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1、第2章 热力发电厂动力循环 及其热经济性 热力发电厂热经济性的评价方法 发电厂的动力循环 凝汽式发电厂的主要热经济性指标 2.1 热力发电厂热经济性的评价方法 发电厂中能量的转换过程(存在各种损失) 化学能 热能 机械能 电能 (煤) (锅炉) (汽轮机) (发电机) 发电厂热经济性的评价 通过能量转换过程中能量的利用程度或损失大小 来衡量 目的:研究损失产生的部位、大小、原因及其相互关 系,找出减少这些热损失的方法和相应措施 2.1.1评价发电厂热经济性的两种方法 : (1) 热量法、热效率法 基于热力学第一定律 以燃料化学能从数量上被利用的程度来评价电 厂的热经济性,常用于定量分析 (2)
2、 熵方法、方法、做功能力法 基于热力学第一、二定律 以燃料化学能的做功能力被利用的程度来评价 电厂的热经济性,常用于定性分析 2.1.2 热量法 热量法以热效率或热损失率的大小衡量电厂的热经济性 热效率反映热力设备将能量转换或输出有效能量的程度 ,不同阶段热效率不同。 能量平衡关系: 供给热量=有效利用热量+损失热量 有再热的凝汽式发电厂循环系统图 简单凝汽式发电厂循环系统图 G B T C b i cp=bpimg g m p Qb Q0 锅炉能量平衡关系: 输入燃料热量Qcp = 锅炉热负荷Qb +锅炉热损失Qb 锅炉热损失Qb :排烟损失、散热损失、未完全燃烧损失 、 排污损失等 (1)
3、锅炉 b cp Q b Q b z-= =1 cp Q b Q cp Q b Q Bq b Q b -= = 1 net 0.90.94 管道能量平衡关系: 锅炉热负荷Qb = 汽轮机热耗量Q0 +管道热损失Qp (2)管道 G B T C 0.980.99 Qb Q0 p 汽轮机能量平衡关系: 汽轮机热耗Q0=汽轮机内功率Wi+汽轮机冷源损失Qc 冷源热损失Qc :凝汽器中汽轮机排汽的汽化潜热损失 膨胀过程中的节流、排汽、内部损失 (3) 汽轮机 0 1 0 Q c Q Q i W i -= )1 ( ip b cp Q c Q c z-= = 0.450.47 G T i Q0 Wi Qc
4、 汽轮机机械能量平衡关系: 汽轮机内功率Wi=发电机轴端功率Pax +机械损失Qm 3600Pax=Wi-Qm (4)机械效率 0.965 0.99 发电机能量平衡关系: 发电机输入功率Pax=发电机输出功率Pe+能量损失Qg (5)发电机 0.95 0.98 全厂能量平衡关系: 发电机输出功率Pe=全厂热耗量Qcp-全厂能量损失Qj (6)全厂总效率 0.380.42 全厂总能量损失 Qj= Qb + Qp + Qc + Qm + Qg 火力发电厂的各项损失(%) 项目高参数超高参数超临界参数 Qb1098 Qp10.50.5 Qc57.552.550.5 Qm0.50.50.5 Qg0.5
5、0.50.5 总能量损失69.56360 全厂总效率30.53740 热流图 2.1.3 熵方法 实际的动力过程是不可逆的,必然引起熵增 熵方法通过熵增(熵产)的计算来确定做功的损失 环境温度Ten,则熵增 s 引起的做功损失 I 为: I = Ten s (1)典型不可逆过程的做功能力损失 有温差的换热过程 冷凝器、加热器 放热过程:熵减s a 吸热过程:熵增s b 吸热量 = 放热量 换热过程熵增: 做功损失: T 、 , I Ten 不可逆绝热膨胀过程 汽轮机 做功损失: 不可逆绝热膨胀 tu en 不可逆绝热压缩过程 水泵 做功损失: 不可逆绝热压缩 en 有摩阻的流动 有摩阻流动及散
6、热 主蒸汽管道 做功损失: 节流过程 汽轮机进汽调节结构 做功损失: (2)凝汽式发电厂各种损失及全厂总效率 锅炉的做功能力损失 锅炉的散热损失 做功损失 en 化学能转化为热能 熵增: 做功损失: en 工质温差传热 熵增: 做功损失: 锅炉中做功总损失: en 主蒸汽管道压损造成 的做功能力损失 熵增: 做功损失: en 汽轮机内部做功能力损失 熵增: 做功损失:en 凝汽器中做功能力损失 熵增: 做功损失:en 汽轮机机械摩擦产生的做 功能力损失 做功损失: en 发电机的做功能力损失 做功损失: en 凝汽式发电厂做功能力损失 做功损失: 全厂效率: en 能流图 2.1.4 方法 (
7、1)效率与损 能量平衡关系: 供给的可用能=有效利用的可用能+损 效率ex 平衡方程的图解 损: 热力设备 eq ein wi eout 电厂典型热力设备的损及效率 设 备 特 点 比损E (kJ/kg ) 效率ex(%) 汽轮机 eq=0 outint eweE -= 1 outin it ex ee w - = 锅炉、换热器 wi=0 outqinb eeeE-= qin out b ex ee e = 管道 eq=0, wi=0 outinp eeE-= in outp ex e e = 凝汽式电厂纯凝汽工况运行时的 损分布 流图 小结: 热量法与作功能力法计算的全厂总效率相同 ; 损失
