第一篇 锅炉基础知识.doc

第一篇 基础知识第一章 金属材料基础知识模块1金属材料的性能模块2锅炉金属材料介绍第二章 流体力学模块1 流体概述模块2 流体动力学基础第三章 燃料及燃烧设备模块1燃料的基本知识模块2 煤粉燃烧设备第四章 传热学模块1 传热学基本概念模块2 热量传递的形式模块3 热力循环第五章 热工基础模块1热工计量常用仪表介绍模块2 锅炉常用热工设备模块3 锅炉自动控制及自动调节系统第六章电气基础知识模块1 与电气相关的几个基本概念第七章·DCS控制基础及原理、FSSS原理模块1 DCS控制系统基础知识模块2 锅炉炉膛监测保护系统FSSS简介第一篇 基础知识第一章 金属材料基础知识金属材料有碳钢、合金钢、有色金属、铸铁及其合金。其中应用最为广泛的是碳钢和合金钢。钢按用途来分，有结构钢（建筑及工程用钢或结构用钢，如锅炉中的钢结构等）、工具钢（各种量具、刃具、模具钢等）和特殊性能钢（耐热钢、不锈耐酸钢及电工用钢）；按质量来分则有普通钢、优质钢和高级优质钢三类；模块1金属材料性能一、金属材料的常规力学性能主要有以下几种：1、弹性极限 金属在力的作用下，形状发生变化，当力去除后，仍能恢复原状的能力称为弹性；随外力而消失的变形称为弹性变形。在拉伸试验中，试样未发生永久变形时单位面积所承受的最大力就为弹性极限e。2、强度 指金属材料抵抗变形和破坏的能力，即金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的性能，可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗扭强度等。工程上金属材料的主要强度性能指标是屈服极限s和抗拉强度b。金属材料在超过s的应力下工作，会使零件产生塑性变形；在超过b的应力下工作时，会引起零件的断裂破坏。b是试件被拉断前的最大负荷Pb与原横截面积F0之比，b= Pb/ F0，单位为Mpa。3、冲击韧性 金属材料抵抗瞬间冲击载荷的能力，一般用摆锤弯曲冲击试验来确定。4、硬度 指金属材料的软硬程度，反应金属材料抵抗压入物压陷能力的大小，是金属表面的局部区域抵抗塑性变形和破坏的能力，一般有洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度和肖氏硬度等几种试验方法。二、锅炉用钢的特殊性能锅炉常用金属材料在室温和高温下的特殊性质有以下几种：  1、断裂韧性 是指抵抗裂纹发生扩展的能力，由GB4161规定的断裂韧性试验来确定，主要用于评定较脆的材料；     2、断口形态脆性转变温度FATT 是指材料由韧性向脆性状态转化的温度，由系列冲击试验来确定。该温度可用来确定锅炉受压元件的水压试验的温度；     3、 无塑性转变温度NDT 是指在落锤试验时，材料刚好发生断裂的最高温度，由落锤试验来确定。该温度可用来确定锅炉受压元件的水压试验的温度；     4、 疲劳 是指长期承受交变载荷作用的零件，在发生断裂时的应力，远低于材料的屈服强度，这种现象叫疲劳。它可分为腐蚀疲劳与热疲劳。腐蚀疲劳：指在循环交变应力和腐蚀介质共同作用下产生的开裂与破坏；热疲劳：由于温度的循环变化，引起热应力的循环变化，并由此产生的疲劳破坏。若热应力长期工作中多次周期性地作用在材料上，将会引起塑性变形的积累，导致热疲劳裂纹的产生与扩展，使材料出现损伤破坏。其一般出现在金属零件的表面，成龟裂状。锅炉的减温器管、省煤器管、再热器管与水冷壁管等，都会由于温度的波动及起动、停炉等造成热疲劳损坏。主要的影响因素是部件本身的温度差。就钢来说，其高温组织稳定性越好，其抗热疲劳能力越高；钢的线膨胀系数愈大、导热系数愈小，就会造成较大的温度差和热应力而降低材料的抗热疲劳性能。珠光体钢的抗热疲劳性能高于奥氏体钢就是这个原因。此外热疲劳裂纹一般均属晶内破坏，故细晶钢具有更高的抗热疲劳性能。 5、疲劳强度 金属材料在无数次交变载荷作用下，不致引起断裂的最大应力叫做疲劳强度，用-1表示。   6、 蠕变及蠕变速度：在一定温度和应力作用下，随时间增加发生缓慢的塑性变形的现象称为蠕变。蠕变过程分为三个阶段：一段（变形逐渐减慢，称为减速阶段或不稳定阶段），二段（变形速度基本恒定，称为稳定阶段。