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1、1. 发电系统简介和基础知识(未完成)1. 试述火力电厂生产过程 发电厂是把各种动力能源的能量转变成电能的工厂。火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气等燃料的化学能产生出电能的工厂。火电厂的容量大小各异，具体形式也不尽相同，但就其生产过程来说却是相似的。煤送至锅炉的炉膛内燃烧。煤燃烧后形成的热烟气沿锅炉的水平烟道和尾部烟道流动，放出热量，最后进入除尘器，将燃烧后的煤灰分离出来。洁净的烟气在引风机的作用下通过烟囱排入大气。燃煤燃尽的灰渣落入炉膛下面的渣斗内，与从除尘器分离出的细灰送至灰库。在除氧器水箱内的水经过给水泵升压后送入省煤器。在省煤器内，水受到热烟气的加热，然后进入锅炉顶部的汽包内
2、。在锅炉炉膛四周密布着水管，称为水冷壁。水冷壁水管的上下两端均通过联箱与汽包连通，汽包内的水经由水冷壁不断循环，吸收煤燃烧过程中放出的热量。部分水在水冷壁中被加热沸腾后汽化成水蒸汽，这些饱和蒸汽由汽包上部流出进入过热器中。饱和蒸汽在过热器中继续吸热，加热成符合规定温度和压力的过热蒸汽,经管道送到汽轮机做功。过热蒸汽经管道引入汽轮机后，便将热势能转变成动能。高速流动的蒸汽推动汽轮机转子转动，形成机械能。汽轮机的转子与发电机的转子通过连轴器联在一起。当汽轮机转子转动时便带动发电机转子转动。励磁柜发出的直流电送至发电机的转子线圈中，使转子成为电磁铁，周围产生磁场。当发电机转子旋转时，磁场也是旋转的，
3、发电机定子内的导线就会切割磁力线感应产生电流。这样，发电机便把汽轮机的机械能转变为电能。电能经变压器将电压升压后，由输电线送至电用户。 在汽轮机内作完功释放出热势能的蒸汽从汽轮机下部的排汽口排出，称为乏汽。乏汽在凝汽器内被循环水泵送入凝汽器的冷却水冷却，重新凝结成水，此水称为凝结水。凝结水由凝结水泵送入到除氧器内，完成一个循环。在循环过程中难免有汽水的泄露，即汽水损失，因此要适量地向循环系统内补给一些水，以保证循环的正常进行。除氧器是为了除去水含的氧气以减少对设备及管道的腐蚀。以上从能量转换的角度，火力发电厂生产过程即是把燃料的化学能蒸汽的热势能机械能电能的过程。在锅炉中，燃料的化学能转变为蒸
4、汽的热能；在汽轮机中，蒸汽的热能转变为轮子旋转的机械能；在发电机中机械能转变为电能。锅炉、汽轮机、发电机是火电厂中的主要设备，亦称三大主机。与三大主机相辅工作的设备称为辅助设备或称辅机。主机与辅机及其相连的管道、线路等称为系统。火电厂的主要系统有燃烧系统、汽水系统、电气系统等。除了上述的主要系统外，火电厂还有其它一些辅助生产系统，如燃煤的输送系统、水的化学处理系统、灰的排放系统等。这些系统与主系统协调工作，它们相互配合完成电能的生产任务。为了保证这些设备的正常运转，火电厂装有大量的仪表，用来监视这些设备的运行状况，同时还设置有自动控制装置，以便及时地对主辅设备进行调节。现代化的火电厂，已采用了
5、先进的计算机分散控制系统。这些控制系统可以对整个生产过程进行控制和自动调节，根据不同情况协调各设备的工作状况，使整个电厂的自动化水平达到了新的高度。自动控制装置及系统已成为火电厂中不可缺少的部分。水泥余热发电技术应用的背景我国是世界水泥生产大国，据中国水泥协会统计，2004年，我国水泥产量为9.4亿吨，约占全球水泥总产量的40%。但我国水泥工业却“大而不强”，突出问题是耗能高、污染重。在能源消耗方面，我国吨水泥的平均综合煤耗约为159kg（标准煤），而国际先进水平约为110kg，仅此一项，我国水泥工业每年多消耗的煤炭约为5000万吨。 与此同时，由于节能技术、装备水平的限制和节能意识影响，在水
6、泥生产过程中，仍有大量的中、低温废气余热资源未能被充分利用，能源浪费现象仍然十分突出。在新型干法水泥企业，由窑头熟料冷却机和窑尾预热器排出的350以下废气，其热能大约为水泥熟料烧成系统热耗量的30，造成了巨大的能源浪费，在我国能源日益紧张、环境负荷不断加重的情况下，迫切需要改变这一状况，切实提高能源的综合利用效率，开发利用水泥生产过程中的废气余热资源，实现变废为宝将受到各方面的高度重视。 纯低温余热发电技术，即是在新型干法生产线生产过程中，通过余热回收装置-余热锅炉将窑头、窑尾排出大量低品位的废气余热进行回收换热，产生过热蒸气推动汽轮机实现热能-机械能的转换，再带动发电机发出电能，并供给水泥生
