第一章电厂的能量转化第一章电厂的能量转化及主要热经济指标及主要热经济指标l一、热力发电厂热经济的评价方法l二、凝汽式电厂的热经济性指标l三、核电厂的热经济性l凝汽式电厂生产电能的过程即：燃料化学能（锅炉）-蒸汽热能（汽轮机中膨胀做功）-机械能（发电机）-电能。在不同的转化阶段存在着数量不等的能量损失。一、电厂的能量转换一、电厂的能量转换能量转换过程中的损失和利用能量转换过程中的损失和利用发电厂的热经济性是通过能量转化过程中能量的利用程度或损失大小来衡量的，研究各种损失的部位、大小、原因等，以期减少损失浪费。电厂的能量转换电厂的能量转换能量转换过程中的损失和利用能量转换过程中的损失和利用发电厂热经济评价方法热量法（热效率法）：热力学第一定律为基础，从能量的数量利用角度评价做功能力损失法（熵方法）：热力学第二定律为基础，从能量的质量利用角度评价。发电厂热经济指标：1、热效率2、能耗3、能耗率区别：热量法分析燃料化学能数量上被利用的程度，用于定量分析；熵方法分析燃料化学能做功能力被利用的程度，用于定性分析。1. 热量法热量法通过热量的利用程度（热效率）或损失大小（热量损失、通过热量的利用程度（热效率）或损失大小（热量损失、热量损失率）来评价电厂和热力设备的热经济性热量损失率）来评价电厂和热力设备的热经济性损失能量损失能量有效利用能量有效利用能量供给总能量供给总能量热力设备热力设备热损失率热损失率z z热量守衡：热量守衡： 供给热量供给热量=有效利用热量有效利用热量+损失热量损失热量锅炉机组热平衡及锅炉效率锅炉机组热平衡及锅炉效率热平衡是指锅炉的输入热平衡是指锅炉的输入热与输出热量（包括有热与输出热量（包括有效利用热和各项热损失）效利用热和各项热损失）之间的平衡之间的平衡Qcp=Qb+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6QcpQcp- -输入锅炉的热量输入锅炉的热量QbQb- -锅炉有效利用热锅炉有效利用热Q Q2 2- -排烟热损失排烟热损失Q Q3 3- -气体不完全燃烧热损失气体不完全燃烧热损失Q Q4 4- -固体不完全燃烧热损失固体不完全燃烧热损失Q Q5 5- -散热损失散热损失Q Q6 6- -灰渣物理热损失灰渣物理热损失锅炉机组热平衡及锅炉效率锅炉机组热平衡及锅炉效率简单凝汽式发电厂循环系统图简单凝汽式发电厂循环系统图GBCbicp=bpimggmpTQbQ0Q QCPCP Wi i有再热的凝汽式发电厂循环系统图有再热的凝汽式发电厂循环系统图G（1）锅炉效率）锅炉效率h h b 锅炉能量平衡关系：锅炉能量平衡关系：输入燃料热量输入燃料热量Qcp = 锅炉热负荷锅炉热负荷Qb +锅炉热损失锅炉热损失QbbcpQbQbh hz z- -= =D D= =1cpQbQcpQbQBqbQbD D- -= = = =1neth h0.90.94BQbQbQcp排烟损失、散热损失、排烟损失、散热损失、未完全燃烧损失、排污损失未完全燃烧损失、排污损失2.2.凝汽式电厂的各种损失和热效率凝汽式电厂的各种损失和热效率管道能量平衡关系：管道能量平衡关系：锅炉热负荷锅炉热负荷Qb = 汽轮机热耗量汽轮机热耗量Q0 +管道热损失管道热损失Qp（2）管道效率）管道效率h h PQbTQ0BQp0.980.99 汽轮机能量平衡关系：汽轮机能量平衡关系：汽轮机热耗汽轮机热耗Q0= 汽轮机内功率汽轮机内功率Wi+汽轮机冷源损失汽轮机冷源损失Qc汽轮机排汽的汽化潜热损失、汽轮机排汽的汽化潜热损失、膨胀节流、排汽、内部损失膨胀节流、排汽、内部损失TWiQ0GQC010QcQQiWiD-=h0.450.450.470.47)1 (ipbcpQcQchhhz-=D=（3 3）汽轮机）汽轮机绝对内效率绝对内效率h h i凝汽式汽轮机的绝对内效率凝汽式汽轮机的绝对内效率i i 汽轮机能量平衡式：汽轮机能量平衡式： 绝对内效率绝对内效率i i： W Wi