《能源动力装置基础》11a.ppt
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1、1,任课教师:刘 华 堂 华中科技大学 能源学院 2008.10,能源动力装置基础,2,第十一章 发电厂系统及其他动力装置,第一节 火电厂热力系统与 经济性分析第 二 节 联 合 动 力 循 环第 三 节 核 能 发 电第 四 节 水电站第 五 节 其 他 型 式 的 发 电 厂第六节 太 阳 能 的 利 用,3,第一节 火电厂热力系统,在火电厂中,是用煤、石油、天然气作为能源,以水蒸汽作为工质的蒸汽动力循环。为了充分利用燃料燃烧时放出的热能,应根据热力学原理,从热功转换的效果上来进行研究,考查其热效率。,4,一、蒸汽动力循环:,首先从最基本的水蒸汽动力循环进行分析,然后再分析经过改进以后的较
2、复杂的水蒸汽动力循环。(一)火电厂蒸汽动力装置循环朗肯循环,1,朗肯循环 根据热力学第二定律,卡诺循环的热效率是最高的。但实际上所采用的是最简单的蒸汽动力装置理想循环朗肯循环。它由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵所组成。如图11-1所示。,5,2,朗肯循环的组成锅炉,煤在炉中燃烧、放热,水在锅炉 中定压吸热、汽化为饱和蒸汽。过热器,饱和蒸汽在其中吸热成为过热蒸汽。汽轮机,蒸汽在汽轮机膨胀、作功、乏汽排出。凝汽器,乏汽进入凝汽器并凝结、放出潜热。给水泵,将凝结水提高压力并泵入锅炉,完成一个循环。,6,图111 b、c、d中分别给出了朗肯循环在p-v图、T-s图、h-s图上的表示。,4-1为定压吸热过程
3、,(水在锅炉、过热器的吸热、汽化和过热过程,由饱和水变成过热蒸汽)。1-2为绝热膨胀作功过程。如果忽略摩擦与散热,可简化为一理想可逆绝热膨胀过程(等熵过程)。2-3过程为乏汽在凝汽器中的定压(也定温)的凝结放热过程(蒸汽凝结成为饱和水)。,3-4为压缩过程(它由给水泵把水压入锅炉的压缩过程)。若忽略摩擦与散热,可将一个实际不可逆循环简化为一个理想可逆等熵压缩过程。热电厂所用的各种复杂蒸汽动力装置循环都是在朗肯循环的基础上进行改进后得到的。,7,这种最简单的蒸汽动力装置循环(理想的朗肯循环)的热效率是不高的(低于40%)。蒸汽在锅炉中的吸热量(Q。)只有一小部分转化为汽轮机的作功;而大部分热量(
4、潜热)作为冷源损失在凝汽器中为循环水所带走。如图11-2所示,用热力学第一定律对最简单的蒸汽动力装置循环进行分析的结果,就可以形象地用能流图表示。,3,理想朗肯循环的热效率,图11-2 能量在各设备中的 利用和损失,8,提高蒸汽动力装置循环的热效率,具有很重大的意义。为了提高热效率,应(1)尽可能的减少散热、排烟的外部能量损失;(2)从设计、制造和运行等诸方面着手,提高汽轮机的内效率;(3)提高蒸汽在锅炉的平均吸热温度,减少蒸汽与烟气间温差传热造成的损失;(4)降低汽轮机排汽压力(温度),减少蒸汽与冷却水温差传热造成的损失。在以上几个方面,提高蒸汽在锅炉中的平均吸热温度最为重要。具体做法是:提
5、高蒸汽初参数和再热蒸汽参数;采用回热系统等;在此基础上,再配合中间再热循环;采用热电联产、蒸汽燃气联合循环等措施,4,提高蒸汽动力装置循环的热效率,9,(二)回热循环,1,给水回热循环的采用 在朗肯循环中,造成热效率低的主要原因是工质平均吸热温度不高。为了提高蒸汽平均吸热温度,除了提高蒸汽初参数之外,另一种办法是改善吸热过程。如图11-3所示,4-5-1为蒸汽的吸热过程,而4-5为其预热阶段,是整个吸热过程中最低段。,图11-3 朗肯循环的Ts图,如果把这一低温吸热段加以改进提高,则循环的平均吸热温度将提高。改进的最好的办法是采用给水回热。就是把汽轮机中作过功的蒸汽,逐级抽出来加热给水,减少冷
