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第2章热力发电厂热经济性评价方法与指标 1 热力发电厂热经济性的评价方法凝汽式发电厂的主要热经济指标及评价热电厂的主要热经济指标及评价 本章主要内容有 2 2 1热力发电厂热经济性的评价方法 电能生产过程 燃料的化学能 蒸汽的热能 机械能 电能 转换过程的不同阶段产生各种损失 能量不能被全部利用 发电厂的热经济性 表明电厂燃料利用程度以及热力过程中各部分的能量利用或损失的情况 1 热力发电厂热经济性 U1 删掉 U2 删掉删掉 U3 2 热经济性评价的定义 通过能量转换过程中能量的利用程度 正平衡方法 或损失的大小 反平衡方法 来衡量 目的 研究损失产生的部位 大小 原因及其相互关系 找出减少这些热损失的方法和相应措施 3 3 评价电厂热经济性的方法 两种基本方法 2 1 1评价热力发电厂热经济性的主要方法 一 热量法 热量法以燃料产生的热量被利用的程度对电厂热经济性进行评价 可以用各种效率或损失率的大小来衡量 效率的定义 能量平衡关系为 供给的总热量 有效利用的热量 损失的热量 热量损失率 4 意义 效率及能量损失率的大小定量地表征了设备或热力过程的热能转换效果 反映了设备的技术完善程度 实质 效率分析法的实质是能量的数量平衡 所以也称为热力学第一定律效率 二 做功能力分析法 以能量做功能力的有效利用程度或做功能力损失的大小作为评价动力设备热经济性的指标 旨在评价电厂能量的质量利用率 分析方法有 熵分析法和火用分析法 1 熵分析法 孤立系统熵增原理 熵分析法是通过计算熵增来确定做功能力损失的方法 通常取环境状态作为衡量系统做功能力大小的参考状态 即认为系统与环境相平衡时 系统不再有做功能力 5 环境温度为 某一热力过程或设备中的熵增为 则引起的做功损失为 发电厂总的能量损失 6 有温差的换热 冷凝器 加热器 l 2过程 工质A放热 平均温度为 单位工质的熵减少了 放热量为 3 4过程 工质B吸热 平均温度为 单位工质的熵增加了 吸热量为 据能量平衡 单位工质的换热量为 换热过程的熵增 单位工质做功能力的损失为 可知 Tamb一定时 高温换热比低温换热做功能力损失小 7 工质绝热节流过程 蒸汽在汽轮机进汽调节机构中的节流过程 节流前后工质的焓不变 即 并非等焓过程 由热力学第一定律解析式 对于微元可逆过程 有 即 此关系式对任意两平衡态间参数的变化都适用 而不必考虑其中间过程是否可逆 因为式中均为状态参数 但在研究能量转换过程时 只适用于可逆过程 于是 节流过程的熵增为 图中阴影部分的面积 8 可知 压降愈大 做功能力的损失愈大 此外 还与工质的比体积和温度有关 在损失相等时 高温高压的蒸汽管道可以采用较大的工质压降 因此可使用小管径的通道 以节省投资 工质膨胀或压缩过程 蒸汽在汽轮机中的膨胀过程是一个不可逆过程 由不可逆引起的熵增为 做功能力的损失为 同理 在发电厂热力系统中 工质在水泵中被不可逆绝热压缩也将引起做功能力的损失 显然 减少工质膨胀或压缩过程做功能力损失的途径是减少其做功过程中的扰动 摩擦等不可逆影响 9 2 火用 分析法 火用 效率 可用能的利用率 火用 损失 做功能力的损失 火用 的类型 热量 火用 热力学能 火用 和焓 火用 热量 火用 系统所提供的热量中可转化为有用功的最大值 1kg工质 热力学能 火用 闭口系从给定的状态可逆地变到与环境相平衡的状态所能做的最大有用功称为该状态下闭口系的 