i汽轮机汽耗为汽轮机汽耗为D D0 0时实际内功率时实际内功率 W Wa a汽轮机汽耗为汽轮机汽耗为D D0 0时理想内功率时理想内功率i i汽轮机的绝对内效率汽轮机的绝对内效率t t汽轮机的理想热效率汽轮机的理想热效率riri汽轮机的相对内效率汽轮机的相对内效率TWiQ0GQC汽轮机机械能量平衡关系：汽轮机机械能量平衡关系：汽轮机内功率汽轮机内功率Wi（kJ/h） = 发电机轴端功率发电机轴端功率Pax（kW） +机械损失机械损失Qm （4）机械效率）机械效率h h mTWiPaxGQm0.965 0.965 0.99 0.99发电机能量平衡关系：发电机能量平衡关系：发电机输入功率发电机输入功率Pax=发电机输出功率发电机输出功率Pe+能量损失能量损失Qg （5）发电机）发电机0.95 0.95 0.98 0.98PaxGQgPe全厂能量平衡关系：全厂能量平衡关系：全厂热耗量全厂热耗量Qcp =发电机输出功率发电机输出功率Pe + 全厂能量损失全厂能量损失Qj（6）全厂总效率）全厂总效率0.240.240.420.42QjcpQcpz zD=z zjcp0.580.580.760.76Qb b + + Qp p + + Qc c + + Qm m + + Qg g火力发电厂的各项损失（火力发电厂的各项损失（%）项目项目高参数高参数超高参数超高参数超临界参数超临界参数锅炉锅炉Qb1098管道管道Qp10.50.5汽轮机冷源汽轮机冷源Qc57.552.550.5汽轮机机械汽轮机机械Qm0.50.50.5发电机发电机Qg0.50.50.5总能量损失总能量损失69.56360全厂总效率全厂总效率30.53740凝汽式电厂的热效率比较凝汽式电厂的损失率比较凝汽式电厂的损失率比较热流图热流图3.3.熵方法（做功能力法）熵方法（做功能力法）实际的动力过程是不可逆的，必然引起熵增实际的动力过程是不可逆的，必然引起熵增熵方法熵方法通过通过熵增（熵产）的计算来确定做功的损失熵增（熵产）的计算来确定做功的损失环境温度环境温度Tenen，则熵增，则熵增 s 引起的做功损失引起的做功损失 I 为：为：I = Tenen s I cp=I朗肯循环朗肯循环锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器朗肯循环朗肯循环1234简化（理想化）：简化（理想化）：12汽轮机汽轮机s膨胀膨胀23凝汽器凝汽器p放热放热34给水泵给水泵s压缩压缩41锅炉锅炉p吸热吸热典型不可逆过程的做功能力损失典型不可逆过程的做功能力损失（1）有温差的换热过程有温差的换热过程放热过程：放热过程：熵减熵减sa吸热过程：吸热过程：熵增熵增sbTen放热量放热量=吸热量吸热量做功损失做功损失：换热过程换热过程熵增：熵增：分析：分析：T，I锅炉、冷凝器、加热器锅炉、冷凝器、加热器In过程熵增: s火用损E（2）不可逆绝热膨胀过程不可逆绝热膨胀过程汽轮机汽轮机做功损失：做功损失：不可逆绝热膨胀不可逆绝热膨胀21spcp1Tenstu12aTp0p02（3）不可逆绝热压缩过程不可逆绝热压缩过程水泵水泵做功损失：做功损失：不可逆绝热压缩不可逆绝热压缩 21sp2p1Tens12T（4）节流过程节流过程汽轮机进汽调节结构汽轮机进汽调节结构做功损失：做功损失：根据热力学第一定律： dq=dh-vdp节流前后工质焓不变即dh=0，所以ds=-v/Tdp21Tsp1p2Tensh=const凝汽式发电厂各种损失及全厂总效率凝汽式发电厂各种损失及全厂总效率做功能力损失部位做功能力损失部位锅炉锅炉Ib管道管道Ip汽轮机内部做功汽轮机内部做功It凝汽器凝汽器Ic传动装置传动装置Im发电机发电机Ig回热加热器、给水泵（忽略）回热加热器、给水泵（忽略）en锅炉散热锅炉散热做功损失做功损失锅炉能量锅炉能量转换做功转换做功损失损失锅炉温差锅炉温差传热做功传热做功损失损失管道做管道做功损失功损失汽轮机内部汽轮机内部做功损失做功损失凝汽器做凝汽器做功损失功损失机械摩擦机械摩擦做功损失做功损失发电机做发电机做功损失功损失凝汽式发电厂做功能力损失分布图凝汽式发电厂做功能力损失分布图 