热力系统分析1课件.pptx

1、3.1 蒸汽动力循环的分析电能中，80%以上是由燃料通过蒸汽动力循环转换而来。蒸汽动力循环是应用最广、最重要的一种热力循环，将它的效率提高0.1%，我国每年将节约几十万吨标准煤。3.1.1 朗肯循环的分析朗肯循环是最基本的蒸汽热力循环，也称为简单蒸汽动力装置循环。它由锅炉、汽轮机、给水泵和冷凝器组成，并由管路连接。构成热力系统。简单蒸汽动力装置系统图水泵P冷凝器C锅炉B汽轮机TW1q2q1W2简单蒸汽动力装置流程图1432134朗肯循环可以理想化为由两个可逆定压过程和两个可逆绝热过程组成的理想循环。4-1定压吸热过程，1-2绝热膨胀过程，2-3定压放热过程，3-4绝热压缩过程。1-1为阻力和散

2、热造成的温降和压降ST锅炉汽轮机发电机凝汽器给水泵11234系统分析的目的就是计算每个设备中的变化及损失，从而计算每个设备与整个装置的效率，分析影响效率的主要因素及提高效率的途径。1134ST锅炉的燃料低发热值为dwQ锅炉的热效率为tg汽轮机的相对内效率为it水泵效率为b22s1)(11,tp1)(11t,p1p2p12ss34ss 1、锅炉1134ST22s1p2p1kg蒸汽在锅炉中的吸热量：)(411hhq1kg燃料所能产生的蒸汽量：)(41hhQdtgdw1kg工质通过锅炉的收益：)()()()()()()(41041040040100141ssThhssThhssThheeexxxg1

3、kg燃料锅炉中的损失：燃烧、传热不可逆及排烟散热等总和为耗费与收益之差：xgfgedeI锅炉的效率：)()(1)()(41414141hheeQehheeeQeedxxdwftgxxftgdwfxgeg1f1远小于q2、蒸汽管路1134ST22s1p2p相应的效率：)()()(1101111ssThhdeedIxxj由于管路的阻力及散热，蒸汽进口降为1xe的值由锅炉出口至汽轮机1xe对1kg燃料，相应的损失：11xxejee损失率损失占燃料的百分数。fxxfjjeeedeI)(113、汽轮机1134ST22s1p2p蒸汽在汽轮机中绝热膨胀对外做出的有用功：)(211hhdw汽轮机进出口的差：)

4、()()(2102121ssThhdeededxxxt汽轮机中损失：)(1201ssTdwedIxtt0Tbc2s1s单位损失大小即面积cssb12)(120ssT1134ST22s1p2p0Tbca2s1s汽轮机的效率：xttxtetedIedw11汽轮机的效率还可表示为：)()()()()()()()(21212121212121211xxsitxxssxxxteteehheehhhhhheedhhdedw汽轮机的总损失率为：ffttessTdeI)(120理论可逆做功实际不可逆对外做功单位工质：4、凝汽器1134ST22s1p2p0Tba蒸汽在凝汽器中放出热量)(322hhdq它减少的并

5、未被利用，全部构成损失，即：)()()()(32023203232ssTdqssThhdeedIxxn单位损失在图上为 2-3-a-b汽轮机的总损失率为：fxxfnteeedeI)(325、水泵水在水泵中被增压可以看成是绝热压缩过程。它所消耗的功为：水流经泵的增为：)(342hhdw)(34xxxbeede泵的损失为：)()()()(34034034342ssTdssThhhhdewIxbb整个装置的损失为：bntjgiIIIIII汽轮机发电机凝汽器12341整个装置的总损失率为：ifieI装置的净效率为：1fifeeIe装置的净功：)()(342121hhhhdwwwt装置的效率也可写为：f

