火用研究方法和其在电厂锅炉中应用

1、火用研究方法和其在电厂锅炉中应用【摘要】本文采用火用分析方法对火电厂锅炉进行 分析计算，准确地揭示锅炉中火用损失的环节以及造成的原 因，利用火用效率客观体现锅炉运行状况，具体地反映出锅 炉中各种不可逆因素引起损失的严重程度。从而为改进设备 以及节能提供目标或对策。【关键词】火电厂；锅炉；火用分析；火用损失0引言火用分析方法是建立在热力学第一定律的平衡思想和 第二定律的火用概念的基础上的，它以火用平衡为工具，通 过研究循环中能量转换与利用的效果，分析其影响因素，揭 示产生火用损失的部位、分布与大小，找出薄弱环节，探讨 提高能量转换与利用效果的途径。将火用分析应用于锅炉设 计的目的在于发现锅炉设计

2、方面在能源利用中存在的问题， 从而采取措施提高能源的利用效率。热力学第一定律“能量 守恒定律”只是从数量上说明了能量在转化过程中的总量 守恒关系，它可以发现装置或循环中哪些设备、部位能量损 失大，但未顾及到能量质量的变化，不能发现耗能的真正原 因。而热力学第二定律阐述了孤立系统炳增原理，从能的本 性的高度，规定过程发生的方向性与限制，特别是指出了能 量转化的条件和限制，指出能量在转移过程中具有部分地乃 至全部地失去其使用价值的客观规律。因此，“火用”可用 以作为评价能量价值质量的参数，“火用"分析在对各类动 力装置及其循环的分析更全面、更深入。1火用的分析及发展火用狭义是在环境下，能

3、流物流所具有的最大理论做功 能力，是一种能量转化能力的度量。广义是物质与环境之间 存在的某种不平衡势差的度量。各种形态能量，转换为"高级能量”能力并不相同。以 这种转换能力为尺度，就能评价出各种形态能量优劣。转换 能力大小与环境条件有关，还与转换过程不可逆程度有关。 实际上采用给定环境条件下，理论上最大可能转换能力作为 量度能量品味高低尺度，这种尺度称之为火用。它定义如下:当系统由一任意状态可逆变化到与给定环境相平衡状 态时，理论上可以无限转换为任何其他能量形式那部分能 量，称之为火用。可逆过程才有可能进行最完全转换，可以认为火用是给 定环境条件下，可逆过程中，理论上所能做出最大有用

4、功。 与此相对应，一切不能转换为火用能量，称之为火无。任 何能量均由火用和火无两部分所组成。从质的角度来分析能量利用，即从火用的角度去分析能 量利用，从更高层次分析能量利用效率。如燃气-蒸汽联合 循环，系统采用天然气+余热锅炉+内燃机同时向用户供电供 热供冷；典型的热力循环还有igcc,是将煤气化技术和高效 的联合循环相结合的先进动力系统。因此热能的温度对口、 梯级利用，将是21世纪热力循环研究的主线，即能量转换 与合理利用，提高热力设备的火用效率，减少热力设备的火 用损失将是主要研究课题。采用火用分析比热分析方法更全面、更能有效揭示锅炉 各种损失及损失所产生部位。锅炉火用效率大大低于热效 率

5、，因为锅炉不仅存在外部损失，亦存在大量的不可逆内部 损失。蒸汽参数、给水参数对火用效率均有影响。采用火用 分析将全面反映锅炉设备内部及外部的损失情况。2锅炉中火用分析过程锅炉火用损失过程主要发生在绝热燃烧过程、定压排烟 过程以及定压放热三个过程之中，其三个过程的用损失分别 为“bl、“b2、ji b3,具体计算表达式分别如下：实例分析一台燃煤蒸汽锅炉，已知参数如下，出口蒸汽1参数 pl=9. 8mpa, tl=540°c；锅炉进口 4 给水压力 ll.ompa,给 水温度215°c；环境压力p0=0. impa,温度t0=298. 15k；锅 炉绝热燃烧温度tad=2000