7、产过程中的用电负荷。从而不仅大大提高了水泥生产过程中能源的利用水平，对于保护环境，提高企业的经济效益，提升产品的市场竞争力，起到了巨大的促进作用。 同时该项技术的开发应用，完全符合我国的可持续发展战略。从国家的产业政策来看，早在1996年国务院曾以国发199636号文批转国家经贸委等部门关于进一步开发资源综合利用意见的通知，意见明确指出：“凡利用余热、余压、城市垃圾和煤矸石等低热值燃料及煤层气生产电力、热力的企业，其单机容量在500kW以上，符合并网条件的，电力部门都应允许并网，单机容量在1.2万kW以下（含1.2万kW）的综合利用电厂，不参加电网调峰”。国家发展改革委办公厅关于组织申报节能、
8、节水、资源综合利用重大项目和示范项目以及现役火电厂脱硫设施设备选项目的通知（发改办环资2004906号），明确重点支持钢铁、有色、石油石化、化工、建材等高耗能行业节能技术改造，水泥中低温余热利用就列在其中，可见，利用水泥余热进行发电，国家在政策和法规上是扶持和大力提倡的，该技术的开发应用完全符合国家的产业政策。新型干法水泥生产线配套应用的纯低温余热发电技术，是在不提高水泥生产过程中能耗指标的前提下，完全利用水泥煅烧过程中产生的余热进行回收，最大限度地提高水泥生产过程中热能的利用率，与此同时，配置纯低温余热发电系统，将对原有水泥工艺系统不产生影响，当两个系统接口设计合理，将融合成为一个更优的大系
9、统。因此纯低温余热发电技术在新型干法水泥生产线配套应用，具有十分广阔的推广应用前景。从余热发电的工艺流程图我们可以看出，整个系统的设置是：一台SP锅炉，一台AQC锅炉，锅炉给水系统，一套汽轮机发电机及其冷却水系统，水泥工艺线的设备不作大的改动。除氧器补给水泵软化水凝汽器凝结水泵SP炉锅筒AQC炉锅筒AQC炉省煤器发电机汽轮机锅炉给水泵闪蒸器图1 工艺流程方框图2. 余热发电系统主要有以下几部分组成2.1 锅炉系统及附属设备2.2 汽轮机系统及附属设备2.3 发电机系统及附属设备2.4 化学制水系统及附属设备2.5 热工仪表安全附件2.6 自动控制系统3. 余热电站主要设备及其作用3.1 锅炉部
10、分锅炉部分是由锅炉本体、炉膛、过热器、蒸发器、省煤器和热水器组成，它们的作用如下：3.1.1 锅炉本体：吸收炉膛中的热量，产生饱和蒸汽。3.1.2 炉膛：是余热烟气与受热面热交换的场所。3.1.3 过热器：将饱和蒸汽进一步加热，提高蒸汽温度为过热蒸汽。3.1.4 蒸发器：将汽包内的饱和水进一步加热成为汽水混合物。3.1.5 省煤器：利用烟气的余热提高给水温度，可以节约燃料1015。3.1.6 FU拉链机和螺旋输送机：将炉膛内经灰斗和下料器排出的积灰输送至熟(生)料库 锅炉系统包含了锅炉本体以及它的附属设备，有给水设备及其管道、清灰和输灰装置，排污装置、加药装置等，在水泥窑窑头设有窑头锅炉（简称
11、AQC炉）和水泥窑窑尾有窑尾炉（简称SP炉）；AQC锅炉的取风口取自篦冷机中部的热风，经沉降室后进入锅炉，由上而下分别是一层过热器、两层蒸发器和一层省煤器，锅炉受热面全部采用螺旋鳍（qi）片管。 最后再进入水泥生产线的电收尘器。沉降室沉积的熟料粉尘由螺旋输送机送至水泥生产线的拉链机再送入熟料库；锅炉的汽水系统如下：软水箱内的软化水软水泵除氧器的软化水给水泵AQC省煤器一路至AQC锅筒（第二路至SP炉、第三路至闪蒸）AQC蒸发器（饱和蒸汽）汽包经过汽水分离装置水在锅筒，饱和蒸汽到过热器（再次升温后的过热蒸汽）汽轮机。窑尾（简称SP炉）是SP锅炉是利用水泥窑窑尾预热器排出的380以下废气设置一台窑
