第5章-热系统评估.ppt

1 第五章热系统评估与分析方法 2 过程熵产可衡量过程不可逆程度及作功能力损失的大小 对整个系统各个装置逐一分析各设备的熵产即可找出不可逆性程度最大的薄弱环节 指导实际循环的改善 环境温度 工质流经整个系统各部件之总熵产 第二定律分析法 不可逆损失也可采用 方法 效率 5 1热工装置的 效率和 损失系数 有效 提供的 3 一 效率和 损失系数 能量的合理利用 是能量中 的合理利用 要充分利用为实施某种过程所提供能量中的 在完成一个特定过程时要耗费尽量少的 在实际的能量转换过程中应尽量减少 的损失 显然 对于在给定条件下进行的过程 能用 损失的大小用来衡量该过程热力学完善程度 不可逆过程 损失 过程不可逆性越大 损失越大 的总量随不可逆过程进行不断减少 用能的实质是用 如何合理正确利用能量 4 系统或设备 效率 在系统或设备进行的过程中 被利用或收益的 与支付或耗费的 的比值 系统或过程中耗费 与收益 之差即为系统或设备进行的不可逆过程所引起的 损失 损失和 损系数 效率 热力系统或热工设备中 的利用程度 或系统中进行热力过程的热力学完善程度 5 所以 损失系数 效率是耗费 的利用分额 损失系数是耗费 的损失分额 因此 二 效率的不同形式 构造 平衡方程时 系统的输入 不一定就是耗费 输出 不一定就是收益 耗费 和收益 中必须包含所有向系统输入的 和从系统输出的 输入 和输出 中任一项 只能在耗费 和收益 中出现一次 6 按 的作用 可以将外界分为三种 向系统或设备提供耗费 的能源或 源A 的主要收益户B 是 的辅助收益户C 稳定工作系统 平衡方程式 其中每项 没有计入宏观位能 上述四项至少有一项不为零 其它 流 上述四项可以全为零 7 8 系统以外发生的 损失 如燃气轮机的排气 锅炉的排烟和其它场合下的向环境大气的排汽 排热水和排热物体等 称为系统外部 损失 同时考虑了外部 损失的 效率总是小于只考虑内部 损失的 效率 例5 1 研究系统及其内部进行的过程时 系统内部以及系统与有关外界间 包括环境大气 进行不可逆过程所引起的 损失 如系统内部摩擦不可逆因素引起的 损失 以及系统与有关外界间温差传热等 称为系统内部 损失 三 内部 损失和外部 损失 9 p v及T s图 1 2 3 4 5 6 p1 1 2 4 6 5 p1 b a p2 3 s s 5 2电厂 分析和热电合产经济分析 一 电厂基本理论循环的 分析 简单蒸汽动力装置循环 郎肯循环 10 初参数对朗肯循环热效率的影响 初温t1 或循环1T2T3561T 循环123561 循环11T2T21 1T 2T 不变 但循环123561平均吸热温度高于循环11T2T21 而放热温度相同 朗肯循环的热效率 11 初压力p1 但x2下降且p太高造成强度问题 不变 背压p2 2b 3b 4b 但受制于环境不能任意降低 同时 x2下降 基本不变 12 4 1水在蒸汽发生器中的预热 汽化过程近似认为定压过程 1 2过程绝热 2 3乏汽在冷凝器中冷凝 也为定压过程 4 3绝热压缩 给水泵消耗的功 压水堆二回路基本循环的理论热效率 循环热效率 13 蒸汽参数对循环的影响 蒸汽初压力和初温的影响 循环平均放热温度Tm2相等 但1p2341p的平均吸热温度比循环12341的平均吸热温度高 因此初压较高的循环1p2p341p热效率较高 单纯提高初压力 虽可使热效率提高 但同时也会造成汽轮机出口蒸汽干度下降 蒸汽干度过低将危及汽轮机的安全运行 提高二回路蒸汽温度 或压力 需提高一回路冷却剂的温度 提高一回路压力 但 受到水热物性质的制约 例如 大亚湾核电厂反应堆出口冷却剂平均温度为329 8 一回路压力为15 5MPa 饱和温度344 7 若提高到20MPa 饱和温度365 