专科发电厂第二章

1、第二章第二章热力发电厂热经济性分析与评价热力发电厂热经济性分析与评价 本章内容提要本章内容提要2.1 热力发电厂热经济性评价方法热力发电厂热经济性评价方法 2.2 凝汽式发电厂的主要热经济指标及评凝汽式发电厂的主要热经济指标及评价价2.3 提高热力发电厂热经济性的主要方法提高热力发电厂热经济性的主要方法2.1 热力发电厂热经济性评价方法热力发电厂热经济性评价方法热经济性评价方法：热经济性评价方法：l第一种方法是以热力学第一定律为基础的热量法(热效率法、热平衡法) l第二种方法以热力学第一定律、第二定律为基础的熵分析法或做功能力法 1、热量法 l热量法是以燃料产生的热量被有效利用的程度对电厂热经

2、济性进行评价 。l用热量的有效利用程度（如各种热效率）或损失大小（如热量损失或热量损失率）在热力设备或过程中的分布情况来表示发电厂的热经济性。l热效率：某一热力过程或设备有效利用的能量占所消耗能量的百分数，其通用表达式为：%100的热供损失的热量1%100的热供有效利用的 热量给量给量用数学符号表示为： l热效率的大小定量地表征了设备或热力过程的能量转换效果，反映了设备的技术完善程度。 iiiitQQQQW1111 1.1凝汽式发电厂能量转换过程中能量的损失及利用 电能生产过程与循环热效率 61423V1q2qIV52Ts561430蒸汽动力循环装置及朗肯循环的T-s图 热效率 t1222t1

3、11111wqqqTqqqT 在具体计算时，做功量、吸热量以及放热量均可用工质焓的变化表示。此时热效率 可表示为：tpucpucatthhhhhhqw001)()(在蒸汽初压不高，给水泵的耗功可以忽略不计时 pucatthhhhqw001)(凝汽式发电厂能量转换过程中能量的损失及利用锅炉设备的热效率与热损失率 锅炉设备中的热损失主要包括：排烟热损失、散热损失、化学未完全燃烧热损失、机械未完全燃烧热损失、排污热损失、灰渣热物理损失等，其中排烟热损失最大，占锅炉总损失的4050。 锅炉效率为锅炉设备输出的被有效利用的热量(锅炉热负荷)与输入热量(燃料在锅炉中完全燃烧时的放热量)之比，其表达式为（非

4、再热机组） :netfwbbnetbcpbbBqhhDBqQQQ)( 锅炉热损失率bbnetbbbbcpnetnet11QBqQQQBqBq 管道热效率与热损失率 （非再热机组） bpfwbbfwbpQQhhDhhDQQ1)()(000管道的热损失率 ppbb0pbpcpbcpcpb11QQQQQQQQQQ汽轮机的绝对内效率与冷源热损失率 汽轮机绝对内效率若不计系统中的工质损失，进入汽轮机的蒸汽流量与给水流量相等，则 （非再热机组） 冷源热损失率 iiciairit00a01WQWWQQWQ trifwcacacfwfwciihhhhhhhhhhDhhDQW00000000.)()(cc0bb

5、0icpbccp0bcpcpb011QQQQQQWQQQQQQQ 汽轮机的机械损失及机械效率汽轮机输出给发电机的轴端功率与汽轮机内功率之比称为汽轮机的机械效率。 汽轮机机械损失的热损失率 axmmii36001PQWW mb0iaxmbpimcpcpb0i360011QQQWPQQQQW 发电机的能量损失及发电机的效率发电机的效率定义为发电机输出的电功率与轴功率之比。 发电机能量损失率 gegaxax13600QPPPggbpimgcp1QQ 全厂能量损失及全厂总效率 全厂总效率表示发电厂有效利用的能量(电能)与其消耗的能量（燃料完全燃烧时的放热量）之比，即为全厂的总效率。 eecpbptri