12、尾预热器余热锅炉（简称SP锅炉），是利用预热器一级筒出口的烟风进入锅炉产生过热蒸汽与AQC炉产生的过热蒸汽一起进入汽轮机做功；烟气从上向下分别横向冲刷过热器、七级蒸发器，气流方向与粉尘沉降方向一致。SP炉在锅炉本体上设有振打装置对锅炉内部进行清灰，防止生料灰堆积在锅炉内部受热管道上而影响锅炉的热交换能力，从而影响发电量，SP炉沉降的生料灰送入生料斜槽再进入生料均化库；锅炉的汽水系统如下：另一路至SP锅筒SP蒸发器（饱和蒸汽）汽包经过汽水分离装置水在锅筒，饱和蒸汽到过热器（再次升温后的过热蒸汽）汽轮机；AQC和SP产生的过热蒸汽并入汽轮机房的蒸汽集箱再进入汽轮机做功。蒸汽进入汽轮机后冲动汽轮机转
13、子转动，带动发电机运转，完成蒸汽的热势能机械能电能的过程。汽轮机做功后的乏汽排入冷凝器，凝汽器内部空间由不锈钢管分隔成两部分，一部分为蒸汽空间，在不锈钢管壁外；另一部分是冷却水空间，在不锈钢管内；冷凝器的冷却水由循环水泵供给，蒸汽与不锈钢管外表面接触，冷却水与不锈钢管内表面接触，蒸汽放热经不锈钢管壁传给冷却水，使排汽冷却成为纯净的凝结水重新供给锅炉用水（冷凝器下部设有热井），凝结水在热井中由凝结水泵抽出经过射汽抽气器被送至除氧器，再由给水泵送至锅炉供锅炉用水，完成一个汽水循环。在汽机工况发生变化负荷较低时，采用调整凝结水泵转速的方法，来保证热井水位。一部分凝结水通过再循环管道回到热井中。4.
14、汽轮机是如何将热能转变为机械能的？答：在汽轮机中，能量转换的主要部件是喷嘴和动叶片。以冲动式汽轮机为例：蒸汽流过固定的喷嘴后，压力和温度降低，体积膨胀，流速增加，热能转变为动能。高速蒸汽冲击装在叶轮上的动叶片，叶片受力带动转子转动，蒸汽从叶片流出后流速降低，动能变成机械能。这就是蒸汽通过汽轮机做功把热能转变成机械能的过程。5. 汽轮发电机是如何将机械能转变为电能的？答：蒸汽推动汽轮机旋转，汽轮机的转子连接着发电机转子，所以汽轮机转子带动发电机转子(同步)旋转。根据电磁感应原理，导体和磁场作相对运动，当导体切割磁力线时，则导体上产生感应电动势。发电机的转子就是磁场，静子内放置的线圈就是导体。转子
15、在静子内旋转，静子线圈切割转子磁场激发出的磁力线，于是静子线圈上就产生了感应电动势。将三个静子线圈的始端引出称A、B、C三相，接通用电设备(如电动机)线圈中就有电流流过，这样发电机就把汽轮机输入的机械能转变为发电机输出的电能，完成了变机械能为电能的任务。6. 热力系统整个热力系统设计力求经济、高效、安全，系统工艺流程是由两台余热锅炉AQC、SP锅炉、闪蒸器和一套汽轮发电机组组成，辅之以冷却水系统、纯水制取系统、锅炉给水系统及锅炉粉尘输送系统。余热锅炉内进行热交换产生压力为1.25MPa、温度为320、额定蒸发量为43t/h的过热蒸汽通入汽轮机，进行能量转换，拖动发电机向电网输送电力。(1) 采
16、用凝汽混汽式汽轮机。凝汽式是指做过功的蒸汽充分冷凝成凝结水，重新进入系统循环，减少系统补充水量。混汽式是指汽轮机除主蒸汽外，另有低压饱和蒸汽导入汽轮机做功，从而提高汽轮机相对内效率，提高发电机输出功率。(2) 应用热水闪蒸技术（高压热水进入低压空间瞬间汽化现象）。设置一台闪蒸器，一方面将闪蒸出的饱和蒸汽导入汽轮机做功，进一步提高汽轮机做功功率，另一方面形成锅炉给水系统循环，可以有效地控制AQC炉省煤器段出口水温，保证锅炉给水工况稳定。(3) 由于SP出口废气还要用于原料烘干，所以SP锅炉无省煤器，只设蒸发器和过热器，控制出炉烟温在220，仍可满足水泥生产线工艺需求。(4) 采用真空除氧器。流体
17、力学基础知识1. 识记以下基本概念：1.1 流体力学：是研究静止流体的力学规律和运动流体的能量转化及能量损失规律的一门学科。1.2 质量：物体惯性的量度，是指物体所含物质的多少。物体的质量与其惯性成正比。1.3 表面力、质量力、重力、惯性力。作用在物体上的力分为表面力和质量力两种。表面力：作用在液体表面上的，并与其表面积成正比的力。表面力有外力和内力之分，内力是由于液体质点间相互作用而产生的。液体的内与外力的平衡条件是在液体的边界上。质量力：作用在液体内部每一质点上且与质量成正比的力。质量力分为重力和惯性力两种：a. 重力：地球对其表面附近物体的引力。用“N”表示，即：式中 物体的重量，N；物
