节能原理与技术讲义

1、青岛海湾集团企业新型学徒制培训讲义（锅炉运行值班员高级）子模块一、节能减排1.1节能减排改革开放以来，中国经济维持了高速增长。但进入新世纪后，随着经济的发展，环境污染问题也越来越突出，突出体现在废水、废气和固体废物等对河流、空气和土壤的污染，这些污染已经严重影响到人们的生活，也影响到中国的可持续发展能力。环境承载力已经成为中国经济持续发展的瓶颈，因此，尽最大可能降低能源消耗、减少污染物排放是中国经济发展的内在要求，也是建设和谐社会的内在要求。节能减排是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措；是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；对于调整经济结构、转变增长方式、提高人民生活质量

2、、维护中华民族长远利益，具有极其重要而深远的意义；也是我国对国际社会应该承担的责任。我们要充分认识节能减排工作的重要性和紧迫性。1.2节能减排的意义我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈。这种状况与经济结构不合理、增长方式粗放直接相关。不加快调整经济结构、转变增长方式，资源支撑不住，环境容纳不下，社会承受不起，经济发展难以为继。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。同时，温室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注。进一步加强节能减排工作，也是应对全球气候变化的迫切需要

3、，是我们应该承担的责任。(一)节能减排是中国可持续发展的必然选择关于中国的能源家底，有一种说法是中国富煤、贫油、少气。节能减排完全没有必要，而实际上，煤炭资源虽然绝对数量庞大，但1800亿吨左右的可采储量，只要除以13亿这个庞大的人口基数，人均资源占有量就会少得可怜。石油，我国去年消费原油3.2亿吨，当中1.5亿吨来自进口。这就显示，节能减排的重要性，即使将新发现的渤海湾大油田10亿吨储存全部开采。也仅够我国用三年。目前我国探明石油储量约60亿吨，仅够开采20年，刚好是世界平均40年的一半。我国节能减排的压力比世界上任何一个国家都要大，特别是，我国还是世界上能源浪费较为严重的国家之一。我国应该

4、节能减排不能像美国那样消耗能源，现在我国平均每人每年消耗石油200公斤，美国每人每年消耗3吨。2020年，中国15亿人口，我们如果像美国一样每人消耗3吨，每年就需要45亿吨，去年世界石油产量只有40亿吨， 40亿吨石油贸易量只有16亿吨，加上成品油20亿吨贸易量，全部贸易量给中国都不够。我们必须走一条节能减排新兴工业化道路，建设资源节约型、环境友好型社会。”（二）节能减排是遵循人类社会发展规律和顺应当今世界发展潮流的战略举措节能减排的重要性，工业革命以来，世界各国尤其是西方国家经济的飞速发展是以大量消 耗能源资源为代价的，并且造成了生态环境的日益恶化。有关研究表明，过去50年全球平均气温上升的

5、原因，90%以上与人类使用石油等燃料产生的温室气体增加有关，由此引发了一系列生态危机。节约能源资源，保护生态环境，已成为世界人民的广泛共识。保护生态环境，发达国家应该承担更多的责任。发展中国家也要发挥后发优势，避免走发达国家“先污染、后治理”的老路。对于我国来讲，进一步加强节能减排工作，既是对人类社会发展规律认识的不断深化，也是积极应对全球气候变化的迫切需要，节能减排是树立负责任的大国形象、走新型工业化道路的战略选择。（三）节能减排是应对资源稀缺与环境承载能力有限的挑战的必然选择近年来，我国资源环境问题日益突出，节能减排形势十分严峻。我国人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4，到2030年将

6、成为世界上严重缺水的国家。我国的石油、天然气人均占有储量只有世界平均水平的11%和4.5%，45种矿产资源人均占有量不到世界平均水平的一半。我国人均耕地面积不足1.5 亩，不到世界平均水平的1/2。目前，我国能源利用效率比国际先进水平低10个百分点左右，单位GDP能耗是世界平均水平的3倍左右。环境形势更加严峻，主要污染物排放量超过环境承载能力，流经城市的河段普遍受到污染，土壤污染面积扩大，水土流失严重，生态环境总体恶化的趋势仍未得到根本扭转。发达国家上百年分阶段出现的环境问题，近20多年来在我国集中出现。由于我国已经进入工业化和城镇化加速期，重化工业较快增长还会持续一段较长时间，这一过程中能源

7、资源消耗和污染排放与经济增长一般呈现正向关联。因此，在资源稀缺与环境承载能力有限的情况下，传统的高投入、高消耗、高排放、低效率的增长方式已经走到了尽头。不加快转变经济发展方式，资源难以支撑，环境难以容纳，社会难以承受，科学发展难以实现。因此，为了我们的国家，为了我们了社会，为了更好的生存我们必须贯彻实施节能减排计划。1.3节能减排的措施为了降低能耗和污染物的排放量，中国政府积极推进产业结构调整，转变经济增长方式，落实科学发展观。政府采取了各种优惠措施，加快发展服务业，推进工业结构优化升级。中国政府还坚决关停小火电、小水泥厂等高污染、低能效的落后产能。此外，中国也在努力与国际社会合作研究清洁煤技