6、源损失,同时提高锅炉给水温度(提高蒸汽平均吸热温度),则提高了循环热效率。,10,2,实际回热循环 实际回热循环如图11-4,是从汽轮机的不同的级逐级抽出部分作过功的蒸汽,在加热器中加热给水,提高锅炉进水温度,减少蒸汽在低温吸热段的吸热,这种循环称为给水回热加热循环。,图11-4 实际回热循环,回热加热器 是一种表面式热交换器在汽轮机中有高压加热器和低压加热器两种。位于给水泵前的为低压加热器,位于给水泵后的为高压加热器。,凝汽器 是汽轮机的重要辅助设备。在汽轮机中作过功的乏汽进入凝汽器内凝结成水,放出汽化潜热(冷源损失),凝结水经过凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵、高压加热器,最后进入锅炉
7、重新吸热汽化成蒸汽。,11,采用给水回热加热循环,可以提高循环的热效率。同时也增加了设备(加热器、管道、阀门、水泵等),使系统复杂,投资增加。但有利是主要的:1)回热抽汽可使汽轮机进汽量增加,而排汽量减少。对提高效率、改善末级的设计都是有好处的;2)由于热效率的提高,锅炉热负荷减少,可以减少锅炉的受热面,节约部分金属材料;3)由于凝汽量的减少,可以减少凝汽器的换热面,节约大量的铜材。,3,给水回热加热循环的优缺点,12,(三)中间再热循环,1,中间再热循环的采用 提高蒸汽初压,可以提高循环热效率。但是,蒸汽初压的提高,将会引起:乏汽的湿度增加,对汽轮机的工作产生不利影响。如果同时提高蒸汽的初压
8、和初温,又要受到金属材料性能的限制。为了解决这一问题,采用蒸汽中间再过热的办法。,采用中间再热,就是让新蒸汽首先进入汽轮机高压部分膨胀作功,到某一中间压力时,全部抽出来,送到锅炉的再热器中再过热,然后再送到汽轮机的中、低压部分继续膨胀作功,如图11-5所示。经再热后,膨胀末了的乏汽的干度明显增大。这样,就避免了提高初压或者同时提高初压、初温而带来的困难。,图11-5,13,对图11-5b的T-s图作分析。图中,1-2-3-4-1 为基本循环,B-A-2-2-B为再热附加循环。当再热温度与新蒸汽温度相同时,当终参数一样,只要再热压力不太低,则附加循环的平均吸热温度将高于基本循环的平均吸热温度。这
9、样,总的平均吸热温度就变高了,则总的热效率得到提高。,2,再热对循环热效率的影响,图11-5b,再热压力选定如果再热压力选得较高,能使热效率得到提高;如果再热压力选得较低,则使热效率将会降低。如果再热压力选得过高,附加循环的吸热量减少,使整个循环的热效率减弱。因此要找一个最佳的再热压力。根据设计和运行的经验取再热压力为新蒸汽压力的2030%之间。,14,(四)热电循环,1,热电循环的采用 虽然对基本蒸汽动力循环加了回热系统和再热系统,但热效率低于40%。这是因为乏汽排入凝汽器,在其中凝结、放出潜热。而这一热量(低位)占工质在锅炉中总吸热量的6065%,完全作为冷源损失被排放。这部分热能数量、温
10、度低,不能再进一步转化为机械功。但在一定条件下,这种低位热能是可以得到利用的。热电循环就是利用这一低位热能:生产电能;将作过功的部分或者全部蒸汽引出,送热用户,作为生产或采暖用汽。如图11-6的T-S图中,把凝汽机的理想热力循环与背压机的循环相比。在凝汽机中,与1-a-e-2-1所围的面积等效的排汽热量(潜热)全部损失。而提高排汽压力的背压机,同时发电、供暖,排汽热量(潜热)几乎全部(的面积)得到充分利用。,图11-6,15,2,热电循环有两种形式:(1)背压式汽轮机(如图11-7)背压机是最简单的热电循环。背压机的排汽全部送热用户,无冷源损失。其缺点在于不能同时满足热、电两负荷的要求。(2)