18、体的质量，；g物体的重力加速度，m/s2。惯性力：液体做加速运动时产生的力。牛顿第一定律（惯性定律）：任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，除非它受到作用力而被迫改变这种状态。它包含两个重要的物理概念：一是惯性：物体保持原有运动状态不变的特性与其他物体的作用无关的固有属性。二是力的概念。牛顿第二定律：物体受到外力的作用时，所获得的加速度a的大小与外力F的大小成正比，与物体的质量m成反比，加速度的方向与外力的方向相同。数学表达为：F=ma式中 F作用力，N；m物体的质量，；a物体的加速度，m/s2。1N=1kgm/s2表示1kg质量的物体产生1m/s2加速度的力。牛顿第三定律（作用力与反作用力定
19、律）：若物体A以力F1作用于物体B，则同时物体B必以力F2作用于物体A，这两个力的大小相等，方向相反，而且沿同一直线。如果F1、F2的一个力叫作用力，另一个力叫做反作用力。1.4 流体：是液体和气体的总称。1.5 流体的密度：单位体积的流体所具有的质量。用“”表示，即：式中 流体的密度，/m3；m流体的质量，；V流体的容积，m3。在压力一定时，流体的密度随温度的增加而减小；当温度一定时，流体的密度随压力的增加而增加。1.6 流体的重度：单位体积的流体所具有的重量。用“”表示，即：式中 流体的重度，N/m3； G流体的重量，N(牛顿)；V流体的容积，m3。重度和密度关系： = g1.7 流体的比
20、容：单位质量的工质所占的容积。用“v”表示，单位是m3/，即：式中 v流体的比容，m3/；V流体的容积，m3；m流体的质量，。1.8 液体静压力：作用在静止液体任意面积上的总压力。液体静压力的两个特性：一是液体静压力总是垂直并指向作用面的；二是液体内任一点的各个方向的液体静压力均相等。1.9 液体静力学基本方程式：式中 p0作用在液面上的压力，N/m2；P 液深为h处的静压力，N/m2；流体的密度，/m3；g物体的重力加速度，m/s2；h 液体的深度，m。上式表明液体的静压力是随深度按直线规律变化的，即点的位置越深，静压力越大。1.10 压力：物体单位面积上所受到的垂直作用力称为压力(压强)，
21、用符号P表示：上式中 P压力，pa；A面积，m2；F作用在面积且上的垂直作用力，N。1.11 标准大气压：包围在地球外表面的大气层由于自身的重力而形成大气压力。大气压力值一般和高度、当地温度和湿度有关。物理学规定，45纬度的海平面上，常年大气压力的平均值为1标准大气压。气压计显示为760mmHg，它与法定计量单位Pa的关系为：1标准大气压=760mmHg=1.01325105 Pa1.12 工程大气压：工程计算中，以往常用工程大气压表示，换算关系：1工程大气压=1kgf/cm2 =735.6 mmHg=9.81104Pa=1104mmH2O1.13 绝对压力、表压力的关系：容器内介质压力有的高
22、于大气压力，有的低于大气压力。介质压力高于大气压的称正压，低于大气压的称负压。火力发电厂中处于正压下工作的设备有：锅炉汽包、蒸汽管路、给水管路等；处于负压下工作的设备有：凝汽器、负压燃烧炉膛、吸风机前烟道及制粉系统等。压力按压力基准不同分为绝对压力与表压力。绝对压力是指容器内完全没有压力时作为压力起点算起的压力，为容器内实际的压力；表压力是以大气压力为起点算起的压力。表压力有可能高于或低于大气压力。前者数值为正，后者数值为负。负压有时称真空，如凝汽器真空。上述压力关系： 绝对压力=大气压力+表压力1.14 真空、真空度：真空：当容器内的压力低于大气压力时，把低于大气压的部分叫真空。真空=大气压
23、力绝对压力用百分数来表示真空值的大小，称为真空度。真空度= 100%1.15 流量、平均流速、体积流量、质量流量。流量：单位时间内，通过与管内液流方向相垂直的断面的液体数量。其数量用体积表示，叫体积流量，用qv表示，单位m3/s；其数量用质量表示，叫质量流量，用qm表示，单位kg/s。平均流速：流体在流过横断面时，其各点都具有相同的流速，在这个流速下，所流过的流量与同一断面各点以实际流速流动时所流过的流量相当，这个流速称平均流速。记为c，单位为m/s。体积流量Q，等于平均流速c与管子横断面积A之积。qvcA m3/s质量流量等于流体密度，平均流速c与管子断面积A之连乘积。qm=r cA kg/
