方案1 利用R245fa低温纯凝发电提高火力发电厂效率20130520.docx

利用R245fa低温纯凝发电提高火力发电厂效率-发电厂节能减排改造篇-1摘要：目前利用热能发电的系统是朗肯循环系统，由于乏汽的凝结热占做功的热能比例较大，导致整体发电效率不高(一般小于40%)。利用有机工质特性（有机工质的凝结热占做功的热能比例较小），让水蒸气的凝结热在较高温度下释放出来加以利用,从而提高利用热能发电的发电机组综合效率提高10个百分点以上。1. 低位热能利用的必要性与可行性：1.1：低位热能利用的必要性：世界上丹麦Nordjyllands vaerker 电站一台容量为411 MW，参数为28.5 MPa、580/580/580二次再热的燃煤超超临界机组于1998 年投入运行，由于机组冷却水温为10，锅炉排烟温度降到100，锅炉效率达95，机组的净效率达到47,是当今世界上效率最高的超临界火电机组。中商情报网数据显示:2011年1-11月，全国发电量的产量达41939亿千瓦小时，其中，火力发电量达34611.9亿千瓦小时。发电厂供电煤耗：按全国的火力发电厂平均供电煤耗320克/千瓦计算，全国火力发电厂供电煤耗每节省1克既可以可以节约煤炭346.119万吨，如果按本方案执行，可以提高效率10 个百分点，全国全国火力发电厂供电煤耗可以节省32克，共计可以节省11075.3万吨，效果可观，石油煤炭属于一次性资源，我国属于能源缺乏的大国，节能减排迫在眉睫。1.2：低位热能利用的可行性：低温地热双循环发电技术，又名中间介质发电法（ORC技术），与其他发电技术最大的区别在于使用两种流体作为发电系统的工质。其他发电技术通常是地热水蒸汽（或汽水混合物）直接或闪蒸进入发电系统做功转换为电能。而地热双循环发电系统，地热流体携热进入热交换器，将热传递给另一种工质（通常为低沸点工质），该种工质得热蒸发进入汽轮机做功。图1：地热双循环发电系统热力图 以上ORC发电技术在国内外实际中有了商业运作，由于有机工质的特殊物理性质，其凝结热相对气体热晗相对较小，临界点温度相对较低，因此对雨热电厂来讲，将给热网加热的抽汽转换为加热有机工质发电，让蒸汽的潜热在较高的温度下释放出来，制造出有一个超临界有机工质双循环发电系统，增加了火电厂整体发电效率。目前，燃气电厂燃气蒸汽联合循环发电厂能达到60%以上的效率，借鉴燃气蒸汽联合循环发电的设想，采用蒸汽有机工质联合循环发电技术是可行的。2. 利用低温有机工质双循环发电技术改进2.1：传统朗肯循环工作过程： 朗肯循环是最简单的火力发电厂的理论循环，如图2所示。它的循环过程为：首先将凝汽器内的凝结水用凝结水泵4和给水泵6打入锅炉1，该过程为给水的绝热压缩过程，打入锅炉的水在锅炉内定压吸热、汽化和过热；从锅炉来的新蒸汽在汽轮机2中绝热膨胀作功过程；作完功的乏汽在凝汽器内定压凝结放热进入下一个循环过程。图2：火力发电厂的发电系统热力图朗肯循环是最简单的火力发电厂的理论循环，如图2-12所示。1-有过热器的锅炉；2-汽轮机和发电机；3-凝汽器；4-凝结水泵；5-除氧器；6-给水泵；7-循环水泵；以上四个过程在T-s图上表示如图3图3：火力发电厂朗肯循环的T-s图图3中，过程线1-2为过热蒸汽在汽轮机中的绝热膨胀过程。此时每千克蒸汽在汽轮机内部所作的功为：Wth1h2 式中，h1进汽焓，kJ/kg；h1乏汽焓，kJ/kg。过程线23表示乏汽在凝汽器中的定压放热过程。每千克工质放出的热量为：2h2h3 式中，h3乏汽压力P2下的凝结水焓，kJ/kg。过程线34表示凝结水在给水泵中的绝热压缩过程。给水泵所消耗的技术功为：Wph4h3 式中，h4离开给水泵时（P4=P1）的未饱和水焓，kJ/kg。过程线4561表示未饱和水在锅炉的省煤器、汽包和过热器中定压加热、汽化并最后形成过热蒸汽的过程2.2：传统朗肯循环存在的问题位效率低：传统朗肯循环系统汽轮机的乏汽都是在通过环境温度下冷却使饱和蒸汽变成液态开始循环的。 由于水蒸气工质的特性，水的汽化热为40.8千焦/摩尔，相当于2260千焦/千克（一般地：使水在其沸点蒸发所需要的热量五倍于把等量水从1加热到100所需要的热量）。采用冷却方式使水蒸气气体变成液体，导致2260 kj/kg 的热能被浪费，导致以水蒸气为工质的整体发电效率不高，理论计算分析和实际应用都是如此。2.3：利用有机工质发电技术方案构思（见附图1）：在火力发电热电厂原工艺流程的基础上，用热网加热器的热管道做为中间介质发电系统的热源，通过有机工质加热器、有机工质汽轮机、有机工质回收部分、发电机部分等共计五部分组成。