第5讲第三章发电厂热力系统的拟定原则

1、第三章第三章 发电厂发电厂热力系统的拟定原则热力系统的拟定原则-1教 师：陈海平邮 箱：办公室：F831主要内容和要求 主要内容主要内容 热力系统的概念及分类 热力循环形式的确定 机组初终参数的确定 机组选型和容量的确定 汽水管道系统的设计规范 发电厂热力循环的汽水质量要求 要求要求v了解热力系统的概念及分类方法，明晰机组选型和容量的确定原则v熟悉汽水管道系统的设计规范及热力循环的汽水质量要求v掌握热力循环形式以及机组初终参数的确定方法小知识小知识循环参数循环参数：进入汽轮机的新蒸汽压力p0、温度t0，再热后进入中压缸的再热蒸汽温度trh和进入凝汽器的排汽压力pc，抽汽及回水参数常用的蒸汽循环

2、常用的蒸汽循环：回热循环、再热循环、热电联供循环和热电冷三联供循环。水电循环蒸汽循环及其参数蒸汽循环及其参数，不仅与热经济性有关，还与发电厂的可靠性、经济性、运行灵活性以及对环境的影响有关目的：目的：兼顾安全、环保的条件下，提高热经济性提高热经济性技术进步不断提高发电效率n 由于技术进步， 燃煤机组发电热效率从1985年的38%上升到2000年的45.2%，现在正在向超过50%前进。FGD采用能量平衡技术节能采用能量平衡技术节能直流锅炉启动技术节能直流锅炉启动技术节能过热器蒸汽侧综合防止和控制过热器蒸汽侧综合防止和控制氧化和固体颗粒磨损技术节能氧化和固体颗粒磨损技术节能回转式空气预热器全面密回

3、转式空气预热器全面密封技术节能封技术节能给水系统优化节能给水系统优化节能再热器系统压降优化节能再热器系统压降优化节能汽轮机背压优化节能汽轮机背压优化节能抽汽节能技术节能抽汽节能技术节能其它节能技术节能其它节能技术节能机组参数和运行方式优化节能机组参数和运行方式优化节能凝结水频率控制节能凝结水频率控制节能供电效率供电效率提高了提高了2.078%上海外高桥三电厂上海外高桥三电厂2 1000MWe超超临界机组的经验超超临界机组的经验2009年,外高桥三厂在平均负荷率75%时实际运行净效率为43.53%超过全国百万机组平均水平2.078%相当于比全国1000MWe机组平均供电煤耗降低了13.7g/kW

4、h第一节第一节 热力系统的概念及分类 一、热力系统与热力系统图一、热力系统与热力系统图 发电厂热力系统发电厂热力系统：将热力过程部分的主、辅机及管道附件连接成一个整体的系统；亦即热力发电厂实现热功转换热力部分的工艺系统(燃料化学能燃料化学能机械能机械能) 热力系统图热力系统图：用规定的符号、线条等将热力系统绘制成的图1.两个概念2.知识点 热力系统的组成：管道、阀门、热力设备 热力系统的实质：是发电厂实现热功转换的热力部分的工艺系统 燃煤火力发电厂：是由锅炉、汽轮机、发电机三大主机和相应的附属设备组成的一个有机整体l 火电厂热力系统主要设备/管件/阀门图例见表3-1 主蒸汽系统、给水系统、主凝

5、结水系统、回热系统、抽空气系统、冷却水系统、供热系统按范围全厂热力系统局部热力系统主要热力设备系统以回热系统为中心，包括汽轮机、锅炉和所有局部热力系统锅炉本体、汽轮机本体局部功能系统 二、热力系统的分类二、热力系统的分类按用途按用途原则性热力系统，是一种原理性图n 不同运行工况下的所有系统n 反映安全可靠性、经济性和灵活性n 某一特定工况下的系统主要特征n 主要反映热经济性全面性热力系统，实际热力系统的反映 三、热力系统的拟定原则三、热力系统的拟定原则使热力过程具有较高的热效率使热力过程具有较高的热效率使设备具有较高的安全性和可用率使设备具有较高的安全性和可用率管系和设备配置简单和紧凑合理，便

