《热力系统讲稿》doc版.doc

热力系统讲稿绪论一、 能源与社会1、 能源的概念能源是一种自然资源，它在一定条件下可以转换成人类所需要的各种形式的能量。2、 自然界的能源来源（1） 太阳的辐射能：且通过各种形式的转化过程储存在地球上。主要包括：太阳的直接辐射能；通过水、空气转化成的水能、风能。通过生物转化的煤、石油、天然气、薪柴等。此类能源为自然界能源的主要来源。（2） 地球本身蕴藏的能源，如地球内部的核能、地热能等。（3） 地球与其他天体相互作用而产生的能源，如潮汐能等。3、 能源分类一次能源：存在于自然界的未经加工或转换的能源，如上述的煤炭、石油、天然气、植物燃料、水能、风能，以及太阳能、原子能、地热能、潮汐能等。二次能源：由一次能源经过加工或转换而来的能源，如电能、蒸汽、煤气、焦炭以及各种石油制品、沼气、酒精等。常规能源：煤炭、石油、天然气、水力。新能源：太阳能、地热、风能、核能、潮汐能、生物质能。4、 能源与社会关系人类生存的基本条件之一：物质、能量和信息能源是社会存在与发展的基础，任何生产过程与生活、都离不开能源。能源利用的每一次演变，都导致了生产技术的重大飞跃，甚至整个社会的变革。能源在人类社会发展中的作用时代能源利用方式能源利用特点远古时代钻木取火能源是维持生命的基本条件18世纪蒸汽机实现了热能与机械能之间的转化，开启了第一次工业革命19世纪内燃机现代交通的基础电的出现，蒸汽轮机将热能转化为电能电气化的时代20世纪上半叶大电力系统的实现现代物质文明基础之一裂变反应的发现奠定核武器与核电的基础燃气轮机的问世使超声速飞行成为现实下半叶能源危机化石燃料资源有限环境污染化石燃料造成严重污染可持续发展能源结构每一个国家的国民经济发展与能源消费量之间都有着密切的关系。能源消费量的增加和国民生产总值的增长基本成正比关系。能源的平均消费水平在一定程度上也反映了一个国家的工业发达程度。工业发达国家的总人口占世界人口的三分之一，却用去世界能源总消费量的80%。按人口平均，工业发达国家每年人均能源消费5.5吨标煤，世界人均能源消费2.3吨标煤，而我国人均能源消费只有0.8吨标煤。5、 我国的能源现状和能源政策能源现状：地域辽阔，人口众多，资源比较丰富。绝对量在世界上居前几位，按人均所处水平却不高。我国能源分布很不均衡，煤炭集中于华北、西北地区，水电集中于西南地区，石油集中于东北和西北地区，核资源情况不够明朗。资源产地和消耗中心相距甚远。在我国能源消费中，煤占66%左右，石油、天然气占26%左右，水能占7%左右。世界的能源消费状况为石油占39.3%、煤炭28.8%、天然气占21.6%。能源存在的问题：1、 能源资源人均拥有量低，优质燃料比例低，分布不均。*煤 可采储量1145吨世界平均量的一半高灰煤（25%以上）多高硫煤（2-4%以上）多2、 一次能源以煤为主，科学问题复杂，造成的污染严重。*受资源的限制，在相当长的时期内，以煤为主要能源的局面无法根本改变1998年 71.6%2020年 60%不到2050年 50%不到3、 能源效率低，一次能源转化为电能的比例低利用效率约30%，比世界先进水平低20%4、 人均能耗低，能源需求量巨大*总能耗一次商品能源 1319.9Mtce能源消费量 1420.0Mtce均列世界第二*人均能耗为世界平均量的一般，美国的10%*人均生活用电量仅为美国的2%还有数千万人口为用上电这种以煤为主的能源结构，不仅导致运输紧张，污染严重，而且能源利用率较低。现在，我国总的能源利用率约为30%，而美国为51%，日本为57%，我国一次能源转换成电力的比例很低。1987年底，能源转换成电力的比例仍只有22%，而同年的西方工业国家平均为36%。电气化程度地，已经成为影响我国技术进步和社会发展的一个重要因素。尽管我国能源工业经过四十多年的建设，已经取得了长足的进展，但是能源的供应仍然满足不了生产发展的需要。能源问题已经成为我国经济发展的一个突出问题。我国的能源政策：坚持开发与节约并举，把节约放在首位，大力调整能源生产和消费结构，推广先进技术，调高能源开发效率；坚持能源开发与环境治理同步进行，继续理顺能源产品价格；能源建设以电力为中心，以煤炭为基础，加强石油、天然气资源的勘探和开发，积极发展新能源。能源发展战略我国应以保障供应为主线，实施“节能优先、供应安全、结构优化、环境友好”的可持续发展战略。二、 热能工程1、 热能工程与能源的关系（在能源中的地位）热能是二次能源，它是发展国民经济、提高人民生活水平必不可少的能量。在能源的总消耗中，以热能形式消耗的能量占58%以上，有的国家可达70%。在机械和电能消耗中，由热能转换而来的也占相当大的比例。因此，热能转换与利用占总能耗的8590%左右。