热力发电厂热经济性分析与评价ppt课件.ppt

热力发电厂的热经济性分析与评价 热力发电厂热经济性评价方法凝汽式发电厂的主要热经济指标及评价提高热力发电厂热经济性的主要方法 1 热力发电厂热经济性评价方法 电厂各环节能量转换 2 热力发电厂的热经济性主要用来说明火电厂燃料的利用程度 以及热力发电过程中各部分能量利用或损失的情况评价能量利用的程度有两种观点 一种是能量数量的利用 另一种是能量质量的利用 为此导致了不同的评价方法 3 评价发电厂热经济性的方法主要有两种 热量法 效率法 热平衡法 以热力学第一定律为基础热量法是从能量转换的数量来评价其效果的 即以热效率或热损失的大小对发电厂或热力设备的热经济性进行评价 一般用于发电厂热经济性的定量分析 zuo功能力分析法 熵方法火用方法 以热力学第一定律和第二定律为基础熵分析法或火用分析法是以燃料化学能的做功能力被利用的程度来评价发电厂的热经济性 由于它的定量计算复杂 使用起来不方便 不直观 一般用于发电厂热经济性定性分析 以便从本质上指导技术改进方向 4 评价热力发电厂热经济性的主要方法 热量法 能量转换及传递过程中的热平衡关系为 输入的总热量 有效利用的热量 损失的热量热效率 就是某一热力发电过程或设备有效利用的能量占所消耗能量的百分数 其通用表达式可以定义为 5 外部输入的热量 热力循环中的理想循环做功量 以热量计 循环中各项能量损失之和 是循环中各项能量损失率之和 6 热效率的大小定量地表征了设备或热力发电过程的能量转换效果 反映了设备的技术完善程度 在发电厂整个能量转换过程的不同阶段 采用各种效率来反映不同阶段能量的有效利用程度 7 热力发电厂能量转换过程中能量的损失及利用 电能生产过程与循环热效率 8 在具体计算时 做功量 吸热量以及放热量均可用工质焓的变化表示 在蒸汽初压不高时 给水泵的耗功可以忽略不计式中 是新蒸汽进入汽轮机的初焓值 是新蒸汽在汽轮机中等熵膨胀后的终焓值 是凝结水焓值 是给水泵出口给水焓值 9 能量转换过程中能量的损失及利用 锅炉设备的热效率与热损失率 管道热效率与热损失率 汽轮机的绝对内效率与冷源损失率 汽轮机的机械损失及机械效率 发电机的能量损失及发电机的效率 全厂能量损失及全厂发电热效率 10 锅炉设备的热效率与热损失率 锅炉设备中的热损失主要包括 排烟热损失 散热损失 化学未完全燃烧热损失 机械未完全燃烧热损失 排污热损失及灰渣热物理损失等 其中排烟热损失最大 占锅炉总热损失的 锅炉热效率 为锅炉设备输出的被有效利用的热量 锅炉热负荷 与输入热量 燃料在锅炉中完全燃烧时的放热量 之比 其表达式为目前大型锅炉热效率一般为 11 管道热效率与热损失率 锅炉生产的蒸汽流过主蒸汽管道进入汽轮机做功 在管道内流动时会有散热损失 散热损失则放在管道热效率中考虑 管道热效率反映了管道设施保温的完善程度和工质损失热量的大小 管道热效率一般为 12 汽轮机的绝对内效率与冷源损失率 蒸汽在汽轮机中膨胀做功的过程 不可逆过程理想情况下汽轮机排汽在凝汽器中放热的冷源损失进汽节流损失 排汽阻力损失及内部 包括叶形 漏汽 摩擦及湿汽等 损失等 这个过程损失的大小用汽轮机绝对内效率 表示 的表达式为式中 称为汽轮机的相对内效率 它反映了汽轮机内部结构的完善程度 现代大型汽轮机的相对内效率约为 是汽轮机现代大型汽轮机的绝对内效率可达 13 汽轮机的机械损失及机械效率 汽轮机转动时产生的机械损失包括支撑轴承和推力轴承的机械摩擦损失 以及拖动主油泵和调速器的功率消耗 汽轮机的机械效率一般为 14 发电机的能量损失及发电机的效率 发电机的能量损失包括轴承摩擦机械损失 通风耗功和发电机内冷却工质的摩擦和铜损 由于绕组具有电阻而发热 