6、于施工、运行和维护管系和设备配置简单和紧凑合理，便于施工、运行和维护尽可能地降低初投资尽可能地降低初投资n 小知识小知识 电力工业的发展必须电力工业的发展必须超前于超前于国民经济各部门的发展国民经济各部门的发展 按国民经济生产总值平均年增长率为按国民经济生产总值平均年增长率为6%，电力超前系数，电力超前系数为为1.4计算，计算，电力工业发展的平均年增长率应为电力工业发展的平均年增长率应为8.4%第二节 热力循环形式的确定小 常 识常规火电厂，由于水蒸气热物性所限，无法实现卡诺循环，燃料的化学能变为机械能的过程是在朗肯循环基础上进行的热力循环中，热功转换的效果对发电厂的热经济性起着决定性的作用热

7、转变为功的效果越大，热力发电厂的热经济性越好卡诺循环效率是现代热力发电厂可能达到的极限值：n初温为500600时，卡诺循环的效率约为61%66%n指明了改进的最大限度 一、朗肯循环一、朗肯循环n 火力发电厂最基本的蒸汽动力循环就是朗肯循环n 以水/水蒸气作为循环工质n 由锅炉、汽轮机、凝汽器、水泵、管道和附件等组成朗肯循环朗肯循环的特点分析的特点分析n朗肯循环的热效率比相同初温和终温下卡诺循环的热效率要低得多n提高火力发电厂朗肯循环热效率的途径：采用复杂循环给水回热循环蒸汽中间再热循环热电联合循环双工质复合循环等 二、给水回热循环二、给水回热循环n基 本 概 念基 本 概 念 给水回热加热：利

8、用从汽轮机某中间级后抽出的一部分蒸汽来加热锅炉给水 回热抽汽：从汽轮机某中间级后抽出的一部分蒸汽 回热过程：回热抽汽在回热加热器里加热锅炉给水的过程 给水回热循环：与给水回热加热过程相应的热力循环n本 质本 质 ：提高吸热过程的平均温度，改进吸热过程 热量法：减少冷源损失Qc，提高机组的热经济性 作功能力法：提高给水温度tfw，减少锅炉受热面和给水因温差过大而产生的不可逆损失 1.给水回热加热的意义减少机组的冷源损失减少机组的冷源损失 热量法：抽汽加热给水n 定性分析定性分析 Dc ()ccccQD hhiDj 提高锅炉给水温度提高锅炉给水温度 作功能力法：B 锅炉换热温差 tfwEbbe 2

9、. 2.给水回热循环的热经济性给水回热循环的热经济性评价标准：以回热循环汽轮机的绝对内效率来衡量分析方法：以郎肯循环和回热循环的汽水参数表征的热效率计算式为依据研究对象：单级回热循环的火电机组热力系统分析比较的假设条件n 循环初参数相同的郎肯循环和单级回热循环n 采用混合式加热器n 忽略抽汽压损和加热器散热损失 单级回热循环汽轮机的绝对内效率：不计泵功具有再热、多级回热循环汽轮机的绝对内效率：不计泵功0000()()1()()1jjccrriiijjccrihhhhARhhhhA100111zcicjijjririiizriccjijjwwwARqAqw绝对内效率的相对变化率为：11rriii

10、iiirA必须明确的几个定义回热抽汽做功动力系数Ar：表明回热抽汽流所做内功占凝汽流所做内功的份额，%。绝对内效率i：与回热式汽轮机的参数、容量相同的采用朗肯循环汽轮机的绝对内效率，%1kg凝汽流的实际比内功wic：wic=h0-hc+qrh，循环参数一定时为定值1kg回热抽汽流的实际比内功wij：再热前wij=h0-hj，再热后wij=h0-hj+qrh凝汽流所做的实际内功wc：wc= cwic回热抽汽流所做的实际内功wr：1kg新蒸汽的比热耗q0c：无回热时q0c=wic+qc，循环参数一定时为定值1kg再热蒸汽的吸热量qrh：无再热时qrh=0/rrcAw w1zrjijjww再热、多级

