能源转换与利用第2章热力系统分析.ppt

3.1 蒸汽动力循环的分析 3.2 燃气-蒸汽联合循环 3.3 热电联产系统分析 3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析 3.5 热泵系统分析,第三章 热力系统分析,3.1 蒸汽动力循环的分析,电能中，80%以上是由燃料通过蒸汽动力循环转换而来。蒸汽动力循环是应用最广、最重要的一种热力循环，将它的效率提高0.1%，我国每年将节约几十万吨标准煤。,3.1.1 朗肯循环的分析 朗肯循环是最基本的蒸汽热力循环，也称为简单蒸汽动力装置循环。它由锅炉、汽轮机、给水泵和冷凝器组成，并由管路连接。构成热力系统。,简单蒸汽动力装置系统图,水泵P,冷凝器C,锅炉B,汽轮机T,W1,q2,q1,W2,简单蒸汽动力装置流程图,朗肯循环可以理想化为由两个可逆定压过程和两个可逆绝热过程组成的理想循环。 4-1定压吸热过程，1-2绝热膨胀过程， 2-3定压放热过程， 3-4绝热压缩过程。 1-1为阻力和散热造成的温降和压降,锅 炉,汽轮机,发电机,凝汽器,给水泵,1,2,3,4,系统分析的目的就是计算每个设备中的变化及损失，从而计算每个设备与整个装置的效率，分析影响效率的主要因素及提高效率的途径。,锅炉的燃料低发热值为,锅炉的热效率为,汽轮机的相对内效率为,水泵效率为,2s,1、锅炉,2s,1kg蒸汽在锅炉中的吸热量：,1kg燃料所能产生的蒸汽量：,1kg工质通过锅炉的收益：,1kg燃料锅炉中的损失：,总和为耗费与收益之差：,锅炉的效率：,2、蒸汽管路,相应的效率：,对1kg燃料，相应的损失：,损失率损失占燃料的百分数。,3、汽轮机,蒸汽在汽轮机中绝热膨胀对外做出的有用功：,汽轮机进出口的差：,汽轮机中损失：,单位损失大小,即面积,汽轮机的效率：,汽轮机的效率还可表示为：,汽轮机的总损失率为：,4、凝汽器,蒸汽在凝汽器中放出热量,它减少的并未被利用，全部构成损失，即：,单位损失在图上为 2-3-a-b,汽轮机的总损失率为：,5、水泵,水在水泵中被增压可以看成是绝热压缩过程。,它所消耗的功为：,水流经泵的增为：,泵的损失为：,整个装置的损失为：,整个装置的总损失率为：,装置的净效率为：,装置的净功：,装置的效率也可写为：,例题1 已知朗肯循环的各点参数：,每1kg燃料产生的蒸汽量为：,朗肯循环的热效率：,蒸汽动力循环（包括锅炉）的热效率：,两种计算结果对比： 热平衡认为装置的主要热损失是在凝汽器中，放给冷却水的热量占输入热的59.07%。 从平衡的角度看，凝汽器的损失率只占3.2%，因为它的温度（28.98）接近环境温度（12），可用能很小，节能潜力不大，锅炉中的损失率达60.8%，只有采取降低锅炉损失的措施，才有可能明显改善蒸汽动力装置的效率。,热效率和效率接近，损失分配有很大差别。,3.1.2 提高蒸汽动力装置效率的主要途径,锅炉的热效率可达90%，而效率只有40%，影响最大的 是燃烧和传热的不可逆损失。其中，传热损失与给水 及蒸汽参数有关。,1kg水加热成蒸汽的吸热量：,增：,锅炉的热效率与效率的关系：,1、提高蒸汽的初参数t1和p1,40,20,20,1.5,1.1,6.9,0,13.8,图3-5 朗肯循环效率与蒸汽参数关系,当温度一定时，提高压力，膨胀后的状态点2向左方移动，湿度变大。,当干度小于0.9时，在汽轮机的最后几级里，有部分蒸汽凝结成水，易损坏叶片降低内效率。,当锅炉给水温度一定时，热力学吸热平均温度Tm是蒸汽温度T1和p1的函数。对一定的蒸汽温度，对应一个吸热平均温度Tm和最高的最佳蒸汽压力popt。,受锅炉材料的限制,蒸汽参数的影响归纳如下,提高蒸汽初参数 p1，t1,可以提高循环热效率，现代蒸 汽动力循环朝着高参数方向发展。我国目前采用的配套 机组参数如下：,初压/MPa,发电功率/MW,1,2 采用再热循环,wturb,out,蒸汽再热循环的T-s图,蒸汽再热循环可以防止膨胀后蒸汽湿度过大，以保证汽轮机长期安全运转。 蒸汽再热后，提高了蒸汽的焓值和值，还提高了吸热平均温度。,国产再热机组蒸汽参数规范,单机容量(MW),初压(Mpa),初温(),再热温度,再热压力(Mpa),125,200,300,600,13.5/550,13.0/535,16.5/550,16.5/550,2.6/550,2.5/535,3.5/550,3.6/550,3 采用回热循环,回热循环系统示流程图,由吸热平均温度的定义可知，如果蒸汽的压力和温度一定，提高进入锅炉的给水温度，同样可提高锅炉的效率。,回热循环就是从汽轮机的中部抽出一部分做过功但有中间压力pk的蒸汽，供之回热器来加热冷凝水。