11、抽汽供热式汽轮机(图11-8)为了避免背压机的缺点,热电厂大多采用抽汽供热式汽轮机。有一次调节抽汽和二次调节抽汽式汽轮机的热电循环。它们能同时满足热、电两负荷的要求,也能同时供应不同参数要求的用户。但带有凝汽器。进入汽轮机的蒸汽,在其中膨胀作功,在某一(或者两处)中间级被抽出来,送到热用户。最后还有部分蒸汽排入凝汽器内,放出潜热。所以,其热效率要比背压式汽轮机低。,图11-7 背压机,图11-8,16,二,火电厂热力系统,(一)火电厂的基本生产流程 1,设备及系统:图1110为凝汽式燃煤电厂基本生产流程示意图。主要设备:有锅炉、汽轮机和发电机;主要辅助设备:锅炉给水泵、除氧器、送风机、引风机、
12、磨煤机和除尘设备;汽轮机凝汽器、加热器、凝结泵、循环水泵。电气部分设备:主要有发电机、变压器及开关、母线、电缆、熔断器等。主要系统:输煤系统、制粉系统、锅炉燃烧系统、除尘除灰系统、汽水系统、发电 机及其电气系统。2,能量转换过程:燃料在锅炉内燃烧,将化学能转变为高温、高压蒸汽的热能;蒸汽在汽轮机内膨胀作功,将热能转变为汽轮机转子高速旋转的机械能;汽轮机带动发电机转子作切割磁力线运动而产生感生电流,最后完成将热能转变为电能的生产过程,并通过电网送到千家万户。,17,18,3.生产流程:燃煤:皮带运输机 原煤斗 给煤机 磨煤机(制粉系统)排粉风机燃烧器(锅炉燃烧)。空气:送风机 空气预热器(加热空
13、气)。一次风:排粉风机 磨煤机(干燥、加热煤粉)燃烧器(炉膛)。二次风:燃烧器(炉膛参与燃烧)。高温烟气:炉膛(炉顶和水平烟道)过热器、再热器 省煤器 空气预热器 除尘设备 引风机 烟囱(排空)。灰份和颗粒:会渣斗(连同除尘器下的细灰)地沟 灰浆泵 灰场。,19,给水(工质)给水泵(汽轮机)高压加热器(锅炉)省煤 器(吸收尾部烟道中烟气热量)汽包 下降管 下连箱 水冷壁(吸收煤粉燃烧时的辐射热,一部分水蒸发成蒸汽,汽水混合 物)汽包(汽水混合物分离后)饱和蒸汽 过热器 过热蒸汽。主蒸汽管 汽轮机(高压缸作功)(高压缸排出的蒸汽)(锅炉)再热器(再过热)再热蒸汽 汽轮机中、低压缸(继续膨 胀作功
14、)(带动)发电机(发电)。(过功的)泛汽 凝汽器(凝结成)水 热井 凝结水泵 低压加热器 除氧器 给水泵(升压)锅炉循环使用)。,20,(二)火电厂热力系统,根据发电厂热力循环的特征,将热力部分的主、辅设备及其管道附件连成一个整体的线路图,称为发电厂热力系统。发电厂热力系统分为原则性热力系统和全面性热力系统两种。图1111为法国CEM公司生产的300MW汽轮机原则性热力系统图。发电厂热力系统主要由以下各局部热力系统组成:主蒸汽、再热蒸汽系统,给水回热加热系统,除氧系统,供热系统,旁路系统等。,图1111,21,1、主蒸汽、再热蒸汽管道系统,主蒸汽管道和再热蒸汽管道:锅炉和汽轮机之间的蒸汽管道及
15、其母管与通往各用汽处的支管,称为发电厂的主蒸汽管道。对于中间再热机组,还有再热蒸汽管道。发电厂的主蒸汽、再热蒸汽管道中蒸汽参数高、流量大,金属材料要求高,对发电厂运行的安全可靠性和经济性影响很大。发电厂主蒸汽管道系统有单母管制、切换母管制和单元制。现代大型火电机组都是单元制机组。其优点是:系统简单、阀门少、管道短、阻力小,有利于自动化集中控制。图1113为国产引进型300MW汽轮机主蒸汽、再热蒸汽管道系统图。,22,图1113国产引进型300MW汽轮机主蒸汽、再热蒸汽管道系统图,23,2,给水回热加热管道系统,从汽轮机中间级抽出一部分蒸汽来加给水称为给水回热加热,相应的蒸汽循环称为给水回热循环
