工业热工设备 与测试技术 周彦波 2014.2.

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1 工业热工设备 与测试技术 周彦波 2014.2

2 授课教师 周彦波，1982年生，博士，副教授。 2000.9-2004.7 华东理工大学，建筑环境与设备工程，本科
华东理工大学，建筑环境与设备工程，本科 Hochschule Technik Rapperswil大学，交流 华东理工大学，环境工程，研究生 华东理工大学，资环学院，助理研究员 至今 华东理工大学，资环学院，副教授

3 作为负责人承担的科研项目 在研项目： 2012 国家自然科学基金 青年项目（51208201），25万
2011 上海市“晨光计划”项目(11CG32)，6万； 2011 教育部博士点新教师基金，3.6万； 2011 中国博士后科学基金面上项目，3万 2011 基本科研业务费资助项目(WB )，12万。 完成项目： 2010 上海市自然基金项目 (10ZR )，10万。

4 发表论文32篇，其中英文SCI论文19篇。 申请发明专利7项，授权2项。 Carbohydrate Polymers，2012
Water Science and Technology，2012 Asian Journal of Chemistry，2012 Separation and Purification Technology，2011 Journal of Saudi Chemical Society，2011 Separation and Purification Technology，2010 Industrial & Engineering Chemistry Research，2009 Water Science and Technology，2009 Separation and Purification Technology，2008 申请发明专利7项，授权2项。 一种活性污泥及利用该污泥进行碱渣废水和高氨氮废水处理的方法 授权号：CN B 一种油田钻井废弃物的生物处理方法，授权号：CN B

5 联系方式 办公室：实验18楼110室 手机：13918753714 Email：zhouyanbo@ecust.edu.cn
QQ:

6 什么是热工设备？ 热工设备测量又是什么？

7 “热工设备”泛指将热能直接利用或转换为机械能及电能的动力设备。
通过控制仪表等热工测量手段，调节、反馈热力过程技术或经济参数，保证设备在工况下安全可靠地运行。

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9 热工设备分类 按能量转换方式分，蒸汽机、蒸汽轮机、燃气轮机等又称为原动机，而离心泵、真空泵、风机、压缩机等则称为工作机；
按机械运动方式分，以转子（叶轮）在缸内作回转运动以实现能量转换的有蒸汽轮机、燃气轮机、真空泵、螺杆泵、风机等；以活塞在气缸内作往复运动而实现能量转换的有蒸汽机、柱塞泵、往复压缩机等。

10 这门课程的主要内容 介绍在蒸汽发生设备（锅炉、汽轮机 ）、热力发动机（内燃机 ）、换热设备、制冷装置以及压气装置（泵和风机 ）基础上的热工设备的应用特点； 热工温度、压力、流量、物位、燃气成分分析等测量仪表的工作原理，测试点的布局，热工仪表的校验及安装，测试数据的处理； 并针对锅炉煤粉测量、燃气流量测量、汽柴油品质测量等概要介绍了热工测量新技术； 计算机在热工测量中的应用。

11 WNS型蒸汽锅炉：卧式燃油燃气内燃湿背式锅炉，炉胆和受热面为非对称布置。炉胆为波形胆，可减少热膨胀产生的应力，也增加了钢度，增强了烟气搅动，增加了辐射受热面积。该锅炉是以水为介质的固定式锅炉，适用于以燃油、燃气为燃料的工矿、企业、机关等单位的工业用汽（热），生活用汽（热）。该系列型锅炉容量为500～20000Kg/h，压力为0.7～1.6MPa。

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13 立式燃煤蒸汽热水两用锅炉

14 电锅炉

15 小型燃油气蒸汽锅炉

16 热水锅炉

17 汽轮机 在能量转移或利用途径上，和锅炉有什么区别？

18 哈尔滨汽轮机厂具有自主知识产权的国内最长“全转速汽轮机1200毫米钢制末级长叶片”

