第三章热电联产分析.ppt

第三章热电联产,3.1热电联产的意义电能和热能联合生产称为热电联产，如利用汽轮机中作过功的蒸汽对外供热，它是将燃料的化学能转化为高品位的热能用以发电，同时将已经在汽轮机中作了部分功（即发了电或热化发电）后的低品位热能，对外供热。电能是在供热的基础上进行生产的。热电联合能量生产符合按质利用热能原则，达到了“热尽其用”之目的。实现热电联产必须具备的基本条件是：1、有热用户，而且要保证热用户所需要的参数（压力和温度）和流量；2、在供热的同时还要保证必须数量的电能。进行热电联产的主要优点有：1节约能源2减轻大气污染，改善环境3提高供热质量，改善劳动条件4其它经济效益,3.2热电联产的基本形式,根据热电联产所用的能源及热力原动机型式的不同，热电联产可以分为下列几种基本形式：蒸汽轮机热电联产、燃气轮机热电联产、核电热电联产、内燃机热电联产。3.2.1蒸汽轮机热电联产蒸汽轮机热电联产是联产集中供热的最主要形式。对外同时供热和发电的蒸汽轮机称为供热式汽轮机，装有供热式汽轮机的发电厂称为热电厂。供热式汽轮机的型式有：背压式汽轮机、抽汽式汽轮机、凝汽采暖两用机、低真空供热的凝汽机组。一、背压式汽轮机(B型,CB型)背压式汽轮机利用排汽向外供热，热用户作为它的冷源，其优点是热能利用率高，结构简单，不需要凝汽器，投资省。但它的运行特点是：按“以热定电”的运行方式，热和电不能独立调节；另外背压高，整机的焓降小，偏离设计工况时，机组的相对热效率ri显著下降。一般必须有稳定可靠的热负荷时才采用背压式汽轮机。抽汽背压式汽轮机，即CB型，其特点是在背压排汽供热的同时，还有一级较高压力的调节抽汽供热。,3.2热电联产的基本形式(续),二、抽汽式汽轮机(C型，CC型)C型表示汽轮机带有一级调整抽汽：抽汽可供工业用汽，压力调整范围一般为0.781.23MPa；可供采暖用汽，压力调整范围一般为0.1180.245MPa。抽汽式汽轮机的特点是：热电负荷可独立调节，运行灵活。抽汽式汽轮机有最小凝气流量，以保证低压缸有通风冷却蒸汽。凝汽汽流存在着节流损失，凝汽流的绝对内效率比同参数的凝汽机组低。三、凝汽采暖两用机组(简称两用机)该机组在采暖期供热，在非采暖期或暂无热负荷时仍以凝汽机组运行。两用机的特点是：它的高压缸通流容积是按凝汽流设计，当抽汽供热时，电功率减少。由于在导汽管上蝶阀压损的影响，在非采暖期虽为凝汽机组，热经济性仍会下降约0.10.5。在抽汽运行时具有抽汽式汽轮机的特点，但它的设计、制造简单，成本低。,图31国产200MW凝汽采暖两用机示意图,3.2热电联产的基本形式(续),四、低真空供热的凝汽机组该机组在冬季采暖期时，提高机组背压，用循环水供热。由于提高了排汽压力也会使电功率减少。3.2.2燃气轮机热电联产燃气轮机热电联产系统是利用燃气轮机的排气提供热能，来对外界供热或制冷，其系统图见图3-2。燃气轮机的排气在余热锅炉中加热水，产生的蒸汽直接作为生产用汽或居民生活供热。燃气蒸汽联合循环热电联产，将余热锅炉产生的高温、高压蒸汽在供热式汽轮机中做功发电，压力降到0.81.2MPa左右的蒸汽作工艺用热和生活用热，也可以将余热锅炉设计成双压式，低压蒸汽主要用作供热。燃气蒸汽联合循环被用于热电联产目的时，它可以分为几大类型，即：向工厂提供工业用汽的工业动力站；向工厂提供工业用汽和热水的热电站；向地区供热系统提供热能的热电站；与海水淡化设备配套的动力装置。,3.2热电联产的基本形式(续),图3-2燃气轮机热电联产系统图,3.2热电联产的基本形式(续),在燃气蒸汽联合循环型的热电联产机组中，燃气轮机的作功能量占主导地位，因而功率系数(机组的供电量与供热量的比值)比较高，这种类型的热电联产机组比较适宜于在相对需要较多电能的场合使用，蒸汽循环中所用的供热式汽轮机为供热式汽轮机，可以是背压式或抽汽式。