《能源与动力装置》11 发电厂系统及其他动力装置

第十一章

发电厂系统及其他动力装置第一节

火电厂热力系统与经济性分析一蒸汽动力循环二火电厂热力系统三火电厂热经济性评价一蒸汽动力循环化学能——热能——机械能——电能蒸汽动力循环（一）郎肯循环1郎肯循环的热力过程

卡诺循环——热效率最高的理想循环

郎肯循环——实际采用的理想循环热效率： vSpT12344123卡诺循环4-1等温吸热过程 1-2绝热膨胀过程2-3等温放热过程 3-4绝热压缩过程

T2T11´-2´-3´-4´-1´郎肯循环水蒸气：1-2-3-4-1 卡诺循环pvTS12341234

4´

3´

1´

2´

1´

2´

3´

4´2郎肯循环的组成

郎肯循环由锅炉、汽轮机、冷凝器、水泵组成B：锅炉S：锅炉过热器T：汽轮机C：冷凝器P：水泵STCR4123BpvTS12341234

4´

3´

1´

2´

1´

2´

3´

4´B：锅炉4’-4-1S：锅炉过热器1-1’T：汽轮机1’-2’C：冷凝器2’-3’P：水泵3’-4’3郎肯循环的热效率

郎肯循环热效率<40%提高热效率措施：a提高蒸汽的平均吸热温度（提高蒸汽初参数和再热蒸汽参数）b降低汽轮机排汽压力（一般取0.005Mpa）c减少散热、排烟的外部能量损失(降低排烟T、优化过剩空气系数)d提高锅炉、汽轮机内效率（改进设计）锅炉汽轮机冷凝器

qF100%

qB10%

qP0.6%

WT34.1%qcom55.3%（二）回热循环目的：改善吸热过程郎肯循环的T-s图TS124365给水回热给水回热： 把多级汽轮机中作过功的蒸汽，逐级抽出来加热给水实际蒸汽动力装置回热循环S81234567ABⅠⅡ

aA

aB

目的：减少冷源损失提高锅炉给水温度给水回热加热循环优点a增加进汽量，减少排汽量，提高热效率，改善末级叶片强度；b减少锅炉的受热面；c减少凝汽器的换热面。实际回热循环的T-s图TS124365AB7缺点系统复杂，增加投资中间再热循环：

汽轮机高压部分—————

锅炉再热器—————汽轮机中、低压部分————（三）中间再热循环膨胀作功再过热膨胀作功一次再热、二次再热目的：提高蒸汽初压增大乏汽的干度中间再热循环4123再热器ba中间再热循环的分析a再热压力高，热效率高；b再热压力太高，对干度影响小，减弱整个循环热效率；c再热压力为新蒸汽压力20—30%d一次再热可提高热效率2—3.5%中间再热循环的T-s图TS124365abc（四）热电循环热电循环（热电联产）

蒸汽在汽轮机中做功生产电能，并将部分或全部蒸汽引出送到热用户目的：充分利用低位热能，提高热效率背压机循环TSbcda1e11211凝汽机循环TSbcdee112aa1热电循环的两种形式：1背压式汽轮机 优点：简单， 无冷源损失；缺点：不能同时满足热、 电负荷的需求；

背压式汽轮机热用户

2抽汽供热式汽轮机

优点：同时满足热、电负荷的需求同时供应不同参数要求的用户缺点：热效率低于背压式汽轮机二次调节抽汽式汽轮机热用户二火电厂热力系统（一）火电厂的基本生产流程1设备及系统：主要设备： 锅炉、汽轮机、发电机主要辅助设备：锅炉给水泵、除氧器、汽轮机凝汽器、加热器、凝结泵、循环水泵、送风机、引风机、磨煤机、除尘设备电气部分设备：发电机、变压器、开关、母线、电缆主要系统：输煤系统、制粉系统、锅炉燃烧系统、除尘除 灰系统、汽水系统、发电机及其电气系统2火电厂的基本生产流程a能量的转换过程化学能

