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单位代码:单位代码:11414学号:2012011050题目660MW超临界直接空冷燃煤电厂性能分析学院名称机械与储运工程学院专业名称热能与动力工程学生姓名学号指导教师赵洪滨教授起止时间:2015年3月1日至2016年6月19日--60-PAGEIII恰耶尔汉火电厂热力学㶲经济分析阿里bolatturk,艾哈迈德该,卡格拉Geredelioglu,机械工程系,德米雷尔大学,32260土耳其伊斯帕尔塔摘要事实表明,提高热电厂的热效率可以节省大量的能源,它在产生的能量中占据着巨大的份额,可以通过某些做法,比如改进和减少损失等,这些做法会导致一种自然的结果,它会提供找到解决能源问题的方法,并且这种方法是有用的。㶲效率分析是在土耳其火电厂目前研究的热经济学分析的基础上进行的。热力学性质的入口和出口在热车间各单位点由指定的EES软件程序控制。利用获得的热力学性质,热电厂的热、㶲效率分别为38%和53%。在火电厂中,锅炉、汽轮机组、冷凝器、加热器和泵的损失量最高,锅炉、涡轮组和冷凝器中的㶲损失最高用经济因素研究,在涡轮组中测量的因素最高,其次是锅炉和冷凝器排放泵。关键词:㶲;火电厂;㶲经济;效率PAGEPAGE2461-1.介绍现在最需要的不是使用能源,而是有效地利用能源,以确保未来的可持续发展。因此㶲和㶲分析为人类带来了前所未有的价值。用能量和㶲分析组合分析法研究热力学第一定律和第二定律,总的来说,它指出了能量的最大可用性。分析电厂和改善这些电厂是非常重要的,做这些的目的都是尽量减少所产生的能量损失。提高效率和最大功率发电是主要的研究环节。为了发展电厂的效率与动力,许多技术已被开发或目前正在开发。今天,一个最广泛使用的电厂是热电厂。热电厂是一种将固体、液体和气体燃料中的化学能转化为热能的装置,然后将其转化为电能。热电厂是从化石能源的化学能中获取电能的设备。从燃料的类型来说,化石能源可分为三类:固体燃料(煤和褐煤),液体燃料(燃料),天然气燃料(天然气)。在相关文献中,有一个广泛的研究,就是对火电厂的性能分析。ehyaei等人。[1]在他们的研究中,在热力学第一定律和热力学第二定律的基础上研究了一个附加的单位对伊朗一个典型的发电厂的入口的影响。此外,一个新的优化建议在他们的研究系统中应用。在这个新的建议中有一定的参数,如第一定律效率,能源成本和外部成本,系统中的参数都是建立在空气污染的基础之上。最终发现,增加一个单位的设备进口和出口功率,第一和第二定律效率分别会增长7%和5.5%,而且能源和污染成本会分别下降6%和4%。李和刘[2]在他们的研究中,在热力学第二定律的基础上,对一个具有300兆瓦输出功率的火电厂进行了㶲损失分析。㶲分析表明,最大的损失发生在电厂的锅炉机组。他们指出,㶲效率和发电厂损失分析为机组的故障排除和改进做出了贡献。在联合循环装置的基础上,艾哈迈迪等人[3]进行了热力学模型设计、㶲经济分析优化。他们注意到,在联合循环电厂中最高损失发生在锅炉。原因被归结为燃烧的不可逆性和燃烧气体和工作流体之间温差过大。经济分析表明,最大的㶲损失在燃烧室。它也被强调,燃气轮机中输入的热量上升将会对电厂的㶲损失产生一个递减的影响。命名A估值因子P产品BFT锅炉给水槽热(kW)C单位㶲成本($/kJ)R反应物总㶲成本规则增加率燃料的化学符号s熵(kJ/kgK)环境反应物的化学符号T温度(LC)环保产品的化学标志环境反应物的化学计量系数每摩尔燃料CELF修正系数环境产品化学计量系数每摩尔燃料CRF资本回收系数功率(kW)e比㶲(kJ/kg)投资成本率($/h)㶲率(kW)经济因素化学㶲(kJ/kg)摩尔吉布斯函数(kJ/kmol)标准摩尔化学㶲(kJ/kmol)化学势(kJ/kmol)h焓(kJ/kg)效率HPH高压加热器0初始状态HPT高压汽轮机r可逆IP改进潜力HE热交换器回收率Cond冷凝器不可逆性(kW)th热k价格修正系数e㶲LPH低压加热器LPT低压加热器MPT中压汽轮机中压汽轮机(kg/s)n运行寿命(year)PAGE76-75-罗森和丁杰尔[4]在他们的研究中选择了不同的初始状态,由此分析燃煤电厂中的能量和㶲。