在运行中，如果热负荷不足，可以在余热锅炉中补燃；如果要提高整个联产系统的发电量，则可以采用注蒸汽的方式（将余热锅炉中产生的部分蒸汽回注到燃气轮机的燃烧室），就能摆脱常规的热电联产机组中“以热定电”的负荷调节模式。燃气轮机联产系统的主要特点是启动块、运行灵活。目前的发展方向是降低成本、进一步减少环境污染。图3-3中给出了一个供给工业用汽的联合循环热电联产的实例。该热电联产联合循环的主要技术参数如表3-1所示。,3.2热电联产的基本形式(续),1-发电机2-压气机3-燃烧室4-燃气透平5-烟气旁通阀6-余热锅炉的补燃室7-余热锅炉8-汽包9-水泵10-除氧器11-给水泵12-蒸汽用户13-蒸汽旁路阀14-发电机15-背压式蒸汽轮机,图3-3供给工业用汽的热电联产的联合循环,3.2热电联产的基本形式(续),表3-1联合循环热电联产的主要技术参数,3.2热电联产的基本形式(续),燃气-蒸汽联合循环热电联供应用的作用：1.提高城市居民生活品质。2.天然气管线调峰。3.热力调峰。4.电力调峰。燃气蒸汽联合循环热电厂是典型的能量梯级利用装置，具有很高的热效率，可达70%85%左右，接近燃气锅炉。提高能源利用率，不但节约了燃料成本，更重要的是在人口稠密地区少用能源，间接的减少了污染。燃气蒸汽联合循环供热系统的规划建设必须考虑城市的天然气的供应、供热经济范围等方面，同时兼顾燃气轮机、供热设备效率及投资等。从目前我国城市的建设考虑，一般认为燃气蒸汽联合循环供热系统发电功率为4070MW，供热面积为100200万m2的小区最为合适。,3.2热电联产的基本形式(续),3.2.3核电热电联产采用核电热电联产，即核装置所提供的能量在采暖供热季节可以供热为主，而在不需要采暖供热的季节，则以供电为主。热电联产就是将反应堆产生的热能转化为水蒸汽，再送往汽轮机发电的同时，利用抽汽或者排汽进行供热。利用汽轮机排汽作为采暖热源的热电联产是核电热电联产的另一种方式，为保证供暖热源的参数，采用排汽压力为0.98MPa的背压式汽轮机。自核热得来的新汽经过汽轮机作功后进入热网换热器，加热热网水，使热网水达到供暖所要求的温度。在核能热电厂中虽然是用汽轮机作为原动机进行热电联产，但仍具有如下主要的特点：（1）不能完全避免核污染；（2）热水输送距离远；（3）核反应堆由启动到发出额定功率时间长，停机时仍消耗燃料。,3.2热电联产的基本形式(续),3.2.4内燃机热电联产目前的往复式内燃机发电装置成本低，启动容易，适当地保养下可靠性高，负荷跟随性能良好；且其排放量近年得到了显著地降低，因而非常适合于作为备用、尖蜂和中间负荷的电源，同时也适合小型或中型联产机组。热电联产系统中应用的内燃机主要有两种：Diesel柴油机和Otto点燃式内燃机，Otto点燃式内燃机又有两种，一种为以汽油为燃料的；另一种为从柴油机转为火花塞点火方式的，燃料为天然气；前者功率范围20kW1.5MW，后者的功率范围2kW4MW。Otto点燃式内燃机转速为7503000rpm，发电效率为25%35%，可以采用多种燃料，包括汽油、天然气、工业生成气、沼气等。内燃机的热电联产循环系统见图3-4，该系统中余热回收有两种方式，高温余热回收和低温余热回收，高温余热回收在余热锅炉中进行，用以对外供热，低温余热回收为内燃机冷却系统。,3.2热电联产的基本形式(续),图3-4内燃机的热电联产循环系统,3.2热电联产的基本形式(续),内燃机的热电联产循环系统非常适合小型用能系统，且该系统启动块，系统经济性受环境温度影响不大；其缺点是由于内燃机的磨损使得设备运行、维护费用高。