—热能

—机械能—电能（煤）（蒸汽）（汽轮机）（发电机）

b生产流程燃煤空气烟气灰渣给水生产流程：

燃煤：（斜煤棚内的）皮带输煤机原煤斗给煤机磨煤机（制成煤粉）

排粉风机燃烧器（锅炉燃烧）。

空气：送风机空气预热器（加热）一次风：排粉风机磨煤机（加热、干燥煤粉）燃烧器（炉膛）；二次风：燃烧器（炉膛参与燃烧）。高温烟气：炉膛（炉顶水平烟道和尾部烟道的）过热器和再热器省煤器空气预热器除尘设备引风机烟囱(排大气)。灰份及碳粒：灰渣斗(连同除尘器下的细灰)地沟灰浆泵灰场。给水（工质）给水泵（汽轮机）高压加热器（锅炉）省煤器（吸收尾部烟道中烟气热量）汽包下降管下连箱水冷壁（吸收煤粉燃烧的辐射热，一部分水蒸发成蒸汽，汽水混合物)

汽包（汽水混合物分离后）饱和蒸汽

过热器

过热蒸汽。

主蒸汽管汽轮机（高压缸作功）（高压缸排出的蒸汽）

（锅炉）再热器（再过热）再热蒸汽汽轮机中、低压缸（继续膨胀作功）(带动)发电机(发电)。

(作过功的)泛汽

凝汽器（凝结成）水

热井凝结水泵低压加热器除氧器给水泵(升压)

锅炉循环使用)。（二）火电厂热力系统1发电厂热力系统图

根据发电厂热力循环的特征，将热力部分的主、辅设备及其管道附件按功能有序连成一个整体的线路图2

热力系统分类

原则性热力系统全面性热力系统

美国超超临界325MW两次中间再热凝汽机组热力系统图3发电厂热力系统的构成a主蒸汽系统b再热蒸汽系统c给水回热加热系统d除氧系统e供热系统f旁路系统

a主蒸汽、再热蒸汽管道系统主蒸汽管道系统：锅炉过热器出口联箱至汽轮机进口主汽阀的主蒸汽管道、阀门、疏水装置及通往用新汽设备的蒸汽支管；汽轮机高压缸排汽至锅炉再热器出口联箱的再热冷段管道、阀门及从再热器出口联箱至汽轮机中压缸进口阀门的再热热段管道、阀门。主蒸汽管道系统示意主蒸汽系统的型式单母管制系统（集中母管制系统）切换母管制系统单元制系统

b给水回热加热管道系统给水回热加热：从汽轮机中间级抽出一部分蒸汽来加热给水目的：提高循环热效率原因：1）减少凝汽器中的热损失

2）减少给水的冷源损失给水回热加热器 立式加热器 低压加热器 卧式加热器 高压加热器图4-22引进美国的N600-24.20/538/566型机组回热原则性热力系统图引进美国的N600-24.20/538/566型机组回热原则性热力系统图

c给水除氧系统给水除氧：清除溶解于给水中的气体的过程除氧器： 除去锅炉给水中溶解的氧气和其他气体，防止 热力设备和管道系统的腐蚀和传热效果变坏除氧方法： 热力除氧（亨利定律、道尔顿定律）：根据亨利定律和道尔顿定律，将给水加热至除氧器工作压力下的饱和温度，可达到除氧的目的。

除氧器分类： 水膜式 真空式 淋水盘式 大气式（0.12Mpa/104.25

。C）

喷雾式 高压（0.35~0.6Mpa/158.08

。C

）抽汽背压式汽轮机组热电厂

d供热系统分类：背压式汽轮机供热2次调节抽汽式汽轮机供热

e旁路系统旁路系统： 高参数蒸汽不经过汽轮机的通流部分，而是经过 与汽轮机并联的减温减压器，将减温减压后的蒸 汽送到低一级的蒸汽管道或冷凝器去的连结管道作用： 1）保护再热器

