能源動(dòng)力設(shè)備設(shè)計(jì)

第一篇能源動(dòng)力設(shè)備概述1

第一章注汽鍋爐

第一節(jié)鍋爐工作過程1

第二節(jié)鍋爐系統(tǒng)及組成部件2

第三節(jié)鍋爐容量、參數(shù)及型號表示5

第四節(jié)油田注汽鍋爐的節(jié)能技術(shù)研究進(jìn)展9

第五節(jié)注汽鍋爐在油田中的應(yīng)用與發(fā)展12

第六節(jié)注汽鍋爐的其他爐型15

參考文獻(xiàn)23

第二章?lián)Q熱器

第一節(jié)傳熱過程在石化行業(yè)中的應(yīng)用24

第二節(jié)石化行業(yè)的典型換熱過程25

第三節(jié)石化行業(yè)常用的換熱方法26

第四節(jié)傳熱過程的基本計(jì)算方程27

第五節(jié)換熱器的分類、結(jié)構(gòu)及特性30

第六節(jié)換熱器傳熱過程的強(qiáng)化40

參考文獻(xiàn)42

第三章汽輪機(jī)

第一節(jié)汽輪機(jī)的分類和型號表示44

第二節(jié)汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)45

第三節(jié)汽輪機(jī)的工作過程60

第四節(jié)汽輪機(jī)排汽余熱的回收利用65

參考文獻(xiàn)66

第四章能源動(dòng)力設(shè)備的評價(jià)指標(biāo)

參考文獻(xiàn)68

第二篇鍋爐與換熱器熱力計(jì)算69

第五章鍋爐熱力計(jì)算概述

參考文獻(xiàn)84

第六章輔助計(jì)算

第一節(jié)鍋爐燃料的燃燒計(jì)算85

第二節(jié)鍋爐熱平衡與燃料消耗量計(jì)算88

參考文獻(xiàn)91

第七章煤粉鍋爐熱力計(jì)算

第一節(jié)爐膛熱力計(jì)算92

第二節(jié)半輻射受熱面（換熱器）熱力計(jì)算98

第三節(jié)對流受熱面（換熱器）熱力計(jì)算102

參考文獻(xiàn)107

第八章循環(huán)流化床鍋爐熱力計(jì)算

第一節(jié)燃燒脫硫計(jì)算108

第二節(jié)鍋爐熱平衡及石灰石和燃料消耗量111

第三節(jié)CFB鍋爐熱力計(jì)算113

參考文獻(xiàn)118

第九章燃油-氣鍋爐熱力計(jì)算

參考文獻(xiàn)125

第十章富氧燃燒鍋爐熱力計(jì)算

第一節(jié)富氧燃燒簡介126

第二節(jié)燃燒氣及循環(huán)煙氣體積計(jì)算130

第三節(jié)熱平衡及燃料消耗量計(jì)算133

第四節(jié)爐膛的熱力計(jì)算137

參考文獻(xiàn)143

第十一章鍋爐整體熱量平衡的校核

參考文獻(xiàn)145

第十二章鍋爐熱力計(jì)算的計(jì)算機(jī)算法

參考文獻(xiàn)165

第十三章鍋爐課程設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

第一節(jié)600MW超臨界壓力煤粉鍋爐熱力計(jì)算166

第二節(jié)130t/h循環(huán)流化床鍋爐熱力計(jì)算208

第三節(jié)1t/h燃油-氣鍋爐熱力計(jì)算223

參考文獻(xiàn)229

第三篇汽輪機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書230

第十四章汽輪機(jī)熱力設(shè)計(jì)