典型的内燃机能量平衡图见图3-5，从图中可以看出，内燃机冷却系统（包括冷却水、油冷却器、入口空气冷却器）回收的热量为25%，该热能温度为95的低品位热；与燃气轮机联产相比，内燃机的供热量较小，比较适合于供应热水、热空气、低压蒸汽的场合，由于内燃机的排气中含氧量较大，可以达到15%，如果需要中压蒸汽，则可以在余热锅炉中采用补燃的方式。,3.2热电联产的基本形式(续),图3-5内燃机联产系统能量平衡图,3.2热电联产的基本形式(续),不同的热电联产方式性能参数见表3-2。,表3-2不同热电联产方式性能参数,3.3热电厂的热经济性,3.3.1热电厂的总指标热电厂总指标有两个。一、热电厂的燃料利用系数tp式中：Pe为热电厂的总发电量；Q为热电厂的供热量；Btp为热电厂的煤耗量。二、供热机组的热化发电率1、热化发电率的定义为：式中,Wh为热电联产的热化发电量；Qh为热电联产的热化供热量。热化发电率的意义是表明供热机组每单位GJ供热量的发电量。,（31）,（32）,kWh/GJ,3.3热电厂的热经济性(续),图36抽汽式汽轮机的系统图。图中供热抽汽量Dh在热用户处放出热量后以h.h返回除氧器。然后经H2、H1加热到hfw进入锅炉，产生蒸汽再进入到汽轮机，这部分蒸汽完成一个供热循环，相当一个背压机循环。该循环的发电量由Dh在汽轮机中膨胀电能Wh0和其回水引入加热器的各级回热抽汽产生的电能Whi组成，即Wh=Wh0+Whi。(1)外部热化发电率0只考虑抽汽Dh在汽轮机的膨胀做功称为外部热化发电率。,则：,（33）,（35）,（34）,3.3热电厂的热经济性(续),图36抽汽式供热汽轮机系统图,3.3热电厂的热经济性(续),(2)内部热化发电率i若回水在所经各级加热器(图中的H1，H2和CY)的抽汽所产生的电能，这部分的热化发电率称为内部热化发电率。,那么:,(3)供热汽轮机的热化发电率,式中，称为相对热化发电份额，它表示供热循环中，回热部分作功与抽汽作功的比值，也表示回热作功所占的比例。,（36）,（37）,（38）,3.3热电厂的热经济性(续),要指出的是：回热抽汽Djh是指对供热返回水加热的抽汽量；当热网工质有损失时，回水率为(在01之间)，则需补充热网水(1)，补充水焓为hw.m，那么回水焓为。2、热化发电率指标的特点（1）热化发电率是质量指标。(2)影响的因素有供热机组的初参数，抽汽参数，回热参数，回水温度，回水率，补充水温度，设备的技术完善程度以及回水所流经的加热器的级数等。(3)的应用：只能用来比较供热参数相同的供热式机组的热经济性。3.3.2热电厂的分项热经济指标在经济性评价时，需将Btp(或Qtp)分为发电和供热两项，称之为分项热经济指标。令Qtp(h)、Qtp(e)为热电厂供热、发电的热耗量；Btp(h)，Btp(e)为热电厂供热、发电的煤耗量，则有：,（310）,（39）,3.3热电厂的热经济性(续),将Qtp分配为Qtp(e)、Qtp(h)的实质，是将热电厂总煤耗Btp在发电、供热两产品间分配为Btp(e)、Btp(h)。对热电厂Qtp分配方法的要求是：既要反映电、热两种产品的品位不同，又要能反映热电联产过程的技术完善程度，且计算简便，并能为国家节约能源，促进热化事业的发展。有三类典型的热电厂总热耗量分配方法，一是热电联产效益归电法(热量法)，一种是该效益归热法(实际焓降法)，两者是Qtp分配的两个不同极端方法，再一种是将该效益折中分摊在发电、供热两方面，这类的方法有许多种，如净效益法、做功能力法等等。热量法是我国的法定分配方法。,3.3热电厂的热经济性(续),一、热电厂煤耗量的分配以图3-7所示的供热机组说明三种典型分配方法。1热量法分配分配的原则是：热电厂分配给供热的煤耗量是按照汽轮机的供热量占机组热耗量Q0的比例来分配。