8、术，这将为中国清洁利用丰富的煤炭资源提供可行的技术条件。不仅如此，中国也在通过各种措施提高人们在生产、生活中的节能意识。节能减排关系社会可持续发展，关系广大人民群众切身利益，但目前节能减排工作任务相当艰巨，必须下最大的决心，用最大的力气，采取各种有效措施，并需要全民动员，从现在做起，从点滴做起。（一）要加快产业结构调整要大力发展第三产业，以专业化分工和提高社会效率为重点，积极发展生产性服务业；以满足人们需求和方便群众生活为中心，提升发展生活性服务业；要大力发展高技术产业，坚持走新型工业化道路，促进传统产业升级，提高高技术产业在工业中的比重。要积极实施“腾笼换鸟”战略，加快淘汰落后生产能力、工艺

9、、技术和设备；对不按期淘汰的企业，要依法责令其停产或予以关闭。     （二）要大力发展循环经济要按照循环经济理念，加快园区生态化改造，推进生态农业园区建设，构建跨产业生态链，推进行业间废物循环。要推进企业清洁生产，从源头减少废物的产生，实现由末端治理向污染预防和生产全过程控制转变，促进企业能源消费、工业固体废弃物、包装废弃物的减量化与资源化利用，控制和减少污染物排放，提高资源利用效率。     （三）要强化技术创新要组织培育科技创新型企业，提高区域自主创新能力。加强与科研院校合作，构建技术研发服务平台，着力抓好技术标准示范企业建设。

10、要围绕资源高效循环利用，积极开展替代技术、减量技术、再利用技术、资源化技术、系统化技术等关键技术研究，突破制约循环经济发展的技术瓶颈。 （四）要加强组织领导，健全考核机制要成立发展循环经济建设节约型社会工作机构，研究制定发展循环经济建设节约型社会的各项政策措施。要设立发展循环经济建设节约型社会专项资金，重点扶持循环经济发展项目、节能降耗活动、减量减排技术创新补助等。要把万元生产总值、化学需氧量和二氧化硫排放总量纳入国民经济和社会发展年度计划；要建立健全能源节约和环境保护的保障机制，将降耗减排指标纳入政府目标责任和干部考核体系。为了我们的国家，为了我们的社会，为了更好的生存，我们必须牢固树立和全

11、面贯彻科学发展观，贯彻实施节能减排计划，积极探索出一条社会经济又好又快发展的途径。子模块二、能量的平衡2.1概述用能设备及企业，要消耗能源以电能、热能、机械能等来生产各种产品。人们关注的主要问题，一是产品的质量，二是能源消耗水平，及能源利用效率的高低。前者涉及生产工艺、生产流程及操作水平，后者涉及用能水平。在能源消耗量日益剧增、世界能源相对紧缺的情况下，提高设备热效率，提高企业的能量利用率，已愈来愈为人们所重视。进行企业或者设备的能量平衡，以评价其能源利用状况，找出能源浪费的环节或部位，优化用能过程，指导节能工作，达到降低成本、提高生产效率的目的。热力学第一定律是热平衡的基础，他是能量转换与守

12、恒定律在伴随着热效应的物理及化学过程的应用，指出各种能量在传递和转换过程中，其总量是守恒的。过程进行中，输入能量一部分被有效利用，或对外做有用功，或引起工质的能量变化，另一部分则被损失掉，即输入能量=有效利用能量+损失能量2.2热平衡由于所有耗能设备总要消耗燃料或其他能源，对输入系统的能量和离开系统的能量进行数量上的平衡，即为热平衡，热平衡在能量系统和节能管理工作中极为重要。一个处于任意平衡状态的系统，在没有宏观功的条件下，靠系统与外界直接相互作用以改变系统状态的方式称热接触（或热交换）。两个热力学系统进行热接触时，系统原来的平衡状态一般都将发生变化；经过足够长的时间之后，系统的状态不再发生变

13、化；这时可以认为两个系统处于热平衡。如果两个系统热接触时，状态没有发生变化，则说明两个系统已是互为热平衡的。可以认为互为热平衡的两个系统的冷热程度相同。热平衡的分类：（1）设备热平衡 以一台设备或装置为对象的热平衡。（2）企业热平衡 以车间、企业为对象的热平衡。企业热平衡建立在设备热平衡的基础上。我国以制定了相应的热平衡国家标准，并已对如锅炉、工业窑炉、用汽设备等设备和如石化厂、发电厂等企业开展了热平衡工作。热平衡方程（热交换定律）温度不同的两个或几个系统之间发生热量的传递，直到系统的温度相等。在热量交换过程中，遵从能的转化和守恒定律。从高温物体向低温物体传递的热量，实际上就是内能的转移，高温

14、物体内能的减少量就等于低温物体内能的增加量。其平衡方程式为：Q放=Q吸(Q表示热量)此方程只适用于绝热系统内的热交换过程，即无热量的损失；在交换过程中无热和功转变问题；而且在初、末状态都必须达到平衡态。系统放热，一般是由于温度降低、凝固、液化及燃料燃烧等过程。而吸热则是由于温度升高，熔解及汽化过程而引起的。2.3设备热平衡设备热平衡是企业热平衡的基础，只有设备用能合理，才能使企业用能合理。在我国，无论是工业生产还是家庭用户，大量使用锅炉。发电厂所用的电站锅炉，每年约消耗我国煤产量的三分之一。工业锅炉及家庭用煤又消耗约三分之一。而锅炉尤其是工业锅炉的热效率较低，做好锅炉热平衡，提高其运行效率，对

