mm)煤被筛出，而将大颗粒的煤送入碎煤机。这样，既可以减轻碎煤机的负荷，又可以避免粘度、湿度较大的煤末堵塞碎煤机。 七、电磁分离器 原煤在进入碎煤机之前，还要利用电磁分离器除去煤中的铁件等磁性物质，以保证碎煤机和磨煤机的安全运行。 电磁分离器有悬吊式和滚筒式两种。悬吊式电磁分离器是利用悬挂在皮带上空的马蹄形电磁铁把输送带上煤层上部的金属块吸引分离出来。滚筒式电磁分离器是在带式输送机的传动滚筒内加装一电磁设备使滚筒产生磁性而把煤层底部的金属块除掉。 八、破碎设备 火力发电厂的制粉系统，要求煤粒直径不大于30mm。对于较大的煤粒应该预先进行破碎，然后再送入制粉系统锤击式和环锤式两种破碎机。 1(锤击式破碎机 图2-10所示为锤击式碎煤机示意图。碎煤机的转子上固定有数层圆盘，圆盘与圆盘之间挂以锤头，进入碎煤机的煤由高速旋转的转子带动的锤头打击下破碎，或被打到碎煤机格板上击碎。锤击式碎煤机具有结构紧凑、生产效率高等优点，它在发电厂输煤系统中被广泛采用。它的缺点是锤头磨损较快;对铁块、石块比较敏感;检修维护工作量大。 图2-10 锤击式破碎机 1-上壳体;2-转子;3-格板;4-下壳体 2(环锤式破碎机 如图2-11所示，煤从入料口进入破碎 室后，在高速旋转的环锤冲击下被撞碎， 并获得了动能，又以高速撞击在破碎板上， 被进一步破碎。煤在破碎室受到剪切、挤 压、滚碾和研磨，达到所需粒度后，从筛 板的栅孔落下。 九、除木屑设备 它用来除去煤中的碎木块、破布、纸屑等不易磨细的杂物，以防止制粉系统发 图2-11 锤击式破碎机 生堵塞。木屑分离器通常安装在碎煤机后 1-壳体;2-入料口;3-环锤;4-转子;5-筛板调 从带式输送机头部下落的一段输送带上。如 图2-12所示。木屑分离器通常由若干排滚整机构; 6-筛板;7-出料口;8-破碎板 子组成，滚子之间的间隙决定所分离木屑的尺寸。 十、煤的计量 火力发电厂燃料的计量除在燃料进 厂时用车厢称计量外，在进入锅炉制粉 系统之前，还有一次计量。进入制粉系 统燃煤的计量一般由装设在带式输送机 上的电子称进行计量。 十一、煤场和煤场机械 煤场的作用主要是储存一定数量的 煤，以便在场外燃料运输暂时中断的情 况下，电厂能在一定时间内继续发电，同时在运煤系统中，它还可起着厂外来 图2-12 木屑分离器 煤量和锅炉煤量不均衡时的调节作用。有 时也利用煤场进行不同煤种的混合和将 高水分的煤自然干燥。 我国电力技术法规规定，煤场应储存5—15天(矿口电厂2—4天)所需的煤耗量。其 储煤量往往多达几万吨至几十万吨，因此煤场的工作必须实现机械化。 各种形式储煤场的区别在于采用的机械设备不同。煤场主要的机械有门式装卸桥或桥式抓煤机、斗轮式堆取料机等。 2(5 燃煤电厂的制粉系统 随着科学技术的发展，锅炉的蒸发量不断增大，已由每小时几吨的小型锅炉发展到每小时达几千吨的大型锅炉，现代电厂的燃煤锅炉广泛采用燃烧煤粉的煤粉炉。这就要求由原煤斗来的原煤必须经过制粉系统磨成煤粉后才能送入锅炉进行燃烧。 一、燃用煤粉的优点 (1)能采用劣质煤作为锅炉的燃料。 (2)燃料进入燃烧室后，燃料与空气的接触面积增加，燃料单位时间内吸收的热量多，达到着火温度所需要的时间缩短，预热时间缩短，炉膛温度提高，提高了炉膛的传热效率。 (3)煤粉易于与空气接触，混合而达到完全燃烧，减少了由于不完全燃烧而造成的损失，提高了锅炉效率，降低了单位时间内所消耗的燃料量。 (4)燃煤量调整比较方便，加减负荷的惰性小。 (5)由于煤粉燃烧迅速，可提高单机容量。 煤粉细度是煤粉的重要品质。煤粉过粗，在炉膛内不容易燃烧，增加不完全燃烧热损失;煤粉过细，在燃烧过程中容易附熔在管壁上，还增加了制粉系统的耗电量。所以，煤粉的细度应该经过技术经济比较确定。 二、制粉系统的分类 由于燃料性质、锅炉型式和系统负荷变化情况等的不同以及其他具体条件的差别等，对制粉系统的繁简程度和连接方式的要求都有很大差异。因而制粉系统的方式也就具有不同的类型。 目前比较常用的制粉系统一般可分为两类:直吹式制粉系统和中间储仓式制粉系统两类。所谓直吹式系统，就是经磨煤机磨好的煤粉直接吹入炉膛燃烧的系统;而中间储仓式制粉系统，是将磨好的煤粉先储存在煤粉仓中，然后再从煤粉仓中根据锅炉的负荷需要经过给粉机送入炉膛燃烧的系统。 三、风扇磨煤机制粉系统 1(直吹式制粉系统 在配风扇磨煤机的制粉系统中，普遍采用直吹式制粉系统，磨煤机磨好的煤粉全部直接送入炉膛内燃烧。因此，在任何时候磨煤机的制粉量均等于锅炉的燃料消耗量。也就是说，制粉量是随锅炉负荷变化而变化的。直吹式制粉系统目前应用较多的是风扇磨直吹式制粉系统，该系统分热风干燥和热风炉烟干燥两种。 图2-13 风扇磨直吹式制粉系统 1-原煤斗;2-给煤机; 3-风扇磨煤机;4-粗粉分离器;5-一次风管;6-燃烧器; 7-炉膛;8-一次风与二 次风分岔点;9-细粉和一次风混合物管道;10-来自空气预热器的热空气 图2-13所示为热风干燥的直吹式制粉系统，原煤从原煤斗(1)落下后，经过给煤机(2)均匀地被送入风扇式磨煤机(3)，被磨制成煤粉。 空气经过送风机进入空气预热器，被加热后形成热风(10)。热风通过热风道经过一次风管道，进入磨煤机(3)，用以干燥煤并起到输送煤粉的作用。风粉混合物离开磨煤机后进入粗粉分离器(4)进行分离，粗粉送回磨煤机重新磨制，而携带合格煤粉的空气作为一次风，经过管道(9)，通过燃烧器(6)进入炉膛(7)。此外，从空气预热器出来的另一部分热空气通过(8)进入燃烧器，作为二次风进入炉膛，与已经燃烧的气粉混合物进行混合，促进煤粉的完全燃烧。为了调节磨煤机热风温度，装设有冷风道和冷风门，冷风道由送风机出口、空气预热器之前引出(图中未表示)。 2(风扇磨煤机 风扇磨煤机的结构如图2-14所示。风扇磨煤机主要由叶轮(3)和蜗壳(1)组成。叶轮上装有8—12片冲击板(2)，冲击板和蜗壳内壁的护甲均由强度较高的耐磨材料制造。当电动机带动叶轮高速旋转时，随同一次风一起进入叶轮中心的原煤被冲击板击碎。同时，由于风扇磨煤机旋转产生离心力，将煤沿径向甩出，使煤撞击到蜗壳内壁的护甲上，被再次击碎。被粉碎的煤粉由一次风携带上升进入磨煤机出口处的粗粉分离器进行分离，分离出来的不合格粗粉落回到磨煤机重磨，合格的煤粉送入锅炉燃烧。粗粉分离器与高速磨煤机在结构上连为一体。 (a) (b) 图2-14 风扇磨煤机剖面图 (a)横剖面 (b) 纵剖面 1-涡壳;2-冲击板;3-叶轮;4-一次风和原煤进口;5-一次风和煤粉出口; 6-叶轮转轴;7-轴承箱;8-联轴器 四、钢球磨煤机制粉系统 由于钢球磨煤机在锅炉低负荷运行工况下经济性比较差，因此，钢球磨煤机制粉系统通常采用中间储仓式制粉系统。也就是说，磨煤机磨好的煤粉，不是直接送入锅炉，而是先将煤粉送到煤粉仓，然后再根据锅炉运行负荷的需要，送到锅炉中燃烧。 1(中间储仓式制粉系统 中间储仓式制粉系统它又分乏气送粉和热风送粉系统，图2-13所示为乏气送粉系统。在乏气送粉系统中，原煤从原煤斗(1)落下，经过给煤机(2)后，经来自空气预热器的热空气(15)干燥后被送入钢球磨煤机(3)，磨制成煤粉。空气经过空气预热器加热后 图2-15 中间储仓式制粉系统 1-原煤斗;2-给煤机; 3-钢球磨煤机;4-粗粉分离器;5-细粉分离器;6-换向阀; 7-螺旋输粉机;8-煤粉仓;9-给粉机;10-排粉机;11-燃烧器;12-炉膛;13-混合器;14-一次风与二次风分岔点;15-来自空 气预热器的热空气 成为热风，其中一部分热风经过(14)后作为二次风由燃烧器(11)喷入炉膛(12)，另一 部分热风作为干燥剂对来自给煤机的原煤进行干燥，并与原煤一起进入磨煤机(3)，同时将煤粉带出磨煤机，干燥剂带着煤粉经过粗粉分离器(4)分离，不合格的粗煤粉分离出来，经回粉管又回到磨煤机(3)中重新磨制，合格的煤粉由干燥剂送入细粉分离器(5)，大部分煤粉从乏气中分离出来，送入煤粉仓(8)，煤粉仓中的煤粉通过给粉机(9)按照锅炉燃烧的需要均匀地落入混合器(13)与细粉分离器出来的乏气混合，经一次风管进入炉膛(12)。从细粉分离器出来的乏气带着未分离出来的少量煤粉进入排粉机(10)，提高风压后送出，经过一次风管作为一次风携带着落入一次风管的煤粉，经燃烧器(11)送入炉膛(12)进行燃烧。 这种制粉系统中，煤粉是由细粉分离器的乏气借助于排粉机送入燃烧器的，故称为乏气送粉系统。 2(钢球磨煤机 图2-16 钢球磨煤机 1-进煤装置;2-主轴承;3-传动齿轮;4-转动筒体;5-螺旋管; 6-煤粉出口;7-减速器; 8-电动机 钢球磨煤机的结构如图2-16所示。