第一節(jié)汽輪機(jī)熱力計(jì)算內(nèi)容與方法230

第二節(jié)多級汽輪機(jī)熱力計(jì)算一般原則232

第三節(jié)多級汽輪機(jī)初步熱力設(shè)計(jì)一般程序234

參考文獻(xiàn)248

第十五章汽輪機(jī)熱力計(jì)算實(shí)例

第一節(jié)汽輪機(jī)熱力設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例249

第二節(jié)汽輪機(jī)熱力校核計(jì)算實(shí)例254

參考文獻(xiàn)267

附錄線算圖 2100433B

本書以石油工業(yè)節(jié)能減排為主線，突出科學(xué)性、先進(jìn)性、實(shí)用性，計(jì)算實(shí)例豐富，通俗易懂。

本書共分十五章，著重介紹多種型式的鍋爐及換熱器（受熱面）的熱力計(jì)算過程，并輔之以多種節(jié)能減排式爐型如煤粉鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐、燃油-氣鍋爐熱力計(jì)算實(shí)例，還有節(jié)能效果顯著的燃燒新技術(shù)富氧燃燒鍋爐的引入；同時(shí)加入了簡單易懂的Excel程序和Visual Basic(VB)語言自行編制的計(jì)算程序以簡化煩瑣的人工計(jì)算過程；介紹了汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核計(jì)算的詳細(xì)過程，輔以多級汽輪機(jī)的熱力設(shè)計(jì)、變工況下汽輪機(jī)的熱力校核計(jì)算實(shí)例。

本書可供能源動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員參考使用，也可作為普通高等院校本科能源動(dòng)力類專業(yè)學(xué)生能源動(dòng)力設(shè)備設(shè)計(jì)教材。

能源動(dòng)力與資源工程專業(yè)是北京大學(xué)在國內(nèi)首家自主設(shè)立的碩士和博士研究生專業(yè)，目前主要研究方向包括：水資源利用、油氣田開發(fā)、能源動(dòng)力、新型能源、資源高效與循環(huán)利用等。2011年，北大工學(xué)院進(jìn)一步凝練了研究方向，能源動(dòng)力與資源工程專業(yè)碩士點(diǎn)/博士點(diǎn)研究方向：

01 資源循環(huán)科學(xué)與工程

02 水資源科學(xué)與工程

03 清潔能源科學(xué)與工程

04 能源與資源生物工程

能源動(dòng)力學(xué)新的挑戰(zhàn)

能源動(dòng)力工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)與國防建設(shè)的重要基礎(chǔ)和支柱型產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是涉及多個(gè)領(lǐng)域高新技術(shù)的集成產(chǎn)業(yè)，在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會發(fā)展中一直起著極其重要的作用。隨著我國各個(gè)方面改革的深化發(fā)展，包括市場經(jīng)濟(jì)的逐步建立、國有大中型企業(yè)機(jī)制的轉(zhuǎn)換、加入WTO后面臨的挑戰(zhàn)，以及能源動(dòng)力領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，并考慮到我國核科技工業(yè)“十一五”以及到2020年發(fā)展所面臨的形勢與任務(wù)，我國能源動(dòng)力類以及核相關(guān)專業(yè)人才的培養(yǎng)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

能源動(dòng)力學(xué)可持續(xù)發(fā)展

能源動(dòng)力及環(huán)境是世界各國所面臨的頭等重大的社會問題，我國能源工業(yè)面臨著經(jīng)濟(jì)增長、環(huán)境保護(hù)和社會發(fā)展的重大壓力。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，煤炭占商品能源消費(fèi)的76%，已成為我國大氣污染的主要來源。已經(jīng)探明的常規(guī)能源剩余儲量(煤炭、石油、天然氣等)及可開采年限十分有限。2000年的統(tǒng)計(jì)資料表明，我國化石能源剩余可儲采比煤炭為92年，石油20.5年，僅為世界儲采比的一半；天然氣為63年，優(yōu)質(zhì)能源十分匱乏。我國已成為世界第二大石油進(jìn)口國，對國際石油市場的依賴度逐年提高，能源安全面臨挑戰(zhàn)，存在著十分危險(xiǎn)的潛在危機(jī)，比世界總的能源形勢更加嚴(yán)峻。能源資源的國際間競爭愈演愈烈，從伊拉克戰(zhàn)爭及戰(zhàn)后重建，到中日雙方在俄羅斯輸油管線走向上的角逐等一系列國際問題，無不是國家間能源戰(zhàn)略利益沖突、斗爭的具體反映。因此，開發(fā)利用可再生能源、實(shí)現(xiàn)能源工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展更加迫切、更具重大意義。

