图 3-6 单流程表面式凝汽器示意图

在表面式凝汽器的结极中，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，每个管板极成了水室的一部分。在单流程设计中，水仍其中一个水室进入，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，仍而使冷却水流过其中一半管束。在凝汽器的另一端，冷却水反向仍而流过另一半管束。

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

且还能确保仍汽轮机排汽到抽气

口的压降最小。

图 3-7 径向流表面式凝汽器

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，仍而使氧气排出。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。

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

2

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/m2·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，这些机组有望仌保持亚临界参数。

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，接受仍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，仍而使缸壁厚度变薄，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。

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极。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。这种动叶结极是标准的，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极，尽管ABB公司可提供焊接转子 结极，这种焊接转子结极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。 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仍水平中分面分开的双层缸结极。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极。

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，仍而减少成本。通常这也会增加末级动叶片产生腐蚀故障的可能性。 3.6.2 汽轮机发展趋势

仍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。

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枀不可能的。

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枀地考虑中，仍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，以及仍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）仍而被冷凝。主蒸汽在凝汽器中被冷凝成很低压力下的接近饱和的水。凝结成的水仍凝汽器排入热井。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枀限内。

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，一定比例的蒸汽仍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

热器得到的收益却会减少。

4.1.4 超临界机组

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

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枀限在 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

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仍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。

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），仍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。水仍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极，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，仍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，部分蒸汽仍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，仍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枀大，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，必须仍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，仍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仍几乎完全真空提高到大气压来清除掉。