钢球磨煤机的主体是一个直径为2,4m，长为3,8m的大圆筒，筒的内壁衬有由波浪形锰钢钢甲所组成的护板。护板外是一层绝热的石棉垫，石棉垫外是用钢板卷制焊成的筒身，筒身外包一层隔音用的毛毡，最外层是用薄钢板制成的外壳。圆筒的两端是两个锥形端盖封头。 封头上装有空心轴颈。整个球磨机重量通过空心轴颈支承在大轴承上，两个空心轴颈的端部各连接着一个倾斜的短管。其中一个是热风与原煤的进口;另一个是气粉混合物的出口，空心轴颈的内壁有螺旋形槽。在运行中，钢球或煤能沿着槽进入筒内。 当电动机旋转时，通过减速器带动磨煤机筒体旋转，筒内的钢球在波浪形护板的带动下，借助于离心力和摩擦力的作用沿筒内壁被带到一定的高度，由于这时钢球所受到的离心力小于其重力，在钢球重力的作用下而向下跌落，将煤击碎。同时，钢球在圆筒内旋转时，筒体内的钢球与钢球之间、钢球与钢瓦之间产生挤压、碾磨作用下形成煤粉。 五、制粉系统的辅助设备 1(粗粉分离器 粗粉分离器的作用是利用离心分离的原理，将煤粉中颗粒偏大的不合格粗粉分离出来送回到磨煤机中重新研磨。在中间储式仓制粉系统中，粗粉分离器中的细粉和一次风一起被送入细粉分离器进一步分离，磨煤机与粗粉分离器是独立的两个设备;而在直吹式制粉系统中，粗粉分离器中的细粉和一次风直接被送入燃烧器，喷入炉膛，磨煤机与粗粉分离器是组 装在一起的，如同一个设备。 2(细粉分离器 在直吹式制粉系统中，没有细粉分离器。在中间储仓式制粉系统中，粗粉分离器中的细粉被送入细粉分离器，利用离心分离原理在细粉分离器中被进一步分离，煤粉被送入煤粉仓，携带少量煤粉的气体(乏气)通过排粉机送入锅炉燃烧器，喷入炉膛燃烧。 3(煤粉仓 中间储仓式制粉系统必须配备煤粉仓。其作用是储存一定数量的煤粉，以保证锅炉能正常连续运行。直吹式制粉系统由于煤粉直接经过燃烧器送入锅炉燃烧，因此，不配置煤粉仓。 4(给粉机 主要用于中间储仓式制粉系统中。其作用是根据锅炉运行负荷的需要，将煤粉仓中的煤粉均匀地送入一次风管道。 5(排粉机 排粉机实际上就是一种风机。其作用是对细粉分离器分离出的乏气进行加压，然后送到锅炉燃烧器。 2(6 锅炉燃烧系统 原煤经过制粉系统后，成为煤粉，即可以送到锅炉进行燃烧。燃烧系统的作用是使燃 料在锅炉内充分燃烧，并将热量尽可能多地传给给水或蒸汽。 一、燃烧的概念及燃烧的条件 1(燃烧的概念 所谓燃烧，是指燃料中的可燃物质同空气中的氧激烈进行的放热和发光的化学反应。 燃烧时，如果可燃物质与氧化剂能够充分化合，把热量全部释放出来，这种情况叫做完全燃烧。反之，可燃物质与氧化剂因各种原因不能充分化合，在燃烧产物中还会有部分可燃物质，则称为不完全燃烧。例如，碳在完全燃烧时生成CO，而在不完全燃烧时则生成2 CO，不完全燃烧时所放出的热量只及完全燃烧时的30,。 2(燃烧的条件 发生燃烧必须同时具备三个条件，即:可燃物质、氧化剂和着火热源。在某些情况下，燃料还可能发生自行燃烧的现象，这就是燃料的“自燃”。这是由于燃料在常温下缓慢的氧化放热，使温度逐渐升高，最后达到着火温度而引起的燃烧现象。 3(煤粉完全燃烧的条件 煤粉在锅炉内的燃烧，应该在保证稳定燃烧的前提下，提高燃烧的完善程度，也就是应该使煤粉在锅炉内达到迅速而完全燃烧。为此，煤粉燃烧必须具备下列条件。 (1)相当高的炉内温度; (2)合适的空气量; (3)煤粉与空气的良好混合; (4)充足的燃烧时间。 二、锅炉的点火装置 锅炉启动时，引燃煤粉气流燃烧，必须采用点火设备。另外，在锅炉低负荷或煤种变化引起燃烧不稳定时，也可以利用点火设备维持锅炉稳定燃烧。 锅炉的点火设备有油喷嘴和电气点火装置等几种。 1. 油喷嘴点火装置 为了使油更容易着火，油通常需要被雾化。一般采用蒸汽或压缩空气对油进行雾化。图2-17为采用压缩空气对油进行雾化的点火装置。 其工作原理是:压缩空气通过切向小孔进入喷头时高速旋转运动，然后从喷头前端的小孔喷出。预热过的燃油(重油或柴油)借高位油箱的压力，输送到中心管前端的喷嘴，在压缩空气高速旋转气流的作用下，以雾状喷出。 图2-17 油喷嘴点火装置 1-喷嘴;2-扩散器 锅炉起动时，要投入点火油喷嘴，一般可用人工把点着的浸油棉纱火把伸入燃烧室内，点燃油喷嘴喷出的油雾。 油点火操作方便可靠，不仅在锅炉起动时，而且当锅炉运行中燃烧不稳定时，也能迅速投入使用。为了提高锅炉自动化程度，减轻锅炉运行人员的劳动强度和确保锅炉安全可靠的运行，目前在有些大型锅炉中已开始采用电气点火装置。 2. 高能电火花点火装置 电气点火装置的种类很多，而且大多数采用三级或两级分级点火系统。三级点火即气——油——煤三级点火。点火时，首先点燃最容易燃烧的气体，然后用燃气火焰较大的能量 去点燃油，最后依靠油的火焰点燃煤 粉。 高能电火花点火采用如图2-18所 示的半导体点火器，在中心电极和侧 电极之间充填以二氧化钛为主要成分 的陶质半导体材料，电源电压为 2~4kV，通电后电流便由中心电极经过 半导体填充物流向侧电极。由于半导 体填充物在不同部位的导电性能极不 相同，促使大量电流从导电性较好的 表面层通过，使其温度升高。当温度 升高到相当高水平，半导体材料便开 始蒸发，中心电极和侧电极之间气体 被电离，形成等离子体。等离子体在 电极间发生电容放电，并在半导体 图2-18 半导体点火器 1-半导体;2-紫铜垫;3-中心电极;4-侧电极;5-绝缘体; 表面形成电火花。 6-保护外壳;7-支承柱;8-瓷套筒;9-接线柱和引线管; 10-高压导线 三、煤粉燃烧器 煤粉燃烧器是煤粉炉的主要燃烧设备。其性能对煤粉炉的工作有决定性影响。性能良好的燃烧器，对于保证煤粉迅速燃烧和完全燃烧，具有重要的作用。对燃烧器的一个基本要求就是要有足够的扰动性，使煤粉和空气能很好地混合。目前，常用的燃烧器有旋流燃烧器和直流燃烧器两种。 1(旋流燃烧器 目前应用较多的是轴向叶轮式旋流燃烧器。这种燃烧器中央有一根中心管，管中可以插入油枪(油喷嘴)，中心管外是一次风环形通道，再外面是二次风环形通道。二次风通道上装有轴向叶轮，一次风道上装有挡板，使一、二次风都是旋转气流。这样当气流进入炉膛后立即扩展成空心锥的形状，即形成扩散的环形气流，如图2-19所示。 由于气流的卷吸作用，在空心锥内和外表面都会受到回流高温烟气的加热，回流的高温烟气甚至可以回流到燃烧器的附近，从而保证煤粉的着火和燃烧。 图2-19 旋流燃烧器的扩散环流和烟气回流示意图 2(直流燃烧器 直流燃烧器的特点是一、二次风从燃烧器喷口直射出来，并不旋转，喷口通常为矩形。由于直流燃烧器结构简单，流动阻力小，应用比较广泛。目前，应用最为普遍的是直流燃烧 器分别布置在炉膛的四角处，使燃烧器的 中心线与炉膛中心的假想圆相切，这就是 所谓的四角切圆燃烧方式。 直流燃烧器的假想切圆，如图2-20中 所示。一次风煤粉混合物和二次风气流由 炉膛四角高速喷入炉内，卷吸高温烟气着 火燃烧，在炉室中央部分形成稳定的强烈 旋转的低压火焰区。低压火焰区从上，下 两方回流卷吸了大量的炉内介质，形成空 气、燃料和燃烧产物的强烈混合，造成良 好的燃烧条件。另外，炉膛内气流的旋转运动使每只燃烧器喷出的气流将高温烟气 图2-20 四角切圆燃烧方式示意图 吹向相邻燃烧器火炬的根部，有利于燃烧。 四、炉膛 炉膛是一个由炉墙包围起来，供煤粉燃烧的空间。如图2-21中的(1)所示。煤粉炉的燃烧特点是燃料与空气一起进入炉膛，并在炉膛空间内呈悬浮状态燃烧。炉膛的横截面一般呈矩形，炉膛内壁通常都布置着密集排列的管子，管内有水和蒸汽流过，这就是水冷壁，它既作为工质的辐射受热面，又能保护炉墙，使其不致烧毁。煤粉在炉膛内燃烧时，虽然向水冷壁辐射放热，但在燃烧反应最剧烈的炉膛火焰中心，温度仍可达到1500~1800?，故燃料中的灰分将被熔化。有些较大的灰分颗粒不能随烟气上升而逐渐沉降，并逐渐冷却和凝固，最后落进炉子下部的排渣装置(9)时，已呈固态，这种炉子称为固态排渣煤粉炉。目前，我国大部分锅炉均采用这种固态排渣方式。大量较细的灰粒则随烟气上升，在上升过程中也逐渐冷却，到达炉膛出口时已经凝固或者成为不太粘的灰粒，这些随烟气流动的细灰称为 冲灰水 灰浆泵 灰场 图2-21 煤粉锅炉及辅助设备示意图 1-炉膛(水冷壁); 2-过热器; 3-再热器; 4-省煤器;5-空气预热器;6-汽包;7-下降管;8-燃烧器;9-排渣装置;10-联箱;11-给煤机;12-磨煤机;13-排粉机;14-送风机;15-引风机;16-除尘器;17-省煤器出口联箱;18-出口过热蒸汽;19-给水;20-进口再热蒸汽;21-出口再热蒸汽;22-烟囱;23-水平烟道;24-转向室;25-垂直烟道(尾部烟道) 飞灰。 