我們應(yīng)該清楚地認(rèn)識到：我國的能源資源是有限的，我國現(xiàn)有能源開發(fā)利用程度與效率很低，在清潔能源開發(fā)、能源綜合高效利用和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域內(nèi)，與發(fā)達(dá)國家存在著較大的差距：我國水能資源理論蘊(yùn)藏量（未包括臺灣?。?.76億千瓦，可開發(fā)容量3.78億千瓦,相應(yīng)年發(fā)電量19200億千瓦時(shí)，均居世界第一；至2003年底，水電裝機(jī)容量達(dá)到9139萬千瓦，年發(fā)電量2710億千瓦時(shí)，開發(fā)率按電量算只有14%，按裝機(jī)容量算只有24.2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國、加拿大、西歐等發(fā)達(dá)國家，也落后于巴西、埃及、印度等發(fā)展中國家。高耗能產(chǎn)品能源單耗比發(fā)達(dá)國家平均水平高40%左右，單位產(chǎn)值能耗是世界平均水平的2.3倍。同時(shí)，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對能源發(fā)展提出了更高的要求。長期以來，粗放型的增長方式使能源發(fā)展與保護(hù)環(huán)境、資源之間的矛盾日益尖銳。未來能源發(fā)展中，如何充分利用天然氣、水電、核電等清潔能源，加快新能源與可再生能源開發(fā)，推廣應(yīng)用潔凈煤技術(shù)，逐步降低用于終端消費(fèi)煤炭的比重，實(shí)現(xiàn)能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展將是“十五”以及中長期能源發(fā)展面臨的重要選擇。

能源動(dòng)力學(xué)國防安全

特別地，我國核科技工業(yè)是國家的戰(zhàn)略行業(yè)。完善的核科技工業(yè)體系是確立一個(gè)國家核大國地位的基本條件。它既是國家戰(zhàn)略威懾力量和國防科技工業(yè)的重要組成部分，是國家政治、國防安全的重要保障和外交利益所在，同時(shí)又是國民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)。核軍工、核能、核燃料和核應(yīng)用技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是我國核科技工業(yè)的主要組成部分。與此相適應(yīng)，如何培養(yǎng)適應(yīng)21世紀(jì)社會需要的能源動(dòng)力類以及核相關(guān)專業(yè)的人才，是每個(gè)大學(xué)相關(guān)專業(yè)以及每位從事能源動(dòng)力類專業(yè)教育的工作者需要解決的重要問題。

能源動(dòng)力學(xué)形成時(shí)期

我國能源動(dòng)力類專業(yè)形成于20世紀(jì)50年代。以交通大學(xué)為例，1952年院系調(diào)整時(shí)，當(dāng)時(shí)設(shè)在機(jī)械系中的動(dòng)力組就單獨(dú)成立了動(dòng)力機(jī)械系。由于受當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)教育體制的影響，在該學(xué)科的發(fā)展過程中，專業(yè)面曾一度越分越細(xì)。50年代初期只有鍋爐、汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等專業(yè)，以后又先后辦起制冷專業(yè)與風(fēng)機(jī)專業(yè)，制冷專業(yè)又細(xì)分出壓縮機(jī)、制冷及低溫專業(yè)。在50年代末又創(chuàng)辦了核能專業(yè)，在六七十年代有些學(xué)校先后設(shè)立了工程熱物理專業(yè)。這樣，能源動(dòng)力學(xué)科中的專業(yè)就先后包括有鍋爐、渦輪機(jī)、電廠熱能、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、制冷、低溫、內(nèi)燃機(jī)、工程熱物理，水力機(jī)械以及核能工程等11個(gè)專業(yè)，形成了明顯的以產(chǎn)品帶教學(xué)的基本格局。

