动力工程课件

动力工程2/6/20231动力工程－热工基础课程的任务与主要内容课程的目的了解现代化发电厂的基本知识，为毕业后从事与电力行业相关的工作奠定基础。要求全面认识发电厂生产过程的各主要环节了解主要热力设备的工作原理、基本构造和一般运行知识，建立现代电厂的完整概念。课程的主要内容有关热力发电厂基本工作原理的热工基础理论知识、热力发电厂的基本运行知识、技术经济指标、热力设备特性、提高电厂经济性的途径、电力生产和环境保护及国际单位（SI）制等内容。2/6/20232动力工程－热工基础课程的主要内容绪论第一章工程热力学基础第二章传热学基础第三章锅炉设备第四章汽轮机第五章热力发电厂2/6/20233动力工程－热工基础绪论热能利用及在电力工业中的地位与作用中国电力工业发展概貌现代汽轮机发电厂的组成及生产过程2/6/20234动力工程－热工基础一、热能利用及其在电力工业中的地位与作用2/6/20235动力工程－热工基础自然界中蕴藏着丰富的能量，如：风力、水力、太阳能以及原子能等。按物质运动的形式不同，能量可相应地分为：机械能、热能、电能、化学能、辐射能（核能）等多种形式。2/6/20236动力工程－热工基础热能：是指组成物质的所有微粒作各种不规则热运动时的总能量。热能的利用直接：加热、采暖、蒸煮、烘干。间接：热能——机械能——电能2/6/20237动力工程－热工基础电能来源电能可以由自然界的各种一次能源转换而来：化石燃料、水力、核能、风能、太阳能、地热能、潮汐能等，其中以应用化石燃料（热力发电）、水力资源和原子能来发电占主要地位。2/6/20238动力工程－热工基础电能特点电能是最具生命力的优质洁净能源，它能很方便地转换成其他多种形式的能量，如：机械能、热能、化学能等。电能便于通过变压设备和电力输送线路，实现远距离输送而损失较少。电能在国民经济发展中占据着重要地位，电力工业的发展直接影响到国民经济的发展。2/6/20239动力工程－热工基础电力的大规模生产方式2/6/202310动力工程－热工基础2/6/202311动力工程－热工基础2/6/202312动力工程－热工基础不同发电方式的特点2/6/202313动力工程－热工基础热力发电特点：投资较少、建期较短、布局和规模灵活、可以既发电又供热；消耗大量燃料、发电成本高、技术管理较复杂、对环境有污染。水力发电特点：不消耗燃料、发电成本低、运行操作比较简单、对环境无污染；工程浩大、投资多、建期长、布局和规模受自然条件限制、发电能力在枯水季节将大幅度减小。2/6/202314动力工程－热工基础原子能发电特点：核燃料热值比煤的热值高出250万倍，因而核燃料的消耗量少，运输量小，发电成本低。污染小；初投资大，用于放射性污染的防护费用高2/6/202315动力工程－热工基础热力发电是我国电力工业中生产电能的主要方式之一2/6/202316动力工程－热工基础随着全球经济一体化进程的迅猛推进，环境问题的全球化和对发展中国家的影响日益突现。电力工业是一次能源消耗最大、水资源消耗和利用大、对环境产生重大影响的行业。而我国一次能源以煤炭为主，同时我国又是一个缺水国家，尤其是在北方(水资源已经成为制约电力发展的关键因素，甚至影响到国家总体能源战略)，环境污染相当严重，能源转换效率和利用效率低下。因此，环境与资源问题就是电力工业的可持续发展问题，环境与资源保护是电力发展的永恒主题。2/6/202317动力工程－热工基础二、中国电力工业发展概貌2/6/202318动力工程－热工基础1949年全国发电装机容量为185万kw，发电量为43亿kwh，人均用电量9kwh；1978年全国发电装机容量为5712万kw，发电量为2566亿kwh；2001年全国发电装机容量为3.3861亿kw，发电量为14839亿kwh。2011年，总装机容量为10.4亿kw，居世界第二。2/6/202319动力工程－热工基础2/6/202320动力工程－热工基础光绪三十一年（1905年）镇江大照电灯有限公司全景2/6/202321动力工程－热工基础中国年发电量居世界的位次时间195019571965197819801985199019952003位次251397654222/6/202322动力工程－热工基础历年电力装机和发电量的构成比（1981～2000）2/6/202323动力工程－热工基础2/6/202324动力工程－热工基础现代化的火电厂石洞口二厂2/6/202325动力工程－热工基础现代化的火电厂2/6/202326动力工程－热工基础现代化的火电厂D陡河电厂2/6/202327动力工程－热工基础现代化的火电厂哈三电厂2/6/202328动力工程－热工基础三、现代汽轮机发电厂的组成及生产过程现代热力发电厂的主要组成部分包括热力和电气两大部分，锅炉、汽轮机和发电机为发电厂的三大核心设备。2/6/202329动力工程－热工基础现代汽轮机发电厂的生产过程从能量转换的观点看，热力发电厂的基本过程是：