此一线段倾角的正切表示蠕变速度），三段（蠕变加速，称为最后阶段）。当温度升高或应力增大，第二阶段会变短或消失。而蠕变极限则是指材料在一定温度下、在规定的持续时间之内，产生一定蠕变变形量或引起规定的蠕变速度。    7、持久强度：在高温和应力长期作用下抵抗断裂的能力，是指在一定温度和规定持续时间内引起断裂的最大应力值，以T t表示，其中T示温度（），t示时间（h）。火电厂的高温材料一般用T 105表示，即在T运行105h发生断裂应力值。由于许多钢在长期高温运行后，其塑性降低明显，此时尽管蠕变变形量未到达规定值，但材料却提前破坏，呈现出蠕变脆性现象，这是十分危险的。故锅炉钢管常以持久强度作为设计依据。对一定材料为常数，温度越高，寿命越短。因而超温运行会严重影响工件的寿命。8、持久塑性：通过持久强度试验，测量试样在断裂后的相对伸长率及断面收缩率，持久塑性是高温下材料运行的一个重要指标，它反映材料在高温及应力长时间作用下的塑性性能；一般要求持久塑性不得低于3-5%。    9、抗松驰稳定性：零件在高温和应力长期作用下，若维持总变形不变，零件的应力将随时间延长而逐渐降低的现象，它是弹性变形自动转成塑性变形的结果。对紧固件用钢来说，其抗松驰性能是一个重要的高温性能指标，一般以抗松驰稳定性（即材料抵抗松驰的能力称之）作为强度计算指标。   10、 抗氧化性：在高温工作下的钢材很容易与直接接触的介质发生化学反应，如锅炉过热器的外表面与烟气、主蒸汽管道外表面与空气等都会发生氧化反应，从而使金属表面产生化学腐蚀。高温时，当O2、CO2、H2O等汽体与金属表面接触发生氧化时，如果金属与氧形成的氧化膜能挥发或不能完整地覆盖在金属表面，则金属会继续被氧化；若氧化膜能象一层致密的保护膜一样覆盖在金属表面，则其可以防止金属被进一步氧化。铁的氧化物有三种，即FeO 、Fe3O4 、Fe2O3 。当温度在570以下时，碳钢材料表面上形成的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4 所组成，这种氧化物较致密，能强烈地防止原子扩散，故其具有一定的抗氧化性。当温度高于570时，形成的氧化膜由Fe2O3、Fe3O4 和FeO三层所组成，其厚度比例大致为1：10：100，此时的主要氧化物为FeO，这种氧化物不致密，其晶体结构简单，是铁原子缺位的固溶体，金属原子很容易通过空位进行扩散，因而破坏了整个氧化膜的强度，故其抗氧化性差。因此在温度高于570时，铁的氧化过程大大加速。提高钢的高温抗氧化性能的基本方法是合金化；对加入钢的中的合金元素应满足下列要求：（1）能在钢的表面形成一层稳定的合金氧化膜，以阻止铁与氧结合，为此合金元素的的离子应比铁离子小，比铁更容易氧化，（2）合金氧化膜应与铁基体结合紧密，不容易剥落。Al、 Si 、Cr三种元素均可满足上述要求。    Al、 Si的过多加入会影响钢的组织稳定性，故目前主要加入Cr来提高钢的抗氧化性能。要使钢具有足够的抗氧化性，温度越高，则所要加入的Cr量越多：在600-650间，约要5%的Cr；800时，约要12%的Cr；950时，约要20%的Cr；1100时，要28%的Cr。但大多数情况下一般不单独加Cr，应同时加入Cr和Al，Cr和 Si或Cr、Al、Si，这样一方面可以降低Cr的使用量，另一方面还可提高钢的热强性能。    高温下钢除了受到氧化外，还可能受到其它气体，如SO2 、SO3、H2S、H2等的作用，产生硫腐蚀、氢腐蚀以及应力腐蚀等高温腐蚀，如锅炉受热面管子在运行过程中，管壁直接与高温汽水、水和蒸汽接触，会产生腐蚀现象，引起管子过早破坏。象空气预热器等如在露天下工作，由于烟气中有SO2，还会产生低温腐蚀损坏。提高钢材抗高温腐蚀性能的措施仍是加入Cr、Al、Si等合金元素最为有效，这些元素加入后一方面形成致密氧化膜起保护作用，另一方面可提高钢的电极电位，使Fe离子不容易被拉走，材料也不易被腐蚀。如加入11.7% Cr，钢的电极电位就由负变成正，所以一般的不锈钢的含Cr量为12-13%。      11、热脆性：指钢在某一温度区间长期加热会导致其冲击韧性显著降低的现象。其可能的原因是在高温下沿原奥氏体晶界析出了一层碳化物或氮化物脆性网，如FeS或Cr7C3等。