火力发电中的力学问题

§7．2　火力发电中的力学问题

到1990年，我国火力发电量占总发电量的80%，名列世界火力发电装机容量第三位，因此火力发电及相关设备，在我国能源工业中占有极其重要的地位．国家科技部在制定2000—2010年国家重点基础研究发展规划中，将“先进燃煤发电系统的优化综合”作为重点支持方向．这里面蕴藏着许多有待解决的重大力学问题，为了便于分析，先来简单看一下火力发电的流程．

煤炭经除硫碾磨后，以煤粉（燃油发电的是喷油雾）形式喷射到锅炉的燃烧室中，燃烧产生的热量加热锅炉水管中的水使之成为高压高温的饱和蒸气，这时蒸气温度与压力（T₀和P₀）称为热力循环的初参数．饱和蒸气经管道输运到汽轮机中，如图7－1所示，蒸气流过汽轮机一排排排列有序的叶片时，带动汽轮机转轴转动作功，实现蒸气热能向机械能转换．汽轮机轴与发电机的轴相互连接在一起，发电机转子在旋转过程中即实现了机械能向电能的转换．蒸气在汽轮机内通过如图7－2所示的多级叶片作功后，压力和温度逐渐下降，最后从汽轮机排出，此时称为排气压力P_e与排气温度Te．

显然，根据能量守恒定律，发电机发出的电能与压力差ΔP＝P₀－P_e及温度差ΔT＝T₀－T_e成正比．因此，要提高火力发电的效率，就必须设法降低排气压力与温度．目前采用的方法是用凝气器将热量交换给另一组水循环，由水循环将热量带到冷却塔，应用喷淋或风冷将热量散向周围大气环境．这是一种能量损失，称为冷源热损失，这一损失的大小是影响火力发电设备热效率高低的关键因素．

图7－1　汽轮机结构示意

图7－2　燃料火力发电原理示意

蒸气经冷却后变成循环水，由水泵再输入到锅炉，实现系统内的气水循环．循环水在进入锅炉前，往往应用汽轮机排气尾气对其加热，使其在进入锅炉前已具有较高温度．

因为成本与技术因素，T_e与P_e一般在室温室压左右，不可能再低．所以提高火力发电效率的一个重要途径就是提高P₀与T₀，因为在完成一次水气循环中冷源热损失基本上已确定，而ΔΡ和ΔT越大，则发电量越大，能量损失的比例也就相对较小，热—电转换的效率也就越高．但提高P₀，T₀遇到了许多力学问题．