热力发电厂-第3章.

第3章热力发电厂原则性热力系统3.1热力系统及主设备选择原则•3.1.1热力系统概念及分类1）热力系统与热力系统图热力系统是火电厂实现热功转换的热力部分工艺系统。根据热力循环的特征，以安全和经济为原则，通过热力管道及阀门将汽轮机本体与锅炉本体、辅助热力设备有机地连接起来，在各种工况下能安全、经济、连续地将燃料的能量转换成机械能最终转变为电能，从而有机地组成了发电厂的热力系统。用特定的符号、线条等将热力系统绘制成图，称为热力系统图。3.1热力系统及主设备选择原则2）热力系统的分类以范围划分，热力系统可分为全厂和局部热力系统。局部热力系统又可分主要热力设备的系统（如汽轮机本体、锅炉本体等）和各种局部功能系统（如主蒸汽系统、给水系统、主凝结水系统、回热系统、供热系统、抽空气系统和冷却水系统等）两种。火电厂全厂热力系统则是以汽轮机回热系统为核心，将锅炉、汽轮机和其他所有局部热力系统有机组合而成的。3.1热力系统及主设备选择原则•按照应用与绘制的详略程度、用途来划分，热力系统分可为原则性热力系统和全面性热力系统。•原则性热力系统图是一种原理性图，它主要表明热力循环中工质能量转换及热量利用的过程，反映了发电厂热功转换过程中的技术完善程度和热经济性。它的拟定是电厂设计工作的重要环节，也是全面性热力系统制定与设计的基本依据。3.1热力系统及主设备选择原则•全面性热力系统全面反映了电厂的生产过程和设备组成，它不仅要求表示机组在额定工况下正常运行时系统的状况，还需要考虑机组在非额定工况下（包括启动、停机、升负荷、甩负荷等以及某些设备检修、停运、切换等情况）机组的管路连接、设备设置，因此，全面性热力系统包括了电厂热力部分的所有管道及设备。3.1热力系统及主设备选择原则•3.1.2热力发电厂原则性热力系统的组成热力发电厂原则性热力系统是在机组回热原则性热力系统的基础上，加上辅助原则性热力系统所组成，具体细化可包括：锅炉与汽轮机的连接、汽轮机与凝汽设备的连接、给水和凝结水的回热加热及其疏水回收系统、除氧器与给水泵的连接、补充水的连接方式、锅炉连续排污回收利用系统、对外供热系统等。图1-4哈汽1000MW超超临界机组原则性热力系统图G3.1热力系统及主设备选择原则•3.1.3热力发电厂主要热力设备选择原则3.1.3.1汽轮机组汽轮机组的选择就是确定汽轮机单机容量、参数和台数。•1）．汽轮机单机容量单机容量是指单台汽轮机的额定电功率。单机容量应选择大一些。但是，当单机容量超过500MW以后，机组单位容量造价的降低不是很明显。目前，在世界范围内，最大单机容量基本上在600～1000MW之间摆动。只有美国投运了单机容量为1300MW的机组。我国《火力发电厂设计技术规程（DL5000—2000）》规定，应选用高效率的大容量机组，但最大机组容量不宜超过系统总容量的10％。目前，应选用高效率的单机容量为600MW、800MW和1000MW的汽轮机。2）．汽轮机种类汽轮机应按照电力系统负荷的要求，承担基本负荷或变动负荷。对电网中承担变动负荷的机组，其设备和系统性能应满足调峰要求，并应保证机组的寿命。•对兼有热力负荷的地区，经技术经济比较证明合理时，应采用供热式机组。在有稳定可靠的热负荷时，宜采用背压式机组或带抽汽的背压式机组，并宜与抽汽式供热机组配合使用。3.1热力系统及主设备选择原则•3）．汽轮机参数汽轮机参数包括主蒸汽参数、再热蒸汽参数和背压•4）．汽轮机台数在发电厂的总容量及单机容量确定后，机组的台数也就相应确定了•一般地，对于单机容量较大的发电厂，机组台数不宜超过六台，机组容量等级不宜超过两种。同容量机、炉宜采用同一型式或改进型式，其配套设备的型式也宜一致。这样可使主厂房投资少，布置紧凑、整齐，备品配件通用率高，占用流动资金少，便于运行管理。••新建发电厂宜根据负荷需要和资金落实情况，按规划容量一次建成或分两期建成。大型发电厂宜多台大容量、高效率的同型机组一次设计、连续建成。•供热式汽轮机的种类、容量及台数，应根据近期热负荷和规划热负荷的大小和特性，按照以热定电的原则，通过比选确定，宜优先选用高参数、大容量的供热汽轮机。3.1热力系统及主设备选择原则•3.1.3.2锅炉机组•锅炉机组的选择包括锅炉参数和锅炉类型的选择。•1）．锅炉参数锅炉主蒸汽参数的选择应该遵从汽轮机初参数及再热蒸汽参数。同时，应该考虑到锅炉主蒸汽参数对锅炉水循环的影响。•为此，《火力发电厂设计技术规程（DL5000—2000）》规定，对于大容量机组，锅炉过热器出口至汽轮机进口的压降，宜为汽轮机额定进汽压力的5％；过热器出口额定蒸汽温度，对于亚临界及以下参数机组宜比汽轮机额定进汽温度高3℃；对于超临界参数机组，宜比汽轮机额定进汽温度高5℃。额定工况下，冷段再热蒸汽管道、再热器、热段再热蒸汽管道的压力降，宜分别为汽轮机额定工况下高压缸排汽压力的1.5％～2.0％、5％、3.5％～3.0％；再热器出口额定蒸汽温度比汽轮机中压缸额定进汽温度宜高2℃。