主要影响因素是钢的化学成分，含Cr、Mn、Ni等元素的钢的热脆倾向大，而加入Mo、W、V等会降低该脆性，在低合金钢中加入微量元素如B、Ti、Nb也可降低热脆性。模块2 锅炉金属材料介绍一、种类及特性用于制造锅炉的金属材料有如下种类：锅炉用钢板、锅炉用钢管、锅炉用锻件及圆钢；其它还有铸钢件、铸铁件、紧固零件及焊接材料等 1、汽包钢板 是锅炉的重要受压元件的材料。2、结构用钢板 主要用于制造钢结构，如炉顶板、平台扶梯、炉顶小室、地脚螺栓和腹板等，3、受热面钢管：是锅炉重要的受压元件材料。4、锻件：主要用于生产有关的锅筒吊杆、管板、盖板、管道法兰等件。5、铸钢件：锅炉铸件主要是阀门及管道附件。机组运行时铸件承受内压力、静应力，要求保证其有足够的强度和刚度；对高温下工作的铸件，还要求有高的持久强度和蠕变强度，以及良好的热疲劳性能和一定的抗氧化性。在温度较高和压力较大时，一般采用铸钢件。 6、 铸铁件：分为灰铸铁（HT150以上）、可锻铸铁（KTH300-06、KTH300-08、KTH300-10、KTH300-12）和球墨铸铁（QT400-18、QT450-10）三种。这三类铸铁的适用公称压力和介质温度基本上是逐渐升高，但压力不大于2.5MPa，温度不高于300。 7、紧固零件：螺栓和螺帽等件主要用于管道法兰、阀门等需要紧固连接的部件上，以保证机组运行时不漏气。处于较高温度下工作的紧固件，是在应力松弛的条件下工作的，工作时承受拉伸应力，有时也有弯曲应力；由于其失效将造成漏汽和停电等重大事故，影响机组安全运行，故对其用钢有如下要求：高的抗松弛性、高的屈服强度、一定的持久强度和蠕弯强度、高的持久塑性和小的蠕变脆性、具有一定的抗氧化性能。8、 焊接材料：焊接受压元件所作用的焊条应符合GB/T5117碳钢焊条二、锅炉各部件用钢介绍   1、 20g钢板 是锅炉上最常用的碳钢板。它有适当的强度和良好的塑性，还有良好的冶炼、制板、焊接、热处理和冷热成型等工艺性能。它的用途极广泛，主要用于工作温度450的中低压锅炉做锅筒及法兰、集箱端盖等件，但在大型锅炉中用量较少，主要用在压力较低的部位。2、受热面管用钢 锅炉钢管主要包括锅炉受热面管子如过热器、再热器、水冷壁管和蒸汽管道如集箱等。这些管子均在高温下承受内压条件下工作。锅炉受热面钢管在运行时，外部还受到高温烟气的作用。作为受压元件的锅炉钢管，它所受到的介质压力包括运行时的稳定不变的压力、启动停机或负荷波动时的变化压力等；除承受介质压力外，其还受到附加载荷如钢管自重、介质重量以及支撑等引起的应力，此外锅炉管还受到因壁厚温差产生的热应力及负荷波动时产生的周期性热应力。上面的各种载荷与高温及腐蚀介质同时作用于锅炉管上，使钢管经受复杂的载荷及环境工况。故对锅炉钢管有如下的要求：1）良好的综合力学性能：好的室温和高温力学性能，在工作温度较低时，钢材的屈服强度和抗拉强度还是确定许用应力的主要强度特性；由于锅炉钢管要进行大量的冷热加工，故要求有良好的塑性与韧性。2）足够的持久强度（反映材料的破坏问题，为锅炉高温强度计算的基础）、蠕变强度（反映材料的变形问题）和持久塑性（主要是防止材料产生蠕变脆性破坏）。    3）高的抗氧化性，良好的组织稳定性，良好的热加工工艺性（特别是可焊性）。    3、常用的锅炉管材1）20G：最常用的锅炉钢管用钢，该钢有一定的常温和中高温强度，含碳量较低，有较佳的塑性和韧性，其冷热成型和焊接性能良好。其主要用于制造高压和更高参数的锅炉管件，低温段的过热器、再热器，省煤器及水冷壁等；如小口径管做壁温500的受热面管子、以及水冷壁管、省煤器管等，大口径管做壁温450的蒸汽管道、集箱（省煤器、水冷壁、低温过热器和再热器联箱），介质温度450的管路附件等。2）SA-210C（25MnG）：锅炉和过热器用碳锰钢小口径管，珠光体型热强钢。该钢的生产工艺简单，冷热加工性能好。用其代替20G，可以减薄壁厚，降低材料用量，还可以改善锅炉的传热状况。其使用部位和使用温度与20G基本相同，主要用于工作温度低于500的水冷壁、省煤器、低温过热器等部件。3）15Mo3（15MoG）：此钢管主要用于低温过热器和低温再热器，使用壁温温度在510以下。4）SA-209T1a（20MoG）：此钢管主要用于水冷壁、过热器和再热器等部件，使用壁温温度在510以下。