熱能與動(dòng)力工程專業(yè)中包含的水利水電動(dòng)力工程專業(yè)的前身為水電站動(dòng)力裝置專業(yè)。該專業(yè)形成于20世紀(jì)50年代。新中國成立以后，隨著國家對水患的治理和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，國家設(shè)立了華東水利學(xué)院、武漢水利水電學(xué)院、華北水利水電學(xué)院等一些專門的水利院校，1958年起在這些院校和西安交通大學(xué)水利系（西安理工大學(xué)水電學(xué)院的前身）設(shè)立了水電站動(dòng)力裝置專業(yè)，以滿足國家對水電建設(shè)人才的迫切需求。1977年恢復(fù)高考招生后，該專業(yè)更名為水電站動(dòng)力設(shè)備專業(yè)。1984年該專業(yè)更名為水利水電動(dòng)力工程專業(yè)，涵蓋了原水能動(dòng)力工程、水電站動(dòng)力裝置、水電站動(dòng)力設(shè)備、水能動(dòng)力及其自動(dòng)化、機(jī)電排灌工程、水能動(dòng)力與提水工程等專業(yè)，昆明工業(yè)學(xué)院、成都科技大學(xué)等一些院校都設(shè)置了該專業(yè)。1998年，按照教育部頒布的新的專業(yè)目錄，水利水電動(dòng)力工程專業(yè)并入熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，新的熱能與動(dòng)力工程專業(yè)包含了原來的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)、流體機(jī)械及流體工程、熱能工程與動(dòng)力機(jī)械、熱能工程、制冷與低溫技術(shù)、能源工程、工程熱物理、水利水電動(dòng)力、工程冷凍冷藏工程等9個(gè)專業(yè)。

能源動(dòng)力學(xué)調(diào)整時(shí)期

客觀上說，這種專業(yè)劃分與當(dāng)時(shí)我國計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的體制以及工業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況，在一定程度上是相適應(yīng)的。過窄的專業(yè)面，但卻培養(yǎng)了專業(yè)工作能力較強(qiáng)的學(xué)生。因此，在當(dāng)時(shí)對我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)體系的重建，曾經(jīng)起到過積極的作用。但隨著社會經(jīng)濟(jì)向現(xiàn)代化方向的發(fā)展和高新科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是我國改革開放以后，國外先進(jìn)科技、管理體系的大量引進(jìn)，學(xué)科的交叉融合不斷產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，原有的過細(xì)過窄的工科專業(yè)設(shè)置，總體上已不能適應(yīng)新的形勢和發(fā)展對人才的需要，必須進(jìn)行專業(yè)調(diào)整。

因此，在1993年原國家教委進(jìn)行的專業(yè)目錄調(diào)整中，將能源動(dòng)力學(xué)科的上述前10個(gè)專業(yè)壓縮為4個(gè)專業(yè)，即熱能工程、熱力發(fā)動(dòng)機(jī)、制冷與低溫工程、流體機(jī)械與流體工程，核工程與核技術(shù)保留。1998年，教育部頒布了新的專業(yè)目錄，將上述前4個(gè)專業(yè)進(jìn)一步合并為熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，核工程與核技術(shù)專業(yè)單獨(dú)設(shè)立，而在引導(dǎo)性的專業(yè)目錄中，則建議將熱能工程與核能工程合并。但當(dāng)時(shí)我國大多數(shù)學(xué)校還是采用了熱能工程與核能工程單獨(dú)設(shè)專業(yè)的方案。因此，在2000年教育部設(shè)立的新一輪教學(xué)指導(dǎo)委員會中，在能源動(dòng)力學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)委員會下分設(shè)了三個(gè)委員會：熱能動(dòng)力工程，核工程與核技術(shù)以及熱工基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會。

