第一章 热力发电厂的评价与可持续发展

第一章热力发电厂的评价及可持续发展第一节热力发电厂的热经济评价第二节凝汽式发电厂的热经济指标

第三节热力发电厂的安全生产

第五节我国火力发电工业的可持续发展

本章提要第四节热力发电厂的环境保护

第一节热力发电厂的热经济评价发电厂能量转换的过程中恒有各种损失化学能→

热能→机械能→电能通过衡量能量转换过程中的能量利用程度（正平衡）或能量损失大小（反平衡）来评价火电厂的热经济性目的：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一、两种基本分析方法（一）热量法（热效率法、热平衡法）

基于热力学第一定律

——从能量转换的数量来评价其被利用的效果，即有效利用的热量与供给热量之比。

式中，Q1—外部热源供给的热量，—该动力装置的理想比内功（以热量计），—循环中各项能量损失之和（以热量计），—各项能量损失系数之和。（二）火用方法（可用能法、做功能力法）或熵方法

基于热力学第二定律

——从能量的质量来评价其效果，即有效利用的可用能与供给的可用能之比。式中:Esup—供入系统的可用能，—循环中各项不可逆因素导致的各项可用能损失之和，—循环中各项可用能损失系数之和。若循环供入可用能是温度为T1的热源提供的热量Q1,,

于是可得两种基本分析方法效率之间的关系式为：

式中，—循环火用效率，—卡诺循环效率，T1—热源温度，K，Ten—冷源（环境）温度，K。非理想因素：给水泵不可逆(3-4’)汽机不可逆(1’-2’)蒸汽管道摩擦降压，散热(1-1’)

sT322’11’4二、蒸汽动力循环——朗肯循环热量法以热效率或热损失率来衡量能量转换过程的热经济性。用绝对量表示，即汽轮机热耗Q0、全厂热耗量Qcp，单位均为kJ/h，且Qcp

=BqL；当汽轮机的汽耗量为D0时，其实际内功率以热量为单位计为Wi，kJ/h;其轴端机械功率为Pax，kW；发电机功率为Pe，kW。

三、热量法（一）火用效率与火用损火用：某种能量理论上能够可逆的转换为功的最大数量，用Ex表示热量火用、温度火用、潜热火用、压力火用、化学火用、焓火用焓火用（稳定流动工质的火用）：火用平衡关系：火用效率：

四、火用方法

火用平衡方程的图解

火用损：热力设备eqeinwaeout锅炉的Ex分析（燃烧）排烟过热汽1水4（3）渣燃料空气空气燃料设燃料完全是Ex（1）燃烧，烟气热量以环境为基准平均燃烧温度锅炉的Ex分析（散热）排烟过热汽1水4（3）渣燃料空气（2）排烟，渣，散热后，可传给水的ex锅炉的Ex分析（传热）排烟过热汽1水4（3）渣燃料空气（3）传热，水的温度远比燃气低，温差传热水得到的ex管道的Ex分析11’sT322’11’4管道的Ex分析11’汽机入口ex管道的ex损失////汽轮机的Ex分析1’2’wnet’绝热sT322’11’4汽轮机的Ex分析汽轮机最大可能作功汽轮机的ex损失1’2’wnet’汽轮机实际输出功/////冷凝器的Ex分析32’sT322’11’4五、两种热经济性评价方法的比较及其应用以按朗肯循环工作的同一凝汽式发电厂为实例，用两种热经济性评价方法的具体计算结果，予以对比说明。pb=14MPa，tb=560℃，p0=13.5MPat0=550℃pc=0.004MPa，炉膛烟气平均温度2000K，各项效率为b=0.9，ri=0.85，燃料发热量3738.2kJ/kg，求忽略泵功时，循环热效率、装置效率；各部分能量损失大小及百分率。计算结果如表所示：热量法的热损失火用方法的火用损项目数量kJ/kg所占份额%项目数量kJ/kg所占份额%锅炉373.8210锅炉2183.9258.42蒸汽管道21.010.56蒸汽管道18.080.48汽轮机汽轮机215.525.77凝汽器2083.9555.75凝汽器61.981.66装置做功1259.7033.7装置做功1259.7033.7总损失2478.79总损失2479.50动力装置效率33.7动力装置效率33.7由计算结果可知：本例中供入的热量和可用能相等，因此两种方法算得的总损失量和装置效率是相同的。热量法不区分能量品位的高低，故凝汽器的热损失为最大，而火用方法锅炉损失最大。热量法只表明能量数量转换的结果，不能揭示能量损失的本质原因。火电厂热经济指标计算，中外各国仍广泛采用热量法。第二节凝汽式发电厂的热经济指标我国热力发电厂采用热量法定量评价热经济性，衡量对象为汽轮发电机组或整个发电厂。常用的热经济指标主要有