,回热循环T-s图,每1kg蒸汽做功将减少：,但每1kg蒸汽在锅炉内的吸热量也减少,3.1.3 凝汽式发电厂的能耗指标,凝汽式发电厂由锅炉、汽轮机、机械传动装置带动发电机组成。发电厂的发电效率可由下式计算：, 锅炉效率，一般为0.850.92；, 凝汽式电厂效率；, 管道效率，一般为0.99；, 循环效率，一般为0.40.54；,汽轮机相对内效率，一般为0.80.9；,机械效率，一般为0.960.99；,发电机效率，一般为0.960.99；,由上述各效率的实际数值可得，凝汽式发电厂的效率为25%40%。一般中压电厂的效率约25%，高压电厂约33%，超高压电厂约37%，亚临界电厂约40%。,凝汽式发电厂的每发1kWh电能的标准煤耗率为：,1kg标准煤的发热值为7000kcal（29300kJ）,3.2 燃气-蒸气联合循环,如上所述，蒸汽动力循环的主要损失在锅炉内，其中，燃烧损失及传热损失占了主要部分。上述的提高吸热平均温度的各种措施，实际上是为了减少传热温差，以减少传热损失。,由于受水蒸气的热物理性质及装置材料的限制，这些措施所能取得的效果已经接近极限，燃料燃烧温度与蒸汽温度仍存在着1000 左右的温差，采用水蒸气为工质的循环已无法进一步减小这一损失。,3.2 燃气-蒸气联合循环,燃气轮机目前主要用于航空发动机，利用燃料燃烧产生的高温，有压力的气体在燃气轮机中膨胀做功。它的结构紧凑，但是，排气温度很高，有450650 左右，构成放热损失，因此热效率不到30%。 燃气-蒸汽联合循环的热效率可以达到40%47%。,3.2 燃气-蒸气联合循环,燃气-蒸汽联合循环系统以燃气轮机为主，燃气轮机发电量占65%70%，汽轮机占30%35%。燃气轮机有较大的独立性，可单独工作。余热锅炉容量和蒸汽参数取决于燃气轮机排气，不能单独运行。,燃气-蒸汽联合循环,3.2 燃气-蒸气联合循环,燃气-蒸汽联合循环T-s图,燃气轮机的排气放热过程4-1是在余热锅炉内完成的。在锅炉内将热传给水，完成6-7-8的汽化过程。余热锅炉内的燃气放热平均温度T2m与蒸汽吸热平均温度T3m之间的温差比一般的锅炉要小得多，传热损失较小。,3.2 燃气-蒸气联合循环,3.2 燃气-蒸气联合循环,余热利用型联合循环结构简单，造价较低，但燃料需采用轻质油和气体燃料。适用于小容量蒸汽动力装置的改造。,冶金厂有大量副产煤气上海宝钢投产了一套以煤气为燃料的联合循环装置。,沸腾炉型联合循环装置,煤气化燃气-蒸汽联合循环装置,3.3 热电联产系统分析,凝汽式发电机组的最高效率也低于40%，大量的热（50%60%）被冷凝器中的冷却水带走。 而乏汽的压力只有35kPa，对应的饱和温度为23.7732.55 ，值很小，无直接利用价值。,3.3.1 热电联产概念,从单一能量来源同时产生两种或多种类型的可利用的能源(也叫“联产”) 利用来自电力生产设备的余热,热电分产,热电分产（一）,热电分产（二）,背压式热电联产系统,将汽轮机的排汽压力设计成用户所需的压力，蒸汽经汽轮机做出功后再供热用户使用。缺点：热电互相影响，供热参数单一。,抽汽式热电联产系统,热电联产的T-s图,3.3.2 热电联产的热经济性分析,总效率：指有效利用的能量（包括发电与供热量）与消耗的能量（燃料提供的热量）之比。,3.3.2 热电联产的热经济性分析,对于抽汽供热机组而言，只有抽汽部分 是既发电又供热,因此，它的热化发电率为：,抽汽在流经汽轮机时发出的电能，kJ/h,抽汽所提供的热量，kJ/h,3.3.2 热电联产的热经济性分析,进入凝汽器那股蒸汽在流经汽轮机时只 发出电能，相当于冷凝机组，设它发出 的电能为Wn，则总发电量为Wcq+Wn,总发电量与供热量之比,抽汽供热机组的燃料热能利用总效率为：,（3-29）,3.3.2 热电联产的热经济性分析,抽汽部分的蒸汽相当于通过背压机组做功和供热，蒸汽的热能得到充分利用，而进入凝汽器的那部分蒸汽的燃料利用率相当于凝汽式发电机组的效率。因此，燃料总热量可表示成两部分之和，一部分产生抽汽，一部分产生冷凝蒸汽。,（3-30）,3.3.2 热电联产的热经济性分析,（a）冷凝式电站,（b）抽汽式电站,1燃料输入热；2烟气损耗； 3透平、电机损耗和电站用电； 4冷凝器放出热量； 5净输出供电量；6地区供热。,3.3.3 热电联产总热耗的分配,1、热量法,总汽耗量，kg/h,汽轮机进汽焓，kg/h,锅炉给水焓，kg/h,锅炉效率,管道效率,供热热耗量,发电热耗量,按热电厂生产两种能量的数量比例来分配热耗量,3.3.3 热电联产总热耗的分配,2、实际焓降法,按汽轮机实际焓降和供热蒸汽在汽轮机中继续膨胀到凝汽压力时的实际焓降的比例来分配热耗量。