2、 热能工程的内容及任务热能的消费包括生产用热和生活用热两个方面。生产用热是指生产过程中所消费的热能，如生产工艺过程中用于加热、烘干、蒸煮、溶化、清洗和以蒸汽为动力，推动汽轮机做功发电以及蒸汽泵、蒸汽锤等所消费的热能。生活用热是指人们日常生活所消费的热能，如采暖、通风、空气调节和热水供应等所消费的热能。热能工程主要包括热能的产生、输送和转换利用三大环节。热能工作者的主要任务是研究热能产生、输送和转换，利用方面的理论和技术，减少热能的消耗，提高热能利用率。具体地说，有以下几方面任务：（1） 提高热能转化和利用设备的效率，减少转换次数和传送距离。研究工业锅炉、各种窑炉、燃烧装置等热力设备的转换理论，开发新技术，不断改进设备，进一步提高热效率。（2） 在热力学定律指导下，从热能的数量和质量两方面分析、计算和评价热能利用方案。不但要考虑热能的数量，还要考虑热能品位高低。高品位热能要分级使用，例如采用联合循环、热电联产等。（3） 用系统工程的原理，实现整个企业或地区用能系统中的热能、电能、机械能、余热、余能的全面综合利用，使能源利用结构达到最优化。（4） 研究各种余热回收技术，提高总的能源利用率。（5） 大力研究开发节能新技术，如高效低污染燃烧技术、高温燃气透平、高温磁流体发电、高效小温差换热设备、热管技术、热泵技术以及低品位能源的动力转换系统等。（6） 开发研究太阳能、原子能、地热能、海洋能等新能源的利用技术。三、 本课程的特点、内容及学习方法1、 特点对热能工程的分析研究，通常需要从设备和系统两方面入手。对于热能产生以及转换利用的设备已由专门的课程（如：工业锅炉、工业窑炉、换热器、蒸汽轮机等）讲授。但热能的产生、输送、转换及利用三个环节是有机联系的一个完整的整体，仅局限于研究和采用高效、低耗的热能产生和利用设备，还不能达到整体节能的目的。这就需要研究这些设备在用能系统中的合理组合以及热能怎样做到按质、分级地充分利用等问题。这些就是系统分析的任务，也是本课程热力系统的主要研究内容。2、 内容本课程立足于系统分析，对常见的一些热力系统进行了全面系统的探讨，介绍了这些热力系统的组成，分析了这些系统的用能合理性以及提高系统热经济性的措施。火力发电厂热力系统热电联产与集中供热系统工业企业热能利用系统供热管网设计和运行方面的理论和技术热能从热能产生设备（热源）安全、经济地输送到热能转换和利用设备（热用户）是通过供热管网来实现的。本教材对供热管网设计和运行方面的理论和技术进行了阐述。在学习本课程之前，应基本掌握工程热力学、传热学、工程流体力学等方面的基本理论和知识。3、 学习方法l 抓住基本，灵活运用l 与工程实际相结合l 内容不要死记硬背，重在理解l 勤于动脑第一章 热力系统概述1.1 热力系统的构成1、 概念热能的产生、输送、转换和利用这三个环节相互衔接构成一个有机联系的系统。举例：a 火力发电厂系统b 区域锅炉房供热系统2、构成1) 热源（锅炉、太阳能、原子能）2) 管网（管道及附件，包括阀门、疏水器、支架、补偿器）3) 用户设备（加热器、烘干器、蒸发器）或热能转换热备（汽轮机、燃气轮机）1.2 热力系统的热平衡分析法能量利用分析：能量利用分析的原因热平衡分析法（热力学第一定律）火用分析或熵分析法（热力学第二定律）一、 热平衡原理传统方法：从数量上考察能量的有效利用情况。普遍公式：输入系统能量输出系统能量=子系统储存能量变化闭口系统：开头系统：其中：二、 热平衡的方法1、 框图热力系统热平衡框图锅炉热平衡框图2、 国家标准3、 热平衡基础热量l 供入热平衡：以热源供给体系的热量为基础的热平衡，简称供入热平衡。l 全入热平衡：以全部进入体系的热量为基础的热平衡，简称全入热平衡。l 静入热平衡：以实际加给体系的热量为基础的热平衡，简称静入热平衡。基础温度：环境温度燃料发热量：应用基低位发热量。4、 正平衡与反平衡正平衡：有效利用热；：供给热反平衡：，（n=1,2,3,4,n）; ;5、 热平衡的技术指标l 能耗：单位产品产量或产品耗能量；l 利用率：利用能量与全部能量的比值，用以反映能量利用水平；l 回收率：回收利用能量与全入能量之比，用以反映能量的回收程度以及由于能量回 收而产生的节能效果。6、 热平衡的步骤1) 选择对象，明确体系；2) 画出框图；3) 热工测试；4) 整理计算（技术指标）；5) 分析结果；6) 绘制图表。 锅炉热流图例三、 热平衡的缺陷1、 热平衡只能反映外部损失（如排烟、散热等），不能反映过程的内部损失；2、 不同品位能量只考虑数量关系，没有考虑质量不同；3、 不适用不同品位能源同时存在的能源综合利用系统。1.3 热力系统的火用分析法一、 火用的概念火用（有效能）：在任何给定环境下，任何能量理论上能转变为有用功的那部分能量。