5）15CrMoG：在500-550具有较高的热强性。当温度超过550时，其热强性显著降低，其制管和焊接等工艺性能良好。主要用作为蒸汽参数550以下的高、中压蒸汽导管和联箱、管壁温度560以下的过热器管等。6）12Cr1MoVG：综合性能和热强性能优良，电站实际运行表明：12Cr1MoV主蒸汽管道在540安全运行10万h后，仍可继续使用。其大口径管主要用作蒸汽参数565以下的集箱、主蒸汽导管等，小口径管用于金属壁温580以下的锅炉受热面第二章 流体力学基础知识 模块1 流体概述承受任何微小切向应力都会发生连续变形的物质就称为流体。所有气体和绝大多数液体都是流体。通俗地理解，流体指的是在通常常态下易于流动的物体，即液体和气体，如水、空气等。液体分子间距较小，一般视为不可压缩流体。气体分子间距较大，受压力或温度变化将出现明显体积变化，因此称为可压缩流体。所有流体都视为由质点（即将流体当作有质量而不占体积的点）组成的连续介质，质点之间无间隙。相对质点尺寸来说，分子间距可视作无穷小。一、流体的基本特点1、流动性，即抗剪抗张能力都很小。2、无固定形状，随容器的形状而变化。 3、在外力作用下流体内部发生相对运动。 二、基本组成一是流体静力学（主要研究相对静止的流体的平衡规律）；二是流体动力学（主要研究流体的运动规律）。流体力学在生产部门中有着广泛的应用，它是水利、航空、造船、化工、冶金、动力机械、城市建设、环境工程等许多部门的重要基础之一。暖通与空调和燃气工程中，都是以流体作为工作介质，应用流体的物理特性、平衡与运动规律，将流体有效地组织起来加以应用的。 三、作用在流体上的力力是物体运动状态变化的重要外因，因此在研究流体的运动规律时，必须分析作用在流体上的力。作用在流体上的力按其作用形式不同，可以分为：表面力和质量力。1、表面力表面力是指作用于被研究流体表面上、与作用的表面面积成正比的力。表面力既可以是作用在流体边界上的外力（如液体自由表面上的外力，流体与固体交界面上的摩擦力、反作用力等），也可以是流体内部一部分流体作用于另一部分流体的交界面上的内力。表面力用单位面积上的切向分力（称为切应力或摩擦应力）和单位面积上的法向分力（称为压应力或正压强）来表示，如图1-1a所示。2、质量力质量力只作用在流体的每一质点上、与流体的质量成正比的力，如重力、惯性力（直线惯性力和离心惯性力）等。在均质流体中，质量力与受作用流体的体积成比例，因此又叫体积力。质量力如图1-1b所示 四、 流体的力学性质通常的经验告诉我们，流体不能抵抗拉伸，即流体不能产生连续的伸长变形，也就是流体不能承受拉力，只要就哪怕是极小的拉力作用到流体上，就会将流体“拉断”；流体也不能承受切力，只要有哪怕是极小的切力作用到流体上，静止的流体质点间就会产生相对运动而形成流动（该性质称为流体的流动性）。因此说，流体不能承受拉力和切力，正因为如此，才形成了流体区别于固体的基本特征：流体的流动性。而另一方面，我们也会体会到，流体能承受较大的压力，如压缩空气、钢瓶内的压缩氧气、液压设备中的液体等都能承受相当大的压力。五、流体的运动特点：1、流体形状与流动是由约束它的边界形状所决定的，因此，流体运动的边界条件对流体的运动是重要的影响外因；2、流体的运动与流体的变形联系在一起，而变形又与其力学性质密切相关，因此，流体的力学性质对流体运动是直接影响的内因，不同力学性质的流体，即使其边界条件相同也会产生不同的运动。所以，要研究流体力学问题，首先必须了解流体的主要力学性质，即密度、容重、压缩性和热胀性及粘滞性等。六、液体的力学性质和任何物质一样，流体具有质量和重量。流体的质量特性（又称为惯性）常以密度表示，而流体的重力特性（即流体所受的地球引力特性）常用容重表示。1、密度 流体的密度就是单位体积流体所具有的质量，用表示，国际单位为kg/m3。如果流体中任意点上的密度都相同，则该流体称为均质流体。均质流体的密度可表示为：式中 m流体的质量，kg；V质量为m的流体所占的体积，m3。2、容重 流体的容重是指单位体积流体所受到的引力，用表示，国际单位为N/m3。均质流体的容重可表示为：式中 G流体所受到的引力（或称重力），N；V重力为G的流体体积，m3。