第2章 热力发电厂动力循环 及其热经济性 热力发电厂热经济性的评价方法 发电厂的动力循环 凝汽式发电厂的主要热经济性指标 2.1 热力发电厂热经济性的评价方法 发电厂中能量的转换过程（存在各种损失） 化学能 热能 机械能 电能 （煤） （锅炉） （汽轮机） （发电机） 发电厂热经济性的评价 通过能量转换过程中能量的利用程度或损失大小 来衡量 目的：研究损失产生的部位、大小、原因及其相互关 系，找出减少这些热损失的方法和相应措施 2.1.1评价发电厂热经济性的两种方法 ： （1） 热量法、热效率法 基于热力学第一定律 以燃料化学能从数量上被利用的程度来评价电 厂的热经济性，常用于定量分析 （2） 熵方法、方法、做功能力法 基于热力学第一、二定律 以燃料化学能的做功能力被利用的程度来评价 电厂的热经济性，常用于定性分析 2.1.2 热量法 热量法以热效率或热损失率的大小衡量电厂的热经济性 热效率反映热力设备将能量转换或输出有效能量的程度 ，不同阶段热效率不同。 能量平衡关系： 供给热量=有效利用热量+损失热量 有再热的凝汽式发电厂循环系统图 简单凝汽式发电厂循环系统图 G B T C b i cp=bpimg g m p Qb Q0 锅炉能量平衡关系： 输入燃料热量Qcp = 锅炉热负荷Qb +锅炉热损失Qb 锅炉热损失Qb ：排烟损失、散热损失、未完全燃烧损失 、 排污损失等 （1）锅炉 b cp Q b Q b z-= =1 cp Q b Q cp Q b Q Bq b Q b -= = 1 net 0.90.94 管道能量平衡关系： 锅炉热负荷Qb = 汽轮机热耗量Q0 +管道热损失Qp （2）管道 G B T C 0.980.99 Qb Q0 p 汽轮机能量平衡关系： 汽轮机热耗Q0=汽轮机内功率Wi+汽轮机冷源损失Qc 冷源热损失Qc ：凝汽器中汽轮机排汽的汽化潜热损失 膨胀过程中的节流、排汽、内部损失 （3） 汽轮机 0 1 0 Q c Q Q i W i -= )1 ( ip b cp Q c Q c z-= = 0.450.47 G T i Q0 Wi Qc 汽轮机机械能量平衡关系： 汽轮机内功率Wi=发电机轴端功率Pax +机械损失Qm 3600Pax=Wi-Qm （4）机械效率 0.965 0.99 发电机能量平衡关系： 发电机输入功率Pax=发电机输出功率Pe+能量损失Qg （5）发电机 0.95 0.98 全厂能量平衡关系： 发电机输出功率Pe=全厂热耗量Qcp-全厂能量损失Qj （6）全厂总效率 0.380.42 全厂总能量损失 Qj= Qb + Qp + Qc + Qm + Qg 火力发电厂的各项损失（%） 项目高参数超高参数超临界参数 Qb1098 Qp10.50.5 Qc57.552.550.5 Qm0.50.50.5 Qg0.50.50.5 总能量损失69.56360 全厂总效率30.53740 热流图 2.1.3 熵方法 实际的动力过程是不可逆的，必然引起熵增 熵方法通过熵增（熵产）的计算来确定做功的损失 环境温度Ten，则熵增 s 引起的做功损失 I 为： I = Ten s （1）典型不可逆过程的做功能力损失 有温差的换热过程 冷凝器、加热器 放热过程：熵减s a 吸热过程：熵增s b 吸热量 = 放热量 换热过程熵增： 做功损失： T 、 ， I Ten 不可逆绝热膨胀过程 汽轮机 做功损失： 不可逆绝热膨胀 tu en 不可逆绝热压缩过程 水泵 做功损失： 不可逆绝热压缩 en 有摩阻的流动 有摩阻流动及散热 主蒸汽管道 做功损失： 节流过程 汽轮机进汽调节结构 做功损失： （2）凝汽式发电厂各种损失及全厂总效率 锅炉的做功能力损失 锅炉的散热损失 做功损失 en 化学能转化为热能 熵增： 做功损失： en 工质温差传热 熵增： 做功损失： 锅炉中做功总损失： en 主蒸汽管道压损造成 的做功能力损失 熵增： 做功损失： en 汽轮机内部做功能力损失 熵增： 做功损失：en 凝汽器中做功能力损失 熵增： 做功损失：en 汽轮机机械摩擦产生的做 功能力损失 做功损失： en 发电机的做功能力损失 做功损失： en 凝汽式发电厂做功能力损失 做功损失： 全厂效率： en 能流图 2.1.4 方法 (1)效率与损 能量平衡关系： 供给的可用能=有效利用的可用能+损 效率ex 平衡方程的图解 损： 热力设备 eq ein wi eout 电厂典型热力设备的损及效率 设 备 特 点 比损E （kJ/kg ） 效率ex（%） 汽轮机 eq=0 outint eweE -= 1 outin it ex ee w - = 锅炉、换热器 wi=0 outqinb eeeE-= qin out b ex ee e = 管道 eq=0, wi=0 outinp eeE-= in outp ex e e = 凝汽式电厂纯凝汽工况运行时的 损分布 流图 小结： 热量法与作功能力法计算的全厂总效率相同 ； 损失分布不同： 热量法：从热损失的角度分析 作功能力法：从做功能力损失的角度分析 用途： 热量法：定量分析，指导工程实际 作功能力法： 定性分析，指导技术革新 2.2 蒸汽初终参数对发电厂热经济性的影响 2.2.1 朗肯循环及其热经济性 1-2-3-4-1 郎肯循环 p v T S 1 2 3 4 1 23 4 1-2-3-4-1 卡诺循环 4 3 1 2 1 2 3 4 （二）蒸汽初参数对电厂热经济性的影响 2.2.2 提高初温（t0)对热效率的影响 （1）提高初温对t的影响 t0，t （2）提高初温对ri的影响 t0，排汽湿度，ri t0，漏汽损失，ri 1 1 22 3 4 5 T s T0 T0 T1 T1 pc 结论： t0，t和ri，因此，i 2.2.3提高初压（p0)对热效率的影响 （1）提高初压对t 的影响 提高初压对wa的影响：存在一个极限压力 当p0达到极限压力时，t最高。 