燃料的化学能热能机械能电能

（锅炉）（汽轮机）（发电机）2/6/202330动力工程－热工基础2/6/202331动力工程－热工基础2/6/202332动力工程－热工基础制粉及燃烧系统制粉系统煤皮带运送机原煤仓给煤机磨煤机粗粉分离器旋风分离器煤粉仓给粉机输粉管喷燃器炉膛2/6/202333动力工程－热工基础燃烧系统燃料在炉膛内燃烧，以辐射换热方式将热量传递给炉墙内壁四周的水冷壁内的介质；燃烧产物为高温烟气和灰渣。高温烟气：依次经过过热器、省煤器、空气预热器、除尘器、引风机、烟囱，排入大气。灰渣、飞灰：用水冲入冲渣沟和冲灰沟。

2/6/202334动力工程－热工基础汽水系统锅炉给水由给水箱给水泵高压回热加热器省煤器汽包下降管下联箱水冷壁管汽包过热器主蒸汽管汽轮机凝汽器热井凝结水泵低压回热加热器除氧器给水箱2/6/202335动力工程－热工基础冷却水系统

江河（或冷却水池）中的水吸水滤网循环水泵

冷却水进水管凝汽器冷却水出水管江河（或冷却水池）2/6/202336动力工程－热工基础火力发电厂生产过程教学录像2/6/202337动力工程－热工基础小结课程设置的目的及学习要求热能利用及其在电力工业中的地位与作用电力的大规模生产方式不同发电方式的特点中国电力工业的发展概貌现代汽轮机发电厂的组成及生产过程2/6/202338动力工程－热工基础本课程的主要内容绪论第一章工程热力学基础第二章传热学第三章锅炉设备第四章汽轮机第五章热力发电厂2/6/202339动力工程－热工基础第一章工程热力学基础2/6/202340动力工程－热工基础本章主要包括以下内容工质及其基本状态参数热力学第一定律稳定流动能量方程式与焓水蒸汽在定压下的形成过程水蒸汽图表及其应用水蒸汽的典型热力过程热力学第二定律朗肯循环2/6/202341动力工程－热工基础第一节

工程热力学的研究对象与任务2/6/202342动力工程－热工基础工程热力学是研究热现象的学科。工程热力学是热力学的一个分支，主要研究热能与机械能之间相互转换时的量与质的关系，着重研究热能转变为机械能的基本规律，并寻求进行这种转换的最有利的条件。工程热力学为人们正确理解发电厂中的能量转换过程，正确理解热力设备的原理等提供了必要的基础理论知识。2/6/202343动力工程－热工基础第二节

工质及其基本状态参数2/6/202344动力工程－热工基础工质是指参与热功转换的媒介物质。如：汽轮机是以水蒸汽作为工质的。2/6/202345动力工程－热工基础状态参数是描述工质在某一给定瞬间的物理特性的各个宏观物理量。基本状态参数—温度、压力、比容。2/6/202346动力工程－热工基础温度：表示物体冷热程度的物理量。热力学中，温度的测量采用热力学温度T），单位是开尔文（K）。T=t+273.15(K)温度计：测量温度的仪表。如：水银玻璃杆温度计热电偶温度计光学温度计，等。2/6/202347动力工程－热工基础压力(p)：大量分子对容器壁面频繁撞击的平均结果。以单位面积承受的力的大小来表示。压力的单位：Pa，kPa，MPa。(1Pa=1N/m2)非SI单位：mmHg、mmH2O、kgf/cm2等。压力的测量：当实际压力P高于当地大气压Pb时，压力测量表的读数为表压力Pg；当实际压力低于当地大气压时，压力测量表的读数为真空度Pv