6、mgnetcp36003600PPBqQ 全厂总效率与分效率间的关系l全厂的总能量损失 l全厂的总能量平衡l全厂的能量损失率 jbpcmgQQQQQQ cpejebpcmg36003600QPQPQQQQQjc pic pc pQQl简单凝汽式电厂的热流图 100%燃料的热能锅炉损失管道损失汽轮机机械损失发电机损失有效热能变为电能约(811)%(0.51)%(24.540)%(50.561.5)%冷源损失(0.51)%(0.51)% 2.2 凝汽式发电厂的主要热经济指标及评价 凝汽式发电厂常用的热经济性指标有：能耗量(汽耗量、热耗量、煤耗量)、能耗率汽耗率、热耗率、煤耗率)和全厂热效率。 1、

7、汽轮发电机组的热经济指标 汽轮发电机组的汽耗量和汽耗率 汽轮发电机组的汽耗量是指单位时间汽轮发电机组生产电能所消耗的蒸汽量。 kg h61423V1q2qIV5 对纯凝汽式汽轮发电机组 00m3600 ecgPDhh汽轮发电机组的汽耗率是指汽轮发电机组生产单位电能所消耗的蒸汽量。000m3600 ecgDdPhh燃料的热能100%qr h 11D zzDrh rh,p tzhch ccD jjD rhrhD 11D1hjhfwDnet,pB qbDbh1hjh zzDzh jjD001Dh、回热和再热机组的汽耗量 ：0m03600egPDhqhh zj jc crhrh1汽耗率 00m0360

8、0egDdPhqhh zj jc crhrh1汽轮发电机组的热耗量和热耗率 汽轮发电机组的热耗量是指单位时间汽轮发电机组生产电能所消耗的热量 。汽轮发电机组的热耗率是指汽轮发电机组生产单位电能所消耗的热量。000fwrhrh+QDhhD q0000fwrhrheQqdhhqP2.2全厂的热经济指标 1. 全厂的热耗量和热耗率凝汽式发电厂单位时间内生产电能所消耗的热量称为全厂热耗量 。00imge36003600eQqP b0ecpnetbbpbpe3600QQPQBq l凝汽式发电厂生产单位电能所消耗的热量称为全厂热耗率 。l全厂厂用电率 cpcpecpbpe36003600QqP apap1

9、00%ePP全厂的净效率：发电量扣除厂用电量所得的全厂热效率，也称为供电热效率。全厂煤耗量和煤耗率 全厂的发电煤耗量：全厂煤耗量表示单位时间内发电厂所消耗的燃煤量（ ），即 eapeapncpcpapnetcp360036001=1PPPBqQkg hcpbenetbnetcpnet3600QQPB=qqq 全厂煤耗率为发电厂生产单位电能所消耗的燃煤量（ ），即 全厂标准煤耗率 ：发电厂生产单位电能所消耗的标准燃煤量kgkW hcp0netnetbpecpnet 3600=qqqqBb=Pq s0pcpcpb36000.123 =2927029270qb 供电标准煤耗率 ：发电厂对外供应单位电

10、能所消耗的标准燃料量称为供电标准煤耗率 。snnncpcp36000.123 =29270b 2.3 提高热力发电厂热经济性的主要方法 2.3.1 提高蒸汽初参数1.蒸汽初参数对理想循环热效率的影响 (1)提高蒸汽初温度对理想循环热效率的影响 在蒸汽初压力和排汽压力一定的情况下，初温度提高时，循环吸热过程的平均温度升高，理想循环热效率提高了。 提高蒸汽初压力对理想循环热效率的影响 在蒸汽初温度和排汽温度一定的情况下，随着p0的增加，有一使循环热效率开始下降的压力称为极限压力。在极限压力范围内，随着初压力的升高，理想循环效率是提高的。 2蒸汽初参数对汽轮机相对内效率的影响（1）提高蒸汽初温度对汽

11、轮机相对内效率的影响 叶栅损失减少； 漏汽损失减小；蒸汽比容增大 叶轮摩擦损失减少； 湿汽损失减小。 提高蒸汽初温度可以使汽轮机的相对内效率提高。（2）提高蒸汽初压力对汽轮机相对内效率的影响 级内叶栅损失增大； 级间漏汽损失增大；蒸汽比容减小 叶轮摩擦损失相对增大； 蒸汽湿度增加，湿汽损失增大； 导致汽轮机相对内效率降低。而且，蒸汽初温度越低，改变蒸汽初压力时，汽轮机相对内效率的下降也越大。 3蒸汽初参数对实际循环热效率的影响在蒸汽初压力及终压力不变时，提高蒸汽初温度，理想循环热效率和汽轮机相对内效率都提高，所以实际循环热效率将提高。在蒸汽初温度和机组容量一定时，提高蒸汽初压力实际循环热效率也