凝汽式发电厂做功能力损失凝汽式发电厂做功能力损失 做功损失做功损失 ICP： en 全厂效率：全厂效率：能流图能流图小小 结结1 总体：总体：热量法与作功能力法的全厂总效率相同热量法与作功能力法的全厂总效率相同2 局部：局部：损失分析不同损失分析不同 热量法：从热损失的角度分析热量法：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作功能力法：从做功能力损失的角度分析3 用途用途 热量法：定量分析，指导工程实际热量法：定量分析，指导工程实际 作功能力法：作功能力法： 定性分析，指导技术革新定性分析，指导技术革新n几点说明（1）效率和损失是能量转化过程中一个问题的两个方面，利用能量利用率和能量损失率来求各设备的效率是两种不同的分析方法和计算方法，他们是可以相互检验的。（2）以上的效率可以分为两类，一是绝对效率，如i、t、cp,他们不仅反映热量利用率，而且还反映热功转化的程度，因此不仅是数量指标而且也是质量指标；另一类是相对效率，如b、p、ri、m、g，他们反映相应设备在制造中的工艺完善程度和运行管理水平。（3）全厂总效率既反映了发电厂燃料热量的利用程度，有反映了热能转化为电能的能量转换率，因此也是凝汽式发电厂最全面的指标。说明二二 凝汽式发电厂的主要热经济指标凝汽式发电厂的主要热经济指标n能耗能耗（汽耗量、热耗量、煤耗量）（汽耗量、热耗量、煤耗量）n能耗率能耗率（汽耗率、热耗率、煤耗率）（汽耗率、热耗率、煤耗率）n热效率热效率汽轮发电机组的绝对电效率汽轮发电机组的绝对电效率eeGTQ03600PeQ1.1.能耗能耗( (单位时间能耗单位时间能耗,/h),/h) n电厂煤耗Bn电厂热耗Qcpn汽轮机热耗Q0 n汽轮机汽耗D0 n相互关系 GBCbimpTQcpD0gBcpPe不同容量机组能耗比较不同容量机组能耗比较660MW1000MW发电厂热耗量发电厂热耗量（kJ/h）5476*10e67985*10e6发电厂煤耗量发电厂煤耗量（kg/h）1.901*10e52.728*10e5汽轮发电机组汽汽轮发电机组汽耗量耗量（kg/h）2100*10e32975*10e3汽轮发电机组热汽轮发电机组热耗量耗量（kJ/h）5477*10e67751*10e6结论：结论： 能耗指标与产量有关，只能表明能耗指标与产量有关，只能表明Pe为一定时的热经济性；为一定时的热经济性；2.能耗率能耗率(单位发电量的能耗，单位发电量的能耗，/KWh) 反映每生产反映每生产1kW.h电能所消耗的能量电能所消耗的能量n发电煤耗率n标准发电煤耗率n电厂热耗率 n汽轮机热耗率n汽轮机汽耗率n相互关系 标准煤低位发热量标准煤低位发热量 qnet=29270kJ/kg发电标准煤耗率发电标准煤耗率供电标准煤耗率（扣除厂用电）供电标准煤耗率（扣除厂用电）（kg标准煤标准煤/(kW.h)）厂用电率厂用电率（kg标准煤标准煤/(kW.h)）不同容量机组能耗率比较不同容量机组能耗率比较660MW660MW1000MW1000MW全厂热耗率全厂热耗率（kJ/(kW.h)）844084407986 7986 全厂发电煤耗率全厂发电煤耗率（kg/(kW.h)）288288272272汽轮机热耗率汽轮机热耗率（kJ/(kW.h)）7662766273837383汽轮机汽耗率汽轮机汽耗率（kg/(kW.h)）3.183.182.982.98结论：结论： 能耗率能够全面反映发电厂热经济性能耗率能够全面反映发电厂热经济性3.