发电系统工艺流程如下：低沸点工质在预热器中被加热到所选定的预热温度，然后在蒸发器中被加热到饱和蒸气态驱动汽轮机做功；做功后的工质发气在冷凝器中冷凝，再经工质泵升压然后再进入蒸发器加热，完成一个封闭的有机朗肯循环。1） 热源部分：属于现成系统，利用我厂汽轮机的低参数蒸汽（目前定为七段抽气）及其管道作为双循环发电系统的热源系统；2） 加热器部分：已经有成型产品，可以达到过热效果的（是否需要两级加热需按实际而定），我们可以按我们的参数设计选型购置。3） 汽轮机部分：已经有成型产品，但是需要我们按本厂的参数选型购置或者从节省资金投入方面利用被关闭的小机组进行改制（已有成型经验）。4） 有机工质回收部分：已经有成型产品，但是需要我们按本厂的参数选型购置。5） 发电机部分：已经有成型产品，但是需要我们按本厂的参数选型定做。3. 有机工质发电技术改进方案的参数设计3.1、有机工质选择： 有机朗肯循环，通常使用低沸点有机工质，如氯乙烷、正戊烷、R134A、HFC245FA和异戊烷等，从环保、发电效率等多方面理由考虑，在本方案选择HFC245FA：HFC245FA的基本物性参数摩尔质量(g/mol) 三相点温度() 标准沸点() 临界温度() 临界压力(MPa) 临界密度(kg/m3)临界压缩系数 偏心因子(kJ/(kg)偶极矩(kJ/(kg) 气体常数(J/(mol) 134.0479 -102.1 15.14 154.01 3.651 516.0846 0.267 0.3776 1.549 8.3145 HFC 245FA 特性 饱和曲线温度 饱和压力MPa液体密度kg/m3气体密度kg/m3液体焓kj/kg气体焓kj/kg潜热kj/kg100.08201378.34.88212.83411.78150.11365.275.93219.33415.45200.121352.016.889224.55418.38250.151338.58.55232.45422.7300.181324.8510.169236.43425.7350.211310.912.01245.8430.0400.251296.714.12252.57433.7450.291282.2316.512259.39437.32500.3441267.4319.21266.289440.92550.4001252.2822.25273.25444.49600.461236.7625.67280.28448.035650.531220.8229.51287.3451.53700.6091204.4433.81294.58454.99750.6951187.5538.63301.86458.40800.8091166.5445.16310.722462.4850.8921152.0450.029316.705465.0901.0061133.2856.762324.28468.20951.1291113.74164.30331.9471.293.2、双循环机组汽轮机部分设备选型与参数设计：汽轮机型号：已经有成型产品（ORMAT US 公司已经有单机容量可达72 MW的有机工质的发电机组），但是需要我们按本厂的参数选型定制造额定进汽量： 600 t/h （如果缩小到 60 t/h或 6 t/h容量可以成倍减少）额定进汽饱和温度：85 ；额定进汽饱和压力：0.892 Mpa；进汽焓值：490.92 kj/kg （见计算结果）额定排汽饱和温度： 30 ；额定排汽饱和压力：0.18 Mpa ；气体焓值：425.7 kj/kg ；液体焓值：236.43 kj/kg ；做功分析：依据气缸原理对有机工质HFC245FA从0.892 Mpa 85 的液态到饱和状态下到气态做功计算：0.892 Mpa 85 的液态时体积= 1/1152.04 = 0.00087 m3 / kg0.892 Mpa 85 的饱和状态时体积= 1/50.029 m3 / kg =0.01999 m3 / kg0.18 Mpa 30 的饱和状态时体积= 1/10.169 m3 / kg =0.09834 m3 / kg每公斤有机工质HFC245FA气体的进气做功 =(P1-P2)*（Vq- V2）= (0.892-0.18) MP* *（0.01999 -0.00087 ） m3=0.712 MP * 0.01912 m3=0.01361*106*（N/ m2 ）m3=13.61 *103*（N/ m2 ）m3=13.61 