12、是先增大后减小，存在一个使实际循环热效率达最大值的最佳初压力。 蒸汽初温度越高，实际循环热效率也越高；对应于每一个蒸汽初温度，都有一个使实际循环热效率达最高值的最佳蒸汽初压力 ；蒸汽初温度越高，相应的最佳蒸汽初压力 也越高； 相同的蒸汽初温度情况下，汽轮机容量越大，最佳蒸汽初压力也越高。 蒸汽初参数对热力发电厂热经济性的影响归纳如下： 在极限蒸汽初压力以内，提高汽轮机的蒸汽初参数，可使循环热效率提高； 提高蒸汽初温度，蒸汽比容增大，容积流量增大，在其它条件不变的情况下，汽轮机叶栅高度增加，叶栅损失减少。同时，级间漏汽损失和湿汽损失相对减少。因此，提高蒸汽初温度，可使汽轮机的相对内效率得到提高。

13、 提高蒸汽初压力，蒸汽比容减小，容积流量减少，汽轮机的级间漏汽损失相对增大，叶栅损失增加。当容积流量小到使叶栅高度低于某一限度而必须采用部分进汽时，又增加了斥汽和鼓风摩擦等损失。此外，提高蒸汽初压力，会使排汽终湿度增加。增大了湿汽损失。所以，提高蒸汽初压力，使汽轮机的相对内效率降低。 若同时提高汽轮机新蒸汽的初压力和初温度，则使汽轮机相对内效率ri降低或提高的因素同时起作用。 分析计算表明，提高蒸汽初压力对相对内效率降低的影响大于提高蒸汽初温度对相对内效率提高的影响。也就是说，同时提高蒸汽的初压力和初温度，汽轮机的相对内效率ri是降低的。而这个影响的大小与汽轮机的单机容量有关的，汽轮机的单机容

14、量愈小，这一影响就愈大。反之，就愈小。 经技术经济计算，只有当汽轮机的蒸汽消耗量大于100t/h时，采用高参数(9.0MPa，500535)时，经济性才有明显提高。 综上所述，汽轮机的单机容量与其进汽参数应是相配合的，即高参数必须是大容量，低参数必然是小容量。4.提高蒸汽初参数受到的限制提高蒸汽初温度主要受热力设备材料强度的限制。 提高蒸汽初压力主要受汽轮机末级叶片容许最大湿度的限制。 2.3.2蒸汽终参数对电厂热经济性影响蒸汽终参数对电厂热经济性影响 在蒸汽初参数一定的情况下，降低蒸汽终参数在蒸汽初参数一定的情况下，降低蒸汽终参数pc将将 使循环放热过程的平均温度降低，根据使循环放热过程的平

15、均温度降低，根据 可知，理想循环热效率将随着排汽压力可知，理想循环热效率将随着排汽压力pc 的降低而增加。降低的降低而增加。降低排汽压力排汽压力pc ，使汽轮机比内功，使汽轮机比内功wi增加，理想循环热效率增加。增加，理想循环热效率增加。图124 排汽压力与理想循环热效率关系曲线11TTct 但随着排汽压力的降低，也有不利不利的一面： 汽轮机低压部分蒸汽湿度增大，影响叶片叶片的寿命的寿命； 湿汽损失增大，汽轮机相对内效率下降相对内效率下降。过分地降低排汽压力，则会使热经济性下降。随着排汽压力的降低，排汽比容增大，在余速损失为一定的条件下，就得用更长的末级叶片或多个排汽口，凝汽器尺寸增大，投资增

16、加。若排汽面积一定，则排汽余速损失会增加。 极限背压极限背压 -随着排汽压力的降低，带来的理想比内功的增加等于余速损失增加时的背压。 因此，在极限背压以上在极限背压以上，随着排汽压力pc的降低热经济性是提高的。 2、降低蒸汽终参数的极限降低蒸汽终参数的极限 汽轮机的排汽与冷却水是通过凝汽器的管壁汽轮机的排汽与冷却水是通过凝汽器的管壁进行传热的，它有如下的关系：进行传热的，它有如下的关系：ttttcc112ccttt其中 图125 凝汽器中传热温度与传热面积的关系曲线所以汽轮机排汽的饱和温度，必然大于以下两个极限：理论极限排汽的饱和温度必须等于或大于自然水温 ；技术极限 凝汽器冷却面积和冷却水量