16、。这种给水加热方式可以提高循环热效率,其原因可从两个方面理解:(1)减少了凝汽器中的冷源损失,提高了循环热效率。(2)从给水加热过程上看,利用汽轮机抽汽对给水加热时,使换热温差减小,减小了加热过程的不可逆性,提高了循环热效率。,图1114 200MW汽轮机回热加热系统,24,火电厂采用抽汽加热给水可以节省大量的热量和燃料,减少锅炉换热面,减少汽轮机末级叶片的高度。现代凝汽式汽轮机都具有回热抽汽,并装设有专门的回热加热器。给水回热加热器是电厂重要辅助设备之一。加热器的分类按加热器的布置不同,可分为立式和卧式两种。按表面式加热器水侧承受的压力不同,又分为低压加热器和高压加热器。位于凝结水泵和给水泵
17、之间的加热器为低压加热器,位于给水泵和锅炉之间的加热器为高压加热器。另外,还有混合式加热器和表面式加热器之分。,给水回热加热器,25,(1)给水除氧过程 当给水中含有过量空气(氧气)时,对热力设备和管道系统的工作可靠性和寿命是有影响的。这是因为:造成金属的腐蚀,影响传热效果,降低传热效率。为了保证电厂安全经济运行,必须不断地从锅炉给水中清除掉生产过程中溶解于水的气体(氧),所以称为给水除氧过程,其设备称除氧器。(2)除氧器的任务 除去锅炉给水中溶解的氧气和其它气体,防止热力设备和管道系统的腐蚀和传热效果变坏,保证热力设备的安全经济运行。,3,给水除氧系统,26,电厂所采用的除氧方法是热力除氧。
18、热力除氧的原理是建立在亨利定律和道尔顿定律基础上的。亨利定律指出:当液体和气体间处于平衡状态时,对应一定的温度,单位体积水中溶解的气体量与水面上该气体的分压力成正比。这样,要将某种气体从水中清除掉,则应将该气体在水面上的分压降为零。道尔顿定律指出:混合气体的全压力等于组成它各气体分压力之和。根据这一原理,在除氧器中,对水进行定压加热,其蒸发水量就会增加,从而水面的水蒸汽的分压就会增加,其他气体分压就会减少。当水加热到除氧器压力下的沸点时,水面的水蒸汽的分压就接近混合气体的全压力,而其他气体分压就会减少到零。于是,溶解于水中的气体将在不平衡压差的作用下从水中逸出,并从除氧器排气关中排走。,(3)
19、热力除氧的原理,27,有水膜式、淋水盘式和喷雾式除氧器。按外形又分为立式和卧式两种除氧器。根据除氧器压力大小又分为真空式、大气式和高压除氧器。除氧器的工作压力对于中、低参数的机组,一般采用大气式除氧器,其工作压力一般为0.12Mpa,相应的饱和温度为104.25。对于高参数的机组,一般采用高压除氧器,其工作压力一般为0.350.6Mpa,相应的饱和温度为158.08。除氧器由除氧头和除氧水箱组成,其原则性热力系统可参见图1112。,(4)除氧器的结构型式,28,4,供热系统 有供热机的电厂称为热电厂,热电厂既供电又供热(蒸汽或者热水)。发展热化事业可以提高电厂经济性,也可以减少污染、饱和环境,
20、改善人们生产、生活条件。,图1113 供热系统图,5,旁路系统,现代大型火电机组都装有旁路系统。旁路系统是指高参数蒸汽不通过汽轮机的通流部分,而是经过与汽轮机并联的减温减压器,将降压减温后的蒸汽送到低一级的蒸汽管道或是凝汽器去的连结管道系统。(1)旁路系统的主要作用1)保护再热器 正常工作时,汽轮机高压缸的排汽通过再热器吸热,使再热器得到冷却。但在点火、汽轮机冲转前,或甩负荷等情况下,高压缸没有排汽进入再热器,这时,由旁路系统送来经减温减压后的蒸汽通过(冷却)再热器;,29,单元机组启停和甩负荷时,锅炉蒸发量和汽轮机所需蒸汽量不一致,锅炉最低蒸发量为额定蒸发量的30%,而大型汽轮机的空载汽耗量