火用 1kg工质 焓 火用 开口系统中 当稳态流动工质只与环境作用时 从给定的状态可逆地变到环境状态所能做出的最大有用功 1kg工质 火用 方程和 火用 效率 火用 方程 稳流热力系统 开口稳流系统 火用 平衡的通用方程 10 火用 效率 相对指标 热量法 熵方法以及 火用 方法从不同的角度评价发电厂的热经济性 热量法只表明能量数量转换的结果 不能揭示能量损失的本质原因 而熵方法及 火用 方法不仅可以表明能量转换的结果 而且还考虑了不同能量有质的区别 3 两种基本方法的特点 有效利用的可用能 供给的可用能 11 2 1 2凝汽式发电厂能量转换过程中能量的损失及利用 凝汽式发电厂 只发电热电厂 同时发电和供热分散供热 小锅炉供应集中供热 热电厂或区域性大锅炉房 火电厂按其产品可分为 凝汽式 发电厂和热电厂两种 热电厂利用汽轮机较高压力的排汽或可调节抽汽为热用户供热 对凝汽式电厂电能生产过程中各热力设备的能量损失和效率进行分析 本节任务 12 1 电能生产过程与循环热效率 发电厂中电能生产过程 能量转换过程 化学能 热能 机械能 电能 煤 锅炉 汽轮机 发电机 热力发电厂以朗肯循环为基础 通过热功转换获取电能 循环中热功转换的完善程度用热效率表示 它等于有效利用的热量与供给热量之比 即 用焓降表示 13 表示蒸汽在汽轮机中等熵膨胀所做的功 表示凝结水通过给水泵时所消耗的功 在蒸汽初压不高时 给水泵的耗功可以忽略不计 即 2 凝汽式发电厂能量转换过程中能量的损失及利用 实质 用热量法和 火用 分析法评价凝汽式发电厂能量转换过程的热经济性 1 热量法 热量法以热效率或热损失率的大小衡量电厂的热经济性 用各种效率来反映热力设备将能量转换或输出有效能量的程度 用能量损失率来反映各阶段能量损失的大小 不同阶段热效率不同 能量平衡关系 供给热量 有效利用热量 损失热量 14 15 锅炉能量平衡关系 输入燃料热量Qcp 锅炉热负荷Qb 锅炉热损失 Qb锅炉热损失 Qb 排烟损失 散热损失 未完全燃烧损失 排污损失 灰渣热物理损失等 其中排烟损失最大 占总损失的40 50 1 锅炉 16 管道能量平衡关系 锅炉热负荷Qb 汽轮机热耗量Q0 管道热损失 Qp 2 管道 G B T C 98 99 Qb Q0 p 17 汽轮机能量平衡关系 汽轮机热耗Q0 汽轮机内功率Wi 汽轮机冷源损失 Qc冷源热损失 Qc 凝汽器中汽轮机排汽的汽化潜热损失膨胀过程中的节流 排汽 内部损失 3 汽轮机的绝对内效率与冷源损失 45 47 87 90 18 汽轮机机械能量平衡关系 汽轮机内功率Wi 发电机轴端功率Pax 机械损失 Qm 4 汽轮机的机械效率 96 5 99 3600 电热当量 1的电能相当于3600的热量 19 发电机能量平衡关系 发电机输入功率Pax 发电机输出功率Pe 能量损失 Qg 5 发电机 96 98 随冷却介质的不同而异 20 全厂能量平衡关系 发电机输出功率Pe 全厂热耗量Qcp 全厂能量损失 Qj 6 全厂总效率 25 40 全厂总能量损失 21 热流图 依据下式可绘制简单凝汽式电厂相应的热流图 简单凝汽式电厂能量转换过程的热流图 22 火用平衡关系 供给的可用能 有效利用的可用能 火用损 2 火用分析法 凝汽式发电厂能量转换的全过程是由若干不可逆过程组合而成的 每一不可逆过程均存在 火用 损失 通过对各设备中的 火用 损失的计算确定做功能力的损失 全厂总的做功能力损失包括 锅炉的 管道的 散热与节流 汽轮机的 