即：2实际焓降法分配原则是：热电厂分配给供热的煤耗量是按照供热排汽在汽轮机中减少的内功占新汽的所做内功的比例来分配。,Btp=BtpK,式中为分配的比例系数。,（312）,（311）,3.3热电厂的热经济性(续),图37非再热单抽式供热机组的热力系统,3.3热电厂的热经济性(续),即3做功能力法分配的原则是：热电厂分配给供热的煤耗量按供热蒸汽的可用能占新蒸汽的可用能比例来分配。即,Eo，eh，eamb，sh，So，Samb分别为新蒸汽，供热蒸汽和环境温度的比火用，kJ/kg和比熵，kJ/(kg.K)；Tamb为环境温度(K)。,（315）,（314）,（313）,式中，Eh=eheamb=(hhTambSh)(hambTambSamb)Eo=eoeamb=(hoTambSo)(hambTambSamb),3.3热电厂的热经济性(续),表33为热电厂的分项热经济指标的计算式。,3.3热电厂的热经济性(续),三、几点说明1按照热量法分配供热方面所分得的煤耗量最大，发电方面所分得热量最小，又称为“好处归电”法。按实际焓降法分配供热方面所分得的煤耗量最小，发电方面所分得的煤耗量最大，又称“好处归热法”。其不同的分配结果的实质是冷源热损失的处理不同，热量法是将热电联产中冷源热损失全部划归供热方面。而实际焓降法是将冷源热损失全部划归了发电方面。做功能力法是一种折衷的分配方法，将热电联产效益折衷分配到供热和发电两方面。2各种分配方法均有人为的因素，在电功率Pe一定，热负荷Q一定，机组参数一定的条件下，其煤耗量Btp是一定的，各种分配方法只是将Btp分配为两项而已，因此分配方法不同，各分项热经济指标也不同。3由于热量法简单，直观便于推行，因此它还是现行使用的方法。它的缺点是以热力学第一定律为依据，不能反映供热参数高低的影响(因为,是以热用户处的热负荷为依据的)，不能调动热用户使用低参数供热的积极性，也不能促进热电厂改进热功转换过程的积极性。4分配给供热方面的热量是作为锅炉直接供出的热量，即，属于分产供热，它没有得到热电联产的好处，只得到以电站高效率大锅炉取代低效率的小锅炉的好处。,3.3热电厂的热经济性(续),3.3.3热电厂的节煤量的计算及节煤条件1、节煤量的计算热电厂和热电分产系统如图38所示。图中电负荷为kW.h/a，热负荷为QGJ/a。热电分产的凝汽电厂锅炉效率为be、管道效率为pe、汽轮机的机械效率为me、发电机效率为ge、发电标准煤耗率为be；热电厂的锅炉效率为b、管道效率为p、汽轮机的机械效率为m，和发电机的效率为g；分产供热的工业锅炉效率为b(d)、管道效率为p(d)。热网效率hs，因此热电联产的供热量Qh与热用户的热负荷Q的关系是Q=Qhhs。热电厂总标准煤耗Btp，为用于发电、供热的标准煤耗之和，即,上式中第一项是发电的节煤量，第二项是供热的节煤量。,热电分产总标准煤耗Bf为分产发电标准煤耗Bcp与分产供热煤耗Bh之和，即：,则热电联产的节煤量为：,（316）,（318）,（317）,(a)热电厂的热力系统(b)热电分产的热力系统,图38热电厂和热电分产系统示意图,3.3热电厂的热经济性(续),3.3热电厂的热经济性(续),2、联产供热节煤条件分产供热的标准煤耗量：热电厂供热的标准煤耗量：热电厂供热节约的标准煤量：则热电厂供热的节煤条件为0，即：0,（322）,（321）,（320）,（319）,3.3热电厂的热经济性(续),当热电厂供热和分产供热供应相同热负荷Q时，能节约燃料的主要原因是热电厂的电站锅炉效率b，远高于分产供热的工业锅炉效率b(d)所致，其不利因素是热电厂供热有热网损失。