8、分布不同: 热量法:从热损失的角度分析 作功能力法:从做功能力损失的角度分析 用途: 热量法:定量分析,指导工程实际 作功能力法: 定性分析,指导技术革新 2.2 蒸汽初终参数对发电厂热经济性的影响 2.2.1 朗肯循环及其热经济性 1-2-3-4-1 郎肯循环 p v T S 1 2 3 4 1 23 4 1-2-3-4-1 卡诺循环 4 3 1 2 1 2 3 4 (二)蒸汽初参数对电厂热经济性的影响 2.2.2 提高初温(t0)对热效率的影响 (1)提高初温对t的影响 t0,t (2)提高初温对ri的影响 t0,排汽湿度,ri t0,漏汽损失,ri 1 1 22 3 4 5 T s T0
9、 T0 T1 T1 pc 结论: t0,t和ri,因此,i 2.2.3提高初压(p0)对热效率的影响 (1)提高初压对t 的影响 提高初压对wa的影响:存在一个极限压力 当p0达到极限压力时,t最高。 之后增大p0 ,t反而减小。 Pc=4kpa h s wa P0=22MPA, 20, 14, 9 0.1MP a 初压对Wa 的影响 极限压力范围内: p0,h0,h,t t0=400 P0 MPa h0 kJ/kg hca kJ/kg wa=h0hca kJ/kg q0=h0hc kJ/kg t=wa/q0 % t % 4.0321120391172309138.0 8.0313819181
10、220301840.56.58 12.0305718321225(最大)293741.72.96 16.0295617591197283642.21.19 20.0283916831156271942.6(最高)0.948 24.0265415851069253442.1 不同温度下的极限压力p0与t 1 22 3 4 5 T s T0 1 p0 P 0 p c (2) 提高初压对ri 的影响 p0,v0,漏汽损失,ri p0,湿度损失,ri 结论:提高p0,对i的影响,视t和ri的变化情况定 2.2.4 蒸汽初参数对发电厂热经济性的影响 大容量机组 初参数,i 小容量机组 初参数,i 高参数
11、必须是大容量 2.2.5最有利蒸汽初压p0 2.2.6提高蒸汽初参数的限制 1)提高初温的限制 金属材料性能限制 2)提高初压的限制 安全性、热经济性 措施: (1)提高P0的同时采用蒸汽再热 (2)提高P0的同时增大单机容量 Pe=300MW 200 150 100 450 500 550 600 650 P0OP t0 2.2.7 降低蒸汽终参数pc对热经济性的影响 (1)有利影响 nt( t =1-Tc/T1,wa) n凝汽器损Ec (2)不利影响 nPc叶片寿命湿气损失 ri nPcvc余速损失 i 余速损失不变,末级叶片 凝汽器投资 结论:在极限背压以上,降低pc对热经济性有利 1
12、22 3 4 5 T s T0 1 p0 P 0 p c 1)凝汽系统 2)理论限制 n自然水温tc1; 3)技术极限 n冷却水量和凝汽器面积都不可能无限大 n末级长叶片的设计和制造水平 汽轮机背压pc由排汽饱和温度tc决定 tc = tc1 t t t冷却水温升 t凝汽器传热端差,t =tctc2, tc决定因素:冷却水温、冷却水量、换热面积、换热面清洁度 2.2.8 降低蒸汽终参数的极限 2.2.9 凝汽器最佳真空 1)设计最佳终参数 n以年计算费用最小时所对应的pc为最佳终参数。 根据该终参数确定凝汽器面积、冷却水量及循环水 泵、冷却塔(循环供水时)的选型和配置等。 2)运行最佳终参数
13、n汽轮机功率增加值与循环水泵耗功之差取得最大值 时的pc 最佳运行真空 与负荷、季节有关 2.3 回热循环及其热经济性 给水回热加热 汽轮机某些中间级抽出部分蒸汽,送入回热加热器对锅炉 给水进行加热的过程 目的:减少冷源热损失,提高电厂的热经济性 T S 1 23 5 4 6 8 9 7 S 8 1 2 3 4567 A B aA aB 2.3.2给水回热加热的意义 1)汽轮机进入凝汽器的凝汽量减少,冷源损失降低; 2)提高锅炉给水温度,工质的平均吸热温度提高; 3)抽汽加热给水的传热温差小,做功能力损失小。 不利:回热抽汽存在作功不足,wi减小,D0增大,削弱 了Dc的减小 2.3.2 给水
14、回热加热的热经济性 单级回热汽轮机的绝对内效率: 单级回热循环的汽流分配 同参数朗肯循环的汽 轮机的绝对内效率 回热式汽轮机 的动力系数 分析 : 多级无再热的回热循环,汽轮机的绝对内效率: 回热抽汽做内 功之和 凝汽流做内功 回热抽汽做功比: , 分析:回热抽汽在汽轮机中的做功量 , 2.3.3 影响回热过程热经济性的因素 多级回热给水总焓值(温升)在各加热器间的分配 锅炉给水温度; 回热加热级数 非再热机组全混合式加热器回热系统 h1h2 h3 hw1 hw2 hw3 hw4 1kg 1号加热器: 1q1=(1- 1)hw1 1= hw1/(q1+ hw1), 1- 1= q1/(q1+ hw1) 2号加热器: 2q2=(1-1- 2)hw2 2= (1-1)hw2/(q2+ hw2) 1-1- 2=q1/(q1+ hw1)*q2/(q2+ hw2) (1) 多级回热给水总焓值(温升)在各加热器间的分配 同理: 最佳回热分配 : 焓降分配法(每一级加热器焓升=前一级至本级汽轮机中的焓降) 平均分配法(各级加热器中的焓升相等)