24、s简述流体静力学基本方程式的含义及各项物理意义。方程式为P=P0+h。答：流体静力学基本方程式P=P0+h的含义是：液体内部某点的静压力等于自由表面上的压力加上该点至液面的高度与液体比重之乘积。式中P为某点静压力，P0为自由表面上的压力，为液体比重，h为该点距自由表面的高度。1.16 雷诺数、层流、紊流。在管道内流动的流体有两种流动状态，即层流和紊流。层流：液体各质点互不掺混的定向分层流动。流体质点只沿管子作轴向运动。紊流：液体的各质点互相掺混的不定向流动。流体质点不仅沿管子作轴向运动，同时作横向流动。当流体在管道内的流速c与管道内径d的乘积再与流体的运动粘度v比的值小于2320时，一定是层流
25、流动；而大于104时，一定是紊流运动；在2320与104之间时为层流向紊流过渡段，数学表达式为：上式中： Re称为雷诺数，单位m/s。1.17 水锤、正水锤、负水锤。液体在压力管道中流动时，由于阀门的突然关闭、开启或水泵突然停止而造成管道中水压力反复急剧的变化并迅速衰减的现象，称为水锤。水水锤产生的内因是液体的惯性和压缩性，外因是外部挠动（如大泵的启停、阀门的开关等）。在管道上，由于阀门迅速关闭或水泵突然停止而引起水流速度迅速减小、压力急剧升高的现象，称为正水锤。正水锤所产生的压力可达正常工作压力的几十倍至几百倍，以致于管壁产生很大的应力。而压力的反复变化将引起管道和设备的振动，管道的应力交变
26、变化，将造成管道、管件和设备的损坏。水锤的破坏作用在下述的情况下容易发生：水泵的排出管爬升高度较大、管道长、排水压力不大，因而管道强度不高的情况下，当遇到断电，泵突然停止时，容易产生严重水锤。当泵突然停转时，大量的排水管道中的水，因受重力和压力的作用而产生急剧的倒流现象，使泵前的逆止阀瞬间关闭，因而在排出管道中产生过高的压力，严重时就会导致管道爆裂。管道上的阀门，由于迅速开大，流速急剧增大，使管道中压力急剧下降而产生的水锤称为负水锤。负水锤时，管道中的压力降低，也会引起管路和设备振动。应力交递变化，对设备有不利的影响。如压力降得过低，可能使管中产生不利的真空，在外界压力的作用下，会将管道挤扁。
27、为预防水锤的危害，保证设备安全运行，可采取以下措施：延长阀门的开闭时间可能缩短管道长度；在管道上装设安全阀或空气室，以限制压力突然升高或压力降得太低等；避免断电事故的发生等。2. 理解：2.1 理解流体的、流动性、压缩性、膨胀性、粘滞性。液体的流动性：是流体的基本特性，它是在流体自身重力或外力作用下产生的，也是流体容易通过管道输送的原因。流体的压缩性：流体体积的大小随它所受压力的变化而变化。作用在流体上的压力增加，流体体积将缩小。流体的压缩性：流体的体积随温度变化而变化，当温度升高时，体积膨胀。流体的粘滞性：流体运动时，流体间产生内摩擦力的性质。内摩擦力具有阻止运动的性质，是流体运动时产生能量
28、损失的原因。气体的粘滞性系数随温度的升高而升高，液体的粘滞性系数则随温度升高而降低。3. 领会：3.1 各不同压力单位之间的换算：1MPa=103kPa=106Pa=106N/m210kgf/cm21kgf/cm2=10mh2O=0.1Mpa3.2 水蒸汽流经喷管后，压力下降，温度下降，速度增加，焓值减少。3.3 流体在管道中流动产生的阻力损失有沿程阻力损失和局部阻力损失。沿程阻力损失：沿程阻力是流体运动时，由于液体质点与管壁、液体质点之间存在着相对运动而产生摩擦，因而造成能量损失。沿程能头损失计算式如下：式中 沿程阻力系数；L管子长，m；d管子直径，m；c平均流速，m/s；g重力加速度，m/
29、s2。沿程阻力的影响因素：(1) 流体运动状态；Re2320时，为层流流动；Re2320时，为紊流流动。(2) 管子粗糙度；任何管子，由于材料、加工及腐蚀等因素的影响，管子壁面总是凹凸不平的。管壁的平均突出高度称为管壁的绝对粗糙度。绝对粗糙度与管径d之比，称为相对粗糙度；管径d与绝对粗糙度之比，称为相对光滑度。显然，相对光滑度越高，管子内壁面越光滑。管内流体作紊流运动时，靠近管壁很薄的一层流体处于层流运动状态。这一层流体，称为层流边界层。如果层流边界层的厚度大于绝对粗糙度，则管壁粗糙度不影响流动阻力损失，这种管子称为光滑管；若层流边界层小于壁面的绝对粗糙度时，管壁的突出部分伸入到紊流中，流体流