热效率热效率 凝汽式汽轮机的绝对内效率凝汽式汽轮机的绝对内效率i i 汽轮机能量平衡式：汽轮机能量平衡式： 绝对内效率绝对内效率i i： W Wi i汽轮机汽耗为汽轮机汽耗为D D0 0时实际内功率时实际内功率 W Wa a汽轮机汽耗为汽轮机汽耗为D D0 0时理想内功率时理想内功率i i汽轮机的绝对内效率汽轮机的绝对内效率t t汽轮机的理想热效率汽轮机的理想热效率riri汽轮机的相对内效率汽轮机的相对内效率TWiQ0GQC1kg1kg新汽的热耗新汽的热耗汽轮机能量能量平衡：汽轮机能量能量平衡：比热耗比热耗q q0 0（kJ/kg）：比内功比内功w wi i（kJ/kg） ：比冷源热损失比冷源热损失q qc c ：内效率内效率i i ：示例：计算图示系统中汽轮机的内效率示例：计算图示系统中汽轮机的内效率（忽略汽水损失）（忽略汽水损失）汽轮机实际做功汽轮机实际做功 W Wi 的计算：的计算：（1 1）Wi 汽轮机凝汽流内功各级回热汽轮机凝汽流内功各级回热汽汽流流内功内功（2 2）Wi 汽轮机输入能量输出能量汽轮机输入能量输出能量（3）Wi 汽轮机热耗汽轮机热耗Q0 汽轮机冷源损失汽轮机冷源损失Qc凝汽式电厂热效率凝汽式电厂热效率cpcp （全厂热效率）（全厂热效率）全厂净热效率（扣除厂用电功率的电厂效率）全厂净热效率（扣除厂用电功率的电厂效率）厂用电率（平均为厂用电率（平均为8.2%8.2%）300MW300MW及以上机组电厂：及以上机组电厂： 4.7%4.7%5.5%5.5%； 125125200MW200MW机组电厂：机组电厂： 8.5%8.5%；中小容量机组电厂：中小容量机组电厂： 9%9%12%12%。 凝汽式电厂的热经济性指标的说明n在一个电厂范围内，标准煤耗率是表明能量转换程度的最全面的指标，它既反映电厂的管理水平和运行水平，也是厂际、班组间的经济评价、考核的重要指标之一。n对于一个汽轮机，热耗率是一个最完善的指标，可以做为机组改造或热力试验考核的标准。n能耗中的热耗率q和煤耗率b与热效率是一一对应关系，他们是通用的热经济指标，而汽耗率与热效率无直接关系，它取决于汽轮机的实际内功率。三、核能发电的条件及热经济性三、核能发电的条件及热经济性l核燃料：U235、U238、 Pu239和钍l原子核的裂变： 核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化。只有一些质量非常大的原子核像铀、钍等在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生核裂变，使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。核能：核裂变能（可控）核能：核裂变能（可控） 、核聚变能（不可控）、核聚变能（不可控） 核电站：核电站： 核能核能 电能电能易裂变元素：易裂变元素： U235、U233、Pu239常用核燃料：常用核燃料： 二氧化铀二氧化铀核电的优点：（核电的优点：（1）燃料能量集中）燃料能量集中 （2）环境污染小）环境污染小 （3）燃料储量丰富）燃料储量丰富 （4）大部分设备与普通电站基本相同）大部分设备与普通电站基本相同可控自持裂变反应可控自持裂变反应核电厂类型核电厂类型n 压水堆核电厂压水堆核电厂n 沸水堆核电厂沸水堆核电厂n 重水堆核电厂重水堆核电厂n 石墨沸水堆核电厂石墨沸水堆核电厂n 石墨气冷堆核电厂石墨气冷堆核电厂n 高温气冷核电厂高温气冷核电厂n 快中子增殖堆核电厂快中子增殖堆核电厂核反应堆类型压水堆核电厂压水堆核电厂以轻水做慢化剂和冷却剂以轻水做慢化剂和冷却剂压水堆核电厂组成压水堆核电厂组成核岛核岛：反应堆厂房、核辅助机厂房和建筑物、：反应堆厂房、核辅助机厂房和建筑物、 相关系统和设备相关系统和设备常规岛常规岛：汽轮机发电机厂房及其建筑物、相关系：汽轮机发电机厂房及其建筑物、相关系 统和设备统和设备配套设施配套设施：其他建筑物、系统和设备：其他建筑物、系统和设备具体过程n反应堆堆芯内进行核裂变并稳定地释放热能。由于采用稳压器提高系统内的水压，一回路的水受热后不会沸腾。这些高压水随之将堆芯内产生的热能带走。n带热能的高压水经蒸汽发生器内数以千计的传热管，将热能传到管外二回路系统的水内。