19 课时：24学时 学分：1.5学分 教材： 《工业热工设备及测量 》 周霞萍 《热能与动力工程测试技术》 郑正泉 参考书： ①《热工测量及仪表》张东风编著，中国电力出版社

20 考试方法 考核方式：考试+平时成绩 笔试考试（占60%），平时成绩等（占40%） 其中，平时成绩中： 考勤和分组汇报组成
3人小组：按学号顺序分成18个小组 课间休息时，班长留下邮箱（ppt模板及分组名单）

21 组别 学号 姓名 1 曹泽坤 6 王天白 刘若溪 唐祎琛 张一帆 孙青 2 李露 7 钱坤 朱诗杰 孟德喜 周扬 毛凤琴 3 郑楠 8 刘定超 张志峰 刘博文 张志丰 李开坤 4 张经纬 9 李光源 张佳凯 黄慧 卫俊涛 何振宇 5 王悦 10 何磊 王依滢 陈振宇 王杨 陈泽鳌

22 组别 学号 姓名 11 常清华 15 孟凯 朱松林 鲁思阳 周旭辉 刘雪平 12 赵雪松 16 林卡路 赵润泽 李淼 张涛 郭良 13 张强 17 高瑞 易敏 陈亮 吴兆伟 陈立丰 14 吴炜城 18 陈静 王佳东 曹帅 倪亦尘 曹长健

23 分组讨论要求 提前确定下节课的主题与承接小组 确定ppt范围与结构（紧扣主题、体现深度） 一人主讲，2人辅助
ppt：10min，<30 页

24 教学大纲

25 第一章 绪论 第二章 锅炉 从热工学角度介绍：锅炉的基本构成与工作特点；锅炉的基本受热面；锅炉的运行；锅炉与换热设备，锅炉用换热器的热工指标，锅炉用换热器性能的评判。 第三章 燃气发生炉 在介绍国际流行的煤气化炉基础上，着重讲解德士古气化与Shell气化炉的特性；并介绍生物质气化炉，秸秆气化集中供气工艺，秸秆气化发电等最新工艺。 第四章 焚烧炉 固定床焚烧炉及工艺，焚烧炉热工制度，焚烧炉热平衡计算；流化床焚烧炉及技术；垃圾焚烧技术的发展方向。

26 第五章 汽轮机 汽轮机原理及构造，汽缸、轴封、叶片、凝气设备的构造及作用；汽轮机运行和特性，汽轮机内效率等评价指标，蒸汽轮机，燃气轮机。
第六章 内燃机 内燃机热力循环的基本指标，内燃机的组成及性能；内燃机的发动机类型及工作原理，冲程、二冲程内燃机的联系与区别；内燃机的启动、运行。 第七章 泵与风机的运行及调节，热工设备的联合应用。 第八章热工测量基础 在线取样、测量方法及测试点的布局；热工参数的常规测量及仪表的校验；测量数据的处理。

27 第九章 经典热工测量 温度测量、压力测量、流量测量、物位测量、成分测量要点，以及在火力发电厂、煤化工工程中的实用测定方法。
第十章 热工检测新技术 激光检测技术；光纤传感技术；超声波检测技术：气体超声波流量计、气体涡轮流量计、汽轮机监视智能仪表、炉膛火焰电视监视系统。 第十一章 计算机在热工检测中的应用 虚拟仪器的硬件、软件构成，及其在发电机的功率、负荷检测、锅炉计算机自动化控制系统中的应用。

28 绪论 热工设备及检测技术的发展 工业热工设备的评价指标 技术进步对热工设备节能及环保的要求

29 工业热工设备的评价指标 1．热经济性——是评价热工设备的性能优劣的一个重要指标，它可以通过投入产出等方式计算。
功率是作功快慢的量度，单位有 W (瓦特)、kW（千瓦）等。原动机功率的大小直接反映设备进行热工转换的能力；工作机功率的大小则表示了热工设备工作时需要向其输入的动力。 2．额定功率——原动机长期连续运行中所能保持的最大功率。额定功率也称铭牌功率，有时也称容量。 对于内燃机而言，除了用功率表示发动机的工作能力外，排量也表示发动机工作能力的大小；而蒸汽锅炉则通常用长期连续的最大蒸发量来表示其容量。 工作机通常用压缩比、扬程及流量表示其工作能力的大小。