15、节能具有重大意义。锅炉是将煤的化学能转变为蒸汽或水的热能的设备。由于各种原因，燃料在锅炉中不会完全燃烧，燃烧放出的热量也只有一部分被工质所吸收，还有一部分随炉渣烟气排放到环境中。尽量减少损失热是提高锅炉效率的有效措施。2.4锅炉热平衡一、锅炉热平衡的概念在稳定工况下，输入锅炉的热量应与输出锅炉的热量相平衡，锅炉的这种热量收、支平衡关系，就叫锅炉热平衡。输入锅炉的热量是指伴随燃料送入锅炉的热量；锅炉输出的热量可以分为两部分，一部分为有效利用热量，另一部分为各项热损失。锅炉热平衡是按1kg固体或液体燃料（对气体燃料则是1Nm3标准）为基础进行计算的。在稳定工况下，锅炉热平衡方程式可写为： kJ/k

16、g (31)以百分数表示的热平衡方程式，即 % (32)二、锅炉热平衡的意义研究锅炉热平衡的意义，就在于弄清燃料中的热量有多少被有效利用，有多少变成热损失，以及热损失分别表现在哪些方面和大小如何，以便判断锅炉设计和运行水平，进而寻求提高锅炉经济性的有效途径。锅炉设备在运行中应定期进行热平衡试验（通常称热效率试验），以查明影响锅炉效率的主要因素，作为改进锅炉的依据。锅炉输入热量和有效利用热量一、锅炉输入热量对应于1kg固体或液体燃料输入锅炉的热量包括燃料收到基低位发热量、燃料的物理显热、外来热源加热空气时带入的热量和雾化燃油所用蒸汽带入热量，即=+ (33)燃料的物理显热为： (34)对于燃煤锅

17、炉，如燃煤和空气都未利用外部热源进行预热，且燃煤水分< /630，则锅炉输入热量就等于燃煤收到基低位发热量，即 (39)二、锅炉有效利用热量锅炉有效利用热量包括过热蒸汽的吸收，再热蒸汽的吸收、饱和蒸汽的吸收和排污水的吸热。当锅炉不对外供应饱和蒸汽时，则单位时间内锅炉的总有效利用热量可按下式计算，即 kW 310）每千克燃料（对气体燃料为每Nm3 ）的有效利用热量可用下式计算 kJ/kg （311）式中 锅炉的燃料消耗量，kg/s。当锅炉排污量不超过蒸发量的2%时，此时排污水热量可略去不计。锅炉的各项热损失一、机械不完全燃烧热损失机械不完全燃烧热损失是由于灰中含有未燃尽的碳造成的热损失。运

18、行中的煤粉锅炉，机械不完全燃烧热损失是根据锅炉的飞灰量与灰渣量，以及飞灰和炉渣中可燃物含量的百分数来计算。机械不完全燃烧热损失的计算：介绍和表示飞灰和炉渣中灰量占燃料总灰量的份额，分别称为飞灰份额和炉渣份额。对于固态排渣煤粉炉，飞灰份额和炉渣份额的推荐值分别为：=0.900.95，=0.050.10。影响机械不完全燃烧热损失的主要因素有：燃烧方式、燃料性质、煤粉细度、过量空气系数、炉膛结构以及运行工况等。（1）不同燃烧方式的数值差别很大，层燃炉、沸腾炉这项损失较大，旋风炉较小，煤粉炉介于两者之间。（2）煤中灰分和水分越多，挥发分含量越少，煤粉越粗，则越大；（3）在燃料性质相同的情况下，炉膛结构

19、合理（有适当的高度和空间），燃烧器结构性能好、布置适当，配风合理，气粉有较好的混合条件和较长的炉内停留时间，则较小；（4）炉内过量空气系数要适当，运行中过量空气系数减小时，一般会导致增大；（5）炉膛温度较高时，较小；（6）锅炉负荷过高将使煤粉来不及在炉内烧透，负荷过低，则炉温降低，都会导致增大。二、化学不完全燃烧热损失化学不完全燃烧热损失是由于烟气中含有可燃气体造成的热损失。这些气体主要是一氧化碳，另外还有微量的氢和甲烷等。对运行中的锅炉，的计算：介绍影响烟气中可燃气体含量的主要因素是：炉内过量空气系数、燃料挥发分含量、炉膛温度以及炉内空气动力工况等。（1）炉内过量空气系数过小，氧气供应不足，

20、会造成的增加，过量空气系数过大，又会导致炉温降低；（2）燃料挥发分含量较高，其相对较大；（3）炉膛温度过低时，燃料的燃烧速度很慢，此时烟气中的来不及燃烧就离开炉膛，会使相应增加；（4）炉膛结构及燃烧器布置不合理，炉膛内有死角或燃料在炉内停留时间过短，都会导致增大。在进行锅炉设计计算时，可在下述经验数据中选用：固态排渣和液态排渣煤粉炉 =0%燃油炉、燃气炉 =0.5%烧高炉煤气的锅炉 =1.5%三、排烟热损失锅炉的排烟热损失是由于排烟温度高于外界空气温度所造成的热损失。在室燃炉的各项热损失中，排烟热损失是最大的一项，约为4%8%。排烟热损失等于排烟焓值与进入锅炉的冷空气焓值的差，其计算式如下：