通过对整个系统以及系统组件分别进行能量和㶲分析,他们已经得出了分析结果。ÜNAL[5]在他的研究中应用热经济学分析了在土耳其火电厂的二次机组并用管道式热经济学分析和评估了每个设备单元。对于每一个设备,独立的能量和㶲平衡已被设置并计算成平均的㶲成本;损失的和无用的能量和㶲已被检测到;损失的㶲比中也包含经济方面的因素。通过建立分析结果与解决方案之间的联系,就可以确定可校正的设备。Tsatsaronis和Park[6]在他们的研究中以热电联产为基础,分析了热系统和系统组件的成本中可避免和不可避免㶲消耗在热力学分析中的影响。在每个组件中建立系统㶲平衡;他们对平均㶲成本进行了检测并且经济因素也已经得到。他们强调应特别注意可避免的㶲消耗和投资成本,可以通过减少限定部件达到降低㶲消耗的目的。李等[7]研究了㶲和㶲经济并评价了基于热电联产系统100千瓦级固体氧化物燃料电池。此外,本文还提出了提高其效率和成本效益的措施。为分析燃料的放射本能和所有限定组件产品的放射本能。他们随后对各部件的㶲效率进行了评价,最后提出了关于全面的联合循环电厂热力学模型研究(CCPP)。这项研究是以经济分析来确定电和㶲损失成本进行的。此外,一个全面的优化研究会为发电厂确定最佳的设计参数。结果表明,通过使用最佳值,㶲效率提高了约6%,而二氧化碳排放量减少了5.63%。然而,成本的变化却小于1%,这是由于成本约束的实施造成的。Mert等人[9]在土耳其埃尔德米尔热电厂进行了㶲经济分析,他们的研究是普通热电厂的㶲经济分析,即能量和㶲平衡。㶲经济分析对象是一个39.5MW电力和80t/h蒸汽生产能力的电厂。El-Emam和Dincer[10]在研究一种新型地热再生有机朗肯循环的热力学和经济分析,它是以能量和㶲的概念为基础的。他们还进行了热交换器总表面面积参数的优化研究。地热再生有机朗肯循环的能量和㶲效率值分别为16.37%和48.8%,Manesh等人[11]在研究优化并整合一个蒸汽发电厂,它是一种利用蒸汽㶲的实用系统,并以此分析㶲经济和环境㶲。结果表明,从㶲,㶲经济,经济和环境㶲的观点,集成的蒸汽发电厂和一个网站实用程序系统是一种有利的选择。geredelioglu[12]在他的研究中进行的能量、㶲和热经济学分析在土耳其火电厂仍然很受用。根据这些结果,每个节点的能量和㶲都进行了测量。通过检测系统各设备的可逆功率和不可逆功率和测量系统的总体效率,㶲经济因素可被确定为减少的㶲比。在这项研究中,恰耶尔汗火电厂热力学性质的输入和输出的单元由EES软件控制。在这些属性的帮助下,基于热力学第一、二定律,对热电厂进行能量和㶲的分析。发电厂的热效率和第二定律与系统的不可逆性作为前提进行能量和㶲分析。所获得的结果,评价和建议都可提高设备的效率。否则,根据电厂的㶲损失,应用经济分析,在经济分析中,分别计算各单元的㶲损失和经济成本,根据得到的结果,所提出的改进意见将受到各单位投资成本的影响。热电厂的能量和㶲分析,一般在现有的文献出版物中是可用的。在文献中,一些出版物可供经济分析。㶲损失成本的确定,在这项研究中的每个单元和化学㶲经济因素在每个文献是不一样的。另外,考虑到利率和通货膨胀率的初投资和运行费要进行经济分析。2.恰耶尔汗火电厂恰耶尔汗火电厂距安卡拉120km,距贝伊帕扎勒22km,距纳勒汉37km。恰耶尔汗火电厂简图如图1所示.在纳勒汉地区地下矿井出矿的低热量褐煤被用作恰耶尔汉火电厂的燃料。经过一系列的处理,棕色的褐煤被粉碎并喷射到锅炉燃烧。该系统的水需求由Sarıyar湖坝提供。系统用水先净化然后引导到锅炉。锅炉燃烧过程产生的热量使水产生蒸汽,蒸汽进入涡轮使涡轮转动产生动能,动能再转化为发电机内的电能。沸腾的蒸汽由锅炉进入高压的汽轮机,蒸汽在涡轮机中加速膨胀并推动汽轮机转动做功。