。

P=Pb+Pg

P=Pb－Pv2/6/202348动力工程－热工基础0ppbpg0ppbpv2/6/202349动力工程－热工基础比容(v)：单位质量的工质所占有的容积。单位：m3/kg密度(ρ)：比容的倒数。单位容积内工质的质量。2/6/202350动力工程－热工基础热力学的几个概念热力系统：工程热力学中把所要研究的，为一定界面所包围的物质系统，称为热力系统。外界：热力系统以外的其它物体统称外界。开口系：与外界有物质交换的热力系。闭口系：与外界无物质交换的热力系。绝热系：与外界无热量交换的热力系。孤立系：与外界既无物质交换也无能量交换的热力系。平衡状态：在外界条件不变的情况下，即使经历较长时间，系统的宏观特性仍不发生变化，这种状态称为平衡状态。2/6/202351动力工程－热工基础第四节

热力学第一定律2/6/202352动力工程－热工基础热力学第一定律表述为：热可以变为功，功也可以变为热。一定量的热消失时，必产生数量与之相当的功；消耗一定量的功时，必产生数量与之相当的热。2/6/202353动力工程－热工基础热力学第一定律解析式：

q=△u+w

上式表明：加给工质的热量，一部分用来改变工质的内能，另一部分则用来使工质膨胀而对外作功。

注：该式仅适用于闭口系。2/6/202354动力工程－热工基础工质的内能内能是指工质在某种状态下内部所蕴藏的总能量，包括内动能和内势能。2/6/202355动力工程－热工基础工质的内能内动能分子运动的动能。工质内部分子运动的动能愈大，工质的温度愈高，即工质的内动能是温度T

的单值函数；内势能分子之间由于相互作用力而具有的能量。工质的内势能与工质的比容有关，是比容v

的函数。理想气体由于不存在内聚力，故内势能为零。工质的内能，决定于工质的热力学温度和比容，即：u=f(T,v)。这表明：工质内能的大小完全取决于它所处的热力学状态。理想气体的内能，是温度的单值函数。内能是一个工质的状态参数。2/6/202356动力工程－热工基础设气缸中盛有1kg气体，缸内装有一个无摩擦可移动的活塞，其截面积为f，若缸内气体压力为P，作用于活塞外测的力为Fout，且作用于活塞里侧的力Pf稍大于外侧的力Fout，则气体将发生膨胀而使活塞向右移动dx的距离。则缸内气体对活塞所作的功为：

当此1kg气体从状态1变化到状态2时，所作的膨胀功为：（J/kg）功与压容图功被定义为力及沿力方向所产生位移的乘积。膨胀功是气体体积变化而与外界交换的功。2/6/202357动力工程－热工基础功与热量在热力学研究工质的热功转换规律时：功是过程的函数；热量也是如此。作功与传热是能量传递的两种基本方式“功”是由压力差的作用而传递的能量；“热量”是由温差的作用而传递的能量。二者都是能量在传递过程中的度量，且可相互转换。2/6/202358动力工程－热工基础2/6/202359动力工程－热工基础功与压容图功在p-v图上可用过程线与v轴包围的面积表示。2/6/202360动力工程－热工基础热量与温熵图

热量是由温度差的作用而产生的能量。可逆过程中过程中的传热量可表示如下：由此得到熵的定义式：TdqdsTdsqTdsdqss===ò212/6/202361动力工程－热工基础p-v图和T-s图功可用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示；热量可用T-s图上过程线与s轴包围的面积表示，所以p-v图和T-s图是分析气体热力过程的能量变化的有力工具。在p-v图能够确定过程功的正或负；在T-s图上能够确定过程热量的正或负，对过程能量转换分析带来极大的方便。2/6/202362动力工程－热工基础第六节稳定流动能量方程式2/6/202363动力工程－热工基础稳定流动：工质的流动情况不随时间而变化，即工质在设备任何截面上的所有状态参数和流速的平均值不随时间而改变，而且在同一时刻流经任何截面的流量均相同。2/6/202364动力工程－热工基础稳定流动能量方程式

如图所示，1kg工质从1-1截面进入系统，从2-2截面流出系统。当该工质从1-1截面进入系统时，带入系统中的总能量为：该工质从2-2截面流出系统时，传出系统的总能量为：