7 虽然冷却剂温度提高了21 可以使二回路蒸汽的初温有一定的提高 带来循环热效率的些微提高 但一回路压力却因此而提高了4 5MPa 这将提高系统内各主要设备的承压要求及材料和加工制造的难度 最终影响到电厂的经济性 所以目前压水堆核电厂一回路系统的工作压力大多在15MPa 14 乏汽参数的影响 维持蒸汽初参数p1 T1不变 降低乏汽压力p2 热效率将提高 乏汽压力p2选择取决于冷凝器内冷却流体的温度 一般冷却流体是自然界中的水 因此 降低p2受制于环境介质的温度 汽轮机内部相对效率 T 简称汽机效率 近代大功率汽轮机 T在0 92左右 有摩阻的实际朗肯循环 损失 15 再热循环 新汽膨胀到某一中间压力后撤出汽轮机 导入锅炉中特设的再热器或其它换热设备中 使之再加热 然后再导入汽轮机继续膨胀到背压的循环 再热对循环的影响 提高汽轮机末端蒸汽干度 对循环热效率的影响 热效率 根据已有经验 中间压力在p1的20 30 范围内 对提高热效率的作用最大 但选取中间压力时必须注意使进入冷凝器的乏汽干度在允许范围内 此为再热之根本目的 16 压水堆二回路循环的新蒸汽是饱和或仅稍微过热的 因此提高蒸汽膨胀终态的干度更显重要 压水堆电厂汽水分离再热的特征 核电厂的热源的特殊性 核电厂循环的再热是由新蒸汽完成 因此对循环热效率的提高并不有利 但汽水分离再热对保证汽轮机的安全运行提供了保障 17 1 kg kg 01 01 1kg 1 kg 抽汽回热循环 工程上采用的回热方式是从汽轮机的适当部位抽出尚未完全膨胀的压力 温度相对较高的少量蒸汽 去加热低温凝结水 大亚湾电站一回路压力为15 5MPa 冷却剂平均出口温度329 8 平均进口温度290 8 但凝结水的温度仅约40 现代大中型蒸汽动力装置毫无例外均采用回热循环 抽汽的级数由2 3级到7 8级 参数越高 容量越大的机组 回热级数越多 大亚湾核电站的二回路循环就有高达7级的抽汽 18 循环分析 循环净功 循环吸热量 循环热效率 工质平均吸热温度提高 平均放热温度不变 回热循环的热效率一定大于单纯朗肯循环的热效率 回热循环分析计算 确定抽汽量 1 热平衡方程 忽略水泵功 19 电厂蒸汽循环的热分析和 分析 第一定律分析法 以能量的数量为立足点 从能量转换的数量关系来评价循环的经济性 热效率为指标 抓住能量数量上的平衡 考虑能量数量的利用程度 反映能量数量的 外部损失 火力发电厂蒸汽动力装置热平衡揭示锅炉散热 排烟和不完全燃烧损失 汽轮机和管道等散热损失及冷凝器热损失 得到装置的能流分配和热效率 第二定律分析法 从能量的数量和质量来分析 以 熵产或作功能力损失和 效率 为指标 其中 分析法揭示出能量中 的转换 传递 利用和损失情况 得出系统 效率 抓住不可逆过程中 转变为 不可能转变为 揭示出系统内部存在的能量 质 的贬值和损耗 两种方法揭示的不完善部位及损失大小不同 系统的能量分析方法 20 某蒸汽动力装置两种分析结果 21 压水堆核电厂二回路简化系统分析结果 22 简化的二回路各点参数 环境参数 以二回路水在蒸汽发生器吸收的热量为基准 忽略管路散热损失和压力损失 假定流经冷凝器后海水温度由23 上升到30 23 环境参数 以二回路水在蒸汽发生器吸收的热量为基准 忽略管路散热损失和压力损失 假定流经冷凝器后海水温度由23 上升到30 24 环境参数 以二回路水在蒸汽发生器吸收的热量为基准 忽略管路散热损失和压力损失 假定流经冷凝器后海水温度由23 上升到30 25 循环 分析 进入系统 减去离开系统的 减去系统 损失等于系统 增量 平衡方程 损失 进入系统的 离开系统的 稳定流动系统 内部 损失 工质在设备内部经历不可逆过程 外部 损失 由于泄漏 散热等造成 汽轮机这类作功设备进行绝热过程 定义 