21、% （320）影响排烟热损失的主要因素是排烟焓的大小，而排烟焓又取决于排烟容积和排烟温度。排烟温度越高，排烟容积越大，则排烟热损失也就越大。一般排烟温度提高1520，约增加1%。（1）降低锅炉的排烟温度，可以降低排烟热损失。但是要降低排烟温度，就要增加锅炉的尾部受热面积，因而增大了锅炉的金属耗量和烟气流动阻力；另一方面，烟温太低会引起锅炉尾部受热面的低温腐蚀，因而也不允许排烟温度降得过低。特别在燃用硫分较高的燃料时，排烟温度还应适当保持高一些。近代大型电厂锅炉的排烟温度约为110160。（2）排烟容积的大小取决于炉内过量空气系数和锅炉漏风量。过量空气系数越小，漏风量越小，则排烟容积越小。但过量

22、空气系数的减小，常会引起和的增大，所以最合理的过量空气系数（称为最佳过量空气系数）应使、之和为最小。（3）锅炉在运行中，受热面积灰、结渣等会使传热减弱，促使排烟温度升高。因此，锅炉在运行中应注意及时地吹灰打渣，经常保持受热面的清洁。（4）锅炉及烟道漏风，不仅会增大烟气容积，漏入烟道的冷空气还会使漏风点处的烟气温度降低，从而使漏风点以后所有受热面的传热量都减小，所以漏风还会使排烟温度升高。漏风点越靠近炉膛，对排烟温度升高的影响越大。因此，尽量减少炉膛及烟到的漏风，也是降低排烟热损失的一个重要措施。四、散热损失（一）散热损失锅炉在运行中，汽包、联箱、汽水管道、炉墙等的温度均高于外界空气的温度，这样

23、就会通过自然对流和辐射向周围散热，形成锅炉的散热损失。锅炉在非额定蒸发量下的散热损失可按下式计算： % （321）影响散热损失的主要因素是：锅炉额定蒸发量（即锅炉容量）、锅炉实际蒸发量（即锅炉负荷）、锅炉外表面积、水冷壁和炉墙结构、周围空气温度等。（二）保温系数锅炉热力计算时，要涉及各段受热面所在烟道的散热损失。为了简化计算，忽略了各段烟道在结构以及所处环境上的差别，而假定各段烟道的散热损失仅与该烟道中烟气传给受热面的热量成正比，并用保热系数来表示。 则 当锅炉没有空气预热器或空气预热器的吸热量相对锅炉有效利用热量很小时，保热系数即为： （323）五、灰渣物理热损失锅炉炉渣排出炉外时带出的热量

24、，形成灰渣物理热损失，其计算式如下： （324）灰渣物理热损失的大小主要与燃料中灰含量的多少、炉渣中纯灰量占燃料总灰量的份额以及炉渣温度高低有关。简言之，的大小主要决定于排渣量和排渣温度。煤粉锅炉排渣量、排渣温度主要与排渣方式有关，固态排渣煤粉炉的渣量较小，液态排渣煤粉炉的渣量较大；液态排渣煤粉炉的排渣温度要比固态排渣煤粉炉的排渣温度高的多，所以液态排渣煤粉炉的必须考虑。而对于固态排渣煤粉炉，只有当灰分很高时，即时才考虑。2.5热平衡及可用能平衡结果的表示方法 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

25、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。作功能力分析法（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，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。子模块三、热电联产3.1、概述电力工业的主要能源为水能，燃料热能和原子能，利用燃料热能发电的工厂叫火力发电厂，而在火力发电厂的生产工程中，汽轮机排汽的热量在冷源中损失过大，为了尽量减少冷源损失，在火力发电厂中除了供应电能以外，还可以利用作过功的蒸汽来供应热用户。这样既供电又供热的火力发电厂称为热电厂或

26、热电联产工程。热电联产是指发电厂既生产电能，又利用汽轮发电机组做过功的蒸汽对用户供热的生产方式，即同时生产电、热能的工艺过程，较之分别生产电、热能方式节约燃料。以热电联产方式运行的火电厂称为热电厂。对外供热的蒸汽源是抽汽式汽轮机的调整抽汽或背式汽轮机的排汽，压力通常分为0.781.28兆帕(MPa)和0.120.25MPa两等。前者供工业生产，后者供民用采暖。热电联产的蒸汽没有冷源损失，所以能将热效率提高到85%，比大型凝汽式机组(热效率达40%)还要高得多。在热电联产工程中，建设原则主要有两种，既通常所讲的以热定电和以电带热，其中以电带热的原则只适用于对区域电负荷要求高的情况，目前，为了更合

27、理地节能，对热电联产项目国家要求必须执行以热定电的原则。3.2热电联产理论热电联产它要求将热电站同有关工厂和城镇住宅集中布局在一定地段内，以取得最大的能源利用经济效益。西方和东欧国家发展热电联产已达较高水平，热电厂装机容量占电力总装机容量的30，用于工业生产和分区集中供暖各占一半。造纸、钢铁和化学（包括石油化学）工业是热电联产的主要用户，它们不仅是消耗电热的大用户，而且其生产过程中所排出的废料和废气（如高炉气）可作为热电联产装置的燃料。城市工业区及人口居住密集区也是发展热电联产的主要对象，但要注意对当地热负荷进行分析，一般热化系数不得低于0.5（工业热负荷年利用小时数在3500小时以上，居民冬

28、季采暖不小于3个月）。热电厂的供热距离通常不超过58公里。对热电联产的燃料质量（主要是含硫、磷量）有较高要求，同时厂址要选在城市盛行风的下风向，避免对城市环境的污染。热电联产工程主要工艺方式有两种，以汽轮发电机组选用的不同方式来划分，分别是背压式汽轮机组和抽汽凝汽式汽轮机组。除此之外，还有高参数背压式汽轮机叠置设备改造电厂、改造中小型凝汽式机组为供热机组、利用企业工业锅炉的裕压发电等形式。一、热电联产的几种主要工艺流程背压式汽轮机组背压式汽轮机组是相对与凝汽式汽轮机组而言的，其差别在于，凝汽式汽轮机组中汽轮机的排汽被冷凝成水再送回到锅炉系统，而背压式汽轮机组中汽轮机的排汽是直接供给了热用户。在