火用表征能量转变为功的能力和技术上的有用程度。火用：E（J）比火用：e（J/kg）火无：A、a能量=火用+火无能级：火用与能量的比值，用表示。 能级是反映能量的质量好坏或品质高低的重要指标。能量的火用分析法：采用火用分析法能反映实际用能过程中能量贬值的特点。二、 火用的计算物质之所以具有做功的能力，是由于物质与环境之间存在着某种不平衡势。由于自然界中能量的形式千变万化，火用值的计算方法也不一样。有些内容仍在讨论和研究中，但热力系统中常用的火用值计算方法已经非常成熟。1、 功源火用 其中，为克服环境压力所做的挤压功。电功、轴功、热力循环净功为100%火用。2、 热量火用其中，为卡诺系数。3、 封闭系统的火用封闭系统从给定状态以可逆方式转变到环境状态，并只与环境交换热量时所作的最大有用功称为封闭系统的火用。由能量方程：，从给定状态到环境状态积分可得：与之对应，封闭系统的火无为：4、 稳定流动开口系统的火用（进入工质所具有的火用）单位质量工质流入系统的能量：从给定状态到环境状态通过可逆方式转变：在可逆过程中，。可得稳定流动系统微元过程的火用为：环境状态下速度，高度。对上式积分，可得稳定流动系统的火用为：相应的火无为：忽略工质的动能和位能时，系统的火用为：在环境条件中，系统从状态1可逆变化到状态2时作出的最大功为两个状态火用值之差，即：不计动能与位能时，为5、 理想气体的火用在给定状态下理想气体的火用，当忽略其动能和位能时，为对于理想气体，可利用气体状态方程用基本状态参数p、T表示火用，以简化计算。由气体状态方程，；由此，理想气体的火用为：其中，为温度火用，为压力火用。工程上常用到的气体，如空气、烟气等实际气体大多可按理想气体计算，其火用可直接按上述各式计算。6、 燃料火用燃料火用是指燃料与氧完全燃烧反应后，以可逆方式转变到完全平衡的环境状态所能做出的最大功。标准燃料火用：规定Pa压力下，25时的燃料火用为标准燃料火用。燃料化学火用的表示：其中，为燃料的低位发热量；为标准环境温度；为反应熵增，即生成物的熵减去反应物的熵的差值。说明：1) 对于单组份燃料的化学火用，按上述公式计算得到的某此单组分燃料化学火用见课本列表1-1；2) 对于多组分气体燃料的化学火用，当气体燃料的成分已知时，可根据表1-1给出的单组分燃料化学火用，按照下式计算多组分气体燃料的化学火用：其中，为燃料各种组分的化学火用；为各组分的体积分率；为气体常数，取。当气体燃料的组成分子含有两个以上的碳原子时，其化学火用可用下式近似计算：式中，为气体燃料在标态下高位发热量，单位为。3) 对于液体和固体燃料，通常含有许多组分非常复杂的物质，它们的成分很难确定，特别是固体燃料，往往是由不稳定的分子集合体组成。因此，往往采用近似公式计算其化学火用。液体燃料的Rant式：；固体燃料的Rant式：。式中，为环境温度下水的汽化潜热，单位为；W为燃料中水分的应用基质量分率。7、 化学反应火用化学反映火用，是指反应前物质具有的化学火用与反应后生成物的化学火用之间的差值。对于放热反应，反应火用应计入反应前物系；对于吸热反应，反应火用应计入反应后物系。三、 火用平衡1、 框图火用平衡的框图与热平衡框图类似火用平衡框图图中，为物料带入火用，即工质带入体系的火用；为物料带出火用，即工质带出体系的火用；为供给火用，即外界供给体系的火用；为排出火用，即排出体系的火用；为体系回收利用的火用。2、 火用平衡方程根据热力学定律，在稳定状态下，体系的总收入火用等于体系的总支出火用，即：由火用平衡模型框图可知，3、 火用平衡基础供入火用平衡：；全入火用平衡：；净入火用平衡：4、 火用分析方法（相同）5、 火用评价指标通常，采用火用效率作为说明各种用能系统或设备的火用利用程度的评价指标。对于各类换热设备，以供给火用为基础时，其火用效率为：火用效率，即对于石油、化工等装置，以全入火用为基础时，装置的火用效率为：，即：火用的回收效率为：火用损率：火用损失和供给火用的比值通常称为火用损率，用表示：常用设备的火用平衡和火用效率参加课本表1-4。四、 火用平衡与热平衡的对比热平衡分析火用平衡分析依据热力学第一定律热力学第一、二定律平衡式输入能量-输出能量=储存能量的变化耗费的火用-收益的火用=内部不可逆火用损失+外部火用损失特点不同质的能量的数量平衡同质能量的数量平衡效率热效率其分子分母常常是不同质的能量火用效率其分子分母为同质能量两种效率的关系作用反映外部能量损失能同时反映内部和外部火用损失例：热力发电厂设备的能量损失与火用损失设备能量损失占输入能量的比例%火用损失占输入火用的比例%锅炉949锅炉内各过程损失燃烧过程29.7传热过程14.9烟道损失0.68扩张段损失3.72汽轮机极小4凝汽器471.5加热器极小1.0其他35.5合计59611.4 总能系统的概念一、 总能系统定义总能系统：（原为天然气销售公司的广告用语，意为用一种燃料可满足用户所有的能量需求）充分合理的利用能量的数量和质量的能量供应系统。