二回路系统与一回路系统是完全分隔的。n二回路水随即受热沸腾，变成蒸汽，然后推动汽轮机发电机组产生电力。n蒸汽自汽轮机排出，被三回路的海水冷却后，再循环至蒸汽发生器加热。（二）ITER介绍n国际热核反应堆合作计划（ITER）由中国、美国、欧盟、日本、俄罗斯、韩国参加。n2014年建造一座总功率为500万千瓦的热核反应堆，项目总投资额预计为100亿欧元(反应堆所在国出资48，其他国家各出资10)。建造一座原型聚变反应堆(2025年前投入运行)和一座示范聚变堆(2040年前投入运行)n目的:从海水中提取氢的同位素用于核聚变反应n国际热核反应堆选址：法国南部城市马赛附近的卡达拉舍n中国HT-7超导托卡马克（高温等离子研究）大亚湾核电站三门核电站（三）核电的优越性1.化石燃料资源有限，核能资源丰富2.核能是安全清洁的能源3.核电经济上合算，特别是缺煤少油地区（四）核电厂回路系统及热力设备特点（四）核电厂回路系统及热力设备特点l1.工质为低压饱和蒸汽，工质流量和容积流量都大得多1、新汽为饱和蒸汽或微湿蒸汽，必须先行汽水分离。2、高压缸排蒸汽湿度较大，必须再加热。3、再热器的特点是用新蒸汽或抽汽来作为加热蒸汽。4、在湿蒸汽区域的各级叶栅，应采取相应的去湿措施。2.2.核电饱和蒸汽轮机的结构特点核电饱和蒸汽轮机的结构特点3.3.核电汽轮机装置热力系统的特点核电汽轮机装置热力系统的特点1、需有蒸汽母管。2、需用整机旁路系统。3、给水系统也为母管式单元制系统。4、须有连续放射性监测装置。（五）核电站的热经济指标（五）核电站的热经济指标国外的核电事业国外核电概况 1938年德国科学家首先发现了铀的核裂变现象，1942年英国建成了第一座核反应堆，1954年在原苏联建成了世界第一座核电站，它以浓缩铀为燃料，石墨为减速剂，容量为5MW，揭开了核电发展的历史。接着美国研制成功轻水反应堆，英、法研制成功气冷反应堆，加拿大研制成功了重水反应堆，并分别建成了实用的核电站。（2006年全球核电分布如右下图所示）第二代特征是标准化、系列化。第三代使具有预防和缓解严重事故措施，经济上能与天然气机组相竞争的核电机组。第四代使更经济、更安全性、废物量极少、并具有防核扩散能力的核能利用系统。国外核电发展预测： 今后核电的发展将以改进核电安全性为主，并在经济上更具有竞争性。发展方向： 快中子增值反应堆型 核聚变反应堆型我国的核电事业：（一）我国的人口需要发展核电事业（一）我国的人口需要发展核电事业n n1 1、我国能源分布很不均匀、我国能源分布很不均匀n n2 2、我国经济发达地区需求核电、我国经济发达地区需求核电n n3 3、为了全国煤炭供不应求和环保要求。、为了全国煤炭供不应求和环保要求。n n4.4.全国电力需求要发展核电。全国电力需求要发展核电。（二）我国的核电建设我国核电发展起步于上世纪80年代中期，核电设计工作从上世纪70年代就已经开始，经过了300MW、600MW、1000MW三个等级压水堆核电机组建设，已具有较强的设备国产化能力。300MW国产化率达到80%以上，年生产能力可达2套机组，并可出口创汇，600MW经过努力国产化率可达70%，年生产能力也可以达到2套机组，1000MW在“十一五”期间国产化率经过努力已达50%。国内现主要有3个核电基地，包括秦山5台、大亚湾4台、田湾2台，共计11台机组。（三）（三）我国的核电预测我国的核电预测lAP1000作为西屋公司开发的第三代先进的压水堆核电技术，是目前唯一得到美国核管会最终设计批准的新一代商用核电技术。中国第三代反应堆的示范项目计划2013年投入运营，预计2020年成为国内核电站的主要技术。l2020年，核电装机容量为4000万千瓦。比重从现在的不到2%提到到4%，核电年发电量达到2600 2800千瓦时。lAP1000技术引进已拟定国产化路径： 第一步，外方为主中方参与; 第二步，以中方为主进行设计，外方提供技术咨询； 第三步，设计和建造自主品牌的大型压水堆核电站。