铁损由于励磁铁心产生涡流而发热 而造成的功率消耗 现代大型发电机的效率随冷却工质的不同而不同 氢冷时为 空冷时为 双水内冷时为 15 全厂能量损失及全厂发电热效率 纯凝汽式发电厂全厂的发电热效率一般为 可见在纯凝汽式发电厂中 燃料的有效利用程度很低 16 17 综上所述 热量法分析认为 发电厂效率很低的主要原因是冷源损失太大 而冷源损失的大小取决于热力循环方式和蒸汽的初 终参数 因此 提高热力发电厂热经济性的根本途径是提高蒸汽初参数 降低终参数 采用给水回热加热 蒸汽中间再热和热电联产等 18 汽轮发电机组的热经济指标 汽轮发电机组的汽耗量和汽耗率 纯凝汽式汽轮发电机组 19 具有回热和再热的汽轮发电机组 20 21 汽轮发电机组的热耗量和热耗率 22 分析上述表达式可知 能耗率中热耗率 与热效率之间是一一对应关系 是通用的热经济性指标 而汽耗率 与热效率之间无直接关系 主要取决于汽轮机实际比内功 的大小 因此严格地讲 汽耗率 不能作为单独的热经济指标 只有当汽轮发电机组的比热耗一定时 才能反映汽轮发电机组的热经济性 23 全厂的热经济指标 全厂的热耗量和热耗率 24 全厂厂用电率供电热效率 25 全厂煤耗量和煤耗率 26 供电标准煤耗率标准煤耗率是一个发电厂范围内能量转换过程技术完善程度的标志 它反映了发电厂管理水平和运行水平的高低 27 28 提高热力发电厂热经济性的主要方法 提高热力发电厂热经济性可以从两个方面着手 一是改变蒸汽参数 包括提高蒸汽初参数和降低蒸汽终参数 二是改变热力循环的形式 包括给水回热循环 蒸汽再热循环 热电联合循环及燃气 蒸汽联合循环等 29 提高蒸汽初参数 蒸汽初参数对理想循环热效率的影响 30 蒸汽初参数对汽轮机相对内效率的影响 提高蒸汽初温度对汽轮机相对内效率的影响当汽轮机的容量 蒸汽初压力一定时 提高蒸汽的初温度 蒸汽的比体积增大 使进入汽轮机的容积流量增加 在其他条件不变时 汽轮机高压部分叶片高度增大 叶栅损失减少 漏汽损失也相对减小 蒸汽比体积增大 叶轮摩擦损失也减少 同时 随着初温度的提高 汽轮机末几级叶片中蒸汽的湿度减少了 汽轮机的湿汽损失也减小了 这些损失的减少都将使汽轮机的相对内效率提高 所以 提高蒸汽初温度可以使汽轮机的相对内效率提高 31 提高蒸汽初压力对汽轮机相对内效率的影响在汽轮机的容量 蒸汽初温度和终压力一定的情况下 提高蒸汽的初压力 蒸汽的比体积减小 进入汽轮机的蒸汽容积流量减少 级内叶栅损失 级间漏汽损失和叶轮摩擦损失相对增大 同时随着初压力的提高 汽轮机末几级叶片中的蒸汽湿度增加 从而导致汽轮机相对内效率有所降低 而且 蒸汽初温度越低 改变蒸汽初压力时 汽轮机相对内效率的变化越大 因为低温蒸汽的压力变化时 蒸汽比体积的变化率较大 汽轮机叶片高度的变化也大些 32 33 蒸汽初参数对实际循环热效率的影响 提高蒸汽初温度对实际循环热效率的影响在蒸汽初压力及终压力不变时 提高蒸汽初温度 理想循环热效率和汽轮机相对内效率都提高 所以实际循环热效率将提高 34 提高蒸汽初压力对实际循环热效率的影响在蒸汽初温度及终压力不变时 逐步提高蒸汽初压力 理想循环热效率的提高速度递减 继而转向下降 蒸汽初压力提高到转折点 称最佳初压力 时 理想循环热效率达最高值 而汽轮机相对内效率随蒸汽初压力的提高近似成比例地下降 由图 可知 在蒸汽初温度和机组容量一定时 提高蒸汽初压力 实际循环热效率也是先增大后减小 存在一个使实际循环热效率达最大值的最佳初压力 35 36 蒸汽初压力和初温度同时改变对实际循环热效率的影响此时实际循环热效率的变化情况取决于两参数变化的方向和大小 37 38 从图 和图 中可以得到如下结论 蒸汽初温度越高 实际循环热效率也越高 