2）回收工质和热量，降低噪音

3）加快启动速度分类： 1）汽轮机Ⅰ级旁路（高压旁路）

2）汽轮机Ⅱ级旁路（低压旁路）

3）汽轮机Ⅲ

级旁路（大旁路）ⅡⅠⅢ三火电厂热经济性评价目的：比较热力发电厂生产过程及其热力设备的热经济性（一）效率1循环热效率

理想焓降（或理想功）与吸热量之比

2实际循环效率（绝对内效率） 有效焓降（有效内功）与吸热量之比⊿Ht⊿Hi3相对内效率 表示汽轮机组的完善程度

≈

86~88%

、——理想焓降、有效焓降 、 ——理想内功率、实际内功率4机械损失和发电机损失机械效率 ≈

0.99电效率 ≈0.98～0.99

、 ——机械功率、电功率5汽轮发电机组绝对电效率6锅炉效率

≈

90~94%

、 ——每小时锅炉蒸汽流量和燃料消耗量

——燃料的低位发热量、——过热器出口蒸汽焓值、锅炉给水焓值7主蒸汽管道效率（保温）

汽轮机组的热耗量与锅炉设备的热负荷之比

≈

99%8凝汽式发电厂总效率 发电机输出电功率（以热量计）与燃料所供热量之比

≈

26~43%如何提高循环的热效率实际电厂的循环总是有些不可逆过程，不可逆过程引起熵增导致作功能力损失总损失L为各过程熵增与环境温度的积

可逆循环的热效率提高循环热效率的根本途经 提高吸热平均温度——提高蒸汽初参数 降低放热平均温度——降低排汽参数（二）热经济指标1汽轮发电机组的热经济指标（1）汽耗量（2）汽耗率（3）热耗量（4）热耗率2

锅炉设备的热经济指标

热耗量3凝汽式发电厂的热经济指标（1）全厂汽耗量（2）全厂汽耗率（3）全厂发电效率（4）全厂供电效率煤耗量

煤耗率 标准煤耗率 供电煤耗率煤耗指标作业与思考题1叙述蒸汽动力循环中采用“回热循环”、“再热循环”、“热电循环”的原理和作用。2火电厂热力系统主要由哪些局部热力系统组成？并叙述各自的作用。3叙述热力除氧的工作原理。4火电厂的主要热经济指标有哪些？复习：发电厂蒸汽动力循环—

郎肯循环STCR4123BTS1234

1´

2´

3´

4´火电厂热经济性评价1、热效率热量的利用程度（如热效率）供给热量=有效利用热量+损失热量=供给热量有效利用热量热效率简单凝汽式发电厂循环系统图GBTCηbηiηcp=ηbηpηiηmηgηgηmηpQbQ0Q0Wi△QCCGT凝汽式汽轮机的绝对内效率ηi

汽轮机能量平衡式：

Q0=Wi+△Qc kJ/h 绝对内效率ηi：ηi——汽轮机的绝对内效率ηt——循环的理想热效率ηri——汽轮机相对内效率2、热经济指标汽轮发电机组（1）汽耗量900t/h（2）汽耗率3kg/kwh（3）热耗量kJ/h（4）热耗率kJ/kwh锅炉设备热耗量kJ/h凝汽式发电厂（1）全厂汽耗量（2）全厂汽耗率（3）全厂发电效率（4）全厂供电效率煤耗指标煤耗量（t/h,300MW机组：48t/h）煤耗率(kg/kwh,300MW机组：0.32kg/kwh第二节联合动力循环