二、 总能系统的优化总能系统的优化，就是使贮藏能所具有的火用，得到最大限度的利用，在能量利用过程中做到能量匹配，阶级利用。三、 总能系统的作用能量是有等级的，供给相同数量的能量，可以用与之等级相匹配的能源去满足要求，也可以用能级较高的能源来供应。这两种供应方式的效益是不同的。对系统而言，一个系统可能需要多种功能或者说多种能级的能量。比如，一个工厂区需要电能作为动力和照明的能源，需要不同压力等级的蒸汽满足工艺需要，还需要供暖、生活热水、冷源等满足人们工作生活的需要。这些能源等级各不相同。而一种含能物质可以通过不同的方法释放不同等级的能量。如何通过技术上可行、经济上合理的方法使得能源释放出各种不同等级的能量用以满足不同能级用户的需要，使其发挥出最高的能源利用率，这就是总能系统的价值和意义，也是总能系统的研究内容。四、 举例l 热电联产l 热电冷三联产l 热电冷气四联产l 蒸汽燃气联合循环第二章 火力发电厂热力系统发电技术分类：l 火力发电：燃料热能电能l 水力发电：水流动的机械能电能l 风力发电：风的机械能电能l 核能发电：核聚变产生的热能电能l 潮汐发电：潮汐过程的机械能电能2-1 火力发电厂概述一、 火力发电厂的种类火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气或其他燃料的化学能生产电能的工厂。当前，我国电厂以燃煤为主。火电厂的分类：1. 按照容量分类，可分为大型电厂、中型电厂和小型电厂；2. 按照工质初参数的高低，可分为低压、中压、超高压、亚临界和超临界压力等几种电厂；3. 按照燃料不同，可分为燃煤、燃油和燃气等几类电厂；4. 按照原动机的不同可分为汽轮机电厂、燃气轮机电厂、汽轮机燃气轮机电厂等；5. 按照其功用的不同可分为凝汽式电厂和热电厂。前者安装凝汽式机组，后者安装供热机组（也称为热化机组）。热电厂又可分为背压式和抽汽式。凝汽式发电厂仅向外界用户供应电能，而热电厂除供电外，还向热用户供应热能蒸汽和热水。其系统图见下：凝汽式发电厂：背压式机组热电厂：抽汽式机组热电厂：火电厂的能量转换过程：燃料的化学能热能机械能电能。二、 火力发电厂的生产工艺过程以燃煤凝汽式发电厂为例1） 煤、空气、烟气、灰渣系统煤与空气：烟气：灰渣：2） 汽水系统工作介质：循环水：补充水：2-2 蒸汽动力循环分析在火力发电厂中，燃料的化学能转变为电能的过程是通过蒸汽动力循环实现的。能量转换过程的好坏，主要取决于循环过程的完善程度。一、 朗肯循环1) 理想朗肯循环一切蒸汽动力循环都以朗肯循环为基础。因此，我们从讨论朗肯循环入手。如下图所示，为最简单的凝汽式汽轮机发电厂。下图为对应的理想朗肯循环的T-S图。从热力学的观点看，工质循环经历了四个热力过程，即水在锅炉中等压加热、汽化和过热过程（T-S图中4561过程）；蒸汽在汽轮机中的等熵膨胀做功（T-S图中12）；排气在凝汽器中定压凝结放热过程（T-S图中23）和给水在水泵中等熵压缩后进入锅炉（T-S图中34）的过程。2) 典型不可逆过程的火用损失1） 有温差的换热过程如上图所示，工质A经过12过程被冷却，其平均放热温度为，放热量为Q，火用损失：工质B经过34过程被加热，其平均吸热温度为，吸热量为Q，其火用增加了：它们的平均换热温差为，于是在该温差下换热的不可逆过程火用损（即做功能力损失）为：由上式可知：环境温度一定时，换热温差愈大，熵增和火用损也愈大。Q越大，因引起的火用损也越大。一定，工质B的平均温度愈高，火用损愈小。2） 有压降的绝热节流过程（存在沿程和局部节流损失）发电厂的汽水介质流经绝热良好的管道或管件时产生有压降的绝热节流过程。有压降的绝热节流过程h-S图有压降的绝热节流过程T-S图其做功能力损失即火用损失为：3） 有摩阻的绝热压缩（膨胀）过程蒸汽在汽轮机中不可逆绝热膨胀，水在水泵中被不可逆绝热压缩等过程都属于有摩阻的绝热过程。汽轮机内不可逆绝热膨胀过程火用损为：水泵中不可逆绝热压缩过程火用损为：如下图所示：实际发电厂循环过程及过程火用损失示意图：二、 热电厂经济性的评价方法热力发电厂都以朗肯循环作为基础，辅以给水回热加热和中间加热，最终形成现代火力发电厂的复杂蒸汽动力循环。热力发电厂生产过程的实质，是将燃料的化学能通过燃烧的形式转变成热能，利用工质作为媒介实现热能的传递以及热能向机械能的转换，最终通过发电机将机械能转变为电能。在这些能量转换过程中，总有数量不等、原因不同的各项能量损失。