无功量输入或输出设备 如蒸汽发生器 冷凝器 高低压加热器 除氧器 定义 效率 26 二回路循环的能分析和 分析表 27 二回路装置 流图和热流图 28 讨论 1 冷凝器中冷却水带走的能量占一回路提供热量的比例67 47 即几乎输入能量的2 3在冷凝器中损失 但是冷凝器中的 损失仅是一回路供给 的约6 2 本案例假设不计除水泵汽轮机外的散热损失 所以各个设备的能量效率均为100 但这些设备都有可用能损失 以汽轮机为例 由于汽轮机内过程的不可逆性 虽然没有散热损失 但两级的 损失之和高达一回路输入 的12 23 3 二回路装置的 分析结果与第一章所提出的火力发电厂蒸汽动力装置的 分析的结果有明显差异 火力发电厂蒸汽动力装置的 分析中锅炉内 损失占输入 量的49 本案例中蒸汽发生器的 损失仅6 14 燃料燃烧是典型不可逆过程 燃料的化学能转换成燃气的热力学能伴随着巨大可用能损失 锅炉中燃气的平均温度远高于水和水蒸气的平均温度 而蒸汽发生器中一回路的冷却剂的平均温度与二回路中输入的给水和输出的饱和蒸汽平均温度之间差别不大 故 损失不大 29 4 虽然低压加热器和除氧器等设备中存在 损失 但是由于提高了给水的温度 减小了蒸汽发生器内传热介质间的温差 使蒸汽发生器内 损失较大的下降从而有利于装置整体效率的提高 5 如果综合考虑包括反应堆在内的整个系统 则装置 效率将大为减小 压水堆冷却剂采用水为一回路冷却剂 核燃料的核能转变成压力水的热力学能有极大的 损失 水的临界温度才374 15 所以 提高一回路压力对于减少 损失的效果非常有限 改用金属钠作冷却剂 在热力学意义上是降低这种损失的有效措施 总之 就压水堆发电厂的二回路而言 从第一定律分析法 热分析 的角度看 冷凝器中损失了绝大部分能量 但从第二定律分析法 分析 的 角度来看 损失 最大损失发生在汽轮机内 应尽可能改善汽轮机内的通流结构的气动特性 减少不可逆损失 30 以年产6万吨氮肥的某化肥厂动力车间热电合产为例介绍 分析在热电合产方案的经济分析中的热电合产应用 动力车间装有四台锅炉 需三种蒸汽 系统中还装有一台容量为3000kW的背压机组 进汽参数为390 2 4MPa排汽压力为0 3MPa 二 热电合供方案分析 31 建造时为了便于机炉并列运行 采用方案I 对N2 N3 N4三台煤粉炉作了改造 将其运行参数降至400 2 5MPa 除氧器从在0 12MPa下运行改为在0 18MPa下运行 不配备高压回热加热器 使锅炉给水温度由160 降至116 采用这种方案后 用户所需的三种参数的蒸汽中 除2 5MPa的蒸汽可直接由锅炉产生的蒸汽供应外 其它两种参数的蒸汽都要全部或部分地通过两台减压减温器输出 锅炉改造后 运行效果不佳 平均的锅炉效率只有65 锅炉耗煤量大大增加 对方案I作 平衡计算 找出 损失最大的环节 为拟选合理而有较高经济效益的热电合产方案指明方向 假设 压力为0 1MPa 温度为20 的水流的比 为零 假定N1 N2 N3炉运行 除锅炉至背压机的蒸汽管道考虑压力损失及散热损失外 其它汽水管道 设备都忽略这种损失 锅炉排污及动力车间的汽水泄漏损失及泵功忽略不计 取燃料 等于燃料低发热量 q 29307 6kJ kg 32 系统及参数图 33 计算结果表 方案I 效率很低 仅21 71 最大部分的 损失发生在锅炉中 其次是在减压减温器II中 燃料的燃烧 散热及不可逆传热所引起 现行条件下恢复锅炉原参数运行 并提高锅炉效率 选用一台适当容量的背压机组代替 节流损失 34 方案II要点 N2 N3和N4炉恢复原设计参数 450 3 9MPa 运行 增设高压加热器 将锅炉给水加热到160 N1炉给水温度恢复到104 即除氧器在0 12MPa下运行 增装一台B3 35 10背压机组 进汽参数为435 