凝汽器的 机械的 发电机的 计算以1kg工质为基准 23 火用平衡方程的图解 火用损 24 1 锅炉的火用损 不计给水 火用 锅炉的 火用 平衡式为 来自燃料的火用 进入锅炉火用 eq 锅炉有效利用的火用eb 锅炉火用损 eb锅炉火用损 eb 散热引起的做功能力损失 化学能转变为热能引起的做功能力损失 工质温差传热引起的做功能力损失 25 2 主蒸汽管道中的火用损 主蒸汽管道的 火用 平衡式为 锅炉出口蒸汽的火用eb 汽轮机入口蒸汽的火用eo 主蒸汽管道的火用损 ep 主蒸汽管道的火用损 ep 26 3 汽轮机内部的火用损 汽轮机的 火用 平衡式为 汽轮机入口蒸汽的火用eo 汽轮机排汽的火用ec 工质膨胀所做的内功wi 膨胀引起的火用损 et 汽轮机内部的火用损 et 27 4 凝汽器中的火用损 凝汽设备中的 火用 平衡式为 汽轮机排汽的火用ec 凝结水的火用 温差传热引起的火用损 ec 凝汽设备中的火用损 ec 28 5 汽轮机机械摩擦产生的火用损 汽轮机机械的 火用 平衡式为 机械摩擦产生的火用损 em 工质膨胀所做的内功wi 汽轮机轴端的有效功we 机械摩擦产生的火用损 em 29 6 发电机的火用损 发电机做功能力损失的 火用 平衡式为 发电机的火用损 eg 汽轮机轴端的有效功we 发电机输出的电能Pe 发电机的火用损 eg发电机做功能力的损失是由轴承摩擦 通风耗功 发电机内冷却介质的摩擦和铜损 铁损等因素产生的 30 全厂总火用损失等于组成循环过程的各设备火用损失的和 即 7 全厂的总火用损及火用效率 凝汽式发电厂的 火用 效率 全厂的 火用 平衡式为 燃料火用eq ecp 发电机输出的电能Pe 发电厂的总火用损 ecp 31 火用 流图 燃料 火用 以100 计 简单凝汽式发电厂蒸汽的初参数为16 5MPa 550 终参数为5kPa时各项 火用 损失所占的份额示于 火用 流图中 32 小结 1 热量法及做功能力损失法从不同的角度分析发电厂的热经济性 所得结论不同 效率法认为 在凝汽器中的能量损失数量最大 而锅炉的热损失却很小 做功能力损失法 火用 方法 认为 发电厂中 锅炉的做功能力损失最大 而凝汽器中做功能力损失却很小 原因 热量法从数量上计算各设备及全厂的热效率 不区分能量品位的高低 而 火用 方法的可用能损失则是以不可逆为准 考虑了不同能量质的区别 即在凝汽器中的能量损失数量虽然很大 但其品位很低 33 2损失分析不同 热量法 从热损失的角度分析 作功能力法 从做功能力损失的角度分析 3用途 热量法 定量分析 指导工程实际 作功能力法 定性分析 指导技术革新 34 2 2凝汽式发电厂的主要热经济指标及评价 2 2 1凝汽式发电厂的基本概念 凝汽式发电厂只生产电能 即把汽轮机做完功的蒸汽排入凝汽器 凝结成水 完成由热能向电能的转换 由上节的分析可知 按热量法分析 发电厂的主要损失是由冷源放热引起的热损失 按做功能力损失法分析 其主要损失来自于循环过程存在的不可逆性 为此 要提高发电厂的热经济性 就要从如何降低冷源损失以及减少不可逆损失两方面着手 采用给水回热加热 蒸汽中间再热循环等 35 2 2 2凝汽式发电厂的主要热经济性指标及评价 能耗量 汽耗量 热耗量 煤耗量 能耗率 汽耗率 热耗率 煤耗率 全厂热效率 主要热经济性指标 能耗量以每小时或每年计 能耗率以每1kW h电能来度量 效率以百分比来度量 汽轮发电机组 全厂 36 1 汽轮发电机组的热经济指标 具有再热的热耗量和热耗率 