30 3．体积重量——也是评价热工设备的重要指标之一。设备的体积和重量不仅直接影响设备的使用场合，还影响材料的消耗量和制造工作量。
对同一设备，容量愈大，单位功率重量愈小，机组的制造成本也就愈低。一般情况下，机组容量增加一倍，可使单位造价相对降低12%-15%。

31 4．其他评价指标 排放： 一项与环境保护有关的复杂评价指标。 使用寿命：如，蒸汽轮机的使用寿命大约为30~50年，燃气轮机及内燃机的使用寿命大约为10~20年。

32 变负荷能力：装置的变负荷能力应包含启动性能、对负荷的适应性以及稳定的变负荷范围。对蒸汽轮机、燃气轮机和内燃机而言，蒸汽轮机的变负荷能力最小，内燃机的变负荷能力最强。
使用燃料：燃气轮机装置除了在整体煤气化联合循环（ IGCC）中可以使用煤炭外，通常使用燃油或燃气；内燃机只使用燃油或燃气；蒸汽轮机装置可以使用包括垃圾、生物质在内的任何燃料。

33 热工设备的发展 热工设备的小型化、集成化，使能源梯度利用的侧重面扩大到了的分布式能源的利用。
分布式能源是以资源、环境效益最大化确定方式和容量的系统。根据终端能源利用效率最优化形式，尽力减少污染物的排放．并使排放分散化．

34 分布式能源利用其排放量小排放密度低的优势，可以将主要排放物实现资源化再利用。可以实现节能环保双重目标。

35 太阳能发电站工作流程图

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37 个人光伏发电开启新时代

38 从单一产能建筑走向集合——分布式绿色能源园
在分布式绿色能源区域中，屋顶装上风能、太阳能，垃圾回收和沼气发电、可再生能源的电梯应用，再通过系统组合，把光伏发电、太阳能聚热、太阳能光照明、沼气发电、风力发电、电梯的下降能等统统组合起来。 可再生能源供应的波动较大，可通过接入电动汽车和电动自行车的蓄电池来减少和稳定这种波动，即所谓的微电网。 每一个建筑都可就近使用建筑自身产生的可再生能源，这样能源的传输损耗接近于零的，进行技术的互联。

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40 广阔的乡村 生物质锅炉

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42 热工检测技术 热工测量是对生产过程中诸如温度、压力等状态参数的测量。 实现热工测量所用的定量工具称为热工仪表。
热工测量及仪表在电力、化工、石油、冶金等工业生产过程中占有重要地位。

43 热工仪表分类的依据 (1) 按种类的不同，热工仪表可分为湿度、压力、流量、物位、成分分析等仪表。
(2) 按显示功能的不同，可分为指示仪表、记录仪表、计算仪表及信号式仪表等。 (3) 按仪表组成系统的方式不同，可分为直接变换式和平衡式两种仪表。

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46 火电厂热工过程自动控制和检测内容 1-锅炉； 2-炉壁； 3-沸水管； 4-汽包； 5-过热器； 6-汽轮机； 7-叶轮； 8-轴；
9-发电机； 10-冷凝器； 11-冷却水泵； 12-冷凝水泵 13-水箱； 14-给水泵 火电厂热工过程自动控制和检测内容

47 火电厂热工过程自动控制和检测内容 （1）自动检测：自动地检查和测量反映生产过程运行情况的各种物理量、化学量以及生产设备的工作状况；
（2）顺序控制：根据预先拟定的程序和条件，自动地对设备进行一系列的操作。在发电厂主要用于主机和辅机的启动和停止； （3）自动保护：在发生事故时，自动采取保护措施，以防止事故的进一步扩大或保护生产设备使之不受严重破坏； （4）自动调节：自动维持生产过程在规定的工况下进行。