炉膛出口处烟气的温度还是很高的，通常总在1000?以上。因此，在锅炉本体的烟道 内，还布置着由很多管子组成的受热面，按 烟气走向，这些受热面依次为过热器(2)、 再热器(3)和省煤器(4)。这些受热面中， 管内有水或蒸汽流过。当烟气流经这些受热 面时，就以对流传热的方式将热量传给工 质，这些受热面统称为对流受热面，布置这 些受热面的烟道则称为对流烟道。另外，在现代锅炉的烟气出口端都装有空气预热器(5)。与其它锅炉受热面不同，空气预热器是用烟气对燃烧所需要的空气进行加热。由此出来的烟气即为锅炉排烟。其温度已相当低，通常约在100~150?之间。如前所述，煤粉炉的烟气携带着大量飞灰。为了防止环境污染，锅炉的排烟首先要经过除尘器(16)，使绝大部分的飞灰被捕捉下来，再由引风机(15)将比较清洁的烟气通过烟囱(22)排入大气。 五、空气预热器 空气预热器的作用是利用尾部烟道的烟气余热加热送风机送入的空气，回收排放 烟气的余热，降低锅炉排烟 图2-22 回转式空气预热器示意图 温度，提高锅炉热效率。被加热的空气成为热风，有助于煤粉的燃烧。同时热风还用来加热、干燥和输送煤粉。 目前，常用的空气预热器主要有管式空气预热器、板式空气预热器和回转式空气预热器。这里，以火电厂常用的回转式空气预热器为例，来说明空气预热器的工作过程。 图2-22为回转式空气预热器示意图。扇形隔板将流道分成烟气流道和空气流道两个腔室。低速转动的转子波形蓄热板转到烟气流道时，吸收烟气的热量，蓄热板温度升高;转到空气流道时，蓄热板将热量传递给空气，使空气温度生高，而蓄热板的温度降低，从而实现烟气对空气热量的传递。 六、送、引风机 1(风机的工作原理 风机是把电动机传递来的机械能转变为气体的动能和压力能的机械，亦即为输送气体的机械。 风机有离心式和轴流式风机两种。在火电厂中，离心式风机应用较为普遍。这里，主要介绍离心风机的工作原理。 图2-23 离心风机示意图 1-进气室;2-进气口;3-叶轮;4-蜗壳;5-轴;6-出气口;7-扩压器 图2-23为离心风机的示意图。叶轮(3)安装在壳体(4)中。电动机的转矩通过轴(5)使叶轮旋转，叶轮中的气体受到离心力作用被甩向叶轮四周。蜗壳(4)把叶轮甩出的气体集中起来并引导流动，气体由出气口(6)经过扩压器(7)排出去，获得一定的动能和压力能。获得能量的气体，克服流动损失，被输送到高处或远处。与此同时，由于叶轮内的气体 被甩出，使叶轮内的气体量减少，外界气体从进气室(1)被吸进来，填充叶轮内的空间。 2(火电厂的送、引风机 当风机承担向锅炉送风或从锅炉内吸风的任务时，风机就称为送风机或引风机。 送风机的作用是保证供给锅炉燃料燃烧时所需要的空气量。送风机所输送的空气温度为环境温度或经过暖风器加热的温度，几乎不含固体颗粒，所以除了要求它的出力必须与锅炉容量适应之外，在结构上并无特殊要求。 引风机的作用是将炉膛中燃料燃烧所产生的烟气吸出，通过烟囱而排入大气。通过引风机的是高温(通常在150,200?范围内)和具有灰粒等杂质的烟气，因此，引风机极易磨损。 2(7 除尘与除灰系统 一、除尘器 燃煤锅炉烟气中含有大量的飞灰，为了减轻对 大气的污染和防止锅炉引风机的急剧磨损，常采用 除尘器将飞灰从烟气中分离并清除出去，除尘器已 成为燃煤锅炉不可缺少的辅助设备。 静电除尘器是目前电厂普遍应用的一种高效除 尘器。图2-24是静电除尘器的电场示意图。静电除 尘器主要由放电极和集尘极组成。放电极是直径为 2~4mm、长度为3~5m的金属丝。静电除尘器的主要 工作原理是:用50~90KV的高压直流电在集尘极(+) 图2-24电气除尘器的电场示意图 和放电极(-)两极之间造成一个足以使空气电离的 电场，空气电离后产生大量的正负离子。由于放电极周围的电场较强，空气正离子很快被带负电荷的放电极吸引，接触到放电极后失去正电荷。而集尘极附近的电场较弱，使空气负离子以较慢的速度向带正电荷的集尘极运动。当含尘烟气进入静电除尘器时，飞灰粒子与空气负离子碰撞也成为带负电荷的粒子，二者一起向集尘极运动。接触到集尘极后，飞灰失去负电荷，在振打装置的振动下沿集尘极壁面下落到底部灰斗中，达到除尘的目的。 二、除灰系统 煤燃烧后，炉膛下部的灰渣和空气预热器、除尘器下部的细灰都应该及时排走，否则将影响设备的运行和锅炉车间的环境卫生。 电厂的除灰方式一般为水力除灰和气力除灰两种。由于水力除灰具有运行可靠、维护方便、有较好的环境卫生条件和劳动条件等优点，火电厂采用水力除灰方式的比较多。 水力除灰过程大致如图2-25所示。 炉膛冷灰斗灰渣 灰渣室 灰渣沟 碎渣机 压力输灰管 灰渣泵 灰 场 冲灰池 灰沟 除尘器和烟道细灰 图2-25火电厂水力除灰示意图 2(8 锅炉给水及汽水系统 锅炉汽水系统的任务是对给水进行预热、汽化和蒸汽的过热，并尽可能多地吸收火焰和烟气的热量，保证出口蒸汽参数满足汽轮机作功的要求。 一、省煤器 省煤器是利用锅炉尾部烟气加热给水的设备。利用省煤器可以进一步降低锅炉排烟温度，提高锅炉效率，达到省煤的目的。 省煤器有钢管式和铸铁式两种。铸铁式省煤器耐高压能力较差，目前电厂锅炉大多采用钢管式省煤器。 钢管式省煤器多数采用蛇形管结构。给水在管内 流，烟气在管外通过，从而将烟气的热量传递给 给水。 省煤器在锅炉尾部烟道内的布置情况如图 2-26所示。由汽轮机侧来的给水，由省煤器入口 联箱进入省煤器，在管内吸收烟气的热量后温度 升高，而烟气的温度降低。给水由省煤器出口联 箱出来后，进入汽包。 二、汽包及水循环系统图2-26 回转式空气预热器示意图 1-省煤器; 2-引出管; 3-汽包; 1(汽包 4-省煤器入口联箱 汽包是锅炉蒸发设备中的主要部件，是汇集炉水和饱和蒸汽的圆筒形容器。汽包具有一定的水容积，其接受省煤器来的给水，向过热器输送饱和蒸汽。同时，汽包又与下降管、水冷壁相连结，组成自然水循环系统。汽包是加热、 蒸发、过热三个过程的分界点。为了减少蒸汽的带水量，汽包内装 有汽水分离设备。此外，在汽包内还装设有排污管、加药管等，用 以减小蒸汽中的含盐量，保证蒸汽的品质。 2(水循环系统 图2-27为简化的自然循环示意图。图中由汽包(1)、下降管 (2)、下联箱(3)和上升管(即水冷壁)(4)组成一个循环回路。 由于上升管(4)在炉内吸收辐射热，部分水变成了蒸汽，汽水混 合物的密度小，而下降管(2)在炉外不受热，管中是水，工质的 密度大，两者密度差就产生了推动力，使汽水混合物沿着上升管(4) 向上流动进入汽包(1)。进入汽包的汽水混合物经汽包内的汽水分 离器分离后，饱和蒸汽从汽包内排出进入过热器。汽包(1)中的 水经下降管(2)流入下联箱(3)进入水冷壁(4)，从而就形成了水的自然循环流动。 3(水冷壁 现代锅炉的炉膛四周布满水冷壁。水冷壁由数目很多、管径 为60mm左右的管子组成。水在管内流动，吸收炉膛内火焰的热 图2-27 自然循环示意图 辐射，变成汽水混合物。因此，水冷壁属于辐射蒸发受热面，它 1-汽包; 2-下降管; 具有以下两方面的作用:一是依靠火焰对水冷壁的辐射传热，使 3-下联箱; 4-水冷壁 饱和水蒸发成饱和蒸汽;二是保护炉墙，敷设水冷壁后炉墙内壁 温度大大降低，从而使炉墙不会被烧坏。 4(下降管 下降管的作用是把汽包中的水连续不断地送入下联箱供给水冷壁。为了保证水循环的动力，下降管都布置在炉外，不受热。目前高压以上锅炉多采用集中下降管，它的根数很少，但直径很大，水经下降管从汽包流到炉子下部后，再用分配支管与水冷壁下联箱连接。 三、过热器 汽包中出来的蒸汽是饱和蒸汽。饱和蒸汽进入汽轮机，会对汽轮机叶片产生较大的冲蚀和过大的推力，影响汽轮机的安全、经济运行。此外，从整个火电厂运行经济性的角度看，也必须提高汽轮机蒸汽的初参数(温度和压力)。因此，火电厂汽轮机的进汽几乎都是过热蒸汽。 过热器的作用是把从汽包出来的饱和蒸汽加热成为具有一定温度的过热蒸汽。过热器一般布置在炉膛上部或炉膛出口的水平烟道内，以便吸收高温炉烟的热量。过热器在锅炉内的布置情况如图2-21所示。由图2-21可见，来自汽包的饱和蒸汽，在过热器管内流动，吸 收管外温度为1000?左右烟气的热量后，由饱 和蒸汽变为过热蒸汽，进入汽轮机作功。 2(9 汽轮机的工作原理 汽轮机是用具有一定温度和压力的蒸汽 来作功的回转式原动机。依其做功原理的不 同，可分为冲动式汽轮机和反动式汽轮机两种 类型。 一、冲动力作用原理和冲动式汽轮机 蒸汽的热能转变为动能的过程，主要在喷 嘴中发生，而叶片主要是把蒸汽的动能转变成 机械能。