对应于每一个蒸汽初温度 都有一个使实际循环热效率达最高值的最佳蒸汽初压力 蒸汽初温度越高 相应的最佳蒸汽初压力也越高 相同的蒸汽初温度情况下 汽轮机容量越大 最佳蒸汽初压力也越高 39 蒸汽初参数对热力发电厂热经济性的影响归纳如下 在极限蒸汽初压力以内 提高汽轮机的蒸汽初参数 可使循环热效率提高 提高蒸汽初温度 蒸汽比体积增大 容积流量增大 在其他条件不变的情况下 汽轮机叶栅高度增加 叶栅损失减少 同时 级间漏汽损失和湿汽损失相对减少 因此 提高蒸汽初温度 可使汽轮机的相对内效率得到提高 提高蒸汽初压力 蒸汽比体积减小 容积流量减少 汽轮机的级间漏汽损失相对增大 叶栅损失增加 当容积流量小到使叶栅高度低于某一限度而必须采用部分进汽时 又增加了斥汽和鼓风摩擦等损失 此外 提高蒸汽初压力 会使排汽终湿度增加 增大了湿汽损失 所以 提高蒸汽初压力 使汽轮机的相对内效率降低 40 若同时提高汽轮机新蒸汽的初压力和初温度 则使汽轮机相对内效率 降低或提高的因素同时起作用 分析计算表明 提高蒸汽初压力对相对内效率降低的影响大于提高蒸汽初温度对相对内效率提高的影响 也就是说 同时提高蒸汽的初压力和初温度 汽轮机的相对内效率 是降低的 而这个影响的大小与汽轮机的单机容量有关 汽轮机的单机容量愈小 这一影响就越大 反之 就越小 经计算 只有当汽轮机的蒸汽消耗量大于 时 采用高参数 时 经济性才有明显提高 综上所述 汽轮机的单机容量与其进汽参数应是相配合的 即高参数必须是大容量 低参数必须是小容量 41 提高蒸汽初参数受到的限制 提高蒸汽初温度受到的限制提高蒸汽初温度主要受热力设备材料强度的限制 当蒸汽初温度升高时 钢材的强度极限 屈服极限及蠕变极限都会降低 而且在高温下 金属会发生氧化 腐蚀 结晶变化 使热力设备零件强度大大降低 从设备造价角度看 合金钢 尤其是高级合金钢比普通碳素钢的价格高得多 从火力发电厂技术经济性和运行可靠性考虑 中低压机组的蒸汽初温度大多选取 以便广泛采用碳素钢材 高压至亚临界级机组的蒸汽初温度一般选取 这样可以避免采用价格昂贵的奥氏体钢 而采用低合金元素的珠光体钢 奥氏体钢与珠光体钢相比 奥氏体钢耐温高 奥氏体钢可允许高于 的高温 珠光体钢耐温较低 可以在 温度下使用 但奥氏体钢价格高 膨胀系数大 导热系数小 加工和焊接比较困难 另外对温度变化的适应性 抗蠕变和抗锈蚀的能力都比较差 目前超超临界参数机组选用回火马氏体钢 蒸汽初温度可达 42 提高蒸汽初压力受到的限制提高蒸汽初压力主要受汽轮机末级叶片允许最大湿度的限制 在其他条件不变时 对于无再热的机组 随着蒸汽初压力的提高 蒸汽膨胀终点的湿度是不断增加的 这会影响到设备的经济性 使汽轮机的相对内效率降低 同时还会引起叶片的侵蚀 降低其使用寿命 危害设备的安全运行 根据末级叶片材料强度计算 一般凝汽式汽轮机的最大排汽湿度不超过 对调节抽汽式汽轮机 允许的最大排汽湿度可以达到 这是因为调节抽汽式汽轮机的凝汽流量较少 对于大型机组 其排汽湿度常限制在 以下 为了克服湿度的限制 火力发电厂可以采用蒸汽的中间再热来降低汽轮机的排汽湿度 43 降低蒸汽终参数 降低蒸汽终参数对发电厂热经济性的影响在蒸汽初参数一定的情况下 降低蒸汽终参数 将使循环放热过程的工质平均温度降低 理想循环热效率 将随着排汽压力 的降低而增加 44 排汽压力 降低 对汽轮机相对内效率不利 一方面 随着排汽压力的降低 汽轮机低压部分蒸汽湿度增大 影响叶片的寿命 同时湿汽损失增大 汽轮机相对内效率下降 另一方面 随着排汽压力的降低 排汽比体积 增大 在余速损失一定的条件下 就得用更长的末级叶片或多个排汽口 凝汽器尺寸增大 投资增大 若排汽面积一定 则排汽余速损失会增大 