48 发展历程 在20世纪前，工业生产应用的仪表大多属于简单的机械指示式仪表，而且只能为少数配套的设备所采用。
随着计算机技术的发展，电子管与晶体管的放大作用以及光电、压电及热电等效应的广泛应用，工业生产过程对自动化的要求已使仪器仪表成为必不可少的设备。

49 发展趋势 一方面应用电子计算机对一些传统的定量方法进行详细的理论分析，找出其设计参数中的相互关系，从而进行最优设计；
另一方面是尽量采用新技术、新材料和新器件组成先进的控制和检测系统。

50 由于工艺条件的限定，有些检测可直接进行，而有些必须运用间接测量，通过热敏、光敏、压敏、气敏等辐射转换信号，给检测技术带来新的变革。
如激光的载温检测，光纤辐射测温，超声波流量检测等。随着测量技术的发展及新型仪器仪表，尤其是智能化仪表的出现，间接的软测量技术，同直接测量的转化计算精度正在提高。

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52 依靠先进的信息技术，采用智能化监控网络化群控和远程遥控技术实现现场无人职守，以保障各能源系统的安全可靠运行。
开发智能传感系统，在生产过程中能起到报警、检测、识别、智能决策等方面的作用，大大提高泄漏事故处置的工作效率和安全性。

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54 现场实习

55 火电厂状态监测系统实施 电厂的状态监测系统并不是监测仪器仪表的机械组合，而是在分析设备机理基础上选择正确的监测方式与监测仪器，有机地形成一个系统。 系统架构可采用三层结构：现场监测级、数据传输级、数据后处理级即集成级。 火电厂状态监测系统实施

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57 应用物料平衡、正向热平衡的测量方式，了解能量利用情况，
或根据热损失反向核算能平衡，结合计算机模拟等，通过设备结构、工艺参数的改变，优化工况条件。

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59 热工设备节能与环境保护

60 世界化石能源储量分布 世界或国家 煤 炭 石 油 天然气 储量 /亿吨 储采比 /万亿m3 世界 9842.1 227 1421 39.9
煤 炭 石 油 天然气 储量 /亿吨 储采比 /万亿m3 世界 9842.1 227 1421 39.9 150.19 61.0 1.美 2266.4 253 1.沙特 358 81.1 1.俄 48.14 83.7 2.俄 1570.1 ＞500 2.伊拉克 151 ＞100 2.伊朗 23.0 3.中 1145.0 116 3.科威特 133 3.卡塔尔 11.15 4.澳 904 297 4.阿联酋 126 6.10 5.印度 747.3 223 5.伊朗 123 65.7 5.沙特 6.05

61 储采比 定义：煤、石油及天然气等矿物能源的保有储量（或剩余可采储量）与年开采量之比值。
是指年末剩余储量除以当年产量得出剩余储量，按当前生产水平尚可开采的年数。例如，2003年世界石油、天然气和煤炭的储采比分别为41.0、67.1和192.0。 目前柴达木盆地各油田的平均储采比为13左右。 储采比的大小，不仅反映矿产资源的利用程度，也直接影响矿石开采年限与基建折旧费用大小。储采比越大，资源利用越充分，在同样的开采规模下，矿山服务年限延长，基建投资折旧费用相应减少。

62 2008年主要国家能源消费比较 油 天然气 煤 核能 水力发电 能源消费比例,% 占世界消费的比例, % 排名 世界 巴西 韩国 法国
加拿大 德国 印度 日本 俄罗斯 中国 美国 34.8 46.1 43.0 35.8 30.9 38.0 31.2 43.7 19.1 18.8 38.5 24.1 10.0 14.9 15.4 27.3 23.8 8.6 16.6 55.2 3.6 26.1 29.2 6.4 27.5 4.6 26.0 53.4 25.4 14.8 70.2 24.6 5.5 1.4 14.2 38.6 10.8 0.8 11.2 5.4 8.4 36.1 0.4 5.6 6.0 3.1 6.6 2.5 100 2.0 2.1 2.3 2.9 2.8 3.8 4.5 6.1 17.7 20.4 10 9 8 6 7 5 4 3 2 1