6、fteehhhhdew)()(3421例题1 已知朗肯循环的各点参数：汽轮机发电机凝汽器12341)()(2121itshhhh)()(3434bhhhhs每1kg燃料产生的蒸汽量为：)/(0.11)9.1343450(9.040500)(41kgkghhQdtgdw朗肯循环的热效率：蒸汽动力循环（包括锅炉）的热效率：)()()(413421121hhhhhhqwwtttgtgdwthhhhhhQhhhhd)()()()()(4134213421两种计算结果对比：热平衡认为装置的主要热损失是在凝汽器中，放给冷却水的热量占输入热的59.07%。从平衡的角度看，凝汽器的损失率只占3.2%，因为它的

7、温度（28.98）接近环境温度（12），可用能很小，节能潜力不大，锅炉中的损失率达60.8%，只有采取降低锅炉损失的措施，才有可能明显改善蒸汽动力装置的效率。热效率和效率接近，损失分配有很大差别。3.1.2 提高蒸汽动力装置效率的主要途径锅炉的热效率可达90%，而效率只有40%，影响最大的是燃烧和传热的不可逆损失。其中，传热损失与给水及蒸汽参数有关。c1kg水加热成蒸汽的吸热量：)(411hhq增：)()()()(41014104141ssTqssThheeexxxg)()(1)()s-(sT)()()(4141041410414141hh-ssThhhhhheeeQtgxxfdwtgeg锅炉

8、的热效率与效率的关系：c)()(4141m-sshhTmtgegTT011、提高蒸汽的初参数t1和p1MtwMPap45.314020201.51.1twtM6.9013.8MPap0138.020538649760蒸汽温度t1MtwMPap0138.02t1=538蒸汽压力p1图3-5 朗肯循环效率与蒸汽参数关系sTT1T01x9.0 x0 xPap510500Pap510100Pap51020Pap51004.0当温度一定时，提高压力，膨胀后的状态点2向左方移动，湿度变大。当干度小于0.9时，在汽轮机的最后几级里，有部分蒸汽凝结成水，易损坏叶片降低内效率。温度一定时，最高蒸汽压力就受到限制

9、。当锅炉给水温度一定时，热力学吸热平均温度Tm是蒸汽温度T1和p1的函数。对一定的蒸汽温度，对应一个吸热平均温度Tm和最高的最佳蒸汽压力popt。),(11pTfTm0/pTmoptp1T受锅炉材料的限制蒸汽参数的影响归纳如下提高蒸汽初参数 p1，t1,可以提高循环热效率，现代蒸汽动力循环朝着高参数方向发展。我国目前采用的配套机组参数如下：低参数低参数 中参数中参数 高参数高参数 超高参数超高参数亚临界参数亚临界参数1.31.33.53.5 9.0 9.0 13.5 13.5 16.5 16.5 初温初温/340340435435535535550,535550,535 550,535 550

10、,5351.5-31.5-3 6-25 6-2550-10050-100 125,200125,200200,300,600200,300,600初压/MPa发电功率/MW12 采用再热循环wturb,out57893锅炉再热器低压缸高压缸水泵凝汽器qinqoutwpump,in蒸汽再热循环的T-s图1875329sTmzTmT蒸汽再热循环可以防止膨胀后蒸汽湿度过大，以保证汽轮机长期安全运转。蒸汽再热后，提高了蒸汽的焓值和值，还提高了吸热平均温度。国产再热机组蒸汽参数规范单机容量(MW)初压(Mpa)初温()再热温度再热压力(Mpa)125 200 300 60013.5/55013.0/53

11、516.5/55016.5/5502.6/5502.5/5353.5/5503.6/5503 采用回热循环由吸热平均温度的定义可知，如果蒸汽的压力和温度一定，提高进入锅炉的给水温度，同样可提高锅炉的效率。回热循环就是从汽轮机的中部抽出一部分做过功但有中间压力pk的蒸汽，供之回热器来加热冷凝水。Ts12943651kgkg(1)kg41416161*sshhsshhTm)(1(4559hhhh）（4945hhhh每1kg蒸汽做功将减少：)()(1(91211hhhhw但每1kg蒸汽在锅炉内的吸热量也减少)()(41611hhhhq3.1.3 凝汽式发电厂的能耗指标凝汽式发电厂由锅炉、汽轮机、机械