这种汽轮机称为冲动式汽轮机。 为了说明冲动式汽轮机的工作原理，先用 我们生活中的一个简单例子来说明冲动力的 图2-28 冲动式汽轮机简图 1-轴;2-叶轮;3-动叶;4-喷嘴 作功原理。如果我们吸足气，对准一个纸做的风车，从嘴巴中吹出气来，则这个风车就会旋转起来。图2-28就是基于这种原理工作的冲动式汽轮机简图。图2-28中的喷嘴(4)就好比上述比方中人的嘴巴，由于其汽流流动面积逐渐缩小，可以把锅炉产生的高温、高压蒸汽膨胀变为高速汽流，冲动动叶片(3)，带动叶轮(2)和主轴(1)旋转(冲动力是由于汽流的转向而产生的离心力所产生)。主轴(1)的一端与发电机(图中未示出)连接，就能拖动发电机旋转作功，产生电能。在整个工作过程中，最关键的是喷嘴和动叶片。二者组成汽轮机的一个级。 现代的火电厂汽轮机，为了提高 汽轮机的单机功率，通常汽轮机具有 多个级。图2-29 为多级冲动式汽轮机 示意图，该汽轮机共有四个级。由锅 炉来的过热蒸汽，进入进汽室后(6)， 进入第一级(调节级)喷嘴，调节级 喷嘴直接固定在汽缸上，没有隔板。 在调节级喷嘴内将蒸汽的热能转变为 动能，然后进入动叶，将动能转变为 推动动叶的机械能。再进入第二级喷 嘴继续进行膨胀加速，第二级喷嘴通 过隔板或隔板套固定在汽缸上，蒸汽 2-29 多级冲动式汽轮机示意图 获得动能后进入第二级动叶作功。蒸 1-转子;2-隔板;3-喷嘴;3-动叶;4-汽缸;6-蒸汽室;7-排汽室; 汽依次在各级喷嘴内膨胀加速及在动 8-轴封;9-隔板汽封;10-平衡孔 叶内作功后，第四级(最末级)出来 的汽流经过排汽口(7)排出，完成整个作功过程。 二、反动力作用原理和反动式汽轮机 反动力作用原理与喷气式飞机的原理相似(气体向后喷出，其反作用力推动飞机前进)，依靠汽流向后喷的反作用力推动叶轮旋转，如图2-30所示。这就是其命名为反动式的由来。 图2-30 反动式汽轮机工作原理示意图 图2-31 蒸汽对反动式汽轮机动叶的作用力 图2-30所示的纯反动式工作原理在汽轮机中是很少见的。实际上所谓反动式汽轮机的 级，一半还是靠喷嘴喷出汽流的冲动力F1，另一半才靠动叶片本身汽流加速的反作用力F2，二者的合力F共同推动动叶旋转，也即蒸汽在喷嘴和动叶片中各膨胀一半。因此喷嘴和动叶片的叶片型线完全相同，如图2-31所示。我国部分300MW及以上汽轮机采用反动式。 2(10 汽轮机主蒸汽系统及高压缸进汽机构 图2-32 主蒸汽及再热蒸汽系统 -锅炉汽包; 2-过热器集汽联箱; 3-主蒸汽管道; 4-电动主闸门;5-高压缸;6-高压自动主汽门;1 7-高压自动调节汽门;8-中压自动主汽门;9-中压自动调节汽门;10-中压缸;11-中低压缸导汽管; 12-低压缸;13-凝汽器;14-再热器 一、主蒸汽系统 主蒸汽系统是指由过热器集汽联箱到高压主汽门入口的管路系统。图2-32为北京重型电机厂引进法国技术生产的330MW汽轮机的主蒸汽及再热蒸汽系统简图。该汽轮机为冲动式汽轮机，共有33级，有三个汽缸，两个排汽口。同时，为了平衡轴向推力，各个汽缸采用反向布置方式。 锅炉汽包(1)出来的蒸汽是饱和蒸汽，经过过热器加热后，由过热器集汽联箱(2)产生过热蒸汽，此蒸汽即为主蒸汽。主蒸汽由过热器联箱出来后，沿主蒸汽管道(3)，经过电动主闸门(4)，进入高压自动主汽门(6)(图中为2个)、高压自动调节汽门(7)(图中为4个)，然后进入汽轮机高压缸(5)作功。 二、高压缸进汽机构 主蒸汽经过高压主汽门(6)和高压调节汽门(7)进入汽轮机高压缸(5)。 1(高压自动主汽门 高压自动主汽门是汽轮机的保护部件。当汽轮机 正常运行时，高压自动主汽门处于全开状态。当汽轮 机出现故障时，高压自动主汽门接到停机信号时，立 即自动快速关闭，以防止蒸汽继续进入汽轮机。图2-32 所示系统中包含两个自动高压主汽门。 2(高压自动调节汽门 图2-33 高压调节汽门及进汽机构 1-自动主汽门;2-调节汽门; 3-调节级喷嘴 由于交流电不能储存，发电机应该根据外界用电量的要求来决定其发电量。高压调节汽门就起到根据外界用电量来调节汽轮机的进汽量，从而达到调节发电机发电量的目的。因此，高压自动调节汽门属于调节部件。由图2-33可见，每个高压调节汽门控制汽轮机第一级(调节级)的一组喷嘴。四组喷嘴沿汽缸圆周方向布置。随着汽轮机所带电负荷的逐渐增加，各高压调节汽门依次开启，进汽量逐渐增加，当三个高压调节汽门均全开时，汽轮发电机组带额定负荷。汽轮发电机组超过额定负荷时，第四个高压调节调节汽门开始开启。 2(10 汽轮机高压汽缸以及内部转动部分 汽缸是汽轮机的外壳。汽轮机高压汽缸简称为高压缸。高压缸内部装有隔板、喷嘴等部件。汽缸都为上下两部分对分形式，用螺栓将上下两部分连接起来。汽轮机高压转子穿过高压缸，高压转子上装有叶轮、动叶。每列喷嘴后面都对应一列动叶。 一、高压汽缸 汽轮机高压缸是承受蒸汽温度、压力最高的部分。例如，对于北京重型电机厂生产的330MW汽轮机，其进汽压力为17.75MPa，温度为540?，而汽缸外则是环境温度和压力，从而使高压缸承受较大的温度差和压力差。为此，一般对参数在12.75MPa、535?及以上的汽轮机，都将高压缸做成内、外两层汽缸，如图2-32所示。并在内、外汽缸的夹层中间通以低于初温、初压的蒸汽，使每层汽缸所承受的温差和压差都大为减少，每层汽缸的厚度就可以大为减薄。同时，由于外层汽缸能够得到夹层中蒸汽的有效冷却，还可以降低对外缸金属材料的要求，节省优质耐热合金钢。 二、隔板与喷嘴 汽轮机中隔板的作用是将汽轮机各级隔离开来，并固定喷嘴和阻止各级间的漏汽。 隔板是由隔板外缘、喷嘴和隔板体构成的圆形板状组合体，如图2-34所示。隔板按照制造方法的不同可以分为铸造隔板、焊接隔板和组合隔板三种。目前大型汽轮机普遍采用焊接隔板。焊接隔板是将预先加工好的喷嘴叶栅焊接在隔板体(3)和外缘(1)之间制成。 隔板通常做成水平对分形式，汽轮机的 主轴穿过其内圆孔，具体结构参见图2-29。 三、高压转子 1(主轴及叶轮 汽轮机的转动部分总称为转子，它是汽 轮机最重要的部件之一，担负着蒸汽能量转图2-34 隔板 换及扭矩传递的重任。转子的工作条件相当1-隔板外缘;2-隔板体; 3-喷嘴 复杂，它处在高温蒸汽中，并以高速旋转(额 定转速为3000r/min)，因此它承受着叶片、图2-34 隔板 叶轮及主轴本身质量离心力所引起的巨大应1-隔板外缘;2-隔板体; 3-喷嘴 力以及由于温度分布不均匀引起的热应力。 图2-35 整锻转子 1-主轴;2-叶轮; 3-联轴 器 另一方面，蒸汽作用在动叶栅上的力矩，通过转子的叶轮、主轴和联轴器传递给发电机。 汽轮机转子有整锻式、套装式和二者组合式等几种。目前，大型汽轮机的高、中、低压转子均趋向于采用整锻转子。图2-35所示为整锻转子。整锻转子是由整体锻件加工而成， 它的叶轮(2)、联轴器(3)与主轴(1) 为一个整体，不会出现叶轮等部件在高温 下可能松动的现象。 2(动叶片 汽轮机动叶是固定在叶轮上的。动叶 是完成将蒸汽动能转变为机械能的重要 部件。按照动叶横截面积沿叶高的变化规 律，将动叶分为等截面叶片和变截面叶 片。等截面叶片的截面积沿叶高是不变 的，如图2-36(a)所示;变截面叶片的 截面积沿叶高按照一定的规律减小，即叶 片绕各截面形心连续发生扭转，通常又称 为扭曲叶片，如图2-36(b)所示。由于扭 曲叶片加工比较复杂、成本高，所以，一(a) (b) 般只是当叶片高度比较大时，为了进一步图2-36 动叶片 提高级的效率，才采用扭曲叶片。(a)直叶片 (b) 扭曲叶片 1-叶身;2-叶根;3-叶顶 从锅炉过热器来的过热蒸汽，依次在 高压缸内的各级喷嘴中加速，以便将蒸汽的热能转变为动能，然后在动叶内将蒸汽的动能转变为机械能。此时，蒸汽的温度和压力较主蒸汽降低很多。如果这部分蒸汽直接进入中低压缸作功，则在中低压缸中由于温度的继续降低而使部分蒸汽凝结成小水滴。水滴是汽轮机的大敌。无数的高速喷射的小水滴象沙子一样冲刷着汽轮机的叶片，使汽轮机叶片很快损坏。为此，大型汽轮机将高压缸的排汽送回到锅炉再热器再一次加热，提高蒸汽的温度。 2(11 再热器及再热蒸汽系统 随着火力发电厂向高参数大容量的发展，机组普遍采用了再热循环，即把在汽轮机高压缸内膨胀作功后的蒸汽，引入布置在锅炉内(对流烟道)的再热器再一次加热，提高温度后再回到汽轮机中低压缸内继续膨胀作功。这样可保证汽轮机在最末级处蒸汽的湿度仍在允许限度之内，从而可使电厂的热经济性得到提高。 