11、回热循环的热经济性分析 Ar0，且0i1，111rriARArii则：即在蒸汽初、终参数相同的情况下，采用给水回热加热，可使汽轮机组的绝对内效率提高，且Ar越大，绝对内效率越高即抽汽量越多，或抽汽压力越低，回热循环热经济性越高 抽汽量j增加或抽汽焓值hj减小，则Ar增大，ri增大 回热抽汽做功比Xr=wr/wi越大，ri也越大回热抽汽做功比指回热抽汽做功量占机组总做功量的比值ri 当wc =0，wi= wr时，即Xr=1，=1具有回热抽汽的背压式供热汽轮机组，热经济性最高的小 知 识 点给水回热循环存在着许多削弱回热热经济性的不可逆因素，从而带来了附加的冷源损失热量法：回热抽汽做功不足，要保证

12、Pe不变，须增加进汽量D0，凝汽量Dc= D0-Dj将会增加，故冷源损失随之增加做功能力法：回热过程为有温差的不可逆换热，且抽汽在管道内存在着局部和沿程阻力等，恒有作功能力损失，存在着附加的冷源损失n 结论结论 采用回热循环总能使机组的循环热效率提高采用回热循环总能使机组的循环热效率提高 附加冷源损失只影响其提高的程度附加冷源损失只影响其提高的程度附加冷源损失对热经济性的影响分析回热抽汽做功无冷源损失，生产相同的wi的冷源损失减少给水回热减少汽轮机末几级蒸汽流量，从而减少了湿汽损失给水回热增大了汽耗量，即增加了汽轮机高压缸通流量，有利于减少通流部分的各种损失给水回热后提高了锅炉的给水温度，循环

13、吸热量降低，在机组输出功量一定的情况下，循环热效率提高回热循环可看作是凝汽流循环和抽汽流循环的组合，组合后新的循环即回热循环的绝对内效率必然大于纯凝汽循环的绝对内效率结 论回热虽然可以提高机组热经济性，但也使机组汽耗和汽耗率相应增大由于回热抽气做功不足，使实际比内功wi减小，故在定功率条件下，必须加大D0、d0才能保证其出力一般而言，增大的汽耗系数值为1.25左右回热抽汽压力越高，其做功不足越大，值也越大为提高回热的热经济性，应充分利用低压回热抽汽 3. 3.影响回热过程热经济性的影响回热过程热经济性的三个三个主要因素主要因素各级加热器之间的给水焓升分配j最佳给水温度回热级数zopfwt 三者

14、紧密联系，互有影响 (1)(1)给水焓升分配给水焓升分配ju理论上的最佳给水焓升分配理论上的最佳给水焓升分配：使循环热效率i达到最大值时的给水焓升分配u分配分配方法方法：雷日金分配法、等焓降分配法、平均分配法、几何级数分配法等u研究对象：研究对象：非再热机组全混合式加热器回热系统非再热机组全混合式加热器回热系统全部加热器为混合式加热器，端差为零，无散热损失忽略新蒸汽、各级回热抽汽压损以及泵功的影响u思路：列热平衡式求i 应用拉各朗日求极值的方法对i求偏导求出i为最大值的回热分配即为最佳分配重点：导出回热循环汽轮机的绝对内效率i计算式关键：找到混合式回热加热器系统c的表达式推导方法列热平衡方程列

15、质量平衡方程注意点边界划分：以每级加热器出口为边界点(红色虚线框)加热器散热及给水泵焓升如何考虑n 原始数据的整理方法(图3-3)抽汽放热量：iiwiqhh给水焓升：(1)iwiw ihh锅炉吸热量：000100fwbbwbbqhhhhhhq凝汽器放热量：cccqhhn 列各级加热器的能量平衡和质量平衡方程，可推得各级加热器的抽汽系数(或抽汽流量)的通用计算式为：11zjzzjzzjjqqq1111q(z2)n 汽轮机排汽系数汽轮机排汽系数c：111zzjcjjjjjqq n 绝对内效率绝对内效率i：100011( , )zjcccijfwbbjjqqqf qhhqq 对对i求极值：求极值：1

16、20,0,0iiiwwwzhhh 可推得可推得理想回热循环的最佳给水焓升分配的理想回热循环的最佳给水焓升分配的通用计算式通用计算式：11111 ()zzzzzzzzqqqqq(3-6)注意l 式中的q0应理解为qb0，0应理解为b0l 0001,bbbbwqhhhh分析：根据通式，忽略一些变化，可得几种近似分配方法1)焓降分配法(雷日金法)0zq u在蒸汽初参数不太高时，忽略q 随的变化，即则通式简化为：u即：每一级加热器内水的焓升取作等于前一级至本级蒸汽在汽轮机中的焓降111(1)(1)11() () ()zzzzzw zw zwzzwzzzzqqhhhhhhhhh前苏联学者.提出2)平均分