17、不可能无限大，因此，凝汽器传热端差和冷却水温升不可能无限小。在给定的凝汽器热负荷和冷却水的进口温度下，增加冷却水量，则凝汽器真空提高，使机组出力增加Pe，但同时输送冷却水的循环水泵的功率也增加了Ppu。，则PePpu之差为最大时的冷却水所对应的真空即为凝汽器的最佳运行真空。 3凝汽器的最佳真空凝汽器的最佳运行真空是火力发电厂净燃料消耗量最小时所对应的真空。2.3.3 回热循环及其热经济性 给水回热加热是指在汽轮机某些中间级抽出部分蒸汽，送至回热加热器对锅炉给水进行加热的过程；与之相应的热力循环叫回热循环。图1-10 单级回热循环（a）单级回热加热系统图 （b）单级回热循环Ts图 1. 给水回热

18、加热的意义给水回热加热的意义 凝汽量减少 ，冷源损失降低 ；锅炉给水温度 提高了，平均吸热温度提高 了，锅炉的传热温差降低。做功能力损失减小了。 2. 给水回热加热的热经济性给水回热加热的热经济性 给水回热加热的热经济性主要是以回热循环汽轮机绝对内效率来衡量。现以一级回热为例 ，如图有下列关系：图1-11 单级回热循环的汽流分配图1cj0DDDcj 单级回热汽轮机的绝对内效单级回热汽轮机的绝对内效率为率为 图1-11 单级回热循环的汽流分配图RirrRiccjjccjjiAAhhhhhhhh11)()()()(0000)()(00ccccRihhhh)()(00ccjjrhhhhA 回热式汽轮

19、机的动力系数， 它表明抽汽流所做内功占凝汽流所做内功的份额。汽轮机有回热抽汽时， 0，由上式可得： rArARii 由此可知，采用给水回热加热，可使汽轮机组的绝对内效率提高，且回热抽汽动力系数回热抽汽动力系数愈大，绝对内效率愈高； 对于多级无再热的回热循环，若忽略水泵耗功，汽轮机绝对内效率为：ZccjjZccjjihhhhhhhh100100)()()()()()(010ccZjjrhhhhA)()(00ccccRihhhhkiRirriAA11 结论：结论：具有回热抽汽的汽轮机，每1kg新蒸汽所做的总内功 由Z级回热抽汽做内功之和 与凝汽流做内功 所组成（对无再热机组），即 。由于回热抽汽做

20、功后没有冷源热损失，在 恒定的可比条件下， 愈大， 愈小，冷源损失愈小， 增加得愈多。我们用回热抽汽所做内功在总内功中的比例 来表明回热循环对热经济性的影响程度， 称为“回回热抽汽做功比热抽汽做功比”，显然 愈大， 也愈大。对于多级回热循环，压力较低的回热抽汽做功大于压力较高的回热抽汽做功。因此，尽可能利用低压回热抽汽，将会获得更好的效益。iwZjjrihhw10)()(0cccihhwciriiwwwiwriwciwiirirwwX rXrXi3. 影响回热过程热经济性的基本参数 影响回热过程热经济性的基本参数有：多级回热给水总焓升(温升)在各加热器间的焓升分配、给水温度、回热加热级数。 （

21、1）给水回热加热级数 随着回热级数的增加， 随之增加，但增加的幅度 却是递减的。 i1zizii 由热量法由热量法可知，随着回热级数的增加，能更充分地利用较低压抽汽，从而使回热抽汽做功增加，动力系数增加，因此，回热循环的效率也提高了。 根据平均分配法的简化条件， 、 均为定值，有： qwh111) 1(111)1 (11)(1zcbzwzwiqzhhqhhqqMie11Mqhhcb令令则则图116 汽轮机绝对内效率i与回热级数z的关系（2）最佳回热分配 平均分配法是按照每一级加热器内给水的焓升相等进行分配的。 1.01)1(zhhhhhhcbwwjwwj 2 . 最佳给水温度最佳给水温度 回热