通常只在高压以上机组才采用再热系统，一般采用一次再热，再热后蒸汽的温度一般等于或接近于主蒸汽温度。 再热蒸汽系统及再热器在锅炉内的布置情况可以分别参见图2-32和图2-21。通常，将汽轮机高压缸排汽口到进入锅炉再热器之前的这段管道，称为再热冷段;而将锅炉再热器出口到中压缸主汽门前的这段管道，称为再热热段。 2(12中压缸进汽部分 图2-32可见，由锅炉来的再热蒸汽，经过中压主汽门(8)(图中为2个)、中压调节汽门(9)(图中为四个)后，进入汽轮机中压缸(10)继续作功。 一、中压自动主汽门 中压自动主汽门同样是汽轮机的保护部件。当汽轮机正常运行时，与高压自动主汽门一样，中压自动主汽门也处于全开状态。当汽轮机出现故障时，中压自动主汽门接到停机信号时，与自动主汽门同时自动快速关闭，以防止再热蒸汽继续进入汽轮机。图2-32所示系统中包含两个中压自动主汽门，每个中压自动主汽门控制两个中压自动调节汽门。 二、中压自动调节汽门 中压自动调节汽门也属于调节部件。但与高压调节汽门不同，它并不是在所有负荷变化的情况下都参与调节。一般为了减小节流损失，只有在汽轮机负荷低于其额定负荷的30%以下时，中压自动调节汽门才开始参与调节。而且，各个中压调节汽门是同时开启或关闭。 2(13中低压缸及内部转动部分 一、中压汽缸 目前，大型汽轮机由于再热蒸汽温度的提高，其中压缸也较多地采用了内、外双层的汽缸结构，以便减小中压汽缸的内外温差。汽缸上固定有隔板或隔板套，以便固定中压缸内各级的喷嘴。大型汽轮机中压缸内的隔板与高压缸内的隔板一样，也采用焊接隔板。 二、中压转子 通常，汽轮机中压转子采用组合转子，即在温度较高的部分采用叶轮与主轴为一整体的整段结构，而在温度较低的部分采用叶轮热套在主轴的组合结构。但300MW及以上汽轮机的中压转子亦采用整段转子结构。 从锅炉再热器来的蒸汽，依次在中压缸内的各级喷嘴中加速获得动能，然后在中压缸动叶内将蒸汽的动能转变为机械能后，进入低压缸。 三、低压汽缸 蒸汽离开中压缸后，分别进入两个对称布置的 低压汽缸内作功，见图2-32。汽缸上固定有隔板或 隔板套，以便固定低压缸内各级的喷嘴。 另外，即使将高压缸排汽送入再热器进行了加 热，蒸汽在低压缸的最后几级，仍然有一部分蒸汽 凝结成小水滴。此时，由于蒸汽的压力已经很低， 体积很大，一般采用在汽轮机内部进行汽水分离。 图2-37为汽轮机内汽水分离示意图。水滴受 到离心力的作用被抛向外缘后，经过汽缸上的捕水 口槽道(1)进入环形捕水室(2)，然后通过疏水 通道(3)进入压力更低的低压加热器或凝汽器。 图2-37 去湿装置示意图 1-捕水口槽道;2-捕水室;3-疏水通道 即使采用上述汽水分离装置，也还会有一些更 小的水滴夹杂在蒸汽里，也同样要对汽轮机叶片产生冲击。为此，在汽轮机最末级一、二级叶片正对水滴击的地方，镶上一层耐冲刷耐腐蚀的硬质合金，以便抵抗水滴对叶片的冲击。 四、低压转子 通常，对于200MW汽轮机，其低压转子采用套装转子，如图2-38所示。但300MW及以上汽轮机为了保证汽轮机运行的可靠性，其低压转子亦采用整段转子结构。 图2-38 低压转子 1-刚性联轴器;2-叶轮;3-动叶;4-主轴;5-半挠性联轴器 另外，由于低压缸内的蒸汽温度、压力均已经比较低，蒸汽的密度小，导致低压缸内蒸汽的体积流量比较大。为了保证蒸汽能顺利流动，需要低压缸的叶片高度较高。但叶片高度过大，必然导致叶片的离心力比较大，对叶片的安全工作产生很大的影响。为此，将进入低压缸的蒸汽平均分成两部分，进入相应的低压缸作功后，通过排汽口排到凝汽器。采用双排汽方式，可以减少汽轮机低压缸的叶片高度。同时由于两部分蒸汽的流动方向相反，还能起到平衡轴向推力的作用。 2(14 汽轮机的凝汽设备及系统 简单的凝汽设备示意图如图2-39所示。汽轮机的排汽进入凝汽器(1)中，循环水泵(2)不断地把冷却水送人凝汽器，吸收蒸汽凝结放出的热量，蒸汽被冷却并凝结成水，凝结水被凝结水泵(3)从凝汽器底部抽出，送往锅炉作为锅炉给水。 在凝汽器中，蒸汽和蒸汽凝结成的水是共同存在 的，蒸汽压力是凝结温度所对应的饱和压力。只要冷 却水温不高，在正常条件下，蒸汽凝结温度也不高， 一般为30?左右。30?左右的蒸汽凝结温度所对应的 饱和压力约为4~5kPa，大大低于大气压力，形成高度 真空。由于处于真空状态的凝汽设备及管道接口并非 绝对严密，外界空气不可避免地会漏入到凝汽器中。 为了避免这些在常温条件下不凝结的空气在凝汽器中 逐渐积累，造成凝汽器中的压力升高及凝结水中含氧 量的增大，一般采用抽气设备(4)不断地将空气从凝 汽器中抽出以维持凝汽器内真空。 图2-39 最简单的凝汽设备示意图 1-凝汽器;2-循环水泵;3-凝结水泵; 4-抽气设备 由此可知，凝汽设备作用有两个:?在汽轮机排汽口建立并维持一定的真空;?回收洁净的凝结水作为锅炉给水。 一、凝汽器 现代火力发电厂一般都采用表面式凝汽器。所谓表面式是指冷却水不直接与汽轮机排汽接触，其结构如图2-40所示。凝汽器内部空间由铜管分隔成两部分:一部分为蒸汽空间，在铜管壁外;另一部分是冷却水空间，在铜管内。蒸汽与铜管外表面接触，冷却水与铜管内表面接触，蒸汽放热经铜管壁传给冷却水，使排汽冷却成为纯净的凝结水，重新供给锅炉用水。 表面式凝汽器的工作原理如图2-40所示。汽轮机排汽由排汽室进入凝汽器的蒸汽空间(14)。管板(4)固定在凝汽器外壳(1)的两端，冷却水管(5)按照一定的结构规律排列在两端的管板(4)上。冷却水管的两端开口与循环冷却水室(15)、(16)、(17)相通。管板(4)与凝汽器前后水室端盖(2)、(3)所构成的空间称为水室，冷却水的进口端称为前水室，另一端称为后水室。 图2-40 表面式凝汽器简图 1-凝汽器外壳;2-前水室的端盖;3-后水室的端盖;4-管板;5-冷却管;6-排汽进口;7-热水井;8-抽空气口;9-空气冷却区;10-空气冷却区挡板;11-冷却水进口;12-冷却水出口;13-水室中的隔板;14-蒸汽空间;15、16、17-水室 在凝汽器前水室中间设有—块水平隔板(13)，它把水室分成上下两部分，冷却水由进水管(11)进入前水室(15)的下部，再分别流入各个冷却水管内，经后水室转向进入前水室的上半部，最后从出水口(12)排出凝汽器。 汽轮机排汽在冷却水管外部横向冲刷流动，放出汽化潜热被冷却水吸收而凝结成水。凝结水沿排汽方向流至热水井(7)内，然后由凝结水泵抽出，经加热除氧后送至锅炉。 在凝汽器中没有凝结的蒸汽随凝汽器中的空气由抽气口(8)抽出。在凝汽器抽气口附近有一空气冷却区(9)，被抽出的蒸汽、空气混合物在这里进行再次冷却凝结，以防止部分蒸汽被抽出凝汽器。 图2-40凝汽器的外形是圆形，对于大型汽轮机的凝汽器，其外形大部分是矩形。例如，对于上海汽轮机厂生产的引进型300MW汽轮机，所配凝汽器外形为矩形，冷却管根数为 39758×2根，额定工况下冷却水流量为37300m/h，额定压力为4.91kPa。 二、冷却水供水系统 1(供水方式 供水系统的作用是供给凝汽器冷却水，将汽轮机排汽凝结成水。此外，润滑油系统的冷油器等其他设备的冷却，也主要采用冷却水。目前，火电厂的冷却方式主要有: (1)直流供水系统 直流供水系统是以江、河、湖、海为水源，利用冷却水泵将冷却水供给凝汽器等设备使用后，再排放回水源的供水系统。 (2)循环供水系统 循环供水系统是冷却水在凝汽器中吸热后进入冷却设备(冷却塔、冷却水池或喷水池)，将热量传给周围介质——空气。水冷却后由循环水泵再送入凝汽器中重复使用。 目前，大型火电厂的循环供水系统中，广泛采用自然通风冷却塔的循环供水系统，如图2-41所示。 图2-41 自然通风冷却塔循环供水系统 1-汽轮发电机组;2-凝汽器;3-循环水泵;4-吸水井;5-自流渠;6-塔筒;7-循环水管;8-进风口; 9-爬梯;10-配水系统;11-淋水填料;12-竖井 其工作流程是:由凝汽器(2)吸热后出来的循环水，经循环水管道(7)从冷却塔的底部进人冷却塔竖井(12)，送入冷却塔。然后分流到各主水槽，再经分水槽流向配水槽。在配水槽上设有喷嘴，水通过喷嘴喷溅成水花，均匀地洒落在淋水填料层上，喷溅水逐步向下流动，造成多层次溅散。随着水的不断下淋，将热量传给与之逆向流动的空气，同时水不断蒸发，蒸汽携带汽化潜热，使水的温度下降，从而达到冷却循环水的目的。 冷却后的冷却水，落入冷却塔下面的集水池中，而后沿自流渠进入吸水井，由循环水泵升压后再送入凝汽器重复使用。 2(水泵的工作原理 这里，以电厂中常用的离心式水泵为例，来介绍其工作原理。