CombinedCycleG燃料空气燃气轮机BG蒸汽轮机燃料简单燃气轮机循环简单蒸汽轮机循环一燃汽—蒸汽联合循环

理想热机的循环热效率为燃汽轮机循环： 吸热温度高（1100~1200。C）

放热温度高（500~600。C）蒸汽动力循环： 吸热温度低（540~560。C）

放热温度低（30~38。C）蒸燃气联合循环国外主要公司GEABBSiemens（kwu）西屋三菱简单循环机型MS9001FAMS9001GGT26V94.3A701F701G输出功率（MW）226.5282.0265240246310压比14.723.23016.61721透平前燃气温度（℃）1,2881,4301,2601,1901,2901,415热效率（％）35.739.538.5383739高温一级动叶材料和涂层DSGTD-111(同向结晶)GT-29INPLUSTM(涂层)

MGA1400MGA2400高温一级动叶的冷却技术空气冷却空气冷却气膜冷却空气冷却排放量控制（PPM）﹤25﹤25﹤25﹤25工艺流程特点

两段燃烧技术

联合循环机型S109FAS109GKA26-1GUDIS.94.3A

MPXP1(TOIGI)联合循环输出功率(MW)348.5420396.0359

420联合循环效率（％）56.35858.558.1

58HIDE单燃气轮机循环HIDE单燃气轮机循环HIDE单燃气轮机循环HIDE普林斯顿大学热电厂

HIDE项目\机型西屋501-ATSGE-MS7001HABBGT26西门子KWU燃汽初温°C1510143012601190压比28233016.6简单循环净出力MW290

265240简单循环效率%41

38.538联合循环净出力MW426400396359联合循环效率%616058.558.1燃气-蒸汽轮机循环燃气-蒸汽轮机循环1.燃气轮机(Gasturbine)2.发电机(Generator)3.离合器(Clutch)4.蒸汽轮机(Steamturbine)5.蒸汽凝结器(Condenser)6.余热锅炉(HRSG)7.空气过滤器(Airintakeblock)8.转子冷却器(Rotoraircoolers)9.烟囱(Stack)10.燃气轮机辅助设施(AuxiliaryBlockGT)11.控制系统柜(Controlvalveblock)12.发电机母线(GeneratorBusduct)13.发电机断路模块(GeneratorBeakermodule)14.冷凝水管(CW-Pipe)15.控制氮氧化物注水系统(NOxwaterinjectionblock)16.燃油系统(Fueloilblock)17.燃气系统(Fuelgasblock)18.主变压器(Maintransformer)19.辅助变压器(Auxiliarytransformer)20.蒸汽轮机润滑油箱(Lubeoil–ST)21.冷凝水泵(Condenserpump)22.补充给水柜(Feedwatertank)23.电器系统控制模块(Electrical&controlmoduls)单轴燃气-蒸汽轮机循环HIDE多轴燃气-蒸汽轮机循环HIDE燃汽—蒸汽联合循环类型1余热锅炉联合循环优点：增加总功率提高热效率缺点：两机不能单独运行余热锅炉换热面大余热锅炉联合循环BGG燃料空气燃气轮机蒸汽轮机2增压锅炉联合循环优点：热效率高锅炉换热面积小缺点：两机不能单独运行燃料为气体和液体增压锅炉联合循环PBGG燃料空气燃气轮机蒸汽轮机3余热锅炉加补燃联合循环优点：提高热效率提高汽轮机功率 缺点：

两机不能单独运行燃料为气体和液体

余热锅炉加补燃联合循环BGG燃料空气燃气轮机蒸汽轮机燃料4排汽助燃联合循环优点：提高热效率两机可单独运行便于中小机组改造 锅炉燃料不受限制BGG燃料空气燃气轮机蒸汽轮机燃料缺点：增加送风机、空气预热器等设备二IGCC与PFBC—CC的研究与开发燃烧技术的关键问题：污染物排放、热效率IGCC：整体煤气化燃气——蒸汽联合循环IntegratedgasificationcombinedcyclePFBC—CC：增压流化床燃烧联合循环Pressurizedfluidbedcombustion-combinedcycle（一）IGCC整体煤气化燃气—蒸汽联合循环 生产过程：煤——煤气——净化——燃烧