29、两者的系统中，凝汽式机组的排汽参数要求在保证汽轮机安全运行的条件下尽可能的低，而背压式汽轮机组的排汽参数则取决于热用户的要求。在热用户存在多种并有较大差别的参数要求情况时，也可采用抽汽背压式汽轮机组。背压式汽轮机组的主要流程如下：锅炉 汽轮机 热用户 凝结回水给水泵 除氧器 化学补充水抽汽凝汽式机组凝汽式汽轮机组在适当的级后开孔抽取已经部分做功发电后的合适参数蒸汽供热，就成为抽汽凝汽式机组。其抽汽有可调整抽汽和非调整抽汽两类，可调整抽汽提供给热用户，非调整抽汽为系统自用。根据实际供热需要，也可以采取两段可调整抽汽的方案，也就是双抽机。采用双抽机的条件是低参数供热负荷具有相当的比重，增加的发电效

30、益综合评价超出投资增大的不利经济因素。抽汽凝汽式机组典型的主要流程如下： 热用户锅炉 汽轮机 凝汽器 凝结水给水泵 高压加热器 除氧器 低压加热器 凝结水泵 化学补充水二、两种热电联产工艺的适用性两种热电联产工艺的选择是根据热负荷特性来确定的。背压式汽轮机组汽机排汽全部供热用户，没有冷源损失，是火力发电机组中能源使用最为经济合理的一种方式。但是，对于背压式机组，如果热负荷不稳定（包括冬夏差异较大的情况），势必造成发电机组在低负荷时，设备利用率低、运行工况不经济，甚至机组无法启动。因此背压式汽轮机组更适合于供热负荷稳定，尤其是以稳定工业负荷为主的情况。抽凝机组相对背压式机组，其运行机制就相当灵活

31、。可调整抽汽在其最大抽汽能力范围内可以0100%自由调整，对热负荷波动适应性好，设备利用率高。适合于热负荷存在较大波动、冬夏差异大的情况。对于供采暖负荷占有相当大比例的热电联产工程，一般选择抽凝机组。3.3 热电联产热负荷 热负荷整理、分析和汇总的计算方法正确与否，直接影响着集中供热、热电联产各项技术经济指标的正确性或准确性1。但目前在实际工程上对工业热负荷整理分析和汇总的计算过程中，对工业蒸汽用热的回水率或回水温度的处理方法尚有待探讨。本文提出了以热用户有效用热量作为热负荷设计依据的概念，这一方法为正确计算供热系统的各项指标提供了依据。1 、目前使用的方法及存在问题在集中供热、热电联产建设项

32、目的前期工作中，需要把用户的热负荷折算成热源出口的蒸汽参数和数量。 目前工程上一般使用的热负荷折算公式为： (1)式中Dp、Dy分别为热源出口及用户要求的蒸汽量，t/h;ip、iy热源出口及进入用热设备的蒸汽焓，kJ/kg; th、tyh热源及用热设备的回水焓，kJ/kg; 热网效率，取值0.95左右; 回水率； tb补充水焓，kJ/kg; Qy用户用热量,kJ/h2。式(1)的实际物理意义是：根据用户的用热量Qy，按热源的热焓ip和回水焓th折算成热源应承担的热负荷。 需要指出的是,上述计算公式在实际工程计算中常常得出不正确的结果。式(1)不能正确计算热源承担的实际用热负荷。在式(1)的分母

33、上含有热源点的回水焓th,可以明显看出,当热用户实际用热量Qy不变时,回到热源点的回水焓th越低,或回水率越低,则折算成热源点应向外供出的蒸汽量(按重量t/h计算)越少。 3.4 热电联产技术的发展     根据热电联合生产比热与电分别生产能源效率高的实际，按照2007年的供热总规模来初步匡算，每年可节约标煤6000万吨以上，为改善城市环境减少污染物排放作出了重大贡献。  1.节约能源效果明显   热电联产机组相对于热电分产，避免了冷凝损失，提高了能源利用效率。热电联产使用的锅炉都是大型锅炉，而且以亚临界

34、锅炉、高压锅炉、循环流化床锅炉居多，运行时锅炉效率可以稳定在88%-91%，此时供热的标准煤耗在40千克吉焦左右。一般在热负荷较稳定的情况下，一台5万千瓦的热电机组抽汽供热时煤耗可以低于300克千瓦时，比全国火电平均供电煤耗345克千瓦时低很多。如果考虑热电联产集中供热替代供热的中小型锅炉，则节能量更大。据测算，热电联产与热电分产相比热效率高30%，集中供热比分散小锅炉供热效率高50%。   2.保护环境作用突出   燃煤工业锅炉由于锅炉单台容量小(平均单台容量仅为3.4吨/小时)、烟囱低(一般在40米以下)、除尘效率差，给城市带来了