30、过突出部分之后形成旋涡，造成额外的能量损失，所以流动阻力与管子粗糙度有关，这种管子称为粗糙管。层流边界层的厚度是随流速的增大而变薄。当管子为光滑管时，随流速的提高变小，使时，光滑管就变成了粗糙管；反之，粗糙管也可以变成光滑管。(3)其他因素：流体的阻力与管路长度成正比，与管径成反比。此外，流体阻力还受流体粘性的影响，当流体粘性增加时，流体阻力增大。局部阻力损失：流体流经管路附件时，出现突然扩大或收缩时，形成涡流，产生较强烈的撞击和掺混造成的能量损失称为局部阻力损失。它与形成局部阻力损失的附件形状有关。局部能头损失计算式为：式中 局部能头损失，m；局部阻力系数；c平均流速，m/s。局部阻力系数是
31、一个无量纲量，此系数的值与管件构造的特点和在流体中形成涡流程度有关通常由实验的方法获得，并可在专门的手册中查到。如果在某一管路，有两种以上的局部阻力，则总局部阻力系数等于各局部阻力系数之和。流体流过某一管路时，其总阻力等于沿程阻力与局部阻力之和。例题：有一台离心泵，在吸水管上装有弯头一个，逆止阀及进水网一个，设离心泵的吸水量qv0.016m3/s，吸水管道的直径d=0.15m，管长L=10m，试求吸水管的总能头损失。已知弯头的局部阻力系数0.2，逆止阀及进水网的局部阻力系数=6.0，沿程阻力系数0.02。解：局部能头损失：沿程能头损失：总能头损失：=0.2630.057=0.32 (mh2O)
32、 热力学基础知识工程热力学是研究热能与机械能相互转换规律的学科。1. 识记基本概念：1.1 工质、温度、压力、比容、密度、内能、焓、熵。工质：热机中热能转变为机械能的一种媒介物质（如蒸汽、燃气等），依靠它在热机的状态变化（如膨胀）才能获得功。火电厂的工质应具有良好的膨胀性，流动性和热力性能稳定，其次还要求价廉、易取、无毒、无腐蚀性等。目前广泛采用水蒸汽作为工质。描写工质状态特性的物理量称为状态参数。常用工质状态参数有温度、压力、比容、焓、熵、内能等。基本状态参数有温度、压力、比容。温度：衡量物体冷热程度的物理量，也表示分子运动的平均动能的大小。对温度高低量度的标尺称为温标。常用温标有摄氏温标和
33、热力学温标。二者换算关系为：t = T273.15()压力：分子不规则运动垂直作用于单位面积上的力。用Pa表示，1Pa=1N/m2；1mmH2O=9.81N/m2。内能：气体内部分子运动所形成的内动能和由于分子相互之间的吸引力所形成的内位能的总和。用U表示：U=mu式中 U mkg气体的内能；u1气体的内能。气体的内动能与温度有关，内位能与比容有关。比焓：在某一状态下单位质量工质比容为v，所受压力为p，该工质必须具备pv的压力位能。单位质量工质的内能和压力位能之和称为比焓，符号h，单位J/kg。定义式：对于mkg的工质，其内能和压力位能之和称为焓，单位kJ。定义式为：式中 H焓，J；U内能，J
34、；P压力，Pa；V体积，m3。由上式可看出，工质的状态一定，则内能U及pv一定，焓一定，即焓仅由状态参数决定，故焓也是状态参数。熵：是气体的重参数之一。在没有摩擦的平衡过程中，单位质量的工质吸收的热量与工质吸热时的绝对温度T的比值叫熵的增加量。表达式为：熵的单位是J/(K)，在可逆过程中：0，熵增加，表示气体进行吸热过程；0，熵减少，表示气体进行放热过程；= 0，熵不变，表示气体经历绝热过程。状态参数熵在动力工程中的的作用：1) 利用熵的变化，判断工质与外界热交换的方向性；2) 熵与热力学温度组成的示热图，可以表示1工质在任意过程中所吸收（或放出）的热量。3) 利用熵增的原理，判定自发的，不可
35、逆过程所进行的方向和程度。4) 利用熵增大小分析工质做功能力损失。1.2 热量：温度不同的两个物体互相接触时，高温物体逐渐变冷，低温物体逐渐变热。显然有一部分热能从高温物体传给了低温物体，两个物体间所传递的这个热能称为热量。单位质量的物质传递的热量用符号表示，单位为/。一定质量的物质传递的热量用符号Q表示，单位为kJ。热力工程上规定：系统吸热时，热量为正值；系统放热时，热量为负值。1.3 比热容：单位数量（质量或或容积）经物质温度升高（或降低）1吸收的热量称为气体的单位热容量，简称气体的比热也称比热容。比热表示了单位数量的物质容纳或贮存热量的能力。质量比热容用“c”表示，单位为J/（）。 影响