kj依据有机工质HFC245FA做功原理计算，从0.892 Mpa 85 的饱和状态下到额定排汽压力 0.18 Mpa；排汽温度：30 下，可以做功:每公斤的膨胀功= （ P1- P0）*（1/2）*（Vq- V2）；=（0.892-0.18）*（1/2）MP* *（0.09834-0.01999 ） m3=0.712*（1/2）MP* *（0.07835 ） m3=0.02789*106*（N/ m2 ）m3=27.89 *103*（N/ m2 ）m3=27.89 kj综计有机工质HFC245FA做功原理计算，从0.892 Mpa 85 的饱和状态下到额定排汽压力 0.18 Mpa；排汽温度： 30下，可以做功为27.89+ 13.61 =41.5 kj；因此，进汽饱和压力：0.892 Mpa下 的气体焓值=425.7 +41.5 =467.2 kj；汽轮机计算功率：600 t/h*(467.2 -425.7) kj/kg*/3.6 =6916 kw（按热机效率=0.8计算，暂定5533 kw）；（已经有成型产品，但是需要我们按本厂的参数选型定制造）3.3、发电机部分：选用发电机功率5533 kw *0.9=4980 kw（已经有成型产品，但是需要我们按本厂的参数选型定制造）3.4、低压缸排气回收系统：按典型方案使用凝汽器（为成型产品）冷凝器热负荷=（排汽焓值-冷凝工质焓）排气流量=（425.7 - 236.43）600 /3.6=31545 KW循环冷却水量=（排汽焓值-冷凝工质焓）排气流量/（冷却水温升水的比热）=（31545）/（104.1868）*3600=753 t/h循环冷却水的冷却水温升按10 设计。冷凝工质热量=冷凝工质热焓值冷凝工质流量= 252.57600 /3.6=156552/3.6 KW=39405 KW3.5、工质液体箱 （为成型产品） 体积与排气相同，预留10 分钟的排气量的体积。3.6、工质泵 （为成型产品）工质泵电机功率= 流量（吨/小时）*扬程m/（3.6 *102 * 效率） kw；= 600（吨/小时）*（89.2-18） m*/（3.6 *102 * 0.75）=155.1 kw；3.7、蒸发器部分：蒸发器输出总热能=双循环机组汽轮机消耗热量+冷凝器消耗热量+冷凝工质热量；= 7883 kW +31545 KW+39405 KW =39428+39405=78833 kw蒸发器输入热能=蒸发器输出热能-冷凝工质热量=78833 - 39405=39428 kw蒸汽流量：按六段抽汽进汽压力：0.072 Mpa；进汽温度：92.2 ；进汽焓值：2680.1 kj/kg下端差=20 设计（蒸发器输入蒸汽流量T）*（2680.1 -50*4.1868）/3.6=39428 kw（蒸发器输入蒸汽流量T）=39428kw*3.6/（2680.1 -50*4.1868）=141940/（2470）=57.46吨蒸发器选型型式管壳式高效蒸发器（为成型产品）4：效率与效益分析：4.1：汽轮机的七段抽气压力与温度（热焓）在本身汽轮机中可以膨胀做功： 这部分功率计算如下：P a =( heN he0 )*meNqj */3600式中 P a 为七段抽气继续用来做功时的可以发出的电功率；meN 为 抽汽流量;heN 为抽汽的焓（0.072 Mpa ，92.2 ，2680.1 kj/kg）; qj： 汽轮机低压缸的效率按90% 计算; he0为低压缸排气的焓; （真空度95%，温度36，热焓2450 kj/kg）因此七段抽气在汽轮机本身的发电能力：（七段抽气）每吨的发电能力：P a =( heN he0 )*meNqj */3600 =(2680.12450 )*1*88.9% */3600=204.5/3600 =0.05682 MW总计450吨蒸汽的发电能力=450*0.05682MW=25.569MW。七段抽气输出总热能：(2680.1-43*4.1868)* 450/3.6= 1125030/3600=312.5 MW；发电效率=输出（电能+热能）/输入热能=25.569MW/312.5 =8.18% ;被凝汽器冷却损失的潜热：=450 * ( 2450 43*4.1868 )/3600=1021464/3600=283.74 MW；冷却损失的潜热占七段抽气输出总热能的比例：283.74 MW/312.5=90 %；因为七段蒸汽的可发电的热能占抽气输出总热能比例较小（属于低品质热源），如果继续发电时潜热损失较大可达90 %，导致五段蒸汽在本