3 5MPa 使两台背压机组发电达4871 4kW 方案 要点 锅炉参数与方案 相同增设一台Y02背压机组 发电1500kW 进汽参数为390 2 4MPa 使两台背压机组发电达4500kW 35 方案 36 方案 37 各方案比较表 方案II需要增加两个回热加热器 更换三台给水泵 二台工作 一台备用 增设一些汽 水管道与一个减压减温器III 投资较大 改建也较麻烦 从能量的合理利用及长远的经济效果来看 方案II是较合理的 它既满足了工艺用热的需要 又可节约14140吨标准煤 38 5 3热 经济学基础 一 热经济学的特点 分析与能量有关的现代工程系统方法 第一定律分析法 利用系统能量平衡概念分析和完善所讨论的系统 用各项技术指标计算并评估它们的完善程度 又称能平衡法 考虑能量的数量概念忽略各种不可逆损失 第二定律分析法 利用热力学势可以给出各种形式下功的数值的概念评估和分析所讨论系统任意点上的物流与能流的作功性能 包含熵分析法 分析法和能级分析法 对系统作性能分析而与系统的形式 结构及复杂程度无关 70年代来 分析法与经济因素相结合产生了交叉学科 热 经济学 39 热经济学是热力学第二定律分析法发展的一个重要分支 把热力学第二定律分析法与经济优化技术结合起来的产物 把技术和经济融合在一起的全新技术 适用于解决大型的 复杂的生产能量和消耗能量的工程系统的分析 设计和优化 热力学研究注重于对热力过程的描述 热工参数的计算以及热力系统中能流和物流变化的计算 热力学方案比较 使用单纯的热力学特性量 如效率 有效利用系数 熵增 不可逆性和 耗损等等 经济学研究着重经济行为的分析使用成本 价格 利润 利息率以及其它经济信息 热经济学的特点 热力学参量与经济信息参量之间找到适当的结合点 使虽以第二定律分析法为基础 但得到以给出经济量表示的答案 热经济学的特点 A 40 第一定律分析法没有环境概念 只使用一个能量的概念 是单纯地以能量平衡和物质平衡为基础进行分析的一种方法 第二定律分析法有一个环境 物理环境 取一定的环境为基准 确定体系中的物质所具有的 值 不仅是取决于体系本身 而且还取决于环境的参数 热经济学的特点 热经济学分析法具有两个环境 物理环境 经济环境 依照热力学方法想象的 随社会经济信息的改变而改变 热经济学分析除了研究体系与自然环境之间的相互作用外 还要研究体系内部的经济参量与环境经济参量间的相互作用 B C 41 二 热经济学的基础 1 方法的基本概念 1932年美国麻省理功学院J H Keenan等提出可用能函数表示能量质概念 1868年Tait第一次使用availability的概念 1871年 axwell使用了availableenergy 1873年Gibbs和1889年Gouy提出了封闭系可用能的概念 1889年Stodola导出稳流系的最大功 并和Gouy同时但独立地把可用能损失与熵产联系起来 奠定了第一定律与第二定律结合的基础 20世纪50年代德国学者对能的概念进行系统分析 提出能 明确 是能量中可无限转换的部分 是不可转换部分 统一了 参数名称 英文exergy 德文exergie 42 2 热经济学发展轨迹 热经济学是热力学与经济因素分析结合的产物 起源于20世纪50年代末 60年代形成完整体系 最早称为 孤立化 模式的热经济学 热经济学的创始人M Tribus把一个复杂的能量系统划分成若干 子系统 首创通过子系统逐个寻优达到全局最优的目的 为使系统各个局部最优即意味着系统全局最优 各子系统必须满足热经济孤立化条件 热经济孤立化的基本思想 热系统的某一部分在热孤立化的情况下 可以从其它部分中孤立出来 这时 它在经济上的每一种联系可被一组唯一稳定的拉格朗日乘子所充分描写 热孤立化方法通过仅优化子系统自身 