12、传动装置带动发电机组成。发电厂的发电效率可由下式计算：djitgdglngl 锅炉效率，一般为0.850.92；n 凝汽式电厂效率；gd 管道效率，一般为0.99；t 循环效率，一般为0.40.54；i汽轮机相对内效率，一般为0.80.9；j机械效率，一般为0.960.99；d发电机效率，一般为0.960.99；由上述各效率的实际数值可得，凝汽式发电厂的效率为25%40%。一般中压电厂的效率约25%，高压电厂约33%，超高压电厂约37%，亚临界电厂约40%。凝汽式发电厂的每发1kWh电能的标准煤耗率为：nnb123.0293003600h)kg/(kW1kg标准煤的发热值为7000kcal（2

13、9300kJ）3.2 燃气燃气-蒸气联合循环蒸气联合循环如上所述，蒸汽动力循环的主要损失在锅炉内，其中，燃烧损失及传热损失占了主要部分。上述的提高吸热平均温度的各种措施，实际上是为了减少传热温差，以减少传热损失。1000由于受水蒸气的热物理性质及装置材料的限制，这些措施所能取得的效果已经接近极限，燃料燃烧温度与蒸汽温度仍存在着1000 左右的温差，采用水蒸气为工质的循环已无法进一步减小这一损失。3.2 燃气燃气-蒸气联合循环蒸气联合循环燃气轮机目前主要用于航空发动机，利用燃料燃烧产生的高温，有压力的气体在燃气轮机中膨胀做功。它的结构紧凑，但是，排气温度很高，有450650 左右，构成放热损失，

14、因此热效率不到30%。燃气-蒸汽联合循环的热效率可以达到40%47%。3.2 燃气燃气-蒸气联合循环蒸气联合循环燃气-蒸汽联合循环系统以燃气轮机为主，燃气轮机发电量占65%70%，汽轮机占30%35%。燃气轮机有较大的独立性，可单独工作。余热锅炉容量和蒸汽参数取决于燃气轮机排气，不能单独运行。燃气-蒸汽联合循环3.2 燃气燃气-蒸气联合循环蒸气联合循环燃气-蒸汽联合循环T-s图 燃气轮机的排气放热过程4-1是在余热锅炉内完成的。在锅炉内将热传给水，完成6-7-8的汽化过程。余热锅炉内的燃气放热平均温度T2m与蒸汽吸热平均温度T3m之间的温差比一般的锅炉要小得多，传热损失较小。燃气的得到二次利用

15、，所以总效率比蒸汽循环要高。3.2 燃气燃气-蒸气联合循环蒸气联合循环6001000联合循环装置的效率3.2 燃气-蒸气联合循环余热利用型联合循环结构简单，造价较低，但燃料需采用轻质油和气体燃料。适用于小容量蒸汽动力装置的改造。冶金厂有大量副产煤气上海宝钢投产了一套以煤气为燃料的联合循环装置。其它联合循环型式补燃型：往余热锅炉补充燃料进行补燃；排气助燃型：以蒸汽循环为主，燃气循环提供高空气过量系数的热气体，再供给锅炉作为助燃气体；增压锅炉型：将燃气轮机的燃烧室与蒸汽锅炉燃烧室合二而一。沸腾炉型联合循环装置沸腾炉型联合循环装置煤气化燃气煤气化燃气-蒸汽联合循环装置蒸汽联合循环装置3.3 热电联产

16、系统分析供热系统工业锅炉管网系统用热设备约60%约90%约55%总效率约30%凝汽式发电机组的最高效率也低于40%，大量的热（50%60%）被冷凝器中的冷却水带走。而乏汽的压力只有35kPa，对应的饱和温度为23.7732.55，值很小，无直接利用价值。3.3.1 热电联产概念热电联产概念 从单一能量来源同时产生两种或多种类型的可利用的能源(也叫“联产”)利用来自电力生产设备的余热热电分产热电分产热电分产（一）热电分产（二）背压式热电联产系统背压式热电联产系统1234给水泵热用户汽轮机过热器锅炉将汽轮机的排汽压力设计成用户所需的压力，蒸汽经汽轮机做出功后再供热用户使用。缺点：热电互相影响，供热