35、严重的环境污染问题。据测算，供热小锅炉每年向大气排放二氧化硫640万吨、烟尘800万吨，向地面排放灰渣8700万吨，产生的污染占燃煤污染总量的13。而热电联产由于锅炉容量大，烟囱在80米以上且均有除尘设备，较大的厂还有静电除尘和脱硫装置，污染物排放总量低。按当前热电联产装机规模初步估算，热电联产相对于热电分产，每年可减少二氧化硫排放120万吨，减少灰渣排放1470万吨。    3.节约用地提高效益  分散供热小锅炉不 仅都要单独建设锅炉房，而且每个锅炉房还需要配备相应的储煤场和灰场，占用了大量的城市土地资源。集中供热的热电厂

36、一般都在城市周边或工业园区，按照国家 土地集约化管理的要求，热电联产的建设不仅减少了大量的分散小锅炉占地，提高了土地的使用效率，而且减少了城中居民区的噪音，可创造良好的社会效益。另 外，热电联产机组一般都建在热负荷中心，与用户很近，热电厂的上网电量也可就近消化。通过热电厂供电补足区域供电，既省钱又安全，减少了输、变电工程费 用，降低了电网的线损率，提高了企业的经济效益。   4.煤种适应性更强    根据我国目前的煤炭供应情况，能够完全燃用设计煤种的锅炉不多，尤其是国家关停了部分不合格煤矿后，冬

37、季煤炭供应较为紧张，不能满足供热企业对煤质的要求。而我国热电厂的小型热电机组普遍采用循环流化床锅炉，该炉型的特点就是煤种适应性强，热效率稳定在80%左右。大型供热锅炉普遍采用的是链条炉，对煤种的适应性较差，一般对非设计煤种，其热效率普遍降低10%以上。因此，在这种情况下，小型热电联产机组显示了煤种适应性强的优越性。   5.电力供给的安全性和可靠性增强 热电联产系统可 独立于电网运行，也可与电网构成一个电力供应联合体。二者相辅相成，将大大增强电力供给的安全性和可靠性。3.5热电冷联产一什么是热电(冷)联产系统 通过能源的梯级利用，燃料通过热电联

38、产装置发电后，变为低品味的热能用于采暖、生活供热等用途的供热，这一热量也可驱动吸收式制冷机，用于夏季的空调，从而形成热电冷三联供系统。 为了协调热、电和冷三种动态负荷，实现最佳的整体系统经济性，系统往往需要设置压缩式制冷机和锅炉，甚至蓄能装置等。热电（冷）联产系统在能源转换效率方面所具有的突出优势，使得其在世界各国的能源领域大都具有显著地位。 发电、供热、制冷的三联供系统,其能源综合利用率可达70%。(1)有利于实行热电联产:溴化锂吸收式制冷机是以热能为动力的制冷设备,夏季供空调冷能系统降温,而制冷设备运行需要的热负荷与冬季采暖热负荷相当,这样就可以提高设备供热负荷。 (2)热力系数大,节约蒸

39、汽:采用溴化锂吸收式制冷机,制造同样冷量,可节约一半的蒸汽。(3)节约电能:与压缩式制冷相比,可减少用电负荷。 (4)环境效益好:溴化锂吸收式制冷,无毒无臭,噪声低,运行费用低。子模块四、联合循环4.1概述 燃气蒸汽联合循环发电装置，由于其具有高效低耗、启动快、可用率高、投资省、建设周期短及环境污染少等优点，越来越得到世界各国的重视而迅速发展。据统计，从一九六八年至一九九五年期间，在世界范围内销售的发电用燃气轮机有13373台，总销售容量3.77517亿千瓦。其中，一九九O年至一九九五年的六年间，销售4311台，1.64517亿千瓦，一九九五年创历史最高记录，达3051.7万千瓦。在19902

40、000年间美国新增的1.13亿千瓦发电容量中，燃气轮机电站容量占44%，与燃煤蒸汽轮机电站容量相当，这也是世界发电设备生产过程中出现重大转折的标志。从2000年以后，在新增的发电设备总装机容量中，燃气蒸汽联合循环发电装置超过常规火电站，占电力发展的主导地位。4.2联合循环的基本型式燃气-蒸汽联合循环的类型 按照燃气循环排气放热量被蒸汽循环全部或部分利用的不同情况，可以分为四种类型： （1）余热锅炉联合循环； （2）补燃余热锅炉联合循环； （3）助燃锅炉联合循环； （4）正压锅炉联合循环；（1）余热锅炉联合循环特点：以燃气轮机为主，汽轮机容量约为燃气轮机的1/3左右；适用于旧、小蒸汽动力厂的改造

41、；若燃气轮机的进气温度为1000，其热效率可以达到40%45%；汽轮机不能单独运行；（2）补燃余热锅炉联合循环特点：除燃气轮机排气进入锅炉外，还可补充部分燃料；随着补充燃料增加，汽轮机容量可增加；补充燃料可以是煤或其他廉价燃料；随着补燃量增加，冷却水量增加；汽轮机不能单独运行；（3）助燃锅炉联合循环特点：燃气轮机的排气引入普通锅炉做助燃空气用；汽轮机容量比例可达80%90%；燃气轮机排气含氧量少，需补充空气；随着补燃量增加，冷却水量增加；汽轮机可单独运行；（4）正压锅炉联合循环特点：以压气机代替锅炉的送风机；锅炉与燃烧室合二为一；锅炉体积可减小；锅炉启动只需78min；汽轮机不能单独运行 燃气