2/6/202365动力工程－热工基础考虑到和，根据能量守恒与转换定律可得出下列方程式：可写成：

令：，则：2/6/202366动力工程－热工基础焓(h)：

h=u+pv(J/kg)

因为u、p、v

都是状态参数，所以焓也是状态参数。焓：代表着每kg工质沿流动方向往前传递的总能量中直接取决于热力状态的部分。2/6/202367动力工程－热工基础技术功（wt）：从热力设备中流出来的技术上可资利用的功量。

适用于闭口系

适用于开口系2/6/202368动力工程－热工基础流动功是开口系输出和输入的推动功的差，等于p2v2-p1v1，是开口系维持流动必须付出的代价。2/6/202369动力工程－热工基础在对闭口系列能量方程时，系统与外界交换的功应是膨胀功，在对压气机、燃气轮机、蒸汽轮机这样的开口系进行计算时的功应是技术功。2/6/202370动力工程－热工基础第七节水蒸汽在定压下的形成过程2/6/202371动力工程－热工基础水蒸汽在定压下的形成过程

未饱和水饱和水湿蒸汽干蒸汽过热蒸汽2/6/202372动力工程－热工基础水蒸汽的形成过程在p-v图和T-s图上的表示Mc——饱和水线；Nc——干饱和蒸汽线；

——液体热；——汽化潜热；

——过热热量；c——临界点

2/6/202373动力工程－热工基础过热度：过热蒸汽的温度t

超过相应于同一压力下的饱和温度ts

的数值。干度：湿蒸汽中所含干蒸汽的质量百分数。水的临界点参数：tc=374.15℃pc=22.129MPa

vc=0.00326m3/kg2/6/202374动力工程－热工基础第八节水蒸汽图表及其应用2/6/202375动力工程－热工基础水蒸汽表饱和水、干蒸汽、未饱和水、过热蒸汽可通过水蒸汽表直接查出。2/6/202376动力工程－热工基础2/6/202377动力工程－热工基础2/6/202378动力工程－热工基础2/6/202379动力工程－热工基础2/6/202380动力工程－热工基础湿蒸汽参数可按下式计算：2/6/202381动力工程－热工基础温熵图（T-s图）液体热

ql=h′汽化潜热r=h″-h′过热热量

qsu=h-h″所以：

h′=ql

h″=ql

+r

h=ql

+r+qsu温熵图上任一点的焓值都可以用通过该点的定压线、垂直线、纵坐标轴和横坐标轴这样四条线为界线的一块面积来表示。2/6/202382动力工程－热工基础焓熵图（h-s图）2/6/202383动力工程－热工基础第九节水蒸汽的典型热力过程2/6/202384动力工程－热工基础定压流动过程

工质在设备中进行定压流动时所吸入（或放出）的热量等于其焓的增加（或减小）。

绝热流动的作功过程

水蒸汽在绝热情况下流经汽轮机时乃是依靠它的焓降转变为技术功。

2/6/202385动力工程－热工基础通过喷管的绝热流动能量方程式：

工质流经喷管时，如果发生绝热膨胀，则其动能必将增大。2/6/202386动力工程－热工基础喷管的型式根据喷管截面形状的不同，喷管可分为两种型式：渐缩喷管和渐缩渐扩喷管。

渐缩喷管渐缩渐扩喷管（拉伐尔喷管）2/6/202387动力工程－热工基础喷管型式的选取：

当

p2/p1≥βc

时，采用渐缩喷管，喷管出口能获得亚音速或音速流动；当p2/p1＜βc

时，采用渐缩渐扩喷管，喷管出口能获得超音速流动，在最小界面处的流速理论上等于当地音速。

注：βc=pc/p12/6/202388动力工程－热工基础绝热节流节流：

流体在管道中流动时，如果流经阀门、挡板、孔板等障碍物，流体则产生涡流和摩擦，即产生局部阻力损失，因而引起压力显著下降，这种现象，称为节流。节流后

h2=h1p2＜p1s2＞s1工质通过孔板时的绝热节流2/6/202389动力工程－热工基础绝热节流后，工质的作功能力将下降。绝热节流在h-s图上表示2/6/202390动力工程－热工基础第十节热力学第二定律2/6/202391动力工程－热工基础热力学第二定律的表述克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。开尔文-浦朗克说法：任何发动机都不可能只从单一的热源吸热，并把它连续不断地转变为功。2/6/202392动力工程－热工基础循环及其热效率循环：工质从某一状态出发，经过一连串的状态变化，而重新回到原来的状态，工质所经历的这些热力过程的综合，称为热力循环，简称循环。若循环的膨胀功大于压缩功，则循环的效果是使热能在一定的条件下连续不断地转变为机械能，这种循环称为“正向循环”或“热力循环”。（如右图所示）每一个循环热机所作的净功为：2/6/202393动力工程－热工基础循环的热效率若工质经过一个循环，从高温热源吸收的热量为q1而向低温热源放出的热量为︱q2︱，则