63 2008年世界主要国家 一次能源消费构成

64 国家 2006 总能源消费 （万吨标准煤） （吨标准煤 / 万美元 ) 人均能耗 (吨标准煤) 人均 GDP (美元) 人均 GDP 排名 人均 GDP 能耗 ( 吨标准煤 / 美元 ) 日本 74332 20373 5.8245 36486 10 1.60 德国 46929 14178 5.6918 33099 17 1.72 美国 331037 78693 42067 4 2.62 菲律宾 3594 33152 0.4017 1084 118 3.71 巴西 29504 89109 1.5687 3311 77 4.74 印尼 16335 149452 0.6655 1093 117 6.09 印度 60456 927233 0.5519 652 133 8.47 埃及 8396 75095 1.0642 1118 116 9.52 中国 242549 1.8339 1352 112 13.56 全球 - 23.789

65 2006 年中国的能源消费已占了全球能源消费的 15% 以上。尽管人均能耗还远远比不上日本、美国等发达国家，不过，中国的能源消费主要集中在沿海等发达地区，因此人均 GDP 能耗才是真正值得比较的数据。
发达国家能耗都不高，这不仅得益于这些国家能源的高效利用，也由于这些国家第三产业发展迅猛，近年来，工业特别是重工业发展的脚步迟缓。 而人均 GDP 水平与我国较为接近的菲律宾、印尼及埃及人均 GDP 能耗都远不及我国来得高。就连印度，也与中国在人均 GDP 能耗上远远地拉开了差距。

66 北美、欧洲和亚太是石油需求量最大的三个地区。
根据国际能源机构的统计，2010年，北美、欧洲和亚太三大石油需求地区的石油进口依存度分别为52.4%、67.2%和91.5%，2020年将进一步提高到58%、79%和92.4%。可以预见，未来围绕石油资源的竞争现象将长期存在，世界范围内的油品生产加工和流通贸易也将持续升温。

67 1993年我国成为石油净进口国，2002年，石油消费达到2.47亿吨，超越日本成世界上第二大石油消费国。
2011年，我国国内生产原油2亿吨，进口原油2.54亿吨，对外依存度达到56%。美国能源信息管理局（EIA）最新发布的短期能源展望称，2013年10月份，中国石油进口量将达到每天645万桶，超越美国的623万桶，而中国年度进口量将在明年（2014年）超越美国。 到2015年原油进口量将达到3.2亿吨左右。

68 我国的工业占整个能源需求的 70% 、六大高耗能产业占整个工业能源需求的 70% ，所以六大高耗能产业就占到整个能源消耗的将近 50% 。
因此节能增效已经刻不容缓。

69 六大高耗能行业 石油加工炼焦及核燃料加工业、 化学原料及化学制品制造业、 非金属矿物制品业、 黑色金属冶炼及压延加工业、
有色金属冶炼及压延加工业、 电力热力的生产和供应业。

70 2011年，六大高耗能行业完成投资4.1万亿元，比上年增长18.3%，增幅比上年高3.7个百分点。
“十一五”节能减排目标是约束性指标，六大高耗能行业占全部规模以上工业能源消费的77%，占全社会能源消费的一半以上，其生产、能源消费情况直接关系节能降耗目标的实现。 “十一五”期间，六大高耗能行业累计节能近4亿吨标准煤，对全社会节能贡献超过60%。

71 我国化石能源可采储量 煤—7140万吨，可采200年左右； 石油— 23亿吨，可采11.5年； 天然气— 8240亿立方米，可采16.5年。
--- 发改委能源所资料