17、配法：再忽略qj之间的差异，即zqqq21， 即：每一级加热器内水的焓升相等。美国J. K. Salisburg导出1211bczzhhz12)1(hhhhzz即：每一级加热器内水的焓升等于汽轮机的各级焓降3)等焓降分配法：zzh121zz且4)几何级分配法：01112bzzm即：加热器给水焓升按几何级数进行分配，一般m=1.011.04小 常 识国际上现有的加热焓升分配法则，并不是准确的最佳加热分配，而是最佳加热分配的近似解不同分配方法的热经济性结果略有差异，当蒸汽参数不高时，数值上差别不大到目前为止还没有一种精确的分配方法表3-2所示为国产中、高参数机组采用不同分配方法时所对应的循环热效率

18、i值表3-2 不同回热分配方法i值研究给水焓升的优化分配问题时研究给水焓升的优化分配问题时应考虑应考虑下列因素：下列因素： 对应于多级回热加热器，需要合理确定汽轮机各级抽汽口的开孔位置 抽汽口的开孔位置取决于各级抽汽压力，而各级抽汽压力又取决于各级加热器给水侧的出口水温 各级加热器给水侧的出口水温取决于各级加热器的温升部分国产火电机组各级加热器的实际给水焓升部分国产火电机组各级加热器的实际给水焓升及其相应的抽汽压力、温度、给水侧出口温度及其相应的抽汽压力、温度、给水侧出口温度(表3-3) (2) (2)最佳给水温度最佳给水温度小常识小常识：当机组参数及回热级数一定时，锅炉给水温度tfw的提高对

19、机组循环热效率i的影响是双重的，即有利与不利影响同时存在热力学上的锅炉最佳给水温度热力学上的锅炉最佳给水温度：指：指对应于汽轮机的热耗为最小或绝对内效率为最大时的锅炉给水温度，即：maxopfwitminmax()()opfwitf qf分析：opfwt当z一定：存在fwtifwfwhhqh)(00iijDwp0u 热量法：ifwjtp给水温度tfw与抽汽压力pj相对应，u作功能力法：当z一定：fwtbbTe 锅炉平均吸热温度re 回热加热器换热温差存在opfwt结结 论论多级抽汽回热循环存在最佳给水温度最佳给水温度与回热级数z 、回热加热总焓升在各级加热器之间的分配有关z增加，可利用较低参数

20、蒸汽加热给水，同时每级加热器之间的温差减小，削弱了不利因素影响，使机组热经济性提高，因此，最佳给水温度将上升最佳回热分配可按照前述方法直接由相应的计算公式求取 平均分配法的热力学上的最佳给水温度的焓值计算公式： 焓降分配法的热力学上的最佳给水温度的焓值计算公式：()1opbcfwccz hhhhzhz01()zopfwcjczjhhhhh 经济上的最佳给水温度(焓值)确定原则 以较小的投资与运行费用获取最大的经济效益为原则 实际工程中应考虑设备和系统折旧费用和运行费用的变化 应在保证系统简单、工作可靠 回热效益足以补偿和超过设备费用等的增加opfwfwtt)75. 065. 0(一般：ec 实

21、际给水温度值tfw要低于理论上的最佳值opfwt部分国产凝汽式火电机组实际给水温度tfw与机组初参数、容量、回热级数之间的关系(表3-4)部分国产大型火电机组部分国产大型火电机组在不同运行工况下的实际给水温度在不同运行工况下的实际给水温度tfw (3) (3)回热级数回热级数z z理论上的确定方式：理论上的确定方式：tfw一定 一种是采用与之相对应的一段高压抽汽在单级加热器中将水加热至给定温度tfw 另一种是采用若干级压力不同的抽汽通过多级加热器把水加热至给定温度tfw 所产生的热经济效益是不相同的，前者要低于后者实际确定方式实际确定方式u 通过技术经济综合比较后确定分析n 热量法： tfw=const，zD低压抽汽D高压抽汽ArXri n 作功能力法： tfw，tc=co