这些能量损失大小直接影响到发电厂热经济性的好坏。因此，科学的定量计算发电厂热经济性具有重要的意义。定量计算发电厂热经济性的方法主要有热平衡法（又称效率法）和火用分析法。（一）热平衡法热平衡法以热力学第一定律为依据，以循环热效率、装置效率、设备效率来定量的表征其热功转换效果。以具有z级回热再热循环为例，分析实际电厂的各种效率（以1kg工质为基准计算）1） 循环热效率循环的理想功与其吸热量之比称为循环热效率，即：进入凝汽器的工质中乏汽的份额（相对于进入汽轮机的蒸汽量）；：循环吸热量，单位kJ/kg；：再热蒸汽吸热量；：理想循环时冷源损失，单位kJ/kg；、：给水温度和凝结水焓。2） 实际循环热效率实际循环效率（即汽轮机装置的绝对内效率）是以循环吸热中可转变为有效利用的内功的多少来衡量，它有两种表达式。第一种表达式：或：实际循环的冷源损失，单位为kJ/kg；：汽轮机的实际焓降，单位为kJ/kg；：汽轮机的相对内效率。另一种表达方式，是将进入汽轮机的蒸汽分为凝汽汽流和各级回热抽汽汽流两部分，当不考虑加热器的散热损失时，以它们各自做的内功之和与其对应的热耗量之比来表征，即：凝汽汽流实际焓降，单位为kJ/kg；：回热抽汽汽流实际焓降，单位为kJ/kg；：凝汽汽流的热耗量，单位为kJ/kg；蒸汽若无再热，则=0，即为只有回热循环的绝对内效率；若又无回热抽汽，即=0，该式即变为朗肯循环的绝对内效率。用的第一种表达式求回热参数的最佳值比较方便；而用第二种表达式来分析凝汽汽流、回热抽汽汽流对热经济型影响较为方便。3） 汽轮机的机械效率由于汽轮机支撑轴承和推力轴承存在机械摩擦，且带动油泵和调速系统必须消耗能量，汽轮机的有效功率总是小于内功率。汽轮机机械效率就等于有效功率与实际内功率之比。一般，。在工程计算中，可直接从汽轮机的热力计算书中查取。4） 发电机效率发电机的损失包括电机机械方面引起的通风和轴承摩擦损失，以及电气方面引起的铁损（激磁）和铜损（线圈热损失）。现代大型发电机效率可达97%98%（空冷）、98%99%（氢冷）和96%98.7%（水冷）。在工程计算中，发电机效率可以从说明书中查得。5） 绝对电效率绝对电效率等于绝对内效率乘以机械效率和发电机效率，即：或：机组的热耗量，单位kJ/h;：机组的热耗率，单位为kJ/（kW*h）。6） 锅炉效率锅炉效率为锅炉热负荷与所供给热量之比，即7） 主蒸汽管道效率主蒸汽管道效率为管道有效供热量与其总供热量之比，即机组的热耗量与锅炉热负荷之比，即8） 全厂总效率凝汽式发电厂的全厂总效率为发电机输出功率与燃料所供热量之比。即以每生产一公斤蒸汽需要燃料提供的热量为基准计算，为：产生1kg蒸汽需由燃料提供的热量；：循环的冷源损失，即凝汽器损失。（二）火用分析法由火用平衡式可求得热力设备的火用损通式为对于不同热力设备，火用损的具体计算式也不一样。下表为电厂各热力设备的火用损失及火用效率计算公式。设备特点火用损（kJ/kg）火用效率（%）汽轮机锅炉、换热器W=0管道，W=0全电厂的总火用损为：供给热量的最大火用值为：每产生一公斤蒸汽需要由燃料提供的热量；T：热源的平均放热温度2-3 凝汽式发电厂的热经济性指标热经济性指标主要有汽耗、热耗、煤耗和全厂效率四类。其单位指标分别为：l 汽耗：kg/h或kg/(kw*h)l 热耗：kg/h或kg/(kw*h)l 煤耗：kg/h或kg/(kw*h)l 全场效率一、 汽轮发电机组的热经济指标（一） 汽耗和汽耗率在纯凝汽式汽轮机中，热能转变为电能的热平衡方程式为： 为纯凝汽式机组的汽耗。实际电厂机组因具有回热抽汽过程和中间再热过程，其汽耗为：，单位kg/h。为抽汽做功不足系数。对于再热蒸汽之前的回热抽汽，其抽汽做功不足系数为：对于再热蒸汽之后的回热抽汽，其抽汽做功不足系数为：是由于回热抽汽使汽耗增加的系数，。相应的汽耗率，单位为（二） 热耗和热耗率热耗：，单位为热耗率：，单位为热耗率也可写为：，单位为热耗率真实反映了机组的热经济性，其物理意义为汽轮机组每发1电需消耗的热量。二、 锅炉设备的热经济指标若不计锅炉连续排污热损失，并假设锅炉的蒸发量等于汽轮机的汽耗量，则锅炉的热负荷为：，单位为锅炉效率为：现代电站锅炉效率为90%94%左右。三、 全厂热经济指标1、 全厂热耗和热耗量，单位，单位2、 全厂效率全厂毛效率：全厂静效率：为厂用电功率，单位为kW。为厂用电率，。3、 燃料消耗量和燃料消耗率煤耗量：，单位kg/h煤耗率：，单位标准煤耗率：，单位为我国90年代初全国平均供电标准煤耗率为420，全国平均供电标准煤耗率为340现在工业发达国家的标准煤耗率为310。2-4 提高发电厂热经济性的途径发电厂热效率提高发电厂热经济性的途径主要有合理选择蒸汽初参数、合理选择蒸汽终参数、采用蒸汽中间再热技术等。