22、循环汽轮机绝对内效率为最大值时对应的给水回热循环汽轮机绝对内效率为最大值时对应的给水温度称为热力学上的最佳给水温度。当无再热时：温度称为热力学上的最佳给水温度。当无再热时： 随着给水温度的提高，一方面，做功不足系数Yj增加。当机组初、终参数和汽轮发电机组输出功率一定时，无回热无再热凝汽式汽轮机的汽耗量 ( ）是一个常数。因此，因此， 随着给水温度的提高而增大，随着给水温度的提高而增大，汽耗率汽耗率 也会随着给水温度的提高而增加。也会随着给水温度的提高而增加。opfwtgmfwihhd)(36000)(0fwhhdq在在为最小值时，为最小值时， 有最大值。有最大值。igmceRhhPD)(360

23、000jjRDYDD00ePDd0 另一方面，随着给水温度的提高，1kg工质在锅炉中的吸热量 将会减少，因此汽轮发电机组热耗率及汽轮机绝对内效率受双重影响。如图所示，存在一最佳的给水温度，使回热循环汽轮机的绝对内效率为最大。 图114 回热级数、给水温度（或最高抽汽压力）与回热经济性(a) 单级回热；（b）多级回热fwhhq00 做功能力法认为做功能力法认为：随着给水温度的提高，一方面，工质在锅炉中的平均吸热温度 上升了，使传热温差 下降、 减小。另一方面，回热加热器内换热温差 及对应的不可逆损失 增加了。提高给水温度使 减小而 增加的双重作用下，同样存在最佳给水温度。 单级回热汽轮机的绝对内

24、效率达到最大值时回热的给水温度为 ，此温度为回热的最佳给水温度。1TbTIIIbIrIrIIIIbIrT2csoopfwttt（3）最佳给水温度 多级抽汽回热循环的最佳给水温度与回热级数、回热加热焓升在各级加热器之间的分配有关。 若按平均法进行回热分配时，其最佳给水焓值为 ： ZzhhhhZhhcbcwcopfw)1(（4）回热循环基本参数间的关系 1）当给水温度一定时，回热加热的级数z越多，回热循环热效率越高； 2）回热加热的级数越多，最佳给水温度和回热循环热效率越高； 3）随着加热级数的增多，回热循环热效率会提高，但每增加一级热效率提高的幅度却是递减的； 4）在各曲线的最高点附近都有比较平

25、坦的一段，它表明实际给水加热温度少许偏离最佳给水温度时，对系统热经济性的影响并不大，因此，经济上最有利的给水温度低于理论上的最佳给水温度。 初参数容量回热级数给水温度热效率相对增长p0t0/trhPe(MW）Ztfw（） (%）MPa（）2.353.348.8312.7513.2416.1824.2225390435535535/535550/550535/535538/566600/6000.75,1.5,3.06,12,2550,100200125300,600600100013356787888105145175205225220250220250250280280290294.1298

26、.56789111314151516比亚临界机组增加2%比超临界机组增加2.5%国产凝汽式机组的容量、初参数、给水温度以及回热级数之间的关系RiRiii=2.3.4蒸汽中间再热循环及其热经济性 1、蒸汽中间再热的目的蒸汽中间再热的目的 使排汽湿度不超过允许的限度而采用了蒸汽中使排汽湿度不超过允许的限度而采用了蒸汽中间再热。间再热。 提高了汽轮机的相对内效率，减少汽轮机总汽提高了汽轮机的相对内效率，减少汽轮机总汽耗量。耗量。 图127 蒸汽中间再热系统 采用中间再热将使汽轮机的结构、布置及运行方式复杂，金属消耗及造价增大，对调节系统要求高，使设备投资和维护费用增加 。 2、蒸汽中间再热蒸汽中间再

27、热的经济性的经济性 蒸汽中间再热对蒸汽中间再热对汽轮机相对内效率汽轮机相对内效率的影响的影响 湿汽损失降低，从湿汽损失降低，从而使汽轮机相对内而使汽轮机相对内效率提高。效率提高。 图128 理想的一次再热循环Ts图 蒸汽中间再热对理想循环热效率的影响蒸汽中间再热对理想循环热效率的影响 再热循环的理想循环热效率为再热循环的理想循环热效率为rhtqqqqt00001qqqqt) 1(0qqttttrht以相对变化量表示：以相对变化量表示：=图128 理想的一次再热循环Ts图100只有当附加循环热效率只有当附加循环热效率 大于基本大于基本朗肯循环热效率朗肯循环热效率 时，采用蒸汽时，采用蒸汽中间再热