之后增大p0 ，t反而减小。 Pc=4kpa h s wa P0=22MPA, 20, 14, 9 0.1MP a 初压对Wa 的影响 极限压力范围内： p0，h0，h，t t0=400 P0 MPa h0 kJ/kg hca kJ/kg wa=h0hca kJ/kg q0=h0hc kJ/kg t=wa/q0 % t % 4.0321120391172309138.0 8.0313819181220301840.56.58 12.0305718321225(最大)293741.72.96 16.0295617591197283642.21.19 20.0283916831156271942.6(最高)0.948 24.0265415851069253442.1 不同温度下的极限压力p0与t 1 22 3 4 5 T s T0 1 p0 P 0 p c （2） 提高初压对ri 的影响 p0，v0，漏汽损失，ri p0，湿度损失，ri 结论：提高p0，对i的影响，视t和ri的变化情况定 2.2.4 蒸汽初参数对发电厂热经济性的影响 大容量机组 初参数，i 小容量机组 初参数，i 高参数必须是大容量 2.2.5最有利蒸汽初压p0 2.2.6提高蒸汽初参数的限制 1）提高初温的限制 金属材料性能限制 2）提高初压的限制 安全性、热经济性 措施： （1）提高P0的同时采用蒸汽再热 （2）提高P0的同时增大单机容量 Pe=300MW 200 150 100 450 500 550 600 650 P0OP t0 2.2.7 降低蒸汽终参数pc对热经济性的影响 （1）有利影响 nt（ t =1-Tc/T1，wa） n凝汽器损Ec （2）不利影响 nPc叶片寿命湿气损失 ri nPcvc余速损失 i 余速损失不变,末级叶片 凝汽器投资 结论：在极限背压以上，降低pc对热经济性有利 1 22 3 4 5 T s T0 1 p0 P 0 p c 1）凝汽系统 2）理论限制 n自然水温tc1； 3）技术极限 n冷却水量和凝汽器面积都不可能无限大 n末级长叶片的设计和制造水平 汽轮机背压pc由排汽饱和温度tc决定 tc = tc1 t t t冷却水温升 t凝汽器传热端差，t =tctc2， tc决定因素：冷却水温、冷却水量、换热面积、换热面清洁度 2.2.8 降低蒸汽终参数的极限 2.2.9 凝汽器最佳真空 1）设计最佳终参数 n以年计算费用最小时所对应的pc为最佳终参数。 根据该终参数确定凝汽器面积、冷却水量及循环水 泵、冷却塔（循环供水时）的选型和配置等。 2）运行最佳终参数 n汽轮机功率增加值与循环水泵耗功之差取得最大值 时的pc 最佳运行真空 与负荷、季节有关 2.3 回热循环及其热经济性 给水回热加热 汽轮机某些中间级抽出部分蒸汽，送入回热加热器对锅炉 给水进行加热的过程 目的：减少冷源热损失，提高电厂的热经济性 T S 1 23 5 4 6 8 9 7 S 8 1 2 3 4567 A B aA aB 2.3.2给水回热加热的意义 1）汽轮机进入凝汽器的凝汽量减少，冷源损失降低； 2）提高锅炉给水温度，工质的平均吸热温度提高； 3）抽汽加热给水的传热温差小，做功能力损失小。 不利：回热抽汽存在作功不足，wi减小，D0增大，削弱 了Dc的减小 2.3.2 给水回热加热的热经济性 单级回热汽轮机的绝对内效率： 单级回热循环的汽流分配 同参数朗肯循环的汽 轮机的绝对内效率 回热式汽轮机 的动力系数 分析 ： 多级无再热的回热循环，汽轮机的绝对内效率： 回热抽汽做内 功之和 凝汽流做内功 回热抽汽做功比： ， 分析：回热抽汽在汽轮机中的做功量 ， 2.3.3 影响回热过程热经济性的因素 多级回热给水总焓值（温升）在各加热器间的分配 锅炉给水温度； 回热加热级数 非再热机组全混合式加热器回热系统 h1h2 h3 hw1 hw2 hw3 hw4 1kg 1号加热器： 1q1=(1- 1)hw1 1= hw1/(q1+ hw1), 1- 1= q1/(q1+ hw1) 2号加热器： 2q2=(1-1- 2)hw2 2= (1-1)hw2/(q2+ hw2) 1-1- 2=q1/(q1+ hw1)*q2/(q2+ hw2) (1) 多级回热给水总焓值（温升）在各加热器间的分配 同理： 最佳回热分配 ： 焓降分配法(每一级加热器焓升=前一级至本级汽轮机中的焓降) 平均分配法(各级加热器中的焓升相等)