36、比热容的主要因素有温度和加热条件，一般说来，随温度的升高，物质比热容的数值也增大；定压加热的比热容大于定容加热的比热容。此外，分子中原子数目、物质性质、气体的压力等因素也会对比热容产生影响。1.4 热容量：质量为m的物质，温度升高(或降低)1所吸收(或放出)的热量称为该物质的热容。热容C=mc，热容的大小等于物体质量与比热的乘积，热容与质量有关，比热容与质量无关。对于相同质量的物体，比热容大的热容大；对于同一物质，质量大的热容大。1.5 等容过程、等温过程、等压过程、绝热过程。等容过程：容积（比容）保持不变的情况下进行的过程。等温过程：温度不变的情况下进行的热力过程。等压过程：工质的压力保持不
37、变的过程。绝热过程：在与外界没有热量交换情况下所进行的过程。1.6 汽化、凝结、汽水动态平衡、饱和状态、饱和水、饱和压力、饱和温度。汽化：物质从液态变成汽态的过程。分为蒸发和沸腾两种形式。蒸发：液体表面在任何温度下进行的比较缓慢的汽化现象。沸腾：液体表面和内部同时进行的剧烈的汽化现象。凝结：物质从气态变成液态的现象，也叫液化。水蒸汽凝结的特点：一定压力下的水蒸汽，必须降到该压力所对应的凝结温度才开始凝结成液体。这个凝结温度叫液体沸点，压力降低，凝结温度随之降低，反之则凝结温度升高。在凝结温度下，水从水蒸汽中不断吸收热量，则水蒸汽可以不断凝结成水、并保持温度不变。汽水动态平衡：一定压力下汽水共存
38、的密封容器内，液体和蒸汽的分子在不停地运动，有的跑出液面，有的返回液面。当从水中飞出分子数目等于因相互碰撞而返回水中的分子数时，这种状态称为汽水动态平衡。饱和状态：处于动态平衡的汽、液共存的状态。饱和温度：在饱和状态时，液体和蒸汽的温度相同，这个温度称为饱和温度；饱和压力：液体和蒸汽的压力也相同，该压力称为饱和压力。饱和水：饱和状态的水称为饱和水；饱和蒸汽：饱和状态下的蒸汽称为饱和蒸汽。饱和压力随饱和温度升高而增高：温度升高，分子的平均动能增大，从水中飞出的分子数目越多，因而使汽侧分子密度增大。同时蒸汽分子的平均运动速度也随着增加，这样就使得蒸汽分子对器壁的碰撞增强，其结果使得压力增大，所以说
39、，饱和压力随饱和温度升高而增高。湿饱和蒸汽：在水达到饱和温度后，如定压加热，则饱和水开始汽化，在水没有完全汽化之前，含有饱和水的蒸汽叫湿饱和蒸汽，简称湿蒸汽。干饱和蒸汽：湿饱和蒸汽继续在定压条件下加热，水完全汽化成蒸汽时的状态叫干饱和蒸汽。过热蒸汽：干饱和蒸汽继续定压加热，蒸汽温度上升而超过饱和温度时，就变成过热蒸汽。干度：1湿蒸汽中含有干蒸汽的重量百分数叫做干度，用符号x，表示x =干蒸汽的重量湿蒸汽的重量干度是湿蒸汽的一个状态参数，它表示湿蒸汽的干燥程度；x值越大，则蒸汽越干燥。湿度：1kg湿蒸汽中含有饱和水的重量百分数称为湿度，以符号(1x)表示。1.7 水蒸汽的产生过程：水蒸气是电厂中
40、的主要工作物质，它是水在锅炉中进行定压加热产生的，如图1其形成过程是：如图2所示，取1kg 0水，装在带有活塞的汽缸中，设活塞上承受一个不变的压力p，此时水温低于压力p下的饱和温度，称之为未饱和水，它对应于坐标图上d点。对未饱和水加热，随着水的温度升高，其比容也增大，因水的膨胀性很小，故比容变化不明显。当水温升高到饱和温度时，水内部发生汽化，此时的水为饱和水，对应坐标图中b点。若对饱和水继续加热，汽缸中的水不断地变为蒸汽，使得汽量增加而水量减少。这时水和汽的温度都不变，仍然等于饱和温度，此时汽缸中的汽水混合物称为湿饱和蒸汽，对应于图中的x点。对湿蒸汽继续加热至某一瞬间，如图中c点所示，汽缸中最
41、后一滴水也变成了蒸汽，这种不含水分的饱和蒸汽称为干饱和蒸汽。对干饱和蒸汽继续加热，蒸汽温度高于相应压力下的饱和温度，此时的蒸汽称为过热蒸汽。对1kg水加热，直至其变为过热蒸汽所需要的热量，可采用过热蒸汽的焓减去未饱和水的焓求得，即：式中 q吸热量，kJ/kg；h过热蒸汽焓，kJ/kg；h0未饱和水焓，kJ/kg。图1 图1 水蒸汽定压形成过程的pv图图1 水蒸汽定压形成过程的Ts图1.8 热力循环、循环的热效率。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封闭变化过程叫做热力循环，简称循环。循环热效率：工质每完成一个循环所做的净功w和工质在循环中从高温热源吸收的热