在地球引力场中，密度与容重有以下关系：这个关系对均质与非均质流体都适用。但需要注意，密度与海拔位置无关，容重由于与重力加速度g有关而随海拔位置不同而不同。3、 压缩性和热胀性流体的压缩性指的是在温度一定的条件下，流体受压时体积减小、密度增大的性质；而流体的热胀性指的是在一定压力下，流体受热时体积增大、密度减小的性质。1）液体的压缩性和热胀性 液体的压缩性以压缩系数表示，反映了压强每增加1Pa（帕斯卡）时，液体体积或密度的相对变化率液体的热胀性一般用热胀系数来表示，它反映了温度每增加1度（或K）时，液体体积或密度的相对变化率，温度变化与密度的变化呈反变关系。温度越高，则液体的热胀性就越大。 2）气体的压缩性和热胀性 等温情况下，气体的密度与压强成正比。当压强增加到使气体密度增大到该极限值时，即使再增大压强，气体的密度将不再增加。对应极限密度下的压强称为极限压强（气体的临界压强）。气体在压强不变（即定压）时，密度与温度的关系：定压时，气体的密度与温度成反比，即温度增加一倍，密度减小一倍、体积增大一倍。4、粘滞性流体在流动时，流体内部相邻两层流体间会产生相对运动（如在管内流动的水，贴管壁的水流速为零，而管中心处的流速最大，二者间存在速度差即存在相对运动），而流体会产生一种阻碍该相对运动的力内摩擦力。流体所具有的这种能抵抗两层流体间产生相对运动的性质，或简化为流体抵抗变形的性质，就称为粘滞性。七、流体的压强与基本方程在静止或相对静止状态下的流体，不存在相对运动，因此无论流体的粘滞性多大，流体内均不存在切力。根据前面的知识又知道，流体不能承受拉力，因此静止的流体中只存在压力和质量力的作用。在只受重力作用的静止流体中，压力在空间的分布规律及其在工程中的实际应用就是流体静力学的主要任务。1、 流体静压强及其特性单位面积上所受到的垂直作用力，称为压强。静止流体中某点的压强就称为该点的静压强。压强的国际单位是N/m2，又称为帕斯卡，用Pa表示。工程上常用的压强计量单位有三种：1）压力单位 即用单位面积上的力来表示压强的大小。除国际单位制中用的N/m2即Pa外，还有kPa、MPa等。在工程单位制中则有kgf/m2或kgf/cm2。2）液柱单位 压强可用液柱高度表示，将液柱高度乘以液体的容重即获得压强值。常用的液柱高度为水柱高度或汞柱高度，其单位为mH2O（米水柱），mmH2O（毫米水柱）和mmHg（毫米汞柱）等。3）大气压单位 压强的大小也常用大气压的倍数来表示。由于大气压随当地海拔高度和气候的变化而有差异。为了统一，国际上规定，一个标准大气压为：1atm=N/m2=1.033kgf/cm2工程上为计算方便，一般不用标准大气压，而用工程大气压：1at=1kgf/cm2=98070N/m22、流体静压强有以下两个基本特性：1）流体静压强的方向与作用面垂直，并指向作用面；2）流体中任意一点各方向的静压强大小相等，与作用面的方位无关。3、压强的表示 绝对压强、相对压强和真空度根据所采用的度量基准不同，压强可以用绝对压强和相对压强来表示。以没有分子存在的绝对真空为零点起算的压强称为绝对压强，以表示。可见绝对压强就是流体分子作用于作用面上的实际压强。如以当地大气压作为零点起算，则该压强称为相对压强，用p表示。绝对压强、相对压强和大气压之间的关系为： 当流体中某点的绝对压强小于当地大气压时，称该点处于真空状态。真空的程度用真空度来表示，符号为pv。对于真空容器而言，由上式可知其相对压强必为负值。而真空度是指绝对压强值低于大气压强的部分，是一个大于零的量（等于零时表示其绝对压强等于当地大气压，已不构成真空），用数学式表示为： 比较两方程可知，对于处于真空状态的流体而言，流体中某点的相对压强的绝对值即为对应的真空度，即真空状态下的相对压强与真空度是相反数。绝对压强、相对压强和真空度之间的关系。由图可知，绝对压强只能是正值，而相对压强可正可负，真空度也只能是正值；当相对压强为正时，称为正压，反之则称为负压。 (a) (b)(a)文字表示 (b)符号表示 绝对压强的最小值为零，此时达到了完全真空，因此理论上真空度的最大值为当地大气压。但实际上，当压强降低到液体的饱和蒸气压时，液体就会迅速气化而使压强不再降低，因此最大真空度不能超过当地大气压与液体饱和蒸气压的差值。