下面分而述之。一、合理选择蒸汽的初参数（一）初参数对循环热效率的影响当排汽压力不变时，无论提高蒸汽初压力还是初温度，都可以使循环的平均吸热温度提高，从而使循环热效率增加。若同时提高初压力和初温度，则循环效率提高更快。（二）汽初参数对汽轮机相对内效率的影响蒸汽的初压和初温对于汽轮机相对内效率有不同方向的影响。当仅提高蒸汽初压力时，蒸汽的比容减小，汽轮机的容积流量也随之减少，使高压部分的叶片高度减小，汽轮机流通部分间隙漏气损失增加。另外，提高初压使汽轮机末级蒸汽湿度增加而造成湿气损失增大。因此，提高蒸汽初压力会使汽轮机相对内效率降低。当仅提高初温时，进入汽轮机的蒸汽容积流量增加，使漏气损失相对减少，同时，由于汽轮末级排气量湿度减小，使汽轮机的相对内效率提高。同时提高蒸汽的初压力和初温度时，提高和降低相对内效率的因素同时起作用。此时，提高初压力对汽轮机相对内效率的影响更大。故一般情况下提高初始参数会使汽轮机的相对内效率数值降低。（三） 蒸汽初参数对实际循环的影响由凝汽式发电厂总效率公式可知，只有循环热效率和汽轮机相对内效率与蒸汽初参数关系密切。对大容量汽轮机，当蒸汽初参数提高时，循环热效率的提高超过了汽轮机相对内效率的降低。对小容量机组，情况恰恰相反。（四） 提高蒸汽初参数的技术限度及合理参数选择提高蒸汽初温度的可能性要受到制造动力设备材料强度的限制。提高蒸汽初压力，除了使设备壁厚和重量增加外，还受汽轮机最后几级容许蒸汽湿度的限制。因此，提高蒸汽初参数，不仅要考虑热经济性的提高，还应考虑技术经济效益。综合来看，主要要考虑以下四方面问题：l 材料l 投资l 制造l 运行（安全）通常，蒸汽初参数的提高，要通过技术经济比较论证之后才能确定。技术经济比较的实质是煤钢比价。二、合理选择蒸汽终参数降低蒸汽终参数，其平均放热温度明显下降，可使循环热效率显著提高。凝汽式汽轮机的终参数取决于凝汽器的真空度。而凝汽器的真空度又与冷却水的温度和流量、凝汽器的结构、汽轮机末级的流通面积、余速损失、湿气损失、汽轮机负荷和真空系统的严密性等因素有关。其中，影响冷却水水温的自然条件和影响汽轮机末级同流面积的技术条件是决定凝汽器极限真空的两个主要因素。凝汽器真空度的相关因素：l 冷却水的温度和流量l 凝汽器的结构l 汽轮机末级的流通面积l 真空系统的严密性凝汽器极限真空的主要相关因素：ll最有利的排气压力时通过多方面的技术经济比较后确定的。三、采用蒸汽中间再加热技术合理选择再热参数可提高整个再热循环的平均吸热温度，增加循环热效率，并使排气压力下的蒸汽湿度低至允许范围。和的提高均能提高电厂效率。一般，采用一次中间再热，可使机组的热经济性提高5%，使用两次中间再热，可使机组的经济性提高7%。但中间再热技术会增加系统的复杂程度，应通过经济技术分析确定中间再热技术的实施方案。一般100MW以上的高参数机组采用一次再热，超临界参数机组才考虑采用两次中间再热。四、 采用给水回热加热系统给水回热加热提高循环效率的原因主要有两点：l 利用汽轮机抽汽对给水加热，换热温差小于锅炉烟气加热，给水加热过程不可逆性减小，冷源损失降低，循环效率提高。l 回热循环中进入汽轮机的蒸汽可分成两部分：一部分蒸汽经汽轮机各级膨胀做功后流向凝汽器，这部分蒸汽循环效率等于朗肯循环效率；另一部分在流至中间级做功后从汽轮机抽出用来加热给水，然后重新进入锅炉，这部分蒸汽循环效率=1。其T-S图如下五、 采用热电联产技术2-5 给水回热加热系统一、 给水回热加热器按加热器传热方式不同，可分为混合式和表面式两种（一） 混合式加热器混合式加热器是借助于蒸汽和给水直接混合传热的一种加热器。在加热器内蒸汽和较低温度的水直接接触而凝结放热，并将热量传给被加热的水以提高给水温度。因此，混合式加热器内给水温度，可达到加热蒸汽压力下对应的饱和温度。优点：l 传热效果好，加热蒸汽和被加热水之间不存在传热端差；l 结构简单、造价低；l 便于汇集不同温度的水流，并除去水中所含的气体。缺点：l 加热器后要设置给水泵，且给水泵要在高温水条件下工作；l 在汽轮机变工况运行时，给水泵工作不够可靠；l 厂用电消耗增大。（二） 表面式加热器表面式加热器是借助金属受热面实现汽水两种介质间热量传递的一种加热器。优点：l 其组成的回热系统简单，给水泵数量少，运行方便。缺点：l 运行过程中经济性差；l 金属耗量大，造价高，需增加疏水设备。二、 回热系统的连接方式热力发电厂所采用的是带有混合式和表面式加热器的回热系统。在其系统中以表面式加热器为主，其中只采用一个混合式加热器，其目的不是为了提高经济性，而是为了作为锅炉给水除氧和汇集不同水流之用。