42、量q的比值叫做循环热效率，即：循环的热效率说明了循环中热转变为功的程度，越高，说明工质从热源吸收的热量中转变为功的部分就越多，反之转变为功的部分越少。1.9 水击。水击，是指蒸汽或汽水混合物进入比其饱和温度低的水中产生蒸汽骤然凝结时发出敲击声并产生振动的现象。其物理过程是蒸汽或汽水混合物以一定的速度冲入冷水中形成许多汽泡，这些汽泡遇冷急剧凝结形成高真空，同时周围的水以很高的速度向真空区冲去，形成强烈的冲击，其局部压力可高达几十个兆帕(几百个大气压)，同时产生很大的响声和振动。1.10 节流。节流：工质在管道内流动时，由于流道截面积突然缩小，使工质的压力降低，流速增高，这种现象称为节流。2. 理
43、解：2.1 朗肯循环。朗肯循环是由蒸汽锅炉（省煤器、水冷壁、过热器）、汽轮机、凝汽器和给水泵组成。如下图：朗肯循环的工作过程：给水进入锅炉的省煤器、水冷壁定压下加热生成饱和蒸汽，然后在过热器中定压加热成过热蒸汽，其吸收的热量等于过热蒸汽的焓与给水的焓之差，即；过热蒸汽进入汽轮机绝热膨胀做功，在汽轮机中转变为膨胀功的热量等于过热蒸汽焓与乏汽焓之差，即；最后蒸汽排入凝汽器定压放热冷凝成水，放热量为。朗肯循环中有效热等于锅炉中吸收的热与在凝汽器中放出的热量之差，即：，凝结水焓与给水焓相等。这样朗肯循环效率为：式中 朗肯循环效率；1kg蒸汽在汽轮机中转变为功的热，也称焓降，kJ/kg；1kg蒸汽在锅炉
44、中定压吸收的热量，kJ/kg。朗肯循环效率等于汽轮机中转变为功的有用热与锅炉吸收的总热量之比。蒸汽参数对朗肯效率的影响：初温初压对效率的影响：由右边式子可知：在背压(乏汽压力)一定的情况下，其凝结水焓不变，提高锅炉的初始压力、温度后，过热蒸汽焓将提高，由下式可知，即：锅炉的吸热量随锅炉参数提高而增加；另一方面由于背压不变，则乏汽向冷凝汽排放的热量亦不变，因而 的比值将变小，显然，朗肯循环效率随蒸汽初参数的提高而提高，这就是随着锅炉的发展，蒸汽初参数不断提高的原因。2.2 卡诺循环的概念；卡诺循环是由等温吸热(12)、绝热膨胀(23)、等温放热(34)和绝热压缩(41)四个可逆过程组成的一个可逆
45、循环。从得出以下几点结论：(1)卡诺循环的热效率决定于热源温度T1，和冷源温度T2，而与工质性质无关，提高T1，降低T2，可以提高循环热效率。(2)卡诺循环热效率只能小于1，而不能等于1，因为要使T1=(无穷大)或T2=0(绝对零度)都是不可能的。也就是说，q2损失只能减少，而无法避免。(3)当T1=T2时，卡诺循环的热效率为零。也就是说，在没有温差的体系中，无法实现热能转变为机械能的热力循环，或者说，只有一个热源装置而无冷却装置的热机是无法实现的。2.3 热力学第零定律；热力学第一定律、热力学第二定律。5) 热力学第零定律若两个热力系分别与第三个热力系平衡时，那么，这两个热力系彼此也处于热平
46、衡。这是热力学的一个基本实验结果，称为热力学第零定律。热力学第零定律；说明一切系统必定有一个共同的表征宏观热状况的状态参数。对于所有处于热平衡的系统，该参数具有相同的数值，这个状态参数就是温度。热力学第零定律还指出了比较和测量温度的可能性。当比较两个热力系的温度时，不必将它们互相接触，而只要用第三个热力系分别与上述两个热力系接触，则可比较它们的温度，这第三个热力系就是测量温度的温度计。温度计的温度数值表示法称为温标。6) 热力学第一定律、热力学第二定律热力学第一定律和第二定律是热力工程上很重要的两个基本定律。在热力工程上，热力学第一定律主要是说明热能与机械能之间相互转换和总量守恒。表述为：“热可以变功(机械能)，功也可以变热，一定数量的热逍失，必产生一定数量的功；反之，一定数量的功消失，必产生与之对应的一定数量的热。热功之间的当量关系，用数学形式表达为：Q = W式中：Q热量；W表示功。m kg气体所做的功，单位用kJ表示，但功率的单位为W或kW。它们之间关系：1W=1J/s ； 1kW=1kJ/s。工程上习惯将功的单位用kWh表示，kWh与