一般工业设备等都处于当地大气压作用下，如果用绝对压强计算，则还需要考虑外界大气压的作用，而这个作用往往是相互抵消的；如采用相对压强，则只需考虑流体的作用，计算比较方便。所有工程上对不可压缩流体，一般采用相对压强。液柱式测压计（测量压强的仪器称为测压计）的测量原理就是以流体静力学基本方程为依据的，它用液柱高度或液柱高度差来测量流体的静压强或压强差。常见的液柱式测压计有测压管、U形管测压计、U形管差压计、倾斜微压计。模块2 流体动力学基础流体运动学研究流体的运动规律，如速度、加速度等运动参数的变化规律，而流体动力学则研究流体在外力作用下的运动规律，即流体的运动参数与所受力之间的关系。本章主要介绍流体运动学和流体动力学的基本知识，推导出流体动力学中的几个重要的基本方程：连续性方程、动量方程和能量方程，这些方程是分析流体流动问题的基础。一、流体运动的一些基本概念 1、流体运动的分类按与时间关系分类，可将流体的流动分为定常流动和非定常流动按运动形式分类流体的运动可分为层流流动和紊流流动，亚音速流动和超音速流动等。2、流量和平均流速单位时间内通过有效截面的流体体积称为体积流量，以qv表示。其单位为m3/s、m3/h等。单位时间内通过有效截面的流体质量称为质量流量,以qm表示，其单位为kg/s、t/h等。在工程计算中为了方便起见，引入平均流速的概念。平均流速是一个假想的流速，即假定在有效截面上各点都以相同的平均流速流过，这时通过该有效截面上的体积流量仍与各点以真实流速流动时所得到的体积流量相同。3、黏性流体的流动形态1）雷诺实验 实验表明：在不同条件下，流体有层流和紊流两种运动状态，并且形成不同的水头损失。水在毛细管和岩石缝隙中的流动，重油在管道中的流动，多处于层流运动状态，而实际工程中，水在管道（或水渠）中的流动，空气在管道中的流动，大多是紊流运动。2）流动状态判别准则雷诺数，实际工程中，圆管内流体流动=2000，即， Re<2000为层流 Re>2000为紊流。因此流体流动形态分为层流和紊流。 3）流体流动时的阻力损失分为：（1）沿程阻力损失：流体流经直管段过程中产生的阻力损失。（2）局部阻力损失：流体流过管道的弯头产生的阻力损失。4、流体流动时的特殊现象-水击现象研究水击时要考虑的因素：流体的压缩性；管壁的变形。1）水击：在有压管路中流动的液体，由于某种外界原因（如阀门突然关闭、水泵或水轮机组突然停车等），使得液体流速发生突然变化，并由于液体的惯性作用，引起压强急剧升高和降低的交替变化，这种现象称为。升压和降压交替进行时，对于管壁和阀门的作用如同锤击一样，因此水击也称为水锤。2）水击的危害：轻微时引起噪声和管路振动；严重时则造成阀门损坏，管路接头断开，甚至引起管路的爆裂。水击引起的压强降低，使管内形成真空，有可能使管路扁缩而损坏。3）水击危害的预防预防水击所造成的危害，常用如下几种方法：（1）延长阀门关闭时间（2）缩短管路长度l，在管路系统 的适当位置装设蓄能器（空气罐或安全阀）；在管路上装设调压塔。水击的利用：例如，水击泵便是利用水击原理设计的一种无动力扬水设备，这种设备对于无动力和电源的地方是很方便的。第三章 燃料及成份对锅炉设备的影响模块1 燃料基本知识一、概述煤碳的生成是古代大量植物的遗体经过复杂的生物化学和物理化学的作用，转变为煤，这个过程称为成煤作用。成煤作用分为两个阶段：第一阶段低等植物形成腐泥，高等植物形成泥炭。 第二阶段泥炭和腐泥长期受高温、高压作用形成煤，这一阶段也叫煤化阶段。二、 煤的分类1、无烟煤：钢灰色，煤化程度最高，Vdaf 10%，Cdaf高达90%。无烟煤的特点是：挥发分低，硬度较大，着火点高，燃烧时多不冒烟。2、烟煤： 多为黑色，包括贫煤、贫瘦煤、弱粘结煤、不粘结煤、长焰煤等。3、褐煤： 年轻的为褐色，年老的为黑褐色，变质程度最低，含水量高达45%，Vdaf高达37%，发热量较低，一般在1000017000KJ/kg之间，硬度低，易破碎，灰熔点低。固体燃料和液体燃料由碳(C) 、氢( H)、硫( S)、氧( O)、氮( N)、灰分( A) 和水分(W) 组成, 但燃料不是这些成分的机械混合, 而是一种极为复杂的化合物。燃料的这种组合表示法称为元素分析成分。 气体燃料成分是指组成燃料气体的每一种气体, 如: CO2 、CO、H2 、N2 、O2 、CH4 、C2H6 、C4 H1 0 等。