汽轮发电机组的汽耗量是指单位时间汽轮发电机组生产电能所消耗的蒸汽量 汽轮发电机组的热耗量是指单位时间汽轮发电机组生产电能所消耗的热量 37 无回热和再热的汽耗量和汽耗率 热能转变为电能的热平衡式 汽耗量 单位时间汽轮发电机组生产电能所消耗的蒸汽量 无回热和再热 上式的焓降表达式为 汽耗量为 汽耗率 汽轮发电机组生产单位电能所消耗的蒸汽量 1 汽轮发电机组的汽耗量和汽耗率 38 具有回热和再热的汽耗量和汽耗率 具有回热 再热的凝汽式发电厂热力系统图 括号内的标注为进汽1kg时各部分汽水流量的相对值 39 即 汽轮机内的实际做功量与汽耗量之间的关系式 实际做功量 用输入能量 输出能量 电能的热平衡方程式 再热前抽汽和再热后抽汽两部分 1kg再热蒸汽带给汽轮机的热量 实际比内功 将物质平衡式代入上式 40 代入化简得 a 表示高压缸内回热抽汽的内功率 b 表示再热后 即中 低压缸中回热抽汽的内功率 c 单位时间凝汽流的实际做功量 a 项和 b 项合并整理得 41 将上式代入热平衡方程式 汽耗量 汽耗率 或 或 42 仅有再热的汽耗量和汽耗率 仅具有再热的纯凝汽 无回热抽汽 为上述情况的特例 即 汽耗量 汽耗率 43 2 汽轮发电机组的热耗量和热耗率 热耗量 单位时间汽轮发电机组生产电能所消耗的热量热耗率 汽轮发电机组生产单位电能所消耗的热量 假设无工质损失 即 热耗量 热耗率 无再热时 令上述式中qrh 0即可得相应的热耗量和热耗率 44 由汽轮发电机组能量平衡式求热耗量与热耗率 汽轮发电机组能量平衡式 热耗量为 热耗率为 绝对电效率 45 2 全厂的热经济指标 1 全厂的热耗量和热耗率 全厂的热耗量 凝汽式发电厂单位时间内生产电能所消耗的热量 即 全厂的热耗率 凝汽式发电厂生产单位电能所消耗的热量 即 46 2 全厂的用电率 厂用电率 在同一时间发电厂生产过程中所有辅助设备所消耗的厂用电量与发电量的比值 即 全厂的净效率 发电量扣除厂用电量所得的全厂热效率 47 3 全厂的煤耗量和煤耗率 发电煤耗量和煤耗率 发电标准煤耗率 供电标准煤耗率 分以下三部分内容 48 1 全厂发电煤耗量和煤耗率 全厂煤耗量 表示单位时间内发电厂所消耗的燃料量 即 全厂煤耗率 发电厂每生产1kW h电能所消耗的燃料量 即 49 2 全厂发电标准煤耗率 为比较发电厂的热经济性 采用标准煤耗率 标准煤的低位发热量为29308 标准煤耗率 实际煤耗率与标准煤耗率之间的换算关系为 50 3 供电标准煤耗率 定义 发电厂向外供应单位电能所消耗的标准燃料量 51 2 3热电厂的主要热经济指标及评价 2 3 1热电厂的基本概念 52 1 热电分别能量生产与热电联合能量生产的特点 热电分产 只生产电能或热能一种能量 分散供热 分产电 集中供热 分产电 热电分产对一次能源使用极不合理 发电厂中热功转换过程产生的低品质热能未被利用 而在供热锅炉中 将燃料的化学能直接转化为低品质的热能供应给热用户 使能量大幅度贬值 53 热电联产 同时生产电能和热能 热电联产的生产形式有 背压式汽轮机调节抽汽式汽轮机抽汽背压式 背压式汽轮机加凝汽式汽轮机 热电联产优点 先发电 再供热 发电和供热两种形式同时存在 按质用能 节约能源 环保有利 54 热电联产典型系统图 背压式汽轮机组 调节抽汽式汽轮机 抽汽背压式 55 2 热电联产的热量法定性分析 对具有相同初参数的纯凝汽式机组 按朗肯循环工作 和背压式机组 供热循环 的理想循环进行定性分析 朗肯循环 供热循环 理想朗肯循环 