6、k,排烟温度te=575k；锅炉效率 n b=0. 9o燃料化学火用ex, f近似为低位发热量。经热平衡分析计算可得，每产生1 kg蒸汽时燃料提供 的能量为2830. 2kj/kg；锅炉绝热燃烧时烟气的火用为 1886. 5kj/kg；绝热燃烧过程火用损失为943. 7 kj/kg；锅炉 排烟火用损失为83. 5 kj/kg；锅炉内烟气与水蒸气之间传热 过程的火用损失为528. 7 kj/kg；水定压加热时的加热平均 温度为596. 6k；锅炉火用效率为45.02%。3锅炉中火用损失分析从上例中可以看出锅炉总的火用损失为1555. 9kj/kg； 热燃烧过程火用损失占输入火用量的比例为33.

7、34%；锅炉排 烟火用损失占输入火用量的比例为2. 95%；锅炉内烟气与水 蒸气之间传热过程的火用损失占输入火用量的比例为 18. 68%；火用损失占输入火用量的比例为54. 98%o锅炉内部火用损失主要为三部分：(1) 燃烧不可逆火用损失，炉膛火用效率远远低于其 他各处的火用效率，其主要原因在于炉膛中存在巨大的燃烧 不可逆火用损失，占锅炉系统的绝大部分。这项损失是由于 燃料将高质量的化学能转变为热能，然后加热低温燃料和空 气而产生的，其大小主要取决于理论绝热燃烧温度。适当提 高空气预热温度和控制过量空气系数都可以减少燃烧不可 逆火用损失。(2) 传热火用损失，锅炉本体的传热不可逆火用损失 仅

8、次于燃烧不可逆火用损失，传热火用损失的大小与传热温 差有着密切关系，传热温差越大，传热火用损失就越大。炉 膛传热火用损失最大，其主要原因是该处烟温达到最高值， 而工质温度约为饱和温度，两者之间存在很大的传热温差。 锅炉中其他各受热面的传热损失也是由于传热温差引起的。 就整台锅炉而言，提高蒸汽参数和降低排烟温度都可以减少 传热火用损失。（3）排烟火用损失。锅炉受热面积灰、结渣，必然会 造成排烟温度上升，使得排烟火用损失增大，通过优化系统 及调整燃烧，降低煤粉细度，增设受热面吹灰器使得排烟温 度下降，从而降低排烟火用损失。从火用效率的计算公式可以看出，火用效率与主蒸汽， 给水参数以及环境、燃料的种

9、类性质、锅炉性能都有一定的 关系，而锅炉燃料及环境温度基本不变，所以只能尽量改善 蒸汽以及给水参数，提高火用效率措施具体表现在以下几方 面：1）釆用抽气回热动力装置，提高给水温度。根据相关 资料，给水温度提高2°c,其相对火用效率升高1%。从火用 损失来看，由于给水被预热，提高了蒸汽的温度水平，这时 吸热平均温度显然比无回热时的有所提高，锅炉内传热火 用损失相对减少，锅炉火用效率就能有所提高。2）采用锅炉再热循环提高蒸汽温度，但受材料成本限 制。3）选择合理的蒸汽压力值，不能过高。若蒸汽压力过 高容易降低乏汽的干度，容易使汽轮机末级叶片受到严重冲 刷，影响叶片寿命与汽轮机效率。因此，主蒸汽压力的提高 受到蒸汽干度的限制，同时也限制了锅炉火用效率的提高。4) 锅炉内燃烧过程火用损失最大，因此尽量改进炉膛 的燃烧程度，提高火用效率效果明显。4结论1) 火用分析法能更系统、更科学、更深入、更全面的 分析锅炉以及其他热力设备热力学过程，揭露其损失原因部 位以及指出改进的方向，同时反映内部及外部的火用损失， 真实地揭露锅炉的薄弱环节。2) 通过本例利用火用分析法对锅炉损失进一步分析得 知，锅炉火用损失大，主要是燃烧及传热两个不可逆过程造 成的，对于火电厂来说，锅炉的烟气温度及给水温度由设计 给定，主蒸汽温度又受材料的限制，因