下面介绍一下煤的化学成分及分析。三、 煤的成分及其性质1、煤的化学分析（1） 碳(C)碳是煤中的主要可燃成分。1 kg 纯碳完全燃烧可放出33 700 kJ 的热量, 是提供热量的主要成分, 碳完全燃烧后的生成物是二氧化碳(CO2 )。（2） 氢( H)氢是煤中另一种可燃成分。1 kg 的氢完全燃烧可放出125 600 kJ 的热量, 燃烧生成物是水蒸气。（3） 硫(S)它在煤中以三种形态存在。煤中的硫一般可分为有机硫( 硫的化合物)、黄铁矿(二硫化铁) 和硫酸盐。前两种形态的硫可以燃烧。1 kg 的硫完全燃烧可以放出9 211 kJ 的热量。硫在燃烧后的主要生成物是二氧化硫( SO2 ) 或三氧化硫( SO3 )。当烟温低于露点时, SO2及SO3 与烟气中的水分合成亚硫酸( H2 SO3 ) 和硫酸( H2 SO4 ) , 对锅炉尾部受热面起腐蚀作用。硫虽然可以燃烧放出一定热量, 但它是煤中的有害元素。煤中的含硫量超过0 . 5%时, 燃用中必须进行脱硫, 目前最常用的简便方法是在煤中加入一定数量的石灰(CaO) ,它可以减轻硫的影响。（4） 氧( O)它与其他元素以化合物( 氧化物) 形式存在于煤中。它不燃烧, 分离出来的少量氧仅起助燃作用。因煤中的含氧量很少, 故对燃烧影响不大。（5）氮( N)氮是不燃烧的气体, 在煤中的含量不多。它在燃烧过程中随烟气一同排出, 对燃烧的影响很小, 只增加排烟热损失, 但是氮在燃烧时, 形成一氧化氮( NO) , 污染大气。（6）灰分( A)灰分是燃料中不燃烧的固体矿物杂质, 它是在燃料形成、开采及运输中掺入到燃料中的。（7） 水分(W)水分是燃料中的有害成分, 它吸收燃料燃烧时放出的热量而汽化, 因而直接降低燃料放出的热量。但在固体燃料中, 保持适当的水分, 特别是固定炉排或链条炉排, 对燃料的燃烧则有一定的好处, 主要体现在少量的水会使碎煤粉黏结在一起, 使煤粉颗粒化, 有利于通风, 同时也减少了飞灰中的含碳量。一般要求煤中的含水率控制在7%10%。2、煤的工业分析煤的工业分析是测定煤的水分(W)、挥发分( V)、固定碳(C) 和灰分( A) 的含量以及燃料的发热量(Q ) , 用以表明煤的燃烧特性。将原煤试样放在干燥的空气中自然风干后, 再放在烘箱中, 在102105 的温度下干燥, 煤样所失去的质量与原煤样质量的百分比, 称为该种煤的水分。把失去全部水分的煤样在隔绝空气的条件下继续加热到850 , 恒温7 min , 这时放出来的气态可燃物质称为挥发分。煤样由于这种挥发物所失去的质量占原煤样质量的百分比,称为这种煤的挥发分, 用符号V 表示。一般碳化程度浅的煤, 挥发分含量多, 随着煤的碳化程度加深, 挥发分含量逐渐减少。挥发分主要是氢和碳或碳和氧的气体化合物, 它极易着火燃烧, 所以含挥发分多的煤容易着火, 燃烧速度快, 易于完全燃烧。挥发分是煤炭分类的重要依据, 对煤的燃烧过程有很大的影响, 挥发分高、着火温度低的煤容易引燃, 而且挥发分析出后, 其焦炭的孔隙也大,增加了与空气接触的面积, 易于完全燃烧。挥发分低的煤, 着火温度高, 不易引燃, 也不易完全燃烧。煤样除去水分和挥发分后, 剩余的固体物质称为焦炭, 它包括固定碳和灰分两部分。将焦炭放入高温电炉内加热到800左右灼烧, 到质量不再变化时取出来冷却, 这时焦炭所失去的质量就是固定碳的质量, 剩余部分则是灰分的质量, 二者各占原煤样质量的百分比, 就是煤中固定碳和灰分的含量。煤的黏结性是煤的重要特性之一, 燃烧后焦渣是粉末状的为不黏结性煤; 焦渣是松散状的为弱黏结性煤; 焦渣量少、块不碎的为黏结性煤; 焦渣呈硬块状, 且有光泽的为强黏结性煤。层燃炉不适应弱黏结性煤和强黏结性煤的燃烧。煤的灰熔点与锅炉结渣也有密切关系。灰的熔点过低, 容易引起锅炉受热面结渣, 影响正常传热。灰熔点与灰的成分有关, 多成分的灰没有明确的熔化温度, 煤的灰熔点用t1 、t2 、t3 三个特征温度表示。灰熔点用角锥法测得。将煤灰粉末制成底边为7 mm、高20 mm的三角灰锥放入高温电炉内逐渐加温, 灰锥尖端开始变圆或开始弯曲时的温度称为变形温度t1 , 如图a 所示; 灰锥尖端弯曲到与底盘接触或呈半球形时的温度称为软化温度t2 , 如图b 所示; 灰锥熔化成液态时的温度称为熔化温度t3 , 如图c所示。