17、参数单一。抽汽式热电联产系统抽汽式热电联产系统热电联产的热电联产的T-s图图3.3.2 热电联产的热经济性分析热电联产的热经济性分析dwbrdQBQW,)11(,wdwbrdWWQBQWdwwQBW总效率：指有效利用的能量（包括发电与供热量）与消耗的能量（燃料提供的热量）之比。QW0一般蒸汽动力循环热效率23.009.040.012.0总热效率约0.83.3.2 热电联产的热经济性分析热电联产的热经济性分析过热器汽轮机发电机锅炉冷却水冷凝器加热器水泵 1水泵 2调节阀cqcqQW对于抽汽供热机组而言，只有抽汽部分是既发电又供热因此，它的热化发电率为：cqW抽汽在流经汽轮机时发出的电能，kJ/h

18、cqQ抽汽所提供的热量，kJ/hdwncqqccrdQBWQW,3.3.2 热电联产的热经济性分析热电联产的热经济性分析过热器汽轮机发电机锅炉冷却水冷凝器加热器水泵 1水泵 2调节阀进入凝汽器那股蒸汽在流经汽轮机时只发出电能，相当于冷凝机组，设它发出的电能为Wn，则总发电量为Wcq+WncqncqQWWR总发电量与供热量之比抽汽供热机组的燃料热能利用总效率为：（3-29）3.3.2 热电联产的热经济性分析热电联产的热经济性分析ndndtgcqcqdwnddwcqdwWQWQBQBBQtgndndtgcrdRR)()1(1,抽汽部分的蒸汽相当于通过背压机组做功和供热，蒸汽的热能得到充分利用，而进

19、入凝汽器的那部分蒸汽的燃料利用率相当于凝汽式发电机组的效率。因此，燃料总热量可表示成两部分之和，一部分产生抽汽，一部分产生冷凝蒸汽。Rtgbrd,（3-30）3.3.2 热电联产的热经济性分析热电联产的热经济性分析（a）冷凝式电站（b）抽汽式电站1燃料输入热；2烟气损耗；3透平、电机损耗和电站用电；4冷凝器放出热量；5净输出供电量；6地区供热。3.3.3 热电联产总热耗的分配热电联产总热耗的分配gdtggszhhDQ6110)(1、热量法gdD总汽耗量，kg/h1h汽轮机进汽焓，kg/hgsh锅炉给水焓，kg/htg锅炉效率管道效率 gsnsrrzgdtgnsrrrhhhhDDQhhDQ161

20、0)(供热热耗量rzdQQQ发电热耗量按热电厂生产两种能量的数量比例来分配热耗量3.3.3 热电联产总热耗的分配热电联产总热耗的分配 nnrrzrhhhhDDQQ12、实际焓降法rzdQQQ按汽轮机实际焓降和供热蒸汽在汽轮机中继续膨胀到凝汽压力时的实际焓降的比例来分配热耗量。汽轮机排入凝汽器时的蒸汽焓，kJ/kg3.3.3 热电联产总热耗的分配热电联产总热耗的分配rzdQQQ3、值法折中方法，按汽轮机进汽和供热蒸汽的值来分配。供热方面的热耗量：1xxrrzreeDDQQ发电方面的热耗量：燃料消耗量及其它热经济指标计算燃料消耗量及其它热经济指标计算dwzQQB610总燃料消耗量)kg/h(供热方

21、面的燃料消耗量：dwrrQQB610)kg/h(发电方面的燃料消耗量：rdBBB)kg/h(rwgdglrrQQ供热效率：rrrb3429300106)kg/GJ(供热标准煤耗：6103600ddQW发电热效率：)hkg/(kW(123.0293003600dddb发电标准煤耗率：由表10计算结果可见，热量分法将全部得益归发电方面，使发电煤耗率大大降低，因而发电 成本较低。焓降法将全部得益归供热，因而供热煤耗减少，使供热成本降低。值法介于两者之间，但与焓值法较接近，即供热方面要比发电得益多一些。例题 23.3.3 热电联产总热耗的分配热电联产总热耗的分配例题2：3.3.4 热电联产的节能效果热