在中间对蒸汽二次加热加压并进入左高压涡轮机。在过热过程结束时,温度升高,蒸汽的可用性增强。蒸汽进入中压涡轮机最后排出。涡轮机的余热蒸汽首先进入冷凝器,然后离开。蒸汽被冷凝与支撑在冷凝器的冷却水,并将其经由给水泵重新输送到锅炉。锅炉给水之前,从各个缸采取中间流对正在进入锅炉的凝结水加热。到此,循环结束。图1.恰耶尔汗火力发电厂示意图3.㶲和㶲经济分析在具有可忽略的动能和势能的变化的稳态任何控制体积的质量,能量和有效能平衡可以表示为:(1)(2)(3)其中带有角标in和out的字母分别表示入口和出口的状态参数,和分别代表净热和所做的功,代表质量流量,h代表是焓,代表不可逆率。下标o代表参数的初始状态,Eheat㶲传递的热量,用温度T表示为:(4)具体的流量㶲表示为:(5)㶲率可表示为流体的质量流量乘以流量㶲:(6)一个涡轮的㶲效率定义为单位时间内衡量流体的流能转换成实际涡轮输出的多少。可表示为:(7)其中,是汽轮机的实际功率,是汽轮机的可逆功率,其等于.同样的,泵的㶲效率可以定义为:(8)代表泵的可逆功率,其等于.一种换热器的㶲效率可以通过增加冷流体的㶲和减少热流体的㶲来实现测量[13].将此定义应用于换热器,我们得到:(9)下标为cold和hot代表冷流体和热流体。分子和分母公式之间的区别在于换热器或冷凝器的㶲损失。电厂换热器中热流体的㶲损失可以忽略不计。在分析不同的经济流程或设备部件时,㶲的概念“提升潜力”将会是有用的。系统或过程改进潜力(IP)的表达为:(10)火电厂的热效率可以解释如下:(11)在这个公式中表示净发电量,表示输入锅炉的净热量。热电厂第二效率定律是实际热效率与最高(可逆)热效率之比,这将出现在非常接近的条件下,㶲效率表示如下:(12)化学㶲是可用㶲的组成部分,它取决于环境温度和压力,化学㶲的考虑范围不仅在化学过程中,而且在所有的过程中参与材料的组成变化也要兼顾[15]。物质的化学㶲在它获得化学平衡并在恒定的温度和压力[16]下将达到最大的㶲效率。可以表述如下:(13)如果燃料单独存在于受限制的初始状态,燃料的化学㶲确定如下:(14)考虑到碳氢燃料CaHb与氧气反应生成二氧化碳和水蒸气[17]:(15)CaHb可以表示成Eq,(13)应用Eq.(14)(16)C代表单位㶲成本;计算总的㶲成本可以表示为下式:(17)代表㶲(美元/千焦)价格,t表示成本平衡方程(18)系统单位,可以用这种方式。在这里,Zt投资的货币价值,t为组织和维护所花费的费用。它是参数的功能,如每年的工作时间,系统生命周期,利率,升级。在计算Z值时,与单位时间相对应的第一次投资和组织成本总和乘以估值系数(A)。估值因子被定义为在下面的方程[18]。(19)在这个公式中CELF值对应于固定升级校正因子;价值利率。固定升级校正因子定义为:(20)这里CRF资本回收率,K是价格修正系数,资本回收因子的解释方程:(21)代表投资回报率。价格修正系数是:(22)经济因素在总成本的贡献率中没有关系。相对较大的值意味着所分析的单位货币成本在很大程度上与投资和组织成本有关联。一个较小的值表示相反的。因此,经济因素是以下方程t的系统[19]单元定义。(23)4.结果与讨论在这项研究中,对恰耶尔汗火电厂同时进行能量和㶲分析,其中初始温度和压力已分别取为25℃和一个大气压。在方程组中,数据均取自于电厂,锅炉用煤燃料的布朗借方和亚温值已分别为38.889公斤/秒和2400大卡/千克。通过取自于电厂的数据,对过量空气系数进行了测量约为1.6.此外,为了对电厂经济分析,该电厂每年经营约7800小时,利率ri=0.03,一年中增加的比例rn=0.04,回收率ieff=0.06,电厂使用寿命n=25年。在电厂的能量和㶲分析公式中已使用EES软件(工程方程求解器)。热力学特征函数的计算机程序已被利用[20]。程序中应用的数据取自于电厂中46个数据点,每一个单点的热力学性质在EES软件程序中进行计算。电厂不同工作单元的性能和㶲效率在表1中给出。