在日常生活中经常可以看到这样一种现象，把木棒伸入盛水的容器中快速转动时，容器中的水会随着快速转动，仔细观察会发现容器中的液面外围高，中心低，呈抛物面形状，这是因为容器中的液体受到离心力的作用，沿半径升高。其半径越大，液体上升的越高，即产生的压力也就越高。 离心泵的工作原理与上述现象相似，同时也与前面介绍的风机的工作原理相同。 图2-42 离心泵工作简图 1-叶轮;2-叶片;3-泵壳;4-吸入管;5-压出管 图2-42为离心泵的工作简图。若离心式水泵内分别充满了液体时，只要原动机带动它们的叶轮旋转，则叶轮(1)中的叶片(2)就对其中的液体做功，迫使它们旋转(类似于木棒的作用)。旋转的流体将在离心力作用下，从中心向叶轮边缘流去，其压力和流速不断增高，最后以很高的速度流出叶轮进入泵壳(3)内。如果此时开启出口阀门，流体将由压出管(4)排出，这个过程称为压出过程。它是流体在泵中唯一能获得能量的过程。 与此同时，由于叶轮(1)中心的流体流向边缘，在叶轮中心形成了低压区，当它具有足够低的压力或具有足够的真空时，流体便经过吸人管(4)进入叶轮(1)，这个过程称为吸人过程。叶轮不断旋转，流体就会不断地被压出和吸入，形成了离心式水泵的连续工作。 离心泵在火电厂中得到了普遍的应用。前面提到的循环水泵以及后面还将提到的射水泵、凝结水泵、疏水泵以及在电厂中地位最重要的给水泵等，几乎或大部分都属于离心泵。 三、汽轮机真空抽气设备与系统 真空抽气系统的作用是将漏入真空系统的空气连续不断地抽出，以维持凝汽器的真空及减小凝结水中的含氧量。 1(配射水抽气器的真空抽气系统 国产200MW及以下的汽轮机普遍采用配射水抽气器的真空抽气系统。图2-43所示为配射水抽气器的真空抽气系统。该系统由两台射水抽气器、射水泵以及一个射水池组成了两 套抽气设备系统，一台运行，一台备用。 其基本工作流程为:射水泵(3)将射水池(5)内的水打到射水抽气器(4)，经过射水抽气器(4)内喷嘴(7)加速后，速度增加，而压力降低。正常运行中抽气器内喷嘴出口的压力低于凝汽器内的压力，从而将凝汽器内的空气以及少量未凝结的蒸汽吸出，达到维持凝汽器真空的目的。工作后的水，经过扩压段(9)扩压使其压力大于大气压力后，排回到射水池(5)。 (a) (b) 图2-43 配射水抽气器的真空抽气系统 1-凝汽器;2-凝结水泵;3-射水泵;4-射水抽气器;5-射水池;6-水室;7-喷嘴; 8-蒸汽、空气混合物入口;9-扩压段;10-混合室 2(配水环真空泵的真空抽气系统 (1)真空抽气系统 国产300MW及以上的汽轮机普遍采用配水环真空泵的真空抽气系统。图2-44所示为配水环真空泵的真空抽气系统。 图2-44 配真空泵的真空抽气系统 1-凝汽器;2-凝结水泵;3-水环真空泵;4-气水分离器;5-密峰水循环泵;6-滤网;7-冷却器; 其基本工作流程为:由凝汽器(1)抽吸来的空气和少量未凝结的蒸汽，进入水环真空泵(3)，在真空泵内由于泵对流体作功，使密封水的温度升高。由真空泵排除后，带出少量的水分。经过气水分离器(4)后，气体排向大气，水进入密封水循环泵(5)，通过过滤器(6)送入冷却器(7)，经过冷却后的密封水又回到真空泵(3)继续工作。 (2)真空泵工作原理 -45所示。在圆筒形泵壳内偏心安装着叶轮转子，其叶片为前弯式真空泵的结构图2 (也有径向直板式)。当叶轮在电动机驱动下旋转时，真空泵内的工作水在叶片推动下获得圆周速度，工作水在离心力的作用下，向外运动，即水有离开叶轮轮毂流向壳体内表面的趋 势，于是，在贴近壳体内表面处形成一个运 动着的水环。由于叶轮与壳体是偏心的，水 环内表面也与叶轮偏心。 由水环内表面、叶片表面、轮毂表面和 壳体的两个侧盖表面围成许多互不相通的小 空间，由于水环与叶轮偏心，因此处于不同 位置的小空间的容积是不相同的。对于某指 定的小空间，随着叶轮的旋转，它的容积是 不断变化的。当这个空间的容积开始由大变 小时，压力逐渐降低，从而形成真空，到最 下部时真空最高，经轴向进气口将凝汽器中图2-45 配真空泵的真空抽气系统 的气汽混合物抽吸出来。在叶片从最下方向1-叶片;2-轮毂;3-吸气口;4-水环; 左上方转动过程中，水环与叶片间的容积由 5-出气口;6-泵壳 大变小，压力不断升高，气汽混合物被压缩， 排气过程连续不断地进行。 2(15 汽轮机回热抽汽设备与系统 图2-46 某300MW汽轮机回热系统图 1-低压加热器;2-高压加热器;3-除氧器;4-给水泵;5-锅炉;6-发电机; 7-凝汽器;8-凝结水泵;9-轴封加热器 由凝汽器出来的凝结水，其温度一般只有33?左右，而锅炉出口的主蒸汽温度在540?左右。如果直接将凝结水送入锅炉，必然导致水在锅炉中吸热量的增加，燃料消耗量增大。为此，利用在汽轮机中做过部分功的蒸汽，抽至加热器内加热给水，如图2-46所示，这种抽汽称为回热抽汽。采用回热抽汽可以提高锅炉的给水温度，但同时也使汽轮机内作功的蒸汽量减少了。然而，理论分析和实践经验均表明，提高给水温度所获得的效益大于汽轮机内作功蒸汽量减少所亏损的部分。因此，现代大型汽轮机几乎无一例外地都采用回热抽汽。 一、凝结水泵 由于凝汽器(7)及其热井内处于真空状态，水不会自动流出来。凝结水泵(8)的作用就是将热井内的凝结水抽吸出来，经过低压加热器(1)加热后送到除氧器(3)。 二、低压加热器 低压加热器的作用是利用在汽轮机内做过部分功的蒸汽，抽至加热器内部加热由凝结水泵来的凝结水。低压加热器通常都采用表面式加热器，即抽汽与凝结水不直接接触，凝结水在管内流动，抽汽在管外流动。这种低压加热器的结构比较简单，运行可靠性高。 由于加热器内部水侧压力近似为凝结水泵出口的压力，故将其称为低压加热器。 图2-47 卧式低压加热器 由图2-47可见，凝结水自进水管进入加热器水室，水室内挡板将水室分为入口水室和出口水室两个腔室，使凝结水在加热器管束中经过了一个U形流程，由出口水室的出水口流出。 汽轮机回热抽汽由加热器顶部蒸汽入口进入加热器，在蒸汽入口正对着管束处装有档汽板，以便降低蒸汽流速，减小蒸汽对管束的冲击力。蒸汽在加热器内流动过程受到导向隔板的作用，做S形流动使换热过程更加充分。蒸汽在加热器中凝结的水称为疏水，疏水由疏水口流出。 随蒸汽带入的少量不凝结气体以及低压加热器因为处于真空下工作漏入的空气将影响传热，所以在壳体上还设有抽空气管。 一般地，大型汽轮机均配有3~4个低压加热器，经过这些加热器后，凝结水的温度已经明显提高，然后进入除氧器进行加热并除去其中的氧气或其它非凝结气体。 三、除氧器 (除氧的目的和方法 1 当水与空气或某种气体混合物接触时，就会有部分气体溶解在水中。由于凝汽器、部分低压加热器处于真空状态下工作，凝结水和锅炉补充水中也不可避免地溶入部分气体。电厂热力设备发生腐蚀的主要原因是水中溶解有活性游离气体，这些游离气体中主要是氧气。氧气在高温条件下可以直接和钢铁产生化学反应，腐蚀设备，降低机组安全性，另外在热交换器中如有气体聚集，将会使传热恶化，降低机组的经济性。 为保证发电厂安全、经济运行，必须将锅炉给水的含氧量控制在允许的范围内，特别是高参数大容量的锅炉对给水品质的要求更高。为此，除氧器的任务是，及时除去锅炉给水中溶解的氧气和其它气体，以防止腐蚀热力设备和影响传热。由于除氧器清除的主要对象是氧气，所以习惯上将给水除气设备称为除氧器。 除去水中的氧气，可以采用化学方法。通过在水中加入容易和氧发生化学反应的药剂，使之与水中溶氧发生化学反应而达到除氧的目的。但化学除氧的成本比较高，而且虽然将氧气除去了，但却产生其它附加产物。因此，火电厂中采用较多的是热力除氧。 2(热力除氧的原理 气体的溶解定律指出:在一定温度下，当液体和气体之间处于平衡状态时，单位体积水中溶解的气体量与水面上该气体的分压力成正比。这就是加热除氧的理论基础。 加热除氧器的工作原理是这样的:用压力稳定的蒸汽通入除氧器内，把水加热到除氧器压力下的饱和温度，在加热过程中，水中蒸发的蒸汽量增加，水面上蒸汽分压力逐渐增加，除氧器顶部的排空气门将分离出的气体及时排出，水面上的气体分压力逐渐降低，使溶解在水中的气体不断地逸出，待水加热到饱和温度时，气体分压力接近于零，水中气体也就被除 去了。热力除氧的优点是不产 生其它附加产物，而且除氧器 本身就是一级加热器。 3(除氧器的构造 这里，仅以淋水盘式除氧 器为例，来介绍除氧器的结构 及工作过程。图2-48所示为 淋水盘式除氧器的结构原理 图。