根据热力学第一定律：则循环的热效率：

2/6/202394动力工程－热工基础卡诺循环卡诺循环是在一定温度界限内热效率最高的循环，它是由两个可逆的定温过程和两个可逆的绝热过程组成的。

1→2：定温吸热过程；

2→3：绝热膨胀作功过程；

3→4：定温放热过程；

4→1：绝热压缩过程。卡诺循环的热效率

2/6/202395动力工程－热工基础卡诺定理卡诺循环的热效率仅取决于热源温度T1和冷源温度T2而与工质的性质无关，T1愈高、T2愈低时，热效率愈高；任何热能动力装置的循环效率都不可能达到100%；当T2=T1时，卡诺循环的热效率等于零，这说明，只有单一热源的热力发动机是不可能存在的。2/6/202396动力工程－热工基础第十一节朗肯循环2/6/202397动力工程－热工基础简单蒸汽动力装置的理想可逆循环称为朗肯循环。朗肯循环的组成实现朗肯循环所需的热力设备包括：锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵等。2/6/202398动力工程－热工基础朗肯循环是由以下热力过程组成的：1—2：过热蒸汽在汽轮机内的绝热膨胀作功过程2—3：乏汽在凝汽器中的定压放热过程

3—4：凝结水在给水泵中的绝热压缩过程4—5—6—1：给水在省煤器、汽锅和过热器中定压吸热过程

2/6/202399动力工程－热工基础朗肯循环的热效率

则朗肯循环的热效率为：当p1≤10MPa时，水泵功可忽略不计，此时：2/6/2023100动力工程－热工基础提高朗肯循环热效率的途径提高初温、初压；降低背压。

朗肯循环由于工质的平均吸热温度比循环的最高温度低得多，因而其循环热效率低。火力发电厂都不直接采用上述简单的朗肯循环，而是采用平均吸热温度比较高的回热循环和再热循环。2/6/2023101动力工程－热工基础第二章传热学基础2/6/2023102动力工程－热工基础传热学是研究热能传递规律的学科。温差的存在，必然会引起热量从高温物体向低温物体进行传递。火电厂的生产过程，很多是和传热过程密切相联系的。热量传递的三种基本方式：导热(热传导)对流换热辐射换热第一节概述2/6/2023103动力工程－热工基础第二节导热2/6/2023104动力工程－热工基础傅立叶定律1822，傅立叶假定固体中热的传导率正比于温度梯度。傅立叶定律表示为：λ－导热系数，W/(m·℃)2/6/2023105动力工程－热工基础导热系数导热系数小于0.23W/(m.℃)的材料习惯上称为：“保温材料”或“绝热材料”2/6/2023106动力工程－热工基础导热系数2/6/2023107动力工程－热工基础第三节对流换热对流换热是指流动着的流体和固体壁面接触时，相互间的换热过程。这一过程既包括流体各部分因发生相对位移所引起的热量转移（对流作用），同时也包括流体分子之间的导热作用，其总的结果称为“对流换热”。如果没有流体的运动，则热量的传递将是“导热”2/6/2023108动力工程－热工基础两种对流热量转换形式强迫对流流体的流动是外力的驱动，如：泵或风机自然对流流体内的温差，导致流体的密度不同，冷流体（密度大）将下沉，热流体将上升。2/6/2023109动力工程－热工基础强迫对流换热例子2/6/2023110动力工程－热工基础自然对流换热例子（一）2/6/2023111动力工程－热工基础自然对流换热例子（二）2/6/2023112动力工程－热工基础自然对流换热例子（三）2/6/2023113动力工程－热工基础牛顿冷却定律对流换热量Q与换热表面积F以及固体壁面和流体之间的温度差(tw-tf

)成正比。即：a—对流换热系数，W