22、电联产的节能效果设实际的供热量为Q)/(hGJ发电量为W)/(hhkW 则热电联产的燃料消耗量为：rwgdglhrQB29300106)kg/h(hdhrhBBB)kg/h(jdgdglhdWB293003600)kg/h(热网效率汽轮机组的机电效率3.3.4 热电联产的节能效果热电联产的节能效果对于抽汽式汽轮机组，抽汽部分相当于背压式，凝汽部分相当于凝汽机组，jdntgdglnjdgdglrhdWWB293003600293003600)kg/h(jdntgdglnjdgdglrWW123.0123.0rW抽汽供热蒸汽的发电量)/(hhkW nt汽轮机凝汽部分的动力循环效率nW凝汽部分发电量

23、)/(hhkW 3.3.4 热电联产的节能效果热电联产的节能效果则热电分产时的燃料消耗量为：fdfrfBBB)kg/h(rwglrwglfrQQB3429300106)kg/h(jdtgdglnfdWWB123.0293003600)kg/h(hdhrhBBB热电联产和热电分产相比的燃料节约量为：drhdfdhrfrhfBBBBBBBBB)()(3.3.4 热电联产的节能效果热电联产的节能效果对背压式机组可得：11123.01134tjdgdgljdgdglrwglWQB)kg/h(集中供热节煤效益热电联产节煤效益对抽汽式机组可得：ntnrtjdgdgljdgdglrwglWWWWQB123.

24、01134)kg/h(3.3.4 热电联产的节能效果热电联产的节能效果tjdgdglntjdgdglnjdgdgltjdgdglrdWWB123.0123.0123.0123.0)()()()(nndrdndrnndnrdnrbbWbbWbbWbbWtjdgdglnb123.0jdgdglrdb123.0ntjdgdglndb123.0nb)/(hkWkg凝汽式电厂发电煤耗率，rdb)/(hkWkg热电厂供热部分发电煤耗率，ndb)/(hkWkg热电厂发电部分发电煤耗率，0dBrdndnndrbbbbWW3.3.5 热电联产的热平衡与热电联产的热平衡与平衡计算实例平衡计算实例燃料消耗量的计算是

25、否正确？3.3.6 热电联产的实际应用热电联产的实际应用1、背压式机组hGJQ/250hGJQ/290hGJQ/2103.04.055.06.07.08.010978611129.0电功率压力p04700t3.3.6 热电联产的实际应用热电联产的实际应用2、抽汽冷凝式机组hGJQ/377108246效率提高相对值1009111315172090MPap0(a)抽汽压力1.2MPa效率提高相对值1002010911131517hGJQ/5443772090MPap0(b)抽汽压力1.3MPa3.4 中低温余热动力回收的热力系统中低温余热动力回收的热力系统分析分析01001ln)(TTTTTcep

26、x01011)(hhTTcqp010101max,ln1TTTTTqext工厂中低于300400的烟气、废蒸汽、废热水以及地热资源。余热的利用方式大致有两种方式：一为热利用，二为动力利用。3.4.1 变温热源的动力回收效率余热能级3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析)1ln(1100max,XXt在同样温度范围内工作的卡诺循环（恒温热源下）效率为：101TTc010101max,ln1TTTTTqext0010TTTX1)(0001001XXTTTTTc令321311211lnxxxxxxx3.4 中低温余热动力回收的热力系统中低温余热动力回收的热力系统分析

27、分析32max,1216121ccct300200000max,131121111XXXXXXXt32312111ccccc321216121ccc3.4 中低温余热动力回收的热力系统中低温余热动力回收的热力系统分析分析循环T-s图循环热效率3.4 中低温余热动力回收的热力系统中低温余热动力回收的热力系统分析分析Iewx11xxeeIewmax,11texxtqewwqw实际系统中：3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析3.4.2 闪蒸发电系统压力越高，对应的沸点越高，压力越低，对应的沸点越低。闪蒸高压热水如果突然扩容、降压，则一部分水会汽化成蒸汽。优点：1、