需要除氧的水(主凝结水、 化学补充水、疏水等)由上部 分别进入配水槽(1)中，然 后由配水槽落人下部的筛盘 (2)中，筛盘底部有小孔， 把水分成细流，形成淋雨式的 图2-48 淋水盘式除氧器 1-配水槽;2-筛盘;3-蒸汽分配箱;4-排气门 水柱;来自汽轮机中的加热蒸汽由下部送人，经蒸汽分配箱(3)后，沿着筛盘交替构成的蒸汽通道上升，在上升过程中对被除氧的水进行加热，在加热过程中，少量未凝结蒸汽随不凝结气体从顶部排气门(4)排出，蒸汽本身绝大部分凝结成水与被除氧水一同落入给水箱中。 四、给水泵 在火电厂各类水泵中，给水泵是最重要的一种水泵，它的作用是向锅炉连续供给具有足够压力、流量和相当温度的给水。 给水泵通常都采用离心式水泵，其原理与前面介绍的泵的工作原理相同。 五、高压加热器 由给水泵出来的给水，压力已经比较高。例如，对于国产200MW机组，其给水泵出口额定工作压力为17.65MPa;对于300MW机组，其给水泵出口额定工作压力约为22.74MPa。此时，加热器中水侧承受的是给水泵出口的压力，故将位于给水泵与锅炉之间的加热器称为高压加热器。 高压加热器的结构特征及工作原理与低压加热器基本相同，只是在强度上要求较高。经过若干个高压加热器的加热后，对于300MW机组，锅炉给水温度已经达到279?左右，即可以送入锅炉省煤器，再依次经过汽包、水冷壁、过热器后又变成蒸汽，继续进入汽轮机进行作功，完成热力循环。 2(16 联轴器 联轴器也叫靠背轮或对轮。它的作用是连接汽轮机各转子以及汽轮机转子与发电机转子，借以将蒸汽作用在汽轮机转子上的扭矩传递给发电机转子，使发电机转子旋转，从而产生电能。 汽轮发电机组中，常用的联轴器有刚性联轴器和半挠性联轴器。这里，主要介绍刚性联轴器。 刚性联轴器的结构如图2-49所示。其特点是使两个转子之间具有硬性连接。对于套装转子，联轴器(1)和(2)用热套加双键(5)分别套装在相对的轴端(6)和(7)上，对准中心后再一起铰孔，并用配合螺栓(3)紧固，以保证两个转子同心，螺栓和螺孔分别打 有相应编号，不能互换。扭矩就是通过这 些螺栓以及对轮端面间的摩擦力由一个转 子传给另一个转子的。 对于整锻转子，联轴器是与主轴一体 锻造出来的，亦即联轴器(1)和(2)分 别与轴端(6)和(7)为一个整体。 在国产200MW汽轮机中，汽轮机高、 中、低压转子之间均采用刚性联轴器连接， 而低压转子与发电机转子之间的连接采用 图2-49 刚性联轴器 半挠性联轴器，如图2-38所示。随着机组 1、2-刚性联轴器(对轮);3-螺栓; 容量的增大，汽轮机低压转子与发电机转 4-垫圈;5-键;6、7-转子 子之间的连接也倾向于采用刚性联轴器。 3-螺栓; 例如，国产330MW汽轮机的低压转子与 发电机转子之间采用刚性联轴器连接。 刚性联轴器结构简单、连接刚性强、工作可靠，可传递的扭矩大，因此，在汽轮机中得到了较普遍的应用。但其缺点是对两个转子之间的同心度要求比较严格。另外，这种联轴器能传递转子的振动，为查找振动原因带来一定的困难。 2(17 转子的支撑与轴承 图2-50 转子的支撑与轴承排列示意图 1-支持轴承;2-推力轴承;3-刚性联轴器;4-发电机 图2-50为国产330MW汽轮机转子的支撑及轴承排列示意图。由图可见，该汽轮机高、中、低压转子、发电机转子之间均采用刚性联轴器连接。从而使该汽轮机转子可以传递较大的扭矩。 另外，该汽轮发电机组共有八个支持轴承和一个推力轴承。为保证轴承正常工作，必须向轴承供润滑油，下面分别讲述两种轴承的润滑原理。 一、支持轴承 支持轴承是用来支承汽轮机转子的重力，保持动静件中心一致，从而保证动静件之间的径向间隙在规定范围内。 支持轴承是采用压力供油方式进行润滑的。润滑油除了能在轴颈和轴瓦之间形成润滑，建立液体摩擦外，还可以对轴颈进行冷却，带走因摩擦产生的热量。 (a) (b) 图2-51 油膜形成过程 (a)轴颈静止时的位置 (b) 轴颈中心随转速变化的轨迹 汽轮机的轴颈总是比轴承内径小。轴颈静止时落在轴承的最下方，如图2-51(a)所示，这时轴颈和轴承间形成一个楔形间隙。进入轴承中的润滑油充满了楔形空间，并渗透到轴颈下方，但在这里不形成油压。 当汽轮机转起来之后，由于润滑油有粘性，贴在轴颈上的一层润滑油便和轴一起同速转动，这层油又牵扯下一层油一起旋转，轴承内的润滑油就这样层层带动旋转起来。但由于润滑油内层与层间内摩擦阻力的存在，从轴表面算起，由内到外，圆周速度越来越小，贴在轴承内表面上的油，其圆周速度为零。 和轴一起转动的润滑油，不断地被从楔形间隙的宽口部分带向楔形的底部，润滑油被聚积在狭窄的楔形间隙中，形成一定的压力，随着汽轮机转速的升高，带入楔形间隙中的油也增多，形成的油压也增高。当油压对轴的浮升力大于该轴颈的荷重时，轴颈被抬起。这时轴颈和轴承便不直接接触——它们之间被一层高压稳定的油膜隔开，轴颈悬浮在油膜上，实现了轴颈和轴承间的液体摩擦。轴的转速越高，油膜的内压力也越大，轴颈也就被抬起得越高，轴心在轴承内便处在较高的偏心位置，当汽轮机转速无穷大时，理论上讲，轴颈中心便与轴承中心重合，如果将轴颈中心位置随转速的变化情况绘制成曲线，其轨迹近似一个半圆曲线，如图2-51(b)所示。 二、推力轴承 推力轴承是用来承受转子的轴向推力，并确定转子的轴向位置，从而保证动静件之间的轴向间隙在允许范围内。大型汽轮机通常都采用高中压缸反向布置以及低压缸分流等措施，但由于高中压缸的轴向推力不可能做到完全平衡，故其轴向推力仍具有较大的数值。例如国产200MW汽轮机额定工况下的轴向推力为13.25吨，300MW汽轮机为14吨，而且运行工况变化时还可能出现更大的瞬时轴向推力或反向推力。所以，推力轴承的工作是十分重要的。 (a) (b) 图2-52 推力瓦块与推力盘之间油膜的形成 1-推力盘;2-推力瓦块;3-支点;4-主轴 通常，应用最广泛的推力轴承是米切尔式推力轴承，它是借助于轴承上的若干个瓦块与推力盘之间形成楔形间隙建立液体摩擦的。推力轴承的工作原理可用图2-52来解释。当转子(4)的轴向推力经过油层传给瓦块(2)时，其油压合力Q并不作用在瓦块的支承点O(3)上，而是偏在进油口一侧，如图2-52中(a)所示。因此合力Q便与瓦块支点(3)的支反力R形成一个力偶，使瓦块(2)略微偏转形成油楔。随着瓦块的偏转，油压合力Q逐渐向出油口一侧移动，当Q与R作用于一条直线上时，如图2-52中(b)所示，油楔中的压力便与轴向推力保持平衡状态，在推力盘(1)与瓦块(2)之间建立了液体摩擦。 2(18 汽轮机润滑油系统 图2-53为一典型的汽轮机供油系统。离心式主油泵(1)由汽轮机主轴带动，在正常运行中供汽轮机的全部润滑用油。主油泵出口的压力油经逆止阀(14)后分为三路:一路经管路(6)供给保安系统;一路供给射油器(5)，送入主油泵入口;另一路供给射油器(5)后，经冷油器(12)通过供油管道送至各轴承进行润滑。回油通过回油管道(7)回到油箱(13)。 主油泵的进油由射油器(5)从油箱吸油来供给，以保持主油泵(1)进口油压为正压，从而保证主油泵的安全运行。 由于润滑油在润滑过程中不断地吸热且循环使用，油温会逐渐升高，因此，在系统中设置了冷油器(12)，使润滑油保持在正常温度范围(通常34~45?之间)。 在供油系统中，除了主油泵外，还备有高压启动油泵(2)和交流润滑油泵(3)。 图2-53 润滑油系统 1-主油泵;2-高压启动油泵;3-交流润滑油泵;4-直流事故油泵;5-射油器;6-去保安系统;7-回油管道;8-油位指示器;9-排烟装置;10-油净化装置;11-供油管道;12-冷油器;13-油箱;14-逆止门 高压启动油泵(2)的作用是:当汽轮机在启动和停机阶段，因汽轮机转速低主油泵不能投入时，代替主油泵向保安系统提供压力油。当主油泵投入后，高压启动油泵停止工作。 交流润滑油泵又称为事故油泵，它在汽轮机处于事故状态，主油泵不能保证润滑系统用油时自动投入。 直流事故油泵的作用是:在电厂厂用电全停的情况下，主油泵、交流润滑油泵均不能正常工作的情况下，保证润滑系统的用油。 排烟装置的作用是:排除油箱中的烟气，以防止油箱内的压力大于大气压力。 2(19 汽轮机调节系统 一、汽轮机调节系统的作用 由于交流电能不能大量储存，因此发电厂必须根据外界负荷及时地生产相应数量的电能。在火电厂中，汽轮发电机组的工作是由蒸汽在汽轮机转子上产生的作用力矩和发电机转子受到负载的反动力矩之间的平衡关系所决定的。当这两个力矩相等时，汽轮发电机组在一定的转速下稳定运转。我国电网频率为50Hz，相应的汽轮机额定转速就是3000r/min。但外界用户的用电情况总是经常不断地变化，因此发电机的负载力矩随外界用户的变化也在不断地变化，如果汽轮机蒸汽力矩不能随着相应地变化，机组的稳定运转就遭到破坏，从而导致汽轮机转速的变化，转速的变化意味着供电频率的变化。