表一电厂不同测试点的性能和㶲率测试点压力(kPa)温度(LC)焓(kJ/kg)质量流量(kg/s)熵(kJ/kg.K)质量㶲功率(kW)010025104.9–0.3669––17.740167.5104.20.5724–138.62180040.4170.8104.20.577–339.63180040169.1104.20.5717–328.94100599.61441.851.368–192.35176043181.6109.20.6115–412.16176042.7180.4109.20.6076–407.77150143275947.387–22448150124232646.115–20369176046.5196.2109.20.658–508.510176046194.1109.20.651–490.81133.471.6251257.3930.951561.31233.457.1239.450.796–31.913176070.9298.2109.20.965–1631.714176074311.2126.11.003–2117.415145110.326496.17.1240.98323716145104461–232.917176099.5418.3126.11.3–4429.11832822529165.87.376–4207.91932885546.316.91.666–757.9201760124.2522.7126.11.572–7397.72185031630895.67.263–5158.222484.9150.7635.1148.71.849–13148.52318,200153656.1148.71.853–16091.72418,200152651.8141.41.843–15114.525164040132565.87.231–6445.526468.5149.4629.718.0551.836–1567.42718,200184789.4141.32.155–21403.2283930350307012.26.554–13693.7293930223967.812.22.566–2571.83018,200225971.1141.42.535–31074.63115,6002901284125.33.132–44434.23213,5005303413125.36.521–184566.43339303503095125.36.594–141939.93439303503095113.16.594–128150.13536005303519113.17.232–154580.8361681401.832575.87.221–6466.237871318.130935.67.259–5184.9385002803023101.77.388–83852.539346225.229165.85.833–4249.440150111.326516.17.1130.983266.94135.472.95251557.3750.951602.5427.740.79238384.77.6280.92959112986.10.451–821.24412037.337.32986.10.536–2756.24516031130.12986.10.451–821.24612037.3156.32986.10.5362–2756.2根据取自于电厂的数据并测出给水泵入口水温为150.7℃,压力为484.9kpa,出口水温153℃,压力为18200kpa,在这种情况下,给水泵的二次效率是94.3%左右。水在给水泵中压力逐渐升高,进入锅炉的温度为290℃。恰耶尔汗火电厂锅炉是一个自然循环、鼓、水管道,两通内部燃烧,煤粉立式的锅炉。锅炉燃烧后产生的气体通过对流和辐射加热炉管上部的锅炉管。因此,水通过这些管道变得更热。锅炉中燃烧的燃料释放的能量为390787.8kJ/s.88%的能量被水吸收。