42、蒸汽联合循环发电装置的主设备由三大块组成： 1、燃气轮发电机组。它用可燃气体（如天然气、焦炉煤气、高炉煤气或煤层气）或油为（如轻柴油或重油）燃料，通过高温、高压空气做功发电。 2、余热锅炉。其热源为燃气轮机的排气，因此称为余热锅炉，其产生的蒸汽按汽轮机来匹配。3、汽轮发电机组。利用余热锅炉供给的蒸汽选配蒸汽轮机，既可配纯发电的汽轮发电机组，也可配热电联供的汽轮发电机组。子模块五、发电厂热力系统节能理论电厂是消耗一次能源并生产二次能源的耗能大户，每年消耗的煤量占全国煤生产总量的二分之一，平均供电煤耗率为367克/千瓦·时，比世界发达国家同类指标高出50克/千瓦·时，甚至更多，

43、因此电力行业的节能，尤其是电厂节能工作的开展具有重要意义。从我国当前电厂的现实来看，节能潜力很大。随着经济发展，我国人均用电量不断上升并还会加剧，预计到2020年时总需求量将达到4.65.1万亿kW·h，相应的总装机容量也将达到9.5亿kW。预计2020年全国能源总需求为238.238千万吨标准煤，发电用能源将占一次能源总消费的58.7%，电气化程度达到中等发达国家水平，煤炭消耗将有66.5%转化为电能消耗3。因此，提高火电行业的节能意识，开发科学的节能技术，加强能源的有效管理，降低发电煤耗，对国民经济的发展意义重大，并且是关系到可持续性协调发展的一个迫在眉睫的问题。 5.

44、1凝汽机组等效热降理论随着我国国民经济的持续快速增长，石油、化工、炼油、制糖、纺织、环保等大型企业的发展，电厂和自备电站对于供热、供电的抽汽供热机组提出了更高的要求。大容量供热汽轮发电机组，具有较高的供热蒸汽参数和较低的单位能耗，可以满足用户近、远期用热需求，实现集中供热，又可以节能降耗，减少污染。由于大型机组回热抽汽都是非调整抽汽，抽汽量相对锅炉蒸发量较少，一般都采用再热器冷段抽汽或者再热器热段抽汽，然后经过减温减压器降压减温后供给热用户使用，这点与中、小型供热机组不同。热平衡法是热力系统分析计算中经常使用的方法，该方法在系统局部变化的定量分析时，计算量较大，因此应用受到了限制。等效焓降法克

45、服了常规热平衡法计算的缺点，用简捷的局部运算代替整个系统的复杂计算，计算简捷，结果准确，与真实热力系统相符。等效焓降法的概念 等效焓降法是基于热力学的热功转换理论，考虑到设备质量、热力系统结构和参数的特点，经过严密地理论推演，导出几个热力分析参量抽汽等效焓降Hj和抽汽效率jh等用以研究热工转换及能量利用程度的一种方法。各种实际系统，在系统和参数确定后，这些参量也就随之确定，并可通过一定公式计算，成为一次性参数给出。对热力设备和系统进行分析时，就是用这些参数直接分析和计算。 等效焓降法既可用于整体热力系统的计算，也可用于热力系统的局部分析定量。它基本上属于能量转化热平衡法。但是，它摒弃

46、了常规计算的缺点，不需要全盘重新计算就能查明系统变化的经济性，既用简捷的局部运算代替整个系统的繁杂计算。具体讲，它只研究与系统改变有关的那些部分，并用给出一次性参量进行局部定量，确定变化的经济效果。这种方法经实践应用颇为简便。 等效焓降法主要用来分析蒸汽动力装置和热力系统。在火电厂的设计中，用以论证方案的技术经济性，探讨热力系统和设备中各种因素的影响以及局部变动后的经济效益，是热力工程和热系统优化设计的有力工具。对于运行电厂，可用等效焓降法分析技术改造，分析热系统节能技术改造，可为改造提供确切的技术依据。在热耗查定中，等效焓降法对于诊断电厂能量损耗的场所和设备，查明能量损耗的大小，发

47、现机组存在的缺陷和问题，指出节能改造的途径与措施，以及评定机组的完善程度和挖掘节能潜力等，都将发挥重要作用。5.2 供热机组等效热降理论加热器的端差分析加热器的端差定义端差：jtsjtwj j>0存在端差出水温度降低加热不足运行中加热器端差增大的原因：（1）加热器壳侧不凝结气体增加（2）加热器管侧表面脏污和沉积（3）疏水异常受热面减少或过负荷工作端差对经济性的影响、端差的存在和增大表现为（1）给水吸热在相邻加热器间转移（2）高压级抽汽增加替代低压级抽汽放热（3）造成回热作功比下降影响回热的效果不同的系统连接方式端差的影响不同疏水冷却器疏水冷却器DC的热力过程疏水自流指由pj压力下的饱和水

48、自流至pj-1压力加热器（左图）在hs图上表示为沿a-b的等焓节流过程，虽然焓不变但有熵增使用DC后疏水由pj压力饱和水a沿等压 (饱和水)线冷却至a1降温后的疏水自流至pj-1压力加热器表现为沿a1-b1的等焓节流使用DC后的节流熵增s1明显小于无DC时的节流过程熵增s疏水冷却器DC的节能原理主因：由于水蒸气性质(等压线渐扩性)，使用DC减少了节流熵增辅因：由于疏水温度降低其在j-1级加热器中的放热过程温差减少疏水冷却器DC的定量分析j的影响：NO.j疏水放热变化：H=BjjjNO.j抽汽放热变化：H=jjjNO.j-1疏水放热变化：H=(Bj+j)jj-1综合影响：H=(Bj+j)j(j-