若考虑热电厂供热和分产供热管道效率大致相等，即取pp(d)，则其节煤条件为：3、热电厂发电的节煤条件分产发电即代替凝汽式电厂发电的标准煤耗量Be为：,（323）,（324）,3.3热电厂的热经济性(续),图38所示为单抽汽式供热机组，可视为背压机与凝汽机的组合，即供热汽流发电Wh，凝汽流发电Wc，并且W=Wh+Wc。由于供热汽流发电属热电联产，它的i=1，则供热汽流的发电标准煤耗率为：而凝汽流发电的标准煤耗率为：由于供热机组凝汽流发电的绝对内效率比代替凝汽机组的低(即ic。,（325）,（326）,3.3热电厂的热经济性(续),热电厂发电的标准煤耗量Btp(e)为：,则热电厂发电的节煤量可写为,将Wc=WWh代入得：,热电厂节煤的有利因素是热化发电的煤耗率比替代机组的发电煤耗率低，而不利因素则是供热机组凝汽流发电的煤耗率比替代机组的发电煤耗率高，因此，热电厂的发电是否节煤存在一定的条件，即要满足0。,（327）,（328）,（329）,即。,当时，得,令,X=的含义是供热机组热化发电量占供热机组总发电量的比例，称为热化发电比；X是由供热机组的特性与替代机组的特性决定的特性参数，称为临界热化发电比。,热电厂的发电节煤条件是供热机组的热化发电比一定要大于临界热化发电比，即。而Wh=Qh，只有Qh足够大时热电厂才会节煤。,3.3热电厂的热经济性(续),当供热机组蒸汽初参数与替代凝汽式电厂机组的初参数相同时，要求的热化发电比为：13%15%；当供热机组初参数比替代凝汽式电厂机组的初参数低一档时，要求的热化发电比为：40%；当供热机组初参数比替代凝汽式电厂机组的初参数低二档时，要求的热化发电比为：50%。,（330）,（331）,3.4热化系数,3.4.1热化系数的定义热电厂是通过汽轮机抽汽辅以尖峰锅炉来满足热负荷要求的。计算热负荷（热负荷的最大值）中由汽轮机抽汽承担的份额称为热电厂的热化系数。图39为具有采暖和热水负荷的全年热负荷的持续时间图。横坐标为热负荷的持续小时数，纵坐标为小时热负荷。室外为计算温度的热负荷称为计算热负荷，或者称热负荷的最大值，以表示。全年供热量为面积1234561。汽轮机的最大小时供热量为，汽轮机全年抽汽供热量1834561的面积。小时热化系数以表示：年热化系数用表示：式中，为供热汽轮机总的抽汽（或排汽）供热量，GJ/h；为热电厂的最大热负荷（也称为计算热负荷），GJ/h。,（332）,（333）,3.4热化系数(续),图39有采暖和热水负荷的全年热负荷的持续曲线,3.4热化系数(续),通常采用的是小时热化系数，简称为热化系数，以表示。年热化系数是由小时热化系数所决定的，对于给定地区某一个热化系数下对应一确定的年热化系数。如图310所示为兰州地区小时和年热化系数的关系。,图310兰州地区小时和年热化系数的关系,1.热化系数；2.年热化系数,3.4热化系数(续),3.4.2理论上最佳热化系数燃料节约总量的式（3-18）可以改写为：第一项，是热电厂生产电能理论上节约燃料的最大值；第二项，是热电厂以凝汽流的方式生产电能所多耗费的燃料；第三项，是热电厂供热所节约的燃料。为了简化分析，可以不考虑热电厂供热所节约的燃料，则联产和分产相比节煤量可写为图311是采暖和热水负荷的持续时间图。,（334）,（335）,3.4热化系数(续),图311采暖和热水负荷的持续时间图,3.4热化系数(续),从上图的分析可以得出理论上最佳热化系数的含义：在这个热化系数时，联产和分产相比节约的燃料量为最大。用表示热化系数的增量，则节煤量变化的公式可写为：当0时，节煤量的绝对值最大，这是热化系数理论上最佳值的条件，即将上式变形为：增加的总发电量用表示，则有关系式：，只要热电厂供热气流和凝汽流电能的变化满足式（342）的条件，所对应的热化系数即为理论上的最佳