最终的测量结果显示,锅炉效率为73%左右。沸腾的蒸汽在锅炉内温度达到530℃压力达到13500kPa并进入高压汽轮机。当蒸汽与汽轮机一起移动时,水蒸气在静叶栅内加速并膨胀,对汽轮机测量发现,汽轮机在单位时间内所做的功为39838.4kw,其效率约为93.5%。通过中间再热循环,蒸汽的干度上升,气化潜热增大。蒸汽过热后温度再次上升做功能力得到提升。沸腾的蒸汽进入中压汽轮机的入口温度为530℃,压力为3600kpa,测量结果表明,在中压涡轮机中单位时间内蒸汽所作的功为54322.9千瓦。中压汽轮机的㶲效率约为92%。在低压涡轮中单位时间内蒸汽所作的功为59661.4千瓦,低压涡轮机的效率约为91%。从汽轮机中排出的蒸汽做功能力降低并进入冷凝器,其入口温度和压力分别为40.79℃和7.7kpa,出口温度和压力分别为40℃和7.7kpa。测量结果表明,凝汽器效率约为51%。当锅炉给水加热时,加热器在汽轮机级前面加热蒸汽,温度上升;从而提高了锅炉效率,提高了电厂的效率。在最后分析发现:电厂的热效率和效率分别为38%和53%。在图2中电厂单位损失能量和㶲分析已被证明。如图2,损失最大的损失发生在低压涡轮,其次是中压和高压涡轮机。引射器、汽器、凝汽器损失与锅炉给水泵相比,锅炉的损失要比汽轮机低。汽轮机中蒸汽的能量首先转化为汽轮机的动能,然后转化为机械能。从高压涡轮到低压涡轮机,能量转换中损失也上升。图2.电厂各单元㶲损失电厂中各单位的㶲损失如图3所示。电厂中最大损失发生在锅炉、汽轮机、加热器和冷凝器中。辅助设备泵中的损失相比于其他设备显著要低。最大㶲损失发生的设备是有必要提升的。锅炉的效率是需要提升的。图3.发电厂机组的㶲损失在冷凝器中冷却水的能量几乎是一种必然损失。然而,由于进入泵中的必须是液体,这几乎是一个不可避免的损失。图4给出了电厂中各设备的效率。如图所示,具有最大效率的设备是给水泵,它是给高压和中压汽轮机交替供水的设备。在高压、中压、低压涡轮的效率比较中表明,在高压下汽轮机的能量利用率是最高的。图4.各设备的效率加热器之间的比较表明,最高的效率是在高压加热器。高压加热器-2的效率为86.5%,低压加热器-1的效率为74.6%。这一发现背后的原因是在高压2加热器中热冷流体的温差比低压加热器1高。另外,在成本方面,电厂各设备的㶲损失和㶲经济分析见表2各设备所带来的效益均可以弥补其所花费的维护成本。很明显,锅炉是最高的成本支出设备,其次是汽轮机组和冷凝器。其他设备的成本支出相对较低。在系统的㶲损失成本中,不可逆性对总成本有影响。由于不可逆性增加产品成本,对这种不可逆性的出现应指出原因。锅炉、汽轮机组和冷凝器(表2)中分别出现了最大的损失成本。锅炉中的高㶲损失会导致锅炉最大化㶲损失成本。表2.设备价值设备成本支出($/h)成本损失分析($/h)经济因素(f)锅炉490.11758.320.39机组352.32172.940.67冷凝器20.8475.480.22KTP2.742.480.53喷射器1.002.450.29ABSI-13.228.390.28ABSI-23.3812.600.21ABSI-33.6813.500.22YBSI-14.2719.730.18YBSI-24.2923.610.16KBP7.7415.040.34脱气器4.8417.860.21对经济因素分析发现,最高的在已被测量的涡轮组,其次是锅炉和冷凝器的舱底泵(表2)。由于锅炉的㶲损失越高其经济因素越低,相比其他设备,应提高锅炉㶲效率,降低成本。由于涡轮机组的㶲损失降低,其㶲经济因素显著提高。因此,汽轮机组的改进,对机组的性能有积极的影响并且影响工厂绩效的最低水平。在本设备所作的改进,也应提高相应的成本。凝汽器的经济因素是非常低的(表2)。对凝汽器的改进不明显将增加系统的投资成本。表3给出了火电厂各设备的改进潜力值。可以看到,最高的提升潜力值分别在锅炉机组和低压涡轮机组。从单元组中进行改进,其中最大的改进潜力是明显的,这是必要的。