49、j-1)综合影响：Q=(Bj+j)j(j-j-1)经济性分析i=(H-Qi)/(H-H)凝汽器过冷度凝汽器过冷度过冷度是凝汽器凝水温度低于相应饱和温度的现象凝汽器空气漏入较多或抽气器工作异常是主要原因过冷度的定量分析过冷度增大对应的热井凝结水出水焓差值为cNO.1凝水吸热增加斥汽作功减少：H1=A1c1若NO.1疏水排向热井抽汽放热增加：q1=cH2=1c1H=H1+H2i=H/(H-H)子模块六、热管及热管换热器6.1 热管的基本知识 热管的结构和基本原理一、热管结构1、密闭容器 不同的工作流体须选择兼容的壳体材料与之配合2、毛细结构 包括铜网、纤维、沟槽、烧结3、作动流体 包括水、甲醇、氨

50、等二、热管工作原理热管的基本工作原理如图所示,典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成,将管内抽成1.3×(10-110-4)Pa的负压后充以适量的工作液体,使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段),根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体,液体沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已,热量由热管的一端传至另一端。热管的分类种 类工作介质工作温度/兼容壳体材料低温热管氨氟里昂-21(CHCI2F)氟里昂-11(CCI3F)氟里昂-11

51、3(CCI2FCCIF2)-60100-40100-40120-10100铝、不锈钢、低碳钢铝、铁铝、不锈钢、铜铝、铜常温热管已烷丙酮乙醇甲醇甲苯水01000120013010130029030250黄铜、不锈钢铝、铜、不锈钢铜、不锈钢铜、不锈钢、碳钢不锈钢、低碳钢、低合金钢铜碳钢(内壁经化学处理)中温热管萘联苯导热姆-A导热姆-E汞147350147300150395147300250650铝、不锈钢、碳钢不锈钢、碳钢铜、不锈钢、碳钢不锈钢、碳钢、镍奥氏体不锈钢高温热管钾铯钠锂银4001000400110050012001000180018002300不锈钢钛、铌不锈钢、因康镍合金钨、钽、钼

52、、铌钨、钽热管基本特征热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热组件,具有以下基本特征:1、很高的导热性 热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热,热阻很小,因此具有很高的导热能力。2、优良的等温性 热管内腔的蒸汽是处于饱和状态,饱和蒸汽的压力决定于饱和温度,饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小,根据热力学中的Clausuis-Clapeyron方程式可知,温降亦很小,因而热管具有优良的等温性。3、热流密度可变性 热管可以独立改变蒸发段或冷凝段的加热面积,即以较小的加热面积输入热量,而以较大的冷却面积输出热量,反之亦然。这样可以改变热流密度,解决一些其它方法难以解决的传热问题。4、热流

53、方向的可逆性 一根水平放置的有芯热管,由于其内部循环动力是毛细力,因此任意一端受热就可作为蒸发段,而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平,也可用于先放热后吸热的化学反应器及其它装置。5、热二极与热开关性能 热管可做成热二极管或热开关。所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动,而不允许向相反的方向流动;热开关则是当热源温度高于某一温度时,热管开始工作,当热源温度低于这一温度时,热管就不传热。6、恒温特性(可控热管) 普通热管的各部份热阻基本上不随加热量的变化而变,但可变导热管使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加,这样可使热管在加热量大幅

54、度变化的情况下,蒸汽温度变化极小,实现温度的控制,这就是热管的恒温特性。7、环境的适应性 热管的形状可随热源和冷源的条件而变化。6.2热管理论热管的几种传热极限： 毛细极限：指热管由于吸液芯结构为工作介质循环提供的毛细压力的限制而导致的传热极限。 携带极限：当热管内部的蒸汽速度足够高时，液汽交界面存在的剪切力可能将吸液芯表面的液体撕裂将其带入蒸汽流从而导致蒸发区干涸。 沸腾极限：指热管蒸发段由于径向热流或者管壁温度变得非常高而在吸液芯中液体生存气泡时的最大传热量。 冷凝极限：指由冷凝段的传热能力所制约的热管的传热极限。 声速极限：热管内部的蒸汽

55、流动，由于惯性力的作用，在蒸发段出口处蒸汽速度可能达到声速或超声速而出现阻塞现象，此时的最大传热量被称为声速极限。 黏性极限：蒸汽的压力由于黏性力的作用不断降低，热管的传热量随着冷凝段蒸汽压力的不断降低而增大，最终热管传热量在蒸汽压力位于冷凝段的末端时降为零而达到极限。 连续流动极限：对于小热管以及工作温度很低的热管，热管内部的蒸汽流动可能处于自由分子状态或者稀薄、真空状态，在这种情况下，由于不能获得连续的蒸汽流，热管的传热能力将受到限制，热管的这种传热极限即为连续流动极限。 冷冻启动极限：指热管在从冷冻状态启动的过程中，从蒸发段流来的蒸汽可能在绝热段或冷凝段再次冷凝而耗尽蒸发段流来的工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正常启动工作时的最大传热量。6.3热管的计算热管气-气换热器是由若干独立传热的热管按一定的排列方式所组成，目前的工业应用场合，均采用重力式热管作传热元件，所以热管气-气换热器的工艺设计计算内容包括重力式热管，以及以重力式热管作传热元件的气-气换热器两个部分的设计计算。 2.1热管的材料及工作温度 根据热管的工作原理知道，影响热管性能的几个主要因素为：