（一） 疏水的连接接方式疏水的连接方式主要有疏水逐级自流系统、采用疏水泵连接的回热系统和具有疏水冷却器的疏水连接系统三种。1、 疏水逐级自流系统这种系统的加热器疏水，利用本身的压力逐级流入较低压力的下一级加热器中。最后一个加热器的疏水流入凝汽器中。特点：系统简单，运行可靠，热经济性差。2、 采用疏水泵连接系统为了充分利用疏水的热能，可用专门水泵（疏水泵）将疏水送入本级加热器的主凝结水管道中，形成采用疏水泵连接的回热系统。本系统热经济性优于逐级自流回热系统。将疏水送至加热器后面的系统热经济性优于将疏水送至加热器前端的系统。3、 具有疏水冷却器的疏水连接系统这种系统在疏水进入下一级冷却器之前用一部分主凝结水在疏水冷却器中将疏水冷却，使疏水温度降低，以减少排挤下一级抽汽而引起的热损失。（二） 蒸汽冷却器的连接方式由于有些回热抽汽的过热度较高，使得回热换热过程的不可逆损失增加。因此，现在高参数大容量过程的不可逆损失增加。因此，现代高参数大容量再热式机组全部高压加热器和部分低压加热器都设有蒸汽冷却器。蒸汽冷却器共有三种连接方式。分别为内置式蒸汽冷却器连接系统、外置式蒸汽冷却器并联连接系统和外置式蒸汽冷却器串联连接系统。（三） 实际的回热加热系统发电厂广泛采用的回热加热器连接系统，一般是只用一个混合式加热器作为锅炉给水的除氧器。除氧器一般放在系统中间。按主凝结水流动方向，将除氧器以后的加热器称为高压加热器，除氧器之前的加热器称为低压加热器。高压加热器的疏水一般逐级自流至除氧器。个别系统也有将高压加热器疏水先经疏水冷却器再进入除氧器，以提高热经济性。低压加热器的疏水也是逐级自流，当自流至最后一个低压加热器，其疏水用疏水泵打入该级加热器出口，与主凝结水混合。例：国产N50-90型机组的回热系统高压加热器由过热段（即蒸汽冷却器）和凝结端组成，其疏水逐级自流至除氧器。低压加热器的疏水逐级流至最末一级加热器，再用疏水泵将其送至加热器出口主凝结水管道中。国产双抽CC25-90型机组回热系统它与N50-90型机组不同的是：有一级调节抽汽向一台高压加热器。高压除氧器和热用户供应蒸汽；另有一级调节抽汽向一台低压加热器、大气压力式除氧器和热网加热器供热。在低压加热器中有一级疏水冷却器。2-6 给水回热系统的热力计算无论是设计新型机组，还是改进现有机组的回热系统，或机组大修后作热力实验需定量分析比较其热经济性时，都需要进行机组的热力计算。回热系统的热力计算是发电厂原则性热力计算的核心。给水回热系统热力计算的目的是确定汽轮机在某一工况时的汽耗量和各级回热抽汽量，计算机组的热经济指标。计算方法：l 定功率计算法（传统方法）l 热力循环函数法l 等效焓降法一、 传统计算方法（一） 计算原理与步骤1、 已知数据：l 循环初、终参数l 汽轮机的容量和参数l 回热系统的连接方式及各级抽汽的汽水参数l 机械效率和发电机效率l 各加热器的端差及其散热损失2、计算依据：l 各加热器的热平衡方程式l 物质平衡方程式l 汽轮机的能量平衡式（功率方程式）4、 计算顺序：由回热系统连接方式确定一般计算顺序为，从高压加热器开始，先求出高压加热器的抽汽系数，然后顺序求出压力较低各级的相应系数。若已知进入凝汽器的流量，计算从低压加热器开始，较为方便。如果面式加热器的疏水与主凝结水相混合，则最好先进行疏水和主凝结水混合后的高压加热器的热平衡计算，然后进行混合以前的低压加热器热平衡计算，而后载进行混合器的热平衡计算。在计算各级加热器的热平衡时，应考虑散热损失。或以加热器效率、或以加热器焓利用系数来反映该损失。加热器效率可取为0.970.99、加热蒸汽焓利用系数可取为0.985.注意二者不可同时使用。例：回热加热系统热力计算例题已知条件：机组容量，新汽初压力，初温度，凝汽器压力绝对大气压，给水温度，该机组为六级回热系统，如图所示。机组的机械效率，发电机效率，各加热器的散热损失以抽汽焓值的利用系数来考虑，取其为，端差为。求：机组额定工况时的汽耗量和各级回热抽汽量、机组的热经济指标。解：根据已知数据，将该机组额定工况时的汽水参数编制成课本表2-71、求各级回热抽汽的抽汽份额（1）一号加热器热平衡（2）二号加热器热平衡式中，为一号加热器疏水在二号加热器的放热量（3）除氧器的热平衡（4）四号加热器热平衡 （a）（5）混合气的物质平衡和热平衡物质平衡：热平衡：将物质平衡带入上式，得 （b）（6）五号加热器的热平衡 （c）联立求解（a）（b）和（c）式，解得由式（c）由式（b）（7）六号加热器的热平衡（8）凝汽流量份额2、机组热经济性的计算（1）汽轮机组的汽耗和各级抽汽量先求各级回热抽汽的做功不足系数汽轮机的汽耗量汽耗率各级抽汽量和凝汽量（2）汽轮机的热耗热耗量热耗率（3）机组的绝对电效率2-7 给水除氧系统一、 给水除氧的目的l 氧的存在加速金属的腐蚀l 高参数蒸汽溶盐的能力增强，氧的存在使叶片形成氧化物的沉淀，导致出力下降及推力增加l 热交换器设备中存有气体会妨碍传热，降低热效率二、 给水除氧的方法给水除氧有化学法和物理法两种化学除氧是利用一些易和氧发生化学反应的药剂（如亚硫酸钠和联胺），使之和水中溶解氧化合成另一种物质来除去氧。