21、为额定值的7%10%。因此,多余的蒸汽只好排入大气,不仅损失工质和热量,而且造成热污染和噪音。设置旁路系统则可以达到回收工质和热量、降低噪音保护环境的目的;3)加快启动速度、改善启动条件 大型机组都采用滑参数启动方式,在启动过程中,需要不断地调整汽温、汽压和蒸汽量,以满足启动过程中不同阶段(暖管、冲转、暖机、升速、带负荷)的需要。如果只靠调整锅炉燃烧方式或者蒸汽压力,是难以满足要求的。采用旁路系统,就可以满足上述要求,达到加快启动速度、改善启动条件的目的。,2)回收工质和热量、降低噪音,30,(2)常见的旁路系统,1)汽轮机级旁路(高压旁路)新蒸汽绕过汽轮机高压缸,经减温减压后直接进入再热器;
22、2)汽轮机级旁路(低压旁路)即再热器出来的蒸汽绕过汽轮机中低压缸,经减温减压后直接进入凝汽器;3)汽轮机级旁路(大旁路)级旁路是蒸汽绕过整个汽轮机经减温减压后直接进入凝汽器。,图1114 旁路系统,31,三,火电厂热经济性评价,火电厂是将矿物燃料的化学能转换为电能和热能。在能量转换过程中,总存在着各种不同损失,如锅炉损失、管道损失、汽轮机内部损失、冷源损失、机械损失、发电机损失等,使燃料的化学能的一部分最终转换为电能。评价热力发电厂经济性的目的是为了比较热力发电厂生产过程及其热力设备的热经济性,以便提出改进措施,达到提高效率和节约燃料的目的。为了提高发电厂的热经济性,就得研究电力生产过程中的各
23、项热损失,研究这些损失的部位、大小、原因及其相互关系,以便提出减小这些热损失的方法,达到提高热效率的措施。,(一)效率,供给实际动力循环的能量,由于在转换过程中损失的存在,只能将一部分转换为有效利用的能量。通常用效率来表示供给能量的利用程度。在火电厂有:循环热效率、装置效率等。,32,1,循环热效率 动力循环的理想功(或理想焓降)与吸热量之比,称为循环热效率,即(11-3)上式中,为理想功,为汽轮机装置的理想焓降,为吸热量。,2,实际循环效率 实际循环效率(汽轮机装置的绝对内效率)就是动力循环中有效焓降(有效内功)与吸热量之比,即(11-4)式中,为汽轮机装置的相对内效率。,33,3,汽轮机的
24、相对内效率 表示汽轮机组的完善程度,即(11-5)式中,、分别为汽轮机组的理想焓降和有效焓降;、分别为汽轮机组的理想内功率和实际内功率。一般大型汽轮机组的相对内效率约为8688%。,4,机械损失和发电机损失,通常用机械效率和电效率表示:机械效率(11-6)电效率(11-7)二式中,、分别为汽轮发电机组的机械功率和电功率。、分别为机械效率和发电机效率,一般,为0.99,为0.980.99。,34,5,汽轮发电机组的绝对电效率(11-8)6,锅炉效率 锅炉设备中的热损失包括排烟热损失、化学和物理不完全燃烧热损失、散热损失、排渣损失等。通常用锅炉效率来反映其完善程度,即(11-9)式中,、为每小时锅
25、炉蒸汽流量和燃料消耗量;燃料的低位发热量;、过热器出口蒸汽焓值、锅炉给水焓值。一般锅炉效率约为9094%。,35,7,主蒸汽管道效率 主蒸汽管道的热损失是由于工质在管道中流动时的压降、管件节流损失和向外散热所引起的。管道的绝热完善程度用管道效率来表示,它为汽轮机组的热耗量与锅炉设备的热负荷之比,即(11-10)在正常情况下,管道效率为99%。,6,凝汽式发电厂总效率 凝汽式发电厂的全厂总效率为发电机输出电功率(以热量计)与燃料所供热量之比,即(11-11)根据以上各种数据,可求得凝汽式发电厂的热效率一般在0.260.43左右。所以凝汽式发电厂的热效率是不高的。为了提高发电厂的热效率,可采用供热
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