由于锅炉的㶲损失是很高的,它的改进的潜在价值比较其他设备是较低的。因此,锅炉应在其他设备之前加以改进。作为这项研究的结果,热力学和㶲经济分析是建立在㶲损失成本,资本回收因素、经济因素和锅炉的化学㶲之上的。根据得到的结果,每个单元的改进建议都有了结果。简而言之,经济分析将为那些想在任何地区安装火电厂的设计师是非常有用的。表3设备提高的潜在价值设备提升空间(kW)热水器40916.23高压涡轮178.62中压汽轮机385.09低压涡轮460.40低压加热器-198.65低压加热器-2159.78低压加热器-3176.09低压加热器-4203.46高压加热器-1206.27高压加热器-2195.82喷射器68.62腺冷凝器54.14冷凝泵59.36锅炉给水泵8.205.结论在本研究中,恰耶尔汗火力发电厂各设备都是研究的对象,根据热力学第一和第二定律,通过能量、㶲和热经济学分析方法进行了经济的分析。分析评估发现,减少锅炉的㶲损失也会影响电厂的性能。必须对影响锅炉㶲损失的因素进行彻底的评价。这些因素之一可能是锅炉管道之间的热量传递。管道之间热传导的表面层应防止出现,最佳燃烧应保证在锅炉。为了实现锅炉内空气的定期检查和最佳过量空气系数的确定,可以使用程序来控制。加热器的损失小于锅炉和涡轮机的损失。涡轮组的改进应提高蒸汽的㶲效率,因此汽轮机中将不可避免地增加加热器的效率。与其他组相比,冷凝器中损失较小。增加冷凝器的热传导,应尽量减少损失。因此,应定期清洗冷凝器管,以提高冷凝器和电厂的效率。对电厂㶲分析发现,由于高的不可逆性,设备的改进和提升将会付出高昂的经济代价。因此,当仅考虑投资成本时,它可能会引发电厂的性能下降,同时也会增加运营成本。因此,在进行㶲分析时,应考虑成本的影响,然后考虑实际的解决方案。㶲和经济分析在整个分析中具有重要的地位。分析还强调,火力发电厂的投资成本增加将有利于电厂的效率。为了使我国对外国能源的依赖度降到最低,对火电厂的规划必须进行㶲分析,而它们还在项目阶段。致谢作者非常感谢恰耶尔汗火电厂对其提出的建议的采纳。参考文献[1]EhyaeiMA,MozafariA,AlibiglouMH.Exergy,Economic&Environmental(3E)analysisofinletfoggingforgasturbinepowerplant.Energy2011;36:6851–61.[2]LiY,LiuL.Exergyanalysisof300MWcoal-firedpowerplant.EnergyProc2012;17:926–32.[3]AhmadiP,DincerI,RosenMA.Exergy,exergoeconomicandenvironmentalanalysesandevolutionaryalgorithmbasedmulti-objectiveoptimizationofcombinedcyclepowerplants.Energy2011;36:5886–98.[4]RosenMA,DincerI.Effectofvaryingdead-statepropertiesonenergyandexergyanalysesofthermalsystems.IntJThermSci2004;43:121–33.[5]ÜnalF.Exergyanalysisofathermalpowerplant.MScThesis(inTurkish),YıldızTechnicalUniversity;[6]TsatsaronisG,ParkM.Onavoidableandunavoidableexergydestructionsandinvestmentcostsinthermalsystems.EnergyConversManage,2002;43:1259-70[7]LeeYD,AhnKY,Mor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