实际朗肯循环 56 朗肯循环 供热循环 理想供热循环的热效率 实际供热循环的热效率 57 3 热电联产的节煤量 1 遵循能量供应相等原则 假定联产与分产的热负荷Q 电负荷 分别相等 2 热电分产的凝汽式机组 代替电站 的 b p m和 g与联产发电相同 3 联产供热的锅炉效率远高于分产供热的小锅炉效率 1 比较的基础 58 热电联产与分产的对比系统模型 热电联产 热电分产 相同的热负荷Q时 热电厂需要供出的热量Qh与热负荷Q之间的关系为 热网效率 hs 表示联产供热热网干管的散热损失 59 2 联产较分产的节煤量 在能量供应水平相等的前提下 热电分产标煤量 热电联产标煤量 差值为 联产发电节煤量 联产供热节煤量 a 60 热 电分产标煤量的计算 分产凝汽式机组 代替凝汽式机组 的标准煤耗量 分产供热 分散小锅炉 的总标准煤耗量 分产机组的煤耗量 分产凝汽发电的标准煤耗量 分散供热的总标准煤耗量 b c 61 联产机组的煤耗量 联产发电的标准煤耗量 联产供热的标准煤耗量 热 电联产标煤量的计算 联产发电的标准煤耗量 联产供热的标准煤耗量 d e 62 将式 b c d e 代入式 a 中整理得 节煤量为 节煤量为 右侧第一项为热电联产发电较分产发电的节煤量 右侧第二项为热电联产供热较分产供热的节煤量 63 3 热电联产节省燃料的条件 联产供热节省燃料的条件 联产供电节省燃料的条件 64 2 3 2热电厂的主要热经济指标及评价 凝汽式发电厂的主要热经济指标有 全厂热效率 全厂热耗率 标准煤耗率 热电厂的主要热经济指标 同一股联产汽流既发电又供热 而且电 热两种能量产品的质量不等价 供热参数不同 热能的品位也不同 当热电厂有主蒸汽经减温减压后直接供热时 热电厂内还同时存在热电分产 热电厂的主要热经济指标比凝汽式电厂的复杂得多 尚未有可反映能量的数量与质量的单一的热经济指标 只能采用既有总指标又有分项指标的综合指标来进行评价 65 1 热电厂总热耗量的分配 对分产而言 其发电和供热是各自独立的 因此其发电及供热所消耗的热量 或耗煤量 是明确的 对联产而言 同一股联产汽流既发电又供热 必须对热电厂总热耗量 或耗煤量 在两种能量产品之间进行合理分配 以确定电能和热能的生产成本及其相关的热经济指标 热电联产总热耗能的分配方法 热量法 热电联产效益归电 实际焓降法 热电联产效益归热 做功能力法 热电联产效益折中 66 热力发电厂系统简图 67 1 热量法 将热电厂的总热耗量按产品数量比例进行分配 热电厂总热耗量 分配给供热的热耗量 68 背压式汽轮机能量平衡式 联产发电部分的绝对内效率为 分配给发电的热耗量 热电厂供热的热效率为 69 从热能数量利用的观点来分配热耗 没有考虑热能质量上的差别 供热热耗量Qtp h是几种方法中最大的 好处归电 发电部分没有冷源热损失 不能调动改进热功转化过程的积极性 不利于鼓励热用户降低用热参数 方法特征说明 70 2 实际焓降法 按联产供热汽流在汽轮机中少做的功 实际焓降不足 与新蒸汽实际的焓降的比例来分配供热的热耗量 分配给供热的热耗量 仅存在抽汽汽流联产供热 减温减压器的热耗量 供热总热耗量 发电热耗量 71 考虑外供热抽汽在汽轮机中做功的影响 考虑热能质上的差别 供热部分没有分担热功转换过程中的冷源损失和不可逆损失 供热热耗量Qtp h是几种方法中最小的 好处归热 可鼓励热用户降低用热参数 方法特征说明 72 3 做功能力法 联产供热蒸汽与新蒸汽的最大做功能力的比例来分配热电厂的总热耗量 分