1、能耗（汽耗、热耗、煤耗，以每小时、每年计其耗量）

2、能耗率（汽耗率、热耗率、煤耗率，以每千瓦时或兆瓦时计其能耗率，效率以%度量）。一、汽轮发电机组热经济性指标一、汽轮发电机组热经济性指标（一）凝汽式汽轮机的绝对内效率ηi

1.i表达式

Q0为汽轮机热耗故：绝对内效率ηi等于理想循环热效率ηt乘以汽轮机相对内效率ηri，因此可称为实际循环热效率。一、汽轮发电机组热经济性指标（一）凝汽式汽轮机的绝对内效率ηi

2.汽轮机实际内功Wi和比内功ωi的计算

汽轮机实际内功Wi为汽耗量为D0的蒸汽在汽轮机中做出的功汽轮机比内功ωi为1kg蒸汽在汽轮机中做出的功（1）输入能量-输出能量（2）凝汽流与各级回热抽气流所做功之和（3）1kg凝汽流做功与各段抽汽流做工不足之差（4）等效于kg的凝汽流的实际焓降（5）比热耗-热量损失一、汽轮发电机组热经济性指标（一）凝汽式汽轮机的绝对内效率ηi

3.给水泵功的处理

蒸汽初参数不高时，一般不考虑给水泵泵功；蒸汽初参数较高时，一般要考虑给水泵泵功如考虑给水泵功所带来的影响一、汽轮发电机组热经济性指标（二）汽耗量D0和汽耗率d0

汽耗量是在电功率为Pe时汽轮发电机组的进汽量。汽轮机功率方程：

汽耗率是指汽轮发电机组每发1kWh电能所需的进汽量一、汽轮发电机组热经济性指标（三）热耗量Q0和热耗率q0

热耗量是在电功率为Pe时汽轮发电机组所消耗热量。

热耗率是指汽轮发电机组每发1kWh电能所需的热量一、汽轮发电机组热经济性指标（三）热耗量Q0和热耗率q0

汽轮发电机组输入能量为汽轮机组热耗Q0，输出能量为电功率Pe，其热效率称为汽轮发电机组绝对电效率。

一、汽轮发电机组热经济性指标二、全厂热经济指标（一）全厂发电热经济指标全厂热耗

全厂热耗率

全厂煤耗率全厂标准煤耗率全厂发电热效率（全厂毛效率）

，三者知其一，即可根据这三个关系式求得其余两项指标

qcp

cp

二、全厂热经济指标（二）全厂发电热经济指标全厂供电热效率（全厂净效率）

全厂供电热耗率

全厂供电标准煤耗率年代1950196019701980199020002005709553463413392363352848600502448427392374我国火力发电厂历年煤耗率，g/(kWh)