不必确定它对系统其它部分的影响 就能保证全系统寻优的一种充分必要条件 本质是拉格朗日待定乘子法分散优化 R Evans对热经济学孤立化原理进行了数学论证 43 20世纪70年代又形成了以R Gaggioli为首的所谓 代数 模式热经济学 近年来又出现了 结构系数 模式热经济学 矩阵 模式热经济学 又称符号 经济学 总之 热经济学把热力学分析法与经济学分析法 优化 结合在一起 分析与优化相辅相成 分析的结果可给出在系统各部位上 流及经济信息流的分布 从而发现那些地方存在着最大的改进潜力 优化方法则从系统整体的角度给出系统的某一局部改进或某一参数改进对全系统的影响 44 3 热经济分析的关键 的定价 方法和经济分析方法相结合的关键是 的定价 问题的复杂在于每种模式可以有几种形式的价格 代数定价方法 一个分成若干子系统的复杂能量系统 价格分成 外部价格 系统输入和输出 的定价 由市场价格确定 内部价格 子系统之间交易的 的定价 特征 没有利润 即这种 价格仅计算各子系统加工 所消耗的成本 这种成本沿子系统逐级增值 因此 这种价格也称 传递价格 45 考虑图示各子系统依次排列成链式的能量系统 Exin Expr 分别为输入 流和输出 流 Ck 第k个子系统输出产品的总成本 Cnk 第k个子系统消耗的非能量费用 如折旧 工资等 ck k 1 第k个子系统向第k 1个子系统输送的 单价 1 EX1 Cn1 2 EX2 Cn2 EX1 k Cnk m EXm Cnm EXk EXk EX2 Exm EXpr EXin 系统1向子系统2输送的 值 EX2 向子系统2输入的 值 46 对子系统1 列 成本方程 子系统1输出产品的总成本 对子系统2列 成本方程 子系统1向2输出 价是无利润 价 子系统2输出产品的总成本 A代入B 得子系统2输出产品总成本为 依次类推 EX1 EX2 输入 单价 1 EX1 Cn1 EX1 EX in 2 EX2 Cn2 EX2 47 根据设备 效率的概念 类推 所以式D 第i个子系统的 传递效率 2 EX2 Cn2 EX2 1 EX1 Cn1 EX1 EX in 48 子系统k输出的单位 成本 子系统k的单位 成本增长系数 49 4 热经济学分析常用的数学模式 热经济学会计统计 热经济学优化 热经济学分析的会计统计模式 热力学方面包括对全系统 如整个工厂 的过程不可逆性的搜索 这些不可逆性之间的相互影响并探索系统流程可行的改进方案 做这些工作的基本工具是 函数 把 当成一切物流热力学值的尺度 跟踪全系统的 流 经济方面是对进入和流出的各价值流的追踪 使用的基本工具为度量各物流和能流经济价值的 价值流 最后 把两种流 流和经济价值 汇合在一起 形成一张 流走向和单位 流经济价值表 在两种流之间作权衡 取舍得最佳方案 通过会计统计方法找出值得进一步探讨区域 用优化方法求取最优方案 在一组约束条件下对目标函数求极值 50 热经济学优化 基于热经济学孤立化的概念 用分区的办法来求取各区的局部最优 通过对各区的局部寻优达到全局最优 热经济学孤立化是拉格朗日待定乘子法分散优化的发展 能量系统通常总是包含着许多具体设备 特别是大型的综合装置 总体优化常常很困难 热孤立化着眼于总体优化 但从个别部件或设备的优化着手 通过各别设备的局部优化达到全局的系统优化 热经济学优化分析模式 51 5 4输出功率最大时内可逆热机的效率 经典热力学即平衡态热力学是建立在平衡态概念及从自然现象总结概括得到的基本定律的基础上的 经典热力学在 基本概念运用范围内是不会被推翻的 系统从一个状态可逆地转换到另一状态可以得到最大功 一切不可逆过程都要造成作功能力损失 因此 可逆过程是经典热力学问题的最优解 但是可逆过程需要系统保持内部平衡 保持系统与外界总熵不变 