,汽轮机排入凝汽器时的蒸汽焓，kJ/kg,3.3.3 热电联产总热耗的分配,3、值法,折中方法，按汽轮机进汽和供热蒸汽的值来分配。,供热方面的热耗量：,发电方面的热耗量：,燃料消耗量及其它热经济指标计算,总燃料消耗量,供热方面的燃料消耗量：,发电方面的燃料消耗量：,供热效率：,供热标准煤耗：,发电热效率：,发电标准煤耗率：,由表10计算结果可见，热量分法将全部得益归发电方面，使发电煤耗率大大降低，因而发电 成本较低。焓降法将全部得益归供热，因而供热煤耗减少，使供热成本降低。值法介于两者之间，但与焓值法较接近，即供热方面要比发电得益多一些。,例题 2,3.3.3 热电联产总热耗的分配,例题2：,3.3.4 热电联产的节能效果,设实际的供热量为,发电量为,则热电联产的燃料消耗量为：,3.3.4 热电联产的节能效果,对于抽汽式汽轮机组，抽汽部分相当于背压式，凝汽部分相当于凝汽机组，,抽汽供热蒸汽的发电量,汽轮机凝汽部分的动力循环效率,凝汽部分发电量,3.3.4 热电联产的节能效果,则热电分产时的燃料消耗量为：,热电联产和热电分产相比的燃料节约量为：,3.3.4 热电联产的节能效果,对背压式机组可得：,对抽汽式机组可得：,3.3.4 热电联产的节能效果,凝汽式电厂发电煤耗率，,热电厂供热部分发电煤耗率，,热电厂发电部分发电煤耗率，,3.3.5 热电联产的热平衡与平衡计算实例,燃料消耗量的计算是否正确？,3.3.6 热电联产的实际应用,1、背压式机组,3.3.6 热电联产的实际应用,2、抽汽冷凝式机组,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,工厂中低于300400的烟气、废蒸汽、废热水以及地热资源。,余热的利用方式大致有两种方式：一为热利用，二为动力利用。,3.4.1 变温热源的动力回收效率,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,在同样温度范围内工作的卡诺循环（恒温热源下）效率为：,令,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,循环T-s图,循环热效率,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,实际系统中：,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,3.4.2 闪蒸发电系统,压力越高，对应的沸点越高，压力越低，对应的沸点越低。,闪蒸高压热水如果突然扩容、降压，则一部分水会汽化成蒸汽。,优点： 1、不需要余热锅炉的汽包，换热器结构简化，且适宜长距离运输； 2、余热回收率较余热锅炉高。,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,在给定D和tR1的条件下，闪蒸压力越低，蒸汽量越大，但蒸汽的初参数越低。,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,试算法求最佳闪蒸温度(tR2)opt,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,两级闪蒸系统：,实践证明，将温差(tR1-te)平均分配，确定两级蒸发温度，可以获得最好的热水利用效果。,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,日本新日铁八幡钢铁厂回收烧结矿冷却机余热的热水发电系统：,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,闪蒸发电系统的效率：,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,3.4.3 低沸点工质发电系统,压力低，平均吸热温度低，温差大，损失大；压力高，热流体出口温度高，回收的热量少。,当中、低温热源的温度水平较低时，水就不再适宜作为工质，因为水在低压时的汽化潜热很大。,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,海洋温差(730)发电可选择氨、R12、R22等； 120左右的地热资源，可用R114、丁烷等作为工质； 200500 可用R85。,3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析,低沸点工质动力循环：,与水蒸气的朗肯循环相似，由蒸发器、汽轮机、冷凝器和泵组成，