标准煤耗率表明一个电厂范围内的能量转换过程的技术完善程度，也反映其管理水平和运行水平，同时也是厂际、班组间经济评比和考核的重要指标之一。

三、热经济指标间的变化关系（一）汽轮机组热耗率的变化与机组绝对内效率变化的关系（二）全厂标准煤耗率的变化与机组绝对内效率变化的关系三、热经济指标间的变化关系（三）机组绝对内效率、热耗率及全厂标准煤耗率相对变化之间的关系当经济性变化微小时用机组热耗率、机组绝对内效率、标准煤耗率等指标的相对变化表示热经济性变化，它们的相对变化率的绝对值是相同的，但绝对变化值是不同的。四、发电厂机组考核锅炉：GB10184-88《电站锅炉性能试验规程》汽轮机：GB8117-87《电站汽轮机热力性能验收试验规程》

热力发电厂必须在满足安全生产的前提下力求经济（热经济与技术经济），并能实现环境保护与可持续发展。

第三节热力发电厂的安全生产一、安全管理（一）概述电力是国民经济建设的能源物质基础，关系到整个国家经济的发展和人民物质文化生活的提高。电力工业是国家的经济命脉，与其他行业相比，其突出特点是电力的产供销是连续瞬时完成的，不可储存。如电力生产不安全，供电不可靠，势必严重影响工农业生产和人民生活，不仅会造成国民经济的巨大损失，而且可能酿成严重的社会灾害。电力企业效益，首先体现在安全可靠供电的社会效益。一、安全管理（一）概述火力发电机组向高参数、大容量发展，电网也不断扩大至几千万千瓦，甚至全国联网，具有许多优点的同时，由于各厂众多设备、部件相互关联，任一环节、部件或某一运行操作不当，发生事故，会连锁反应酿成大面积或整个电网长时间停电，甚至全网瓦解。电力企业必须坚持“安全第一、预防为主”，电力安全生产是涉及全过程管理的问题，应从煤的质量、设备原材料及其制造工艺和质量、规划设计、安装调试、运行能力以及生产经营、组织管理等多个方面抓起。一、安全管理（一）概述广义的安全管理包括决策管理、一般管理与行政管理。决策管理指完成决策的过程，行政管理指日常的行政工作，一般管理指执行决策的过程，包括计划、组织、协调、指导和控制。安全管理就是管理者对安全生产进行的计划、组织、协调、指导和控制的一系列活动，必须是全员全过程的。宏观的安全管理指国家或行业制订法律、法规，组织实施、监督检查并调查处理事故等一系列活动。微观的安全管理指依据国家及行政部门制订的法律、法规，并在其指导下结合本企业特点，处理人、财、物、环境、进度、安全信息等关系所开展的安全管理活动。一、安全管理（二）任务电网安全人身安全设备安全“保人身、保设备、保电网”构成了电力生产企业的安全基本职责与任务。一、安全管理（三）我国电力安全生产法规制度——层次分类一、安全管理（三）我国电力安全生产法规制度国家：《中华人民共和国电力法》、《电力供应与使用条例》、《电力设施保护条例》、《电网调度管理条例》、《供电营业规则》行业：IEC（国际电工委员会）、IEEE（美国电气与电子工程师学会）、电力、机械、建筑等强制性和非强制性安全标准国家电力公司：包括国家电力公司系统内的企业标准、安全管理规定、规程、制度等，如《安全生产工作规定》、《安全生产奖惩规定》、《电业生产事故调查规程》、《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》、《安全生产监督规定》网省电力公司：根据各自管理范围制定发供电施工企业：根据设备状况和施工条件制定服务性公司：根据性质制定一、安全管理（三）我国电力安全生产法规制度——内容及性质分类一、安全管理（三）我国电力安全生产法规制度——作用对象分类一、安全管理（四）安全性评价火力发电企业的过程控制包括安全性评价、安全检查、技术监督安全性评价管理过程：（1）设定安全评价标准：《输电网安全性评价》、《火电厂安全性评价》、《水电厂安全性评价》、《供电企业安全性评价》（2）建立专家库：主要由长期从事安全、生产技术的专家组成。