72 没办法！ 煤办法！！！

73 中国的能源消费中80%是原煤直接燃烧，与世界能源消费主流有差距，由此造成的环境污染问题，已经影响到国民经济的可持续发展。

74 采用火电供电的煤耗比国际先进国家高20%，燃煤工业锅炉运行效率比先进水平低15~20个百分点。
中国的烟尘和二氧化硫排放量中70%和90%是由燃煤产生的。

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76 我国的能源策略是：坚持以煤炭为基础，以电力为中心，在节约石油、天然气资源的前提下，加快可再生能源、废弃物资源的多样化利用。

77 不同能源经热工设备的应用情况

78 必须对工艺进行优化 和技术创新

79 常规的发电方式：在燃烧蒸汽锅炉中，粉煤燃烧产生蒸汽，通过汽轮机发电。
为了防止大气污染，增添了烟气脱二氧化硫（SO2）和氧氮化合物(NOx )的装置。

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82 烟气脱硫监控画面

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84 工业上同时考虑节能和环境保护，逐步改进热工效率的几种发电工艺示例 。

85 常压/加压流化床燃煤蒸汽发电。石灰和煤一起加入流化床，石灰和煤气中的硫化物反应，生成硫酸钙，与灰渣一起从流化床内排出，应用炉中脱硫技术，从而不需要烟气脱硫装置。
加压流化床具有与常压流化床类似的脱硫功能。由于流化床提高压力后，可以提高它的传热效果，并大大缩小锅炉的尺寸。

86 循环流化床锅炉原理图link

87 循环流化床锅炉的工作过程

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89 循环流化床锅炉系统图

90 煤气化联合循环发电（IGCC）。煤气化产生燃气送入燃气轮机燃烧发电，排出的余热由热回收锅炉产生蒸汽，再通过汽轮机发电。

91 整体煤气化联合循环发电（IGCC）

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93 同常规燃煤发电技术相比IGCC技术优点：
排放低，常规污染物如粉尘、硫化物、氮氧化物的排放仅为常规燃煤电站的1/10，且在温室气体CO2减排方面，IGCC技术更有优势。 耗水量少，比常规汽轮机电站少30%～50%，这对广大缺水地区十分有利，也适用于坑口电站的建设，有助于实现能源生产布局的合理优化。 可以方便的与化工品生产集成，形成联产系统，实现煤炭的综合利用。

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95 燃料电池和IGCC组合起来的联合循环发电

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97 热工设备的联合运用，在热电联用、热电冷联产，IGCC等循环工艺中发挥了极大的优势。
这些工艺不仅使高品位、低品位的过程能量得到了梯度利用，而且极大地丰富了能源、资源利用的深度和涉及面。 将原料由传统煤炭、石油、天然气扩大到生物质能、核能、地热能、太阳能等等。

98 减少所用热工设备能耗的方法 改善热工炉点火器、提高压缩机效率；通过换热器防垢(水处理)、冷却水级联、空冷替代等，提高过程用能效率；
采用多效蒸发、热泵蒸发，应用废热锅炉、省煤气、蓄热器、热管等进行废物流和烟道气的回收能量等等。 同时，通过降低过剩空气系数、烟气出口温度，考察炉子热效率和燃料用量的关系；

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100 焚烧技术与环保 焚烧炉是美化城市环境的前提下催生的典型工业炉（热工设备），
其热工加热制度、热工调节等方面同其它热工炉有不少的相似之处。即：都要考虑炉体的保温（散热）性能；了解燃烧物料的性能及在炉中的热工操作制度；并通过计算其单位重量的发热量，得出总热能。 同时也要评价烟道、烟囱废气系统，评价风机等必不可少的辅助条件；

101 也有不同之处，即：要考虑燃烧条件对二噁英的脱除情况。

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105 思考题 试述热工设备的种类及用途。 热工设备联合运用主要有哪些形式？ 热工设备环保主要有哪些措施？
火电厂热工过程自动控制和检测主要包括哪些内容？

106 理论与实践-小组汇报 本周三讨论：工业热工设备的节能与环保 在此范围内，自由选题。 第1，第2小组汇报。 下周一：3，4小组汇报。
电厂锅炉的启动、运行、燃烧等过程中的参数测量。 10-15分钟，≤30页ppt

107 谢谢！