所有的实际过程永远无法达到 一 引言 52 卡诺循环的热效率 热机内进行的过程可逆 内可逆 热机与热源间的换热过程也可逆 外可逆 热机与热源换热温差无限小 换热器表面积非常大 换热时间非常长 换热表面受到机器尺寸及成本的制约 换热时间受热机输出功率限制 内可逆机与热源和冷源进行不可逆换热时热机能达到最大输出功率问题 要求 53 在两个不同温度的恒温热源间工作的热机 其效率极限是卡诺循环的热效率 但此时其输出功率为零 有限时间热力学和CA循环简介 另一方面 热机效率为零时 当然其输出功率也必为零 因而在热机效率从零到最高值之间 必定存在着对应最大输出功率的某个效率值 尽管有效功率的输出是以牺牲热效率为其代价的 54 二 输出功率最大时内可逆机的效率 设想热源TH通过某具有热阻的物体向热机内温度为T1的工质传热 温度为T2的工质通过热阻体向TC的冷源放热 假定热机内部的过程是可逆的 进行卡诺循环 其效率为 从热源传递的热量 热 冷 源的传热系数W m2 K 热源传热表面积m2 热流量W 向冷源的传热量 热流量W 55 根据热力学第一定律 取热机内循环工质为体系 据闭口系熵方程有 0 0 内可逆热机放热温度与吸热温度之比 56 展开后整理得 热源和冷源传热热阻的倒数 由物性及传热条件确定 57 所以 相关条件确定后 最大输出功率时热机放热温度与吸热温度的最佳比值 令 在现实条件下 时内可逆热机达输出功率最大 因此内可逆热机在输出功率最大时的热效率 例5 2 58 三 热阻对热机输出功率最大时吸 放热温度的影响 因 59 同理可导得 通分 整理 例5 3 60 5 5输出功率最大时内可逆热机联合循环的热效率 用 传导率 C代替乘积kA 61 热机EC 内可逆 热机EH 62 63 热机EH的输出功率 类似地可导得 64 根据两台热机不同温降 可按任意比例分配输出功率 两台热机输出功率的比值 高温和低温热机各自的温度比相同 时 低温热机输出功率是 相同温度比时低温热机输出功率低于高温热机输出功率 热源的温度愈高输出的热量转变成功的成份额愈大 65 联合循环装置功率输出是各单独动力机输出之和 联合循环的效率 66 讨论 两台热机之间的传热没有热阻 即C2 则T3 T2 与在相同温限内运行的单一热机效率相同 也是两个中间无热阻的联合运行的热机可达到的最高效率 内可逆热机构成复合循环装置在输出功率最大时效率 假定 TH 1600K TC 400K CH C2 CC 1计算 得最大输出功率随高温热机和低温热机各自温度比的变化而变化 最大功率形成一条脊线 横越基础平面 以 1和 2为独立变量求PCC的极大值 由于T1 T2 T3 T4与CH C2 CC之间的复杂关系 得出这样的数学表达式是有困难 67 此时 因此 最大输出功率时联合循环热机装置的效率与工作于相同的热源之间的单一热机可达到的效率相同 产生最大功率输出时 1 2曲线 上述讨论说明了联合循环装置的热效率不可能高于相同温限间两个热源间单一可逆循环的热效率 利用联合循环如燃气 蒸汽联合循环可以加大温限 从而取得比单一热机装置循环可达到的热效率高的效率 68 有限时间热力学和CA循环简介 一 问题的由来 1957苏俄学者Novikov1959法国学者Chanbadal1975加拿大柯曾 F L Curzon 和阿尔博恩 B Ahlborn 卡诺循环在热力学中的重大意义 完成了第二定律的主要工作 指出热机提高热效率的方向 但是卡诺循环要求可逆定温吸热和定温放热 所以吸 放热时间为无穷大或吸 放热表面积无穷大 对实际过程是没有意义的 69 有限时间热力学和CA循环简介 二 有限时间热力学的内涵和实质经典工程热力学 传热学 流体力学研究的特征 寻求现实条件下的热力过程性能界限 寻求一定约束条件下热力过程的