专家必须经验丰富、技术过硬、掌握标准、熟悉程序（3）规范评价程序：按照规范的程序进行评价操作一、安全管理（四）安全性评价二、可靠性管理（一）概述热力发电厂可靠性是指在预定时间内和规定的技术条件下，保持系统、设备、部件、元件发出额定电力的能力，并以量化的一系列可靠性指标来体现热力发电厂可靠性管理是针对电厂设备安全的管理手段，应用统计分析方法综合分析设备的运行表现，对表征发电设备使用可靠性的若干指标进行统计、分析和评价，以指导设备在寿命周期内的运行、维修、改造直至报废全过程的管理工作。二、可靠性管理（一）概述60年代中期，可靠性管理引到电力工业。1980年美国电气电子工程师学会制订了“统计、评价发电设备可靠性、可用率和生产能力用的术语定义”试用标准。日本、英、法和原苏联等国家都开展电力可靠性管理工作；我国70年代后才起步，现已建有中国电力可靠性管理中心；二、可靠性管理（二）任务研究并制定可量化的可靠性指标和统计方法研究并制定可靠性指标的计算、预测、分配与评价方法探讨提高热力发电厂可靠性的途径和方法研究可靠性和经济性的最佳搭配二、可靠性管理（三）机组状态图纵坐标为机组最大出力GMC，MW，一般为机组额定容量；横坐标PH为统计期间（按季或年计）小时数。图中面积即为发电量W，MWh可用小时AH，运行小时SH，备用小时RH，计划停用小时POH，非计划停运小时UOH。二、可靠性管理（三）机组状态图非计划停运小时UOH：（1）UOH1：须立即停运（2）UOH2：需6h内停运（3）UOH3：在6h以上，但在周末前停运（4）UOH4：可延至周末后，但须在下次计划停用前从可用状态退出运行的停用（5）UOH5：超过计划停用期限的延长时间的停运强迫停用小时：FOH=UOH1+UOH2+UOH3二、可靠性管理（四）主要可靠性指标可用系数AF非计划停运系数UOF等效可用系数EUFEUNDH—等效降低出力小时ESDH—等效季节性降低出力小时二、可靠性管理（四）主要可靠性指标强迫停用率FOR非计划停用次数机组容量（MW）强迫停用率（%）非计划停运次数（次/台年）100～12361.5～2200～250123300～320103.5国产火电机组强迫停用率和非计划停运次数考核指标二、可靠性管理（四）主要可靠性指标100MW及以上容量火电投产后第1年可靠性指标二、可靠性管理（五）我国现状我国大火电机组的可用率，较国外同容量的火电机组低5%-12%，如果能将可用率提高5%，相当于国家不投资却多建设3000-3250MW的机组。三、寿命管理（一）概述设备使用寿命：从崭新的状态投入使用起，直至损伤失效不能继续使用的时间设计寿命：指在设计参数下，能保证安全经济运行的最小预计小时数。（最小安全运行寿命）安全运行寿命：指构件、材料、机组或电厂等在安全运行条件下的实际运行时间剩余寿命：安全运行寿命减去迄今为止的实际运行时间的差值。设计寿命<安全运行寿命三、寿命管理（二）任务寿命管理是以评估被管理对象的寿命损耗为基础而进行的使电厂以最低成本安全运行的技术和管理方法。火电设备寿命管理是以科学管理方法来延长设备的使用寿命：（1）设备寿命的评估或预测，合理确定其使用年限（2）设备的寿命分配（3）设备故障和失效诊断及设备寿命诊断（4）设备剩余寿命评估（5）设备寿命的延长三、寿命管理（三）寿命分配