煤的灰熔过程a ) 变形温度时的状态b) 软化温度时的状态c ) 熔化温度时的状态为了避免烟气中所含的灰分在对流管束中结渣, 炉膛出口的烟气温度要比t2 低50100。燃料的发热量是指1 kg 燃料( 气体燃料用标准状态下1 m3 ) 完全燃烧时所放出的热量，单位是kJ/ kg ( kJ/ m3 )。我国规定标准煤的发热量为29 308 kJ/ kg。通常用氧弹测热计来测定固体和液体燃料的发热量。燃料的发热量分高位发热量和低位发热量。燃料燃烧时, 所有的水分都要吸收热量汽化成蒸汽, 而这部分热量在锅炉中随烟气排出而无法利用, 因此燃料放出的热量中应扣除这部分。包括这部分热量的称为高位发热量, 不包括这部分热量的称为低位发热量。锅炉一般都采用低位发热量来计算耗煤量和热效率。3、常用的燃料基准，项目符号及单位1、常用的四种燃料基准：根据燃料的存在状态或根据需要而规定的成分组合，称为基准。收到基（ar）以收到状态的煤为基准来表示煤中各种成分的百分含量；空气干燥基（ad）以空气干燥状态的煤为基准来表示煤中各种成分的百分含量；干燥基（d）以假想的无水状态的煤为基准来表示煤中各种成分的百分含量；干燥无灰基（daf）以假想的无水、无灰状态的煤为基准来表示煤中各种成分的百分含量（又称可燃基）。不同基准之间可以相互换算。模块2 工业分析成份对锅炉设备运行的影响1、水分对锅炉设备运行的影响（1）水分存在使煤中可燃物质的含量相对减少，降低了发热量，且水分受热汽化时要消耗大量的热，导致炉膛温度降低（1kg水汽化要消耗2300KJ的热量）。（2）当全水分超过12%时，则会威胁到输煤系统的安全运行，堵塞输煤管和原煤仓等。（3）煤中水分白耗了运输能力，提高了煤炭运价。2、煤中灰分对锅炉设备运行的影响:（1）灰分越高，煤的发热量越低。（2）灰分增加，煤粉着火困难，易使锅炉灭火。（3）多灰分的煤还会增加锅炉受热面的污染、积灰，降低了热能的利用。（4）燃用多灰分的煤，灰、渣量会大大增加，严重污染环境，还增加拉运灰、渣的费用。3、煤中挥发分对锅炉设备运行的影响挥发分高的煤易着火，火焰大，燃烧稳定，但火焰温度较低，相反，挥发分低的煤不易点燃，燃烧不稳定，化学不完全燃烧热损失和机械不完全燃烧热损失相对较大，严重的甚至还能引起锅炉灭火。4、煤中硫对锅炉设备运行的影响硫也是煤中的有害杂质，锅炉燃用高硫煤会产生以下不良后果：（1）引起锅炉高、低温受热面的腐蚀，如造成空气预热器腐蚀穿孔；（2）加速磨煤机钢球及输煤管道的磨损（黄铁矿硬度较大）。（3）煤中黄铁矿容易氧化放热，从而促进煤的氧化自燃。（4）增加大气污染，煤中硫燃烧后主要形成二氧化硫，遇水形成“酸雨”，污染环境。现在大机组锅炉都安装了烟气脱硫装置，对大气的污染少了，但是还会对锅炉烟道造成腐蚀。5、灰熔点高低对锅炉设备运行的影响:煤灰的熔融性常用三个特征温度来表示，即变形温度、软化温度和流动温度，煤灰的熔融性温度与炉膛结渣有直接关系，对于煤粉炉，煤灰的软化温度低于1350，就有可能造成炉膛结渣。（运行调节不当也是造成锅炉结渣的重要原因） 第四章 传热学模块1 传热学基本概念一、 物质的形态：物质的形态有固态(也称固体)、液态(液体)和气态(气体)。在一定的条件下，它们之间可以互相转变。水随着温度的变化，会呈现液态(水)、气态(水蒸气)和固态(冰、霜、雪)三种形态，它们之间互相转变的关系，如图所示。 图11 水的三态变化二、 物质的状态参数1、压力水蒸气的定压发生过程 ：未饱和水 饱和水湿饱和蒸汽干饱和水蒸汽 t 过热水蒸汽。过热度 D = t- t s 水蒸气发生过程中的能量关系 ：水蒸气定压发生过程的三个阶段： 水的预热过程未饱和水饱和水 水的汽化过程饱和水干饱和水蒸气； 水蒸气的过热过程饱和水蒸气（过热水蒸气(t)。 水的预热过程使未饱和水升高到饱和温度干饱和水蒸气所需的热量，称为水的液体热。水的定压汽化过程中，1kg饱和水汽化成为干饱和水蒸气所需的热量称为汽化潜热。汽化过程的压力越高，汽化潜热的数值越小。在临界压力下，汽化潜热为零。水的定压加热过程中，1kg干饱和蒸汽成为过热蒸气过程中所吸收的热量称为过热热