28、后，热经济是提高的。中间再热后，热经济是提高的。 t3.蒸汽中间再热参数 提高再热后蒸汽温度可以提高再热循环的热效率。 再热蒸汽温度的提高，同样要受到高温金属材料的限制。用烟气再热时，一般取再热蒸汽温度等于或接近于新蒸汽的温度，trht0(1020)。 存在一个最佳的再热压力，在这个压力下进行再热可使再热循环热效率达到最大值。当再热蒸汽温度等于蒸汽初温度时，最佳再热压力约为蒸汽初压力的1826。当再热前有回热抽汽时，取1822；再热前无回热抽汽时取 2226。国产中间再热机组的再热参数国产中间再热机组的再热参数汽轮机型号冷段参数热段参数pinrh/p0prh/pinrh压力(MPa)温度（）压

29、力(MPa)温度（）%N125-13.24/550/5502.553312.295501910N200-12.75/535/5352.473122.165351912.6N300-16.18/550/5503.583373.225550229.9N600-1667/537/5373.71316.23.345372210N600-24.2/538/5664.66298.83.3456619.36.87N1000-25/600/6004.73344.84.2560018.910N1000-25/600/6006.004376.55.3956002410N1000-25/600/6005.12353

30、.64.6160020.5104.蒸汽中间再热的方法(1)烟气中间再热： 烟气再热可使再热蒸汽温度提高到550600。因而在采用合理的中间再热压力和保证再热有较大的效果时，可使总的热经济性相对提高68。图132 一次再热机组热效率相对提高值 (2)蒸汽中间再热 蒸汽中间再热是指利用汽轮机的新蒸汽或高压抽 汽为热源来加热再热蒸汽。 蒸汽中间再热后的汽温较低，比再热用的汽源温度还要低1040，相应的再热蒸汽压力也不高。用新蒸汽进行再热要比用烟汽再热的效果差得多，一般情况下热经济性只能提高34。 (3)用中间载热质再热蒸汽的方法 这种系统需要有两个热交换器：其一装在锅炉设备烟道中，用来加热中间载热质

31、；另一个装在汽轮机附近用中间载热质对汽轮机的排汽再加热。该方法选用的中间载热质应当保证它具有许多必要的特征：高温下的化学稳定性；对金属设备没有侵蚀作用；无毒；其比热要尽可能大而比容要尽量小等等。 这种再热系统是一种 有发展前途的中间再 热系统 5.再热对回热经济性的影响 回热机组采用蒸汽中间再热，会使回热的热经济效果减弱，同时影响回热的最佳分配。 2.3.5 热电联合生产 在火力发电厂中利用在汽机中做过功的蒸汽(调节抽汽或背压排汽)的热量供给热用户。这种在同一动力设备中同时生产电能和热能的生产过程称为热电联合生产(联合能量生产)。这种形式的热力发电厂称为热电厂。图1-39 联合能量生产系统图（

32、a）调节抽汽式汽轮机电厂; (b） 背压式与凝汽式汽轮机并列电厂1-锅炉；2-汽轮机；3-热用户；4-热网水回收水泵；5-加热器；6-给水泵；7-凝汽器；8-凝结水泵；9-减温减压器 调节抽汽式汽轮机供热系统如图2-23a所示。 背压式汽轮机供热系统如图2-23b所示 。 凝汽采暖两用机供热系统如图2-23c所示。 图2-23a2-23b2-23c热电联产的优点热电联产的优点（1） 节约燃料。将冷源中热损失的全部或部分用来供给热用户，且用高效率的大型锅炉代替了低效率的小型锅炉。 （2） 提高供热质量，改善劳动条件。供热设备相对集中，容量比较大，供热管网的规模比较大，适应热用户负荷变化的能力比较强，提高了供热质量。同时，供热设备的大型化，提高了热电厂的机械化和自动化的程度，改善了工人的劳动条件，减轻了劳动强度。