预计火电设备的设计寿命年限内启动、停机次数和起停方式以及工况变化、甩负荷次数等，分配其各种工况下允许寿命损耗，并根据允许寿命损耗率，合理控制起停速度、运行温度、负荷变化率等，以保证使用寿命期间安全运行。运行方式温度变化℃温度变化时间min极限循环次数次每次寿命损耗率%30年使用次数次30年内寿命损耗率%控制应力极限MPa冷态启动500300100000.011001.0460温态启动300200100000.01100010460热态启动200100110000.0091300027.3440极热态启动1803035000.029100.3690正常停机1006050000.00240008290强迫冷却停00251000.3310正常负荷变化803040000.00251200030310带厂用电运行1802030000.033100.3720总计77.2日本三菱350MW机组寿命分配

由表可知：冷态启动每次寿命损耗0.01%，30年使用100次极热启动每次寿命损耗0.029%，30年使用10次三、寿命管理三、寿命管理（四）设备延寿锅炉、汽轮机等火电设备设计寿命一般为30年。高温构件、高温蒸汽管道的设计寿命，一般为105h。主要内容：设备评估、寿命预测、判废标准和检测寿命损耗状况等。四、设备故障诊断与检修设备检修：（1）事故检修（强制检修）（2）定期检修：常规的火电设备大小修程度，视设备各异，间隔4-8个月小修，间隔2-3年大修。（3）状态检修（预估检修）：根据状态监测、分析诊断确定的设备实际技术状况来决定检修日期和对象的预防性检修。燃煤电厂对环境造成危害的污染物：烟气污染物，指烟气中的粉尘、硫氧化物、氮氧化物、CO、CO2和碳氢化合物废水排放灰渣噪声第四节热力发电厂的环境保护（一）环境保护的重要性环境恶化威胁人类生存和发展。1972年联合国在斯德哥尔摩召开了第一次人类环境会议，发表了《人类环境宣言》，它是促进全世界重视环境问题的里程碑。我国对环境问题的认识较发达国家迟，在《人类环境宣言》发表一周年后，即1973年8月才召开了第一次全国环境保护会议，并相应成立了我国第一个环境保护机构。我国电力工业环境保护工作开始于1973年，并成立了管理部门和电力环境保护研究所，在高校设立了环境工程系和专业及一个硕士点。一、环境保护的重要性及火电厂环保评价的要求（二）火电厂环保评价的一般要求装机容量50MW及以上的火电厂（供热机组为25MW以上）要作环境影响评价，并编制环境影响报告书；50MW及以下的火电厂，只填写环境影响报告表。应执行环境影响报告书（表）的编审制度，和防治污染的设计与主体工程同时设计、施工、投产的“三同时”制度。火电建设项目的环境保护设计应贯彻统一规划、分期建设、分期收益的原则。火电建设项目的环境保护设计，在满足环境保护要求的同时，必须确保安全经济发电。一、环境保护的重要性及火电厂环保评价的要求（三）火电厂各设计阶段对应环境保护工程设计要求初步可行性研究阶段应编写发电厂的环境容量及影响简要分析、环境容量及影响评价。可行性研究阶段应编写环境保护工程设想，提出环境影响报告书。初步设计阶段应编写环境防治方案设计。施工图设计应编写环境保护防治设施设计。应遵循《火力发电厂设计技术规程（DL5000—2000）》中“环境保护”的要求一、环境保护的重要性及火电厂环保评价的要求（一）环境空气质量标准（GB3095-2001）

环境空气质量功能区分为三类：

一类区为自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护地区二类区为城镇规划中确定居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区，三类区为特定工业区。