物理除氧用的最广泛的是热除氧法，它价格便宜，既能除氧又能除去其他气体，还不留任何残余物质，所有电厂都无例外的采用，即使亚临界及以上参数的电厂，热除氧也是主要的除氧手段。三、 热除氧原理热除氧原理建立在亨利定律和道尔顿定律基础上。亨利定律指出，当溶于水中的气体与自水中溢出的气体处于动态平衡时，单位体积水中溶解得气体量和水面上该气体的分压成正比关系：K为该气体重量溶解度系数，它随气体种类、温度及压力而变化，量纲为mg/L；B为单位体积水中溶解的气体量。道尔顿定律指出，混合气体全压力等于各组成气体的分压力之和。对给水而言，水面上混合气体，其全压P则应等于水中溶解的各种气体的分压力和水蒸气分压力之和：给水在定压加热时，发随着水的蒸发过程不断加强，水面上水蒸气分压会逐步增大，相应其他气体分压将不断减少。当把水加热质饱和温度时，水蒸气的分压力几乎等于水面上的全压力，其他气体分压力变趋于零，从而创造了将水中溶解气体全部取出的条件。所以，道尔顿定律是提供了用加热水至沸腾，使水面上气体分压为零的方法。热除氧过程为传热和传质过程。热除氧条件为：（1） 建立除氧的传热条件，把水加热到除氧器工作压力下的饱和温度；（2） 创造气体自水中离析的传质条件，要有足够的汽水接触面积和不平衡压差。气体自水中离析出来的量与下列因素有关： 为离析系数； F为汽水接触面积； 为不平衡压差。四、 除氧器类型与结构除氧器又称除气器，其类型可按其结构及压力分类。按结构划分除氧器类型：l 淋水盘式，包括两种形式的淋水盘，为圆环形和圆形；l 喷雾填料式。按压力划分除氧器类型：l 大气式除氧器：工作压力0.118MPa，给水可加热至，含氧量小于；l 高压除氧器：工作压力为（0.3430.588）MPa，我国为0.588MPa，给水可加热至，含氧量小于。高压除氧器的优点： 可减少高加数目； 可提高给水温度； 可防止自生沸腾。l 真空除氧器：凝汽器加装适当的除氧装置后成为真空式除氧器，一般只作为辅助除氧器来使用。五、 除氧器的运行（一） 除氧器的定压运行所谓定压运行，即除氧器内的压力不随汽轮机负荷的改变而改变。除氧器压力的稳定靠压力调节阀来执行。 这种连接方式存在着节流损失，使加热蒸汽能量贬值。（二） 除氧器的滑压运行所谓滑压运行，就是除氧器的压力随汽轮机负荷的改变而改变。这种连接方式可提高经济性，简化系统。采用滑压运行，当负荷急剧变动时，由于除氧器内压力和水温变化速度不一致会产生如下现象：l 当骤升负荷时，可投运设备在集水箱内的加热器，以防除氧效果的变化。l 当骤降负荷时，防止给水泵入口汽化的措施有：提高除氧器的安装高度；采用低转速的前置给水泵；减少泵吸入管道上不必要的弯头和水平管段的长度，以降低吸入管段的压降。2-8 发电厂的汽水损失及补充发电厂中存在的蒸汽和凝结水损失，简称汽水损失。一、 汽水损失的原因和数量发电厂的汽水损失，根据损失的不同部位分为内部损失和外部损失。（一）内部损失内部损失，指发电厂内部设备本身和系统造成的蒸汽和凝结水损失。造成内部损失的原因主要有：1、主机和辅机的自用蒸汽消耗；2、热力设备、管道及其附件的连接不严密处造成的汽水泄漏；3、热力设备在检修和停运时的放水放汽；4、经常性和暂时性的汽水损失；5、热力设备启动时的用汽或排气；（二）外部损失，外部损失，指发电厂对外供热设备和系统造成的蒸汽和凝结水的损失。外部损失的大小与热用户的工艺过程有关。二、 减少汽水损失的措施减少汽水损失的措施主要有：1、 提高检修质量，加强堵漏；2、 采用完善的疏水放水系统；3、 减少起停次数；4、 降低排污；5、 采用蒸汽发生器的闭式供热系统。汽水损失可以减少，但无能消除。三、 发电厂汽水损失的补充水处理方法电厂补充水的处理通常采用两种方法，即化学处理法和加热处理法。（一） 化学处理法 化学处理法，是借助于一系列的化学反应达到除去水的盐类的目的。需要除去的盐类包括钙镁硬质盐类、钠盐、硅酸盐类等。（二） 加热处理法 加热处理法，是用蒸发器产生的蒸馏水作为补充水的补水方法。四、 锅炉连续排污利用系统（一） 锅炉排污率蒸汽携带盐分使锅炉过热器管壁结垢引起超温乃至破坏，也能使汽轮机通流部分积盐垢而降低汽轮机出力，增加轴向推力。这样不仅降低了热经济性，而且还严重的影响安全运行，为了保证蒸汽的品质，炉水质量要控制在允许范围内，所以对汽包式自然循环锅炉要进行连续排污。在确