汽轮机相对内效率 会降低 45 由曲线可以看出 在背压变化的较大范围内 汽轮机功率成直线变化 直到背压低于某个值 极限压力 时 再降低背压 汽轮机功率不仅不增加 反而减小 由此可见 在汽轮机运行过程中 汽轮机背压并不是越低越好 极限背压 46 降低蒸汽终参数受到的限制汽轮机排汽的饱和温度 必然受到以下两个极限的限制 理论极限 排汽的饱和温度等于或大于自然水温 绝不可能低于这个温度 技术极限 凝汽器冷却面积和冷却水量不可能无限大 因此 凝汽器传热端差和冷却水温升不可能无限小 目前我国大型机组的 一般为 47 凝汽器的最佳真空凝汽器的最佳运行真空 是在一个已经投运的火力发电厂中 设备类型 容量 参数以及设备匹配关系都是确定了的条件下 能使汽轮机运行中净出力最大 或净汽耗 热耗为最小的凝汽器压力 或汽轮机背压 48 回热循环及其热经济性 给水回热加热是指从汽轮机某些中间级抽出部分做过功的蒸汽 送至加热器对锅炉给水进行加热的过程 与之相应的热力循环称为回热循环 49 50 给水回热加热的意义热量法认为给水回热加热的意义在于采用给水回热以后 使汽轮机排入凝汽器的蒸汽量减少了 汽轮机冷源损失降低了 从而提高了循环热效率 51 给水回热的热经济性 采用给水回热可提高理想循环热效率 其原因是给水回热提高了锅炉给水温度 使循环平均吸热温度升高 理想循环效率增大 采用回热可提高汽轮机的相对内效率 采用给水回热后 机组的进汽量比同功率的纯凝汽式机组的进汽量大 这就要求汽轮机高压部分的叶片高度增大 从而可以减少叶型损失和漏汽损失 回热机组的排汽量比同功率的纯凝汽式机组的排汽量小 可以改善汽轮机低压部分的工作条件 减少湿汽损失和排汽的余速损失 52 综上分析 采用给水回热加热能提高机组的热经济性 给水回热加热可使机组效率相对提高 所以 现代机组均采用给水回热加热 以提高发电厂的热经济性 随着机组容量的增大 参数的提高 采用的回热级数和给水温度相应提高 回热加热的经济效益也随之增加 见表 对于多级回热循环 压力较低的回热抽汽做功大于压力较高的回热抽汽做功 因此 尽可能利用低压回热抽汽 这将会获得更好的效益 53 54 影响回热过程热经济性的基本参数影响回热过程热经济性的基本参数有 多级回热给水总焓升 温升 在各加热器间的焓升分配 给水温度 及给水回热加热级数 三者紧密联系 互有影响 55 给水回热加热级数在回热循环中 将给水加热到指定温度可以通过不同的方法 一种是单级高压抽汽一次加热 另一种是用若干级压力不同的抽汽逐级加热 对于一定的给水加热温度 所需要的抽汽量与抽汽级数几乎无关 这是因为单位质量不同压力等级的抽汽在等压放热凝结成饱和水的过程中所放出的总热量大体相同 因此在维持机组功率不变的条件下 采用多级回热可以利用较低压力的蒸汽取代高压蒸汽 在汽轮发电机组输出功率一定的情况下 可以减少汽轮机的进汽量 进而减少凝汽流量 减少凝汽器内冷源损失 从而提高汽轮机的绝对内效率 56 随着回热级数的增加 汽轮机的绝对内效率随之增加 但增加的幅度却是递减的 因此 在实际选择回热级数时 应该考虑到每增加一级加热器就要增加设备投资费用 所增加的费用应当能从节约燃料的收益中得到补偿 同时还要尽量避免发电厂热力系统过于复杂 57 最佳回热分配采用多级回热时 给水在各级加热器中的焓升如何分配 会影响到各级回热的抽汽量和抽汽点位置 从而改变回热抽汽的做功量 影响汽轮机的绝对内效率 显然对于多级回热存在一个最佳回热分配的问题 最佳回热分配的目标就是使回热循环的热效率达到最大值 不同的分配方法 如平均分配法 几何级数分配法和焓降分配法等 但不同方法的计算结果相差甚微 58 平均分配法是按照每一级加热器内给水的焓升相等进行分配的 