不同区执行不同的标准。二、火电厂的废气排放二、火电厂的废气排放（二）火电厂大气污染物排放标准（GB13223—2003）1996年12月31日前建成投产或通过建设项目环境影响报告书审批的新建、扩建、改建火电厂建设项目，执行第1时段排放控制要求。1997年1月1日起至本标准实施前通过建设项目环境影响报告书审批的新建、扩建、改建火电厂建设项目，执行第2时段排放控制要求。自2004年1月1日起，通过建设项目环境影响报告书审批的新建、扩建、改建火电厂建设项目（含在第2时段中通过环境影响报告书审批的新建、扩建、改建火电厂建设项目，自批准之日起满5年，在本标准实施前尚未开工建设的火电厂建设项目），执行第3时段排放控制要求。二、火电厂的废气排放（三）大气污染防治高烟囱排放高效除尘器：新投产机组除尘器效率应在99%以上；单机容量200MW及以上几组，32个重点城市单机容量100MW及以上机组，采用电气除尘器；静电除尘器的台数对670t/h及以上锅炉定为不少于两组，对420t/h及以下锅炉允许只设一组二、火电厂的废气排放（三）大气污染防治SO2控制技术的开发应用：煤炭洗选、洁净煤燃烧、燃用低硫煤和烟气脱硫（按反应物状态分为干法和湿法，按反应产物处理方式分为抛弃法和回收法）NOx控制技术的开发应用：低氮氧化物燃烧技术（燃烧优化调整、空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环及低氮氧化物燃烧器）、炉内喷射脱硝技术、烟道尾部增设脱硝装置。300MW及以上机组，锅炉应采用低氮氧化物燃烧技术。二、火电厂的废气排放三、节约水资源及废水资源化我国是人均水资源占有量很少的国家电力行业面临的紧迫任务：

1．节约水资源

2．废污水处理

3．控制热排水的污染大型火电厂节水关键在于采用新工艺、新技术、新设备，以获得水耗少、多发电的效益。

一座200MW的火电厂，由于采用不同的技术方案，全厂耗水量可从0.05m3/s到0.37m3/s，相差约7倍。三、节约水资源及废水资源化老电厂节水改造措施：提高循环冷却水的浓缩倍率、合理安排冲灰除渣水、工业水与生活污水的回收利用、加强水务管理将以地下水为水源的直流冷却供水系统改为循环冷却供水系统用直接空冷供暧燃煤大机组装备老厂以高参数大容量供暖大机组替代退役小机组利用天然气发电的燃气蒸汽联合循环机组替代燃煤小机组。应用增压流化床(PFBC)技术用燃煤整体煤气化燃气蒸汽联合循环(IGCC)发电三、节约水资源及废水资源化新建电厂节水措施：北方缺水煤矿坑口地区，建设600MW级空冷电站群推广分段浓缩串联使用的循环冷却水处理技术鼓励就近利用城市污水的再生水作火电厂补充水水源开发增压流化床联合循环(PFBC)发电技术对缺水又限制外排废水的燃煤电厂，可考虑实现全厂废水零排放方案，但经济性较差广泛采用气力除灰与干贮灰场特殊情况，可考虑风冷型干排渣技术灰渣综合利用原则是“贮用结合，因地制宜，多种途径，积极利用，讲究实际”。我国开发的灰渣利用技术已达200多项，进人工程应用的50多项。如粉煤灰生产建筑材料（水泥、砖、砌块、加气混凝土及耐热耐火材料等），粉煤灰用于建筑工程（大体积混凝土、水下混凝土、泵送混凝土等）。国外已有利用热排水养殖各种贝类、对虾及藻类。美国用以加热埋入土中的灌溉管系，使作物早熟、增收。我国有的电厂用热排水养殖鱼类，具有生长快、产量高的优点，并能降低鱼种越冬死亡率。有的电厂用以农业灌溉，也收效良好。四、灰渣、热排水治理及综合利用（一）噪声源控制由国家规定的产品噪声标准控制，没有的可参考以下数据：引风机（进风口前3m处）85dB（A）；送风机（进风口前3m处）90dB（A）；钢球磨煤机95～105dB（A）；其他中、高速磨煤机86～95dB（A）；汽轮机（包括注油器，距声源1m处)90dB（A）；发电机及励磁机（距声源1m处)90dB（A）；排料机（距机壳1.5m处)