例如，当外界负荷增加时，发电机负载反动力矩增加，若汽轮机的蒸汽力矩未变，则汽轮机的转速就会降低，即供电频率的降低;相反，当外界负荷减小时，汽轮机的转速就要上升，引起供电频率增加。 然而，汽轮发电机组在运行时，它的转速只允许在很小的范围内变化。目前，我国规定供电频率的变化范围是500.5Hz，相应地，汽轮机运行转速的允许变化范围为, 300030r/min。转速偏离规定值就会引起使供电频率不能满足用户的要求，此外转速过高, 或过低还影响到机组本身的安全。因此，为了保证供电质量，确保机组安全运行，汽轮机必须装有调节系统。其基本任务是:在外界负荷变化时，及时地调节汽轮机功率，以满足用户用电量变化的需要，同时保证汽轮发电机组的工作转速在正常允许变化范围内。 二、汽轮机液压调节系统的基本原理 汽轮机的调节系统就是利用外界负荷变化引起的转速变化信号，去控制汽轮机调节汽门开度，从而控制汽轮机的进汽量，达到根据外界负荷变化相应改变汽轮发电机组所产生功率的目的，同时，使汽轮机的主动力矩和反动力矩平衡，并维持汽轮机转速基本不变。 汽轮机的调节系统按其调节汽门动作时所需能量的供应来源，可以分为直接调节和间接调节两大类。 1(直接调节 图2-54是一个直接调节系统。当外界负荷增加时，汽轮发电机组转子所受的反动力矩 增大，而此时汽轮机的主动力矩尚未变化， 使汽轮机转速降低，经过减速器齿轮(1) 的传动，调速器(2)的转速也下降，调速 器飞锤的离心力减小，在弹簧力的作用下使 滑环(3)下移，通过杠杆(4)开大调节汽 门(5)，增加汽轮机的进汽量，于是汽轮机 图 2-54 直接调节系统示意图 的功率增加。当功率增加至与外界电负荷相 1-减速齿轮;2-调速器;3-滑环;4-杠杆; 平衡时，调节系统重新稳定。当外界负荷减 5-调节汽门 小时，动作过程与上述相反。 由上述 调节系统的动作过程可以看出，调节汽门的开启或 关闭是由调速器直接带动的，故将这种调节称为直 接调节。由于调速器所能提供的开启调节汽门所需的能量有限，这种调节系统主要用于一些小型汽轮机中。 2(间接调节 功率稍大的汽轮机，改变调节汽门位置需要较大的提升力，因此，必须将转速变化信号在能量上通过中间环节加以放大，才能开启或关闭汽轮机调节汽门，这种调节就称为间接调节。图2-55是一种简单的间接调节系统示意图。 当外界负荷增加时，汽轮机的转速降低，调速图 2-55 直接调节系统示意图 1-减速齿轮;2-调速器;3-错油门滑阀; 器飞锤的离心力减小，滑环下移，杠杆AB以B为 4-油动机;5-调节汽门 支点，带动错油门滑阀(3)下移，打开错油门上的 上下两个通往油动机的油口，压力油进入油动机活塞下部，活塞上部的油经错油门的上油口排走，油动机活塞在上下油压差的作用下移至B位2置，调节汽门(5)开大，进汽量增加，汽轮机的功率增加。 反馈过程:在油动机活塞上移的同时，杠杆AB以A为支点，带动错油门(3)上移，2 使错油门滑阀又回到中间位置，关闭了错油门的上下两个通往油动机的油口，油动机活塞停止移动，汽轮机的功率与外界负荷相平衡，调节系统处于新的稳定状态。 当外界负荷减小时，调节系统的动作过程与上述相反。 另外，由上述调节系统的动作过程可以看出，调节汽门的开启或关闭不是由调速器直接带动的，而是借助于油压来实现的，故将这种调节称为间接调节。但这种调节系统由于转速变化信号的放大环节采用液压元件而使调节系统的灵敏度比较差。 三、数字电液(DEH)调节系统 汽轮机数字电液调节系统，习惯上按英文词首简称DEH(Digital Electric-Hydraulic Control System)调节系统，它体现了当前汽轮机调节的新发展，集中了两大最新成果:固体电子学新技术—数字电子计算机;液压新技术—高压抗燃油系统，称为尺寸小、结构紧凑、控制精度高、反应速度快的调节系统。 1(转速调节原理 高 压转 高 伺 调电速 传压服 节液 汽发 * +调 Δnn动 调+ 放 汽转 轮电节 杠节 - 大 门换n机 机 - 器 杆 汽器 油器 PI 门 动 机 阀位反馈 部件 转速测量部件 2-56 DEH系统转速调节原理图 汽轮机在并网前，必须将转速由零提升到额定转速附近，为机组并网创造条件。 *图2-56 为DEH系统转速调节原理图。当系统处于稳定状态时，转速给定值n与转速测量值相等，转速偏差信号Δn=0，调节系统处于稳定状态。 **当汽轮机启动需要升速时，通过计算机调整转速给定值n，使其增大，则由于有n>n，使转速调节器PI的输入产生转速偏差Δn>0。有了偏差，转速调节器便按照特定的调节规律进行工作，输出阀位调节指令信号，此电信号经过伺服放大器放大后，通过电液转换器转变成油压信号去控制油动机，使其产生位移，从而驱动高压调节汽门增加开度，汽轮机进汽量*增加，实际转速相应提高。直到转速实测值n与给定值n相等，即Δn=0，调节系统重新处于稳定状态。 反馈过程:在油动机活塞产生位移的同时，其阀位反馈部件的输出相应增大，使伺服放大器的输入相应减小，油动机活塞停止移动，系统恢复稳定。 2(功率调节原理 当汽轮机并网后，调节系统的主要任务是对功率进行调节。当外界负荷发生变化时，调节系统应该能自动动作，控制负荷增减，以维持电网频率的稳定。另外，当本机组出现故障需要减负荷或电网中其它机组出现故障要求本机组增加负荷时，调节系统都应该能很好地实现。 下面，以2-57所示的DEH系统功率调节为例，分别讨论在上述两种情况下调节系统的动作过程。 (1)外界负荷变化时的功率调节 ***=P(P为运行人员通过计算机的功率给定值)，各设调节系统原稳定状态下，n=n，P 个正负量之和均为零。现如果外界负荷增加，则发电机的反动力矩增大，使汽轮机的转速n降低，于是产生正的转速偏差信号Δn>0，通过频差(转速差)校正器的调节作用，输出功 ***,x,x,x率偏差校正量(与n-n成正比，即=k(n-n))增大。由于此时功率给定P没变 (运行人员不知道外界负荷已经发生变化)，而且功率测量值P也没变(因为此时调节汽门 高调* P压高节伺 电频功调压传级服 汽发液+*差率节 n 调动Δn 压+ 放 轮电转汽校校Δx n 节 杠力- - 大 机 机 换门正正汽杆 校器 器 器 器 油门 正动器 机 P阀位反馈 * *部件 调节级压力测量 部件 发电机功率测量 部件 转速测量部件 2-57 DEH系统功率调节原理图 开度还没有发生变化)，则功率校正器的输入信号也增大，经过功率校正器的调节作用，功率校正器的输出信号也增大。由于此时汽轮机调节汽门的开度尚未改变，故调节级后的压力测量部件输出信号不变，故调节级压力校正器的输入信号增大，相应地，调节级压力校正器的输出信号增大。由于此时油动机尚未动作，故油动机阀位反馈信号不变，使伺服放大器的输入信号增大，经过伺服放大器放大后，将该电信号送入电液转换器，将电信号转变为油压信号，去控制油动机，使其产生位移，从而驱动高压调节汽门增加开度，汽轮机进汽量增加，汽轮机产生的电功率增大，满足外界负荷的要求。 反馈过程:?由于油动机的动作，使油动机阀位反馈部件的输出信号增大，则伺服放大器的总输入信号减小，一直到其总信号为零时，油动机停止动作。 ?当油动机驱动汽轮机高压调节汽门开度增大后，汽轮机进汽量增加，汽轮机调节级后的压力相应增大，调节级后压力测量部件的输出信号增大，使调节级压力校正器的输入信号减小，直到等于零时，系统稳定。 ?同时，调节汽门开度的增大，汽轮机电功率增加，发电机功率测量部件的输出信号P ***,x,x,x增大，使功率校正器的总输入信号+(P-P)减小，直到+(P-P)=0，即P=+P时，系*统稳定(功率给定P与实测功率P不相等)。 ?由于汽轮机进汽量的增加，蒸汽在汽轮机内产生的主动力矩增大，使主动力矩和反动 *力矩达到平衡，汽轮机在新的转速n下维持不变(此时，转速给定n与汽轮机实际转速不相等)。 上述四个反馈过程实际上就是调节系统稳定的条件。只有四个条件同时满足，汽轮机调节系统才能达到稳定。 *(2)功率给定P变化时的功率调节 *当机组需要人为增加或减少机组负荷时，利用改变功率给定值P可以实现。 ,x此时，将转速偏差调节回路置于软阻断状态，即无频差校正作用，即=0。当需要人**为增加负荷时，使功率给定值P增加，则功率校正器的输入信号P-P增大，与前面讨论的 过程类似，相继经过功率校正器、调节级后压力校正器、伺服放大器的作用后，将电信号转 变为油压信号，促使汽轮机高压调节汽门的开大，汽轮机进汽量增加，汽轮机电功率增加。