就核科學(xué)與技術(shù)類專業(yè)而言，既與能源動(dòng)力學(xué)科有聯(lián)系（如核能工程類專業(yè)）,又有其不同于能源動(dòng)力學(xué)科的特征（如核技術(shù)應(yīng)用類專業(yè)）。該學(xué)科和專業(yè)是為了適應(yīng)我國核武器事業(yè)和核科技工業(yè)的發(fā)展而與能源動(dòng)力學(xué)科同期建立起來的，創(chuàng)建初期同樣參照了前蘇聯(lián)模式，劃分較細(xì)，主要有核反應(yīng)堆工程、核動(dòng)力裝置、同位素分離、核材料、核物理(包括實(shí)驗(yàn)核物理、理論物理、輻射防護(hù)、加速器物理及核電子學(xué)) 、核化工(包括前處理、后處理和輕同位素分離)、核地質(zhì)、核礦冶等，這樣的專業(yè)學(xué)科體系延續(xù)了近40年。1998年教育部頒布的新專業(yè)目錄將核工程、核技術(shù)兩個(gè)本科專業(yè)合并為“核工程與核技術(shù)”專業(yè)。將核工程、核技術(shù)相關(guān)的研究性學(xué)科合并為“核科學(xué)與技術(shù)”一級學(xué)科，下設(shè)4個(gè)二級學(xué)科，即核能科學(xué)與工程（含部分等離子體物理）、核燃料循環(huán)與材料、核技術(shù)及應(yīng)用、輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)；將與核物理相關(guān)的學(xué)科合并為“物理學(xué)”下的“等離子體物理”、“粒子物理與原子核物理”等學(xué)科；將與核地質(zhì)鈾礦冶相關(guān)的學(xué)科合并入“礦產(chǎn)普查與勘探”、“水文學(xué)及水資源”、“采礦工程”等學(xué)科。本研究以核工程與核技術(shù)專業(yè)為重點(diǎn)，同時(shí)兼顧與此相關(guān)的其他專業(yè)。

能源動(dòng)力學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀

全國現(xiàn)有100余所高校設(shè)有能源動(dòng)力類專業(yè)，近20所高校設(shè)有核工程或核技術(shù)專業(yè)（其中5所高校設(shè)有核工程專業(yè)）。

能源動(dòng)力學(xué)國外對比

根據(jù)我們的初步調(diào)查，以美國為例，一般相應(yīng)于我國熱能動(dòng)力工程專業(yè)的內(nèi)容，大部分設(shè)置在機(jī)械中，作為機(jī)械系的一個(gè)專業(yè)方向，稱為熱流科學(xué)（Thermal and Fluid Science）或能量系統(tǒng)（Energy system），而核工程與核技術(shù)則一般單獨(dú)設(shè)立或者在化工系中，例如美國麻省理工學(xué)院、佛羅里達(dá)大學(xué)等均如此（見附錄）。以下是該兩校機(jī)械系的專業(yè)方向設(shè)置。

麻省理工學(xué)院機(jī)械系：（1）熱流科學(xué)(Thermal and fluid science)；（2）計(jì)算工程（Computational Engineering）；（3）能量利用與傳輸（Energy Utilization and Transportation ）;（4）生物機(jī)械工程（Biomechanical Engineering ）；（5）制造與材料加工（Manufacturing and Materials Processing）;（6）力學(xué)與材料（Mechanics and Materials）；（7）信息（Information）；（8）設(shè)計(jì)（Design）；（9）系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)與控制（Systems, Computers and Control）。

麻省理工學(xué)院工學(xué)院核工程系：（1）核能方向（Nuclear Energy Option）；（2）醫(yī)學(xué)與工業(yè)輻射方向（Radiation for medicine and industry Option）。

佛羅里達(dá)大學(xué)機(jī)械系：（1）生物力學(xué)系統(tǒng)（Biomechanical systems）；（2）能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（Energy Conversion System）；（3）機(jī)械系統(tǒng)（Mechanical System）；（4）熱系統(tǒng)（Thermal system）；（4）制造（Manufacturing）；（6）機(jī)械手（Robotics）。

佛羅里達(dá)大學(xué)工學(xué)院核工程系：（1）核與輻射工程方向；（2）核工程科學(xué)方向。

從上面美國2所有代表性學(xué)校（麻省理工為一流大學(xué)，佛羅里達(dá)大學(xué)為高水平知名大學(xué)）的機(jī)械系與核工程系的設(shè)置可以看出以下共同特點(diǎn)：（1）機(jī)械系學(xué)科的方向高度交叉，一些在我國是屬于信息與電氣類專業(yè)的內(nèi)容，美國機(jī)械系照樣研究；（2）專業(yè)面相當(dāng)?shù)貙?，即使能源?dòng)力方向也是比我們?nèi)缃竦膶I(yè)設(shè)置要寬得多；（3）核工程是單獨(dú)設(shè)系的。