优点： 燃气—蒸汽联合循环部分技术成熟 提高发电效率 解决燃煤污染

发展情况：美国加州Daggett的

CoolWater电站

世界上已投入运行的4座250MW以上的IGCC电站分别是美国的WabashRiver(260.6MW)和Tampa(250MW)、荷兰的Demkolec(253MW)和西班牙的Puertollano(300MW)。它们分别采用Destec、Texaco、Shell和Prenflo加压喷流床煤气化工艺。Destec和Texaco是水煤浆加压气化的主要代表，而Shell和Prenflo则是干粉进料加压喷流床气化的主要代表。用于IGCC的4种煤气化炉容量都达到2000t/d以上，都是这些气化炉首次最大容量的工业应用。它们的运行状况直接影响着IGCC的可用率和可靠性，是IGCC电站最关键的技术之一。净化器煤气发生器燃烧室整体煤气化燃气—蒸汽联合循环Turbineboiler系统组成典型系统（二）PFBC—CC（增压流化床燃烧联合循环）流化床分类 常压流化床（AFBC）：燃烧劣质煤 增压流化床（PFBC）：用于燃气—蒸汽联合循环增压流化床优点：有利于脱硫和减少氮氧化物增压流化床分类

空气埋管冷却系统 水蒸汽埋管冷却系统空气埋管热交换系统（一）白云石G余热锅炉煤空气空气埋管热交换系统（二）GGPFBCAFBCGG白云石煤水蒸气埋管热交换系统作业与思考题1为什么要采用燃气—蒸汽联合循环？2燃气—蒸汽联合循环的主要形式有哪些？3叙述IGCC和PFBC——CC的工作原理。第三节核能发电核电站： 核能——————电能易裂变元素：U235、U233、Pu239常用核燃料：二氧化铀核电的优点：（1）燃料能量集中 （2）环境污染小 （3）燃料储量丰富 （4）大部分设备与普通电站基本相同可控自持裂变反应核电厂类型压水堆核电厂沸水堆核电厂重水堆核电厂石墨沸水堆核电厂石墨气冷堆核电厂高温气冷核电厂快中子增殖堆核电厂压水堆核电厂压水堆核电厂组成核岛： 反应堆厂房、核辅助机厂房和建筑物、 相关系统和设备常规岛： 汽轮机发电机厂房及其建筑物、相关系 统和设备配套设施： 其他建筑物、系统和设备压水堆核电厂工作流程原理图火力发电厂循环核电厂循环核电厂汽轮机的特点：蒸汽参数饱和蒸汽（6.5MPa，281℃）转速低半速：1500rpm通流量大效率低低5个%再热蒸汽再热我国核能技术的发展积极发展核电，使其成为能源重要组成2020年力争使核电装机容量达到4000万千瓦掌握百万千瓦级第三代先进压水堆，以此作为 近中期我国核电发展的主力堆型研究开发以提高核电站的安全性和经济性，核 废物最少化为主要目标的第四代核能技术积极开展核聚变技术的研究核电厂的发展西方工业发达国家 核电供应约占总发电量的四分之一中国 秦山核电厂、大亚湾核电厂、连云港核电厂1%受控核聚变技术

ITER计划(氘氚聚合反应）第四节水电站一水能资源与水力发电1水能资源

资源储量

发展现状

特点

世界可开发水能资源蕴藏量分布3.8×105MW，10%ofworld3.8亿KW水能资源的特点优点：清洁可再生能源综合利用机组启动快、出力调整快、变工况性能好成本低、效益高便于储蓄和调节缺点：电能生产不均衡（季节性影响、生态影响）电站建设周期长、投资大2水力发电的基本原理水流能量水头（落差）水流的能降电站水头水轮机水头水轮机流量水轮发电机组的电功率二水电站基本类型水利枢纽工程建筑物水工建筑物：大坝、泄洪、输水及排砂、治砂等配套建筑水电站建筑物:

主厂房，副厂房、进水建筑物、引水建筑物、 升压开关站水电站分类按水力资源的集中落差分 按照建筑物特征分 堤坝式 坝式 引水式 河床式 混合式 引水式（一）坝式水电站坝后式 厂房顶溢流式

坝内式特点：流量大、坡度小水头<300m采用混流式或斜流式水轮机引水管道长>5000MW的水电站三峡水电站：坝后式，18，200MW，最大水头113m坝后式水电站厂房顶溢流式水电站坝内式水电站（二）河床式水电站特点：水头低，3~40m

流量大，机组台数多采用轴流式或贯流式水轮机引水管道短葛洲坝水电站：河床式水电站（三）引水式水电站有压引水式水电站引水管道长水头高，可达2000m广州抽水蓄能水电站、云南鲁布格水电站无压引水式水电站引水管道长多为小型电站有压引水式水电站无压引水式水电站作业课堂作业：1、为什么要采用燃气-蒸汽联合循环？2、核电站与常规火力发电厂的区别是什么？作业与思考题1叙述水力发电的优点和主要困难。2水电站有哪些基本类型？并叙述各自的优缺点。第五节太阳能的利用太阳能的优点资源丰富可再生无污染太阳能的利用方式光热转换光电转换一太阳能发电两个基本途径1太阳能热发电 太阳辐射能—————热能2太阳能光发电 太阳光————电能光电器件介质或直接聚光装置1太阳能集热器聚光式集热器 管板式太阳能集热器 真空玻璃管式太阳能集热器2塔式聚光器 塔式聚光系统——太阳能电站管式聚光系统——太阳能电站3太阳能发电的发展太阳能热气流发电（规模化发电）太阳能热气流发电原理涡轮机涡轮机叶片1阶响应涡轮机叶片工作响应太阳能烟囱二太阳能电池原理：太阳能光—电转换太阳光+“P—N结”硅半导体半导体晶体吸收光碰撞硅原子中的“价电子”“价电子”成为自由电子溢出产生电流太阳能电池的发展太阳能光伏发电发展潜力巨大， 有可能成为满足未来我国能源增长的战略性能源国际预测，到2020年，太阳能电池组件价格 将从每瓦3.5美元降到1~1.5美元，发电成本 约 为每度6~8美分我国太阳能资源十分巨大，可利用广阔戈壁 地区发展太阳能规模化发电优先主题之六：

可再生能源规模化利用技术

可再生能源规模化利用技术（续）

应集中力量突破太阳能电池组件技术及大规模储能和输电技术新疆西藏东北华北西北四川华中华东华南沙漠光伏电站黄河上游水电内蒙例如：内蒙古西部地区的戈壁滩面积约25万平方公里，若利用其中20%面积即可建37亿kW的太阳能发电站，年发电量相当于15亿吨标准煤。三太阳能供暖 主动式 被动式四太阳能制冷空调冰箱第六节其他能源利用装置（一）地热

地球内部蕴藏的热能。 特点：资源丰富、清洁、受热源距离限制

类型： 蒸汽型 热水型 土壤型 地压型 干热岩型 岩浆型 地热利用1 地热发电 利用地热能产生蒸汽，推动汽轮发电机组发电

蒸汽型地热发电 热水型地热发电（150—300℃）西藏羊八井地热电站

2地热制冷与空调

地热蒸汽、地热水、土壤蒸汽型地热发电热水型地热发电（二）风力发电特点：资源丰富、清洁风力发电的发展风力发电机组

水平轴式风力发动机 立轴式风力发动机

水平轴式风力发动机

（三）海洋潮汐发电原理：利用海洋潮汐涨落变化产生的位能进行发电单程式潮汐电站双程式潮汐电站（四）燃料电池原理 化学能——电能燃料：天然气、石油、氢、煤气优点 缺点 效率高 成本高 无污染