并将省煤器作为一级加热器考虑 即 59 最佳给水温度回热循环汽轮机绝对内效率为最大值时对应的给水温度称为热力学上 理论上 的最佳给水温度 60 蒸汽中间再热循环及其热经济性 蒸汽中间再热就是将在汽轮机高压部分做过部分功的蒸汽从汽轮机的某一中间级 如高压缸出口 引出 送到锅炉的再热器中再加热 提高温度后再引回汽轮机中 在以后的级中 如中 低压缸中 继续膨胀做功的过程称为蒸汽中间再热 其热力循环称为再热循环 61 蒸汽中间再热的目的提高蒸汽初压力会使汽轮机排汽湿度增大 危及汽轮机的安全 采用蒸汽中间再热的初始目的就是在提高蒸汽初压力时 以减小蒸汽在汽轮机内膨胀的终了湿度 从而保证汽轮机安全运行 随着高参数 大容量机组的发展 在再热参数选择合适时 采用再热除了能减小汽轮机排汽的终湿度外 还可以提高大容量机组的热经济性 如采用一次中间再热后 可以提高火力发电厂热效率 左右 62 综上所述 采用蒸汽中间再热可达到如下目的 采用蒸汽中间再热 减小了汽轮机的排汽湿度 改善了汽轮机末几级叶片的工作条件 同时提高了汽轮机的相对内效率 由于蒸汽中间再热 使工质的焓降增大 如果电功率不变 则可减少汽轮机的总汽耗量 蒸汽中间再热的应用 能够采用更高的蒸汽初压力 增大机组的单机容量 但是 采用蒸汽中间再热将使汽轮机的结构 布置及运行方式复杂 金属消耗及造价增大 对调节系统要求高 使设备投资和维护费用增加 因此 通常只在 以上的大功率 超高参数汽轮机组上才采用蒸汽中间再热 63 蒸汽中间再热参数 提高再热后蒸汽温度可以提高再热循环的热效率 再热蒸汽温度每提高 可提高再热循环热效率 但是 再热蒸汽温度的提高 同样要受到高温金属材料的限制 用烟气再热时 一般取再热蒸汽温度等于或接近于新蒸汽的温度 64 存在一个最佳的再热压力 在这个压力下进行再热可使再热循环热效率达到最大值 当再热蒸汽温度等于蒸汽初温度时 最佳再热压力约为蒸汽初压力的 当再热前有回热抽汽时 取 再热前无回热抽汽时取 例如 某 机组 中间再热压力 约为初压力的 65 蒸汽中间再热的方法 烟气中间再热 66 中 低压缸中继续做功 烟气再过热可使再热蒸汽温度提高到 可使总的热经济性相对提高 所以 烟气中间再热在火力发电厂中得到了广泛应用 但是 由于再热蒸汽管道要往返于锅炉房和汽机房之间 带来了一些不利因素 首先是蒸汽在管道中流动时产生压降 使再热的经济效益减少 其次是再热管道中贮存有大量蒸汽 一旦汽轮机突然甩负荷 此时若不采取适当措施 就会引起汽轮机超速 67 新蒸汽中间再热 68 与烟气中间再热相比 新蒸汽中间再热后的汽温较低 比再热用的汽源温度还要低 相应的再热蒸汽压力也不高 所以用新蒸汽进行再过热要比用烟汽再过热的效果差得多 一般情况下热经济性只能提高 新蒸汽中间再热具有再热器简单 便宜 可以布置在汽轮机旁边 从而大大缩短了再热蒸汽管道的长度 使再热管道中的压损减小 所以新蒸汽中间再热在核电站中得到了广泛应用 69 再热对回热的影响回热机组采用蒸汽中间再热 会使回热的热经济效果减弱 同时影响回热的最佳分配 70 再热对回热热经济性的影响热量法认为蒸汽中间再热使 蒸汽的做功增加 机组功率一定时 新蒸汽流量将减少 约可减少 同时 再热使回热抽汽的温度和焓值都提高了 使回热抽汽量减少 回热抽汽做功减少 凝汽流做功相对增加 冷源损失增加 回热效率较无再热机组稍低 71 再热对回热分配的影响再热对回热分配的影响主要反映在锅炉给水温度和再热后第一级抽汽压力的选择上 目前在各级回热加热分配上 由于高压缸排汽过热度低 再热后的蒸汽过热度高 一般是采用增大高压缸排汽的抽汽 使这一级加热器的给水焓升为相邻下一级的给水焓升的 倍 其目的是减少给水加热过程的不可逆损失 从而提高回热经济效