28、不需要余热锅炉的汽包，换热器结构简化，且适宜长距离运输；2、余热回收率较余热锅炉高。3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析3.4 中低温余热动力回收的热力系统中低温余热动力回收的热力系统分析分析2!)(RpRptcdDdhtDc221)(RpRRptchttDcd)kg/h(221)(RpRRptchttcDd在给定D和tR1的条件下，闪蒸压力越低，蒸汽量越大，但蒸汽的初参数越低。3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析试算法求最佳闪蒸温度(tR2)opt3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析两

29、级闪蒸系统：实践证明，将温差(tR1-te)平均分配，确定两级蒸发温度，可以获得最好的热水利用效果。3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析日本新日铁八幡钢铁厂回收烧结矿冷却机余热的热水发电系统：冷却机热水发生器热水贮罐透平透平扩容蒸发器3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析闪蒸发电系统的效率：3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析3.4.3 低沸点工质发电系统压力低，平均吸热温度低，温差大，损失大；压力高，热流体出口温度高

30、，回收的热量少。当中、低温热源的温度水平较低时，水就不再适宜作为工质，因为水在低压时的汽化潜热很大。3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析海洋温差(730)发电可选择氨、R12、R22等；120左右的地热资源，可用R114、丁烷等作为工质；200500 可用R85。3.4 中低温余热动力回收的热力系统中低温余热动力回收的热力系统分析分析)()(1)()()(2415241254121hhhhhhhhhhqwwtjdbbtnthhhhhhhh)()()()(12141254,低沸点工质动力循

31、环：与水蒸气的朗肯循环相似，由蒸发器、汽轮机、冷凝器和泵组成，只是用回收余热用的有机工质蒸发器代替了锅炉。3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析低沸点工质动力循环实例：装置效率与排气温度关系烧结矿显热回收能留图3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析更低温度余热动力回收：常用热泵系统常用热泵系统地下深井水源热泵系统地下深井水源热泵系统地下浅层水水源热泵系统地下浅层水水源热泵系统地源热泵系统（土壤源热泵系统）地源热泵系统（土壤源热泵系统）污水水源热泵系统污水水源热泵系统空气源热泵系统空气源热泵系统3.5 热泵系统分析吸收式热泵压缩

32、式热泵夏季：夏季：制冷量制冷量 Q3=Q1-Q2 Q35Q2冬季：制热量冬季：制热量 Q3=Q1+Q2 Q34Q2用户机组机组输入电能Q2利用能Q3被利用能Q1地下浅层水、地源或空气热泵系统工作原理水源热泵供热水源热泵供热/空调系统空调系统供水井回水井潜水泵热泵机组地源热泵供热/空调系统热泵机组整个装置的损失为：bntjgiIIIIII汽轮机发电机凝汽器12341整个装置的总损失率为：ifieI装置的净效率为：1fifeeIe装置的净功：)()(342121hhhhdwwwt装置的效率也可写为：ffteehhhhdew)()(3421)()(2121itshhhh)()(3434bhhhhss

33、TT1T01x9.0 x0 xPap510500Pap510100Pap51020Pap51004.0当温度一定时，提高压力，膨胀后的状态点2向左方移动，湿度变大。当干度小于0.9时，在汽轮机的最后几级里，有部分蒸汽凝结成水，易损坏叶片降低内效率。温度一定时，最高蒸汽压力就受到限制。3.3.6 热电联产的实际应用热电联产的实际应用1、背压式机组hGJQ/250hGJQ/290hGJQ/2103.04.055.06.07.08.010978611129.0电功率压力p04700t3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析试算法求最佳闪蒸温度(tR2)opt3.4 中低温余热动力回收的热力系统分析中低温余热动力回收的热力系统分析低沸点工质动力循环实例：装置效率与排气温度关系烧结矿显热回收能留图水源热泵供热水源热泵供热/空调系统空调系统供水井回水井潜水泵热泵机组