•2）．锅炉类型锅炉的选型包括燃烧方式的选择和水循环方式的选择。燃烧方式必须适应燃用煤种的煤质特性及现行规定中的煤质允许变化范围。•对燃煤及其灰分应进行物理、化学试验与分析，以取得煤质的常规特性数据和非常规特性数据，为锅炉燃烧方式的选择奠定基础。通常，燃用煤粉的煤粉炉由于其燃烧效率高、煤种适应能力强、容量大等优点在大型火力发电厂中得到广泛应用。•水循环方式与蒸汽初参数有关，通常亚临界参数以下多采用自然循环汽包锅炉，水循环安全可靠，热经济性高；亚临界参数可采用自然循环或强制循环锅炉，后者能适应调峰情况下承担低负荷时水循环的安全；超临界参数只能采用直流锅炉。3.1热力系统及主设备选择原则•3）．锅炉容量与台数对于中间再热机组，通常采用单元制，宜一机配一炉。锅炉的最大连续蒸发量宜与汽轮机调节阀全开时的进汽量相匹配。3.1热力系统及主设备选择原则•对于装有非中间再热供热式机组且主蒸汽采用母管制系统的发电厂，当一台容量最大的蒸汽锅炉停用时，其余锅炉（包括可利用的其他可靠热源）应满足：（1）热力用户连续生产所需的生产用汽量；（2）冬季采暖、通风和生活用热量的60％～75％，严寒地区取上限；此时，可降低部分发电出力。•对于装有中间再热供热式机组的发电厂，其对外供热能力的选择，应与同一热网其他热源能力一并考虑；当一台容量最大的蒸汽锅炉停用时，其余锅炉的对外供汽能力若不能满足要求时，则不足部分依靠同一热网的其他热源解决。3.1热力系统及主设备选择原则•3.1.4机组初终参数、再热参数的确定•3.1.4.1蒸汽初参数•蒸汽初参数是指新蒸汽进入汽轮机自动主汽门前的过热蒸汽压力p0和温度t0。从经济性的角度看，汽轮机初参数越高，其理想焓降越大，循环热效率越高。但是，汽轮机初参数越高，给水泵耗功也越大；汽轮机进汽容积流量减少，高压缸相对内效率略有降低；排汽湿度增大，低压缸相对内效率降低；高、中压缸轴封漏汽量增大，级间漏汽损失也增大。3.1热力系统及主设备选择原则随着汽轮机单机容量的增大，这些有利因素继续保持，不利因素则削弱。因此，机组容量越大，采用超临界、超超临界参数的汽轮机越合适。•从安全性的角度看，目前的超临界参数汽轮机的主蒸汽温度已达到560℃以上，汽轮机转子、叶片等旋转部件在此高温下运行需持续承受很高的离心力。长期处于高温下工作的汽轮机转子，由于高温和启停中的热应力，会造成持久强度的消耗（低周热疲劳）和高温蠕变的累积。而且，超临界参数汽轮机初参数提高后，汽缸、喷嘴室、主汽阀、导汽管等承压部件的壁厚增加，将使非稳定热应力增大。此外，超临界参数汽轮机的蒸汽密度大，蒸汽携带的能量也大。机组甩负荷时，汽缸、管道、加热器中的蒸汽推动转子转速的飞升要比亚临界机组的大。•随着我国金属材料的科技水平和开发能力的提高以及汽轮机控制系统的日益完善，汽轮机采用超临界、超超临界参数的条件已经逐步具备。近年建设的大型凝汽式火电厂汽轮机组多为300MW、600MW、1000MW，其参数为亚临界压力、超临界压力和超超临界压力。•1．提高蒸汽初参数对热经济的影响（1）提高蒸汽初温度•热量法：•①ηi=ηtηri•②提高to，ηt上升（热力过程线讲解）•③提高to，ηri上升：漏汽损失、湿汽损失•总效果to上升，ηt上升3.1热力系统及主设备选择原则•作功能力法分析表明，对锅炉部分，提高蒸汽初温度，可提高锅炉内平均吸热温度，在锅炉其它参数未变的情况下，锅炉内平均换热温差减小，火用损减小，机组经济性提高。图3-1不同初温的朗肯循环T—s图3.1热力系统及主设备选择原则•（2）提高蒸汽初压力•应用热量法分析：提高蒸汽初压力，对机组绝对内效率的影响也体现在ηt和ηri上。•一方面，提高p0对ηt的影响，存在一极限初始压力的限制。在蒸汽初温度和排汽温度一定的情况下，如图3-2和图3-3所示，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，随着初压的升高，初焓h0虽略有减小，但汽轮机中焓降增加了。因此，理想循环效率ηt提高。3.1热力系统及主设备选择原则图3-2不同初压的朗肯循环T－s图图3-3蒸汽初压与理想循环效率关系曲线3.1热力系统及主设备选择原则•当p0提高到极限压力以后，随着p0的增加，汽轮机中的理想焓降逐渐减少。因为提高蒸汽的初压力时，水的汽化过程吸热量在整个吸热过程总的吸热量中所占的比例减少，而把给水加热到沸腾温度时的吸热量相对地增加，而水在这一段吸热过程的总温度是低于其它阶段(汽化段、过热段)吸热过程的温度，当初压p0提到一定的数值后，水及蒸汽的整个吸热过程的平均温度会降低，ηt将下降。表3-1是蒸汽初参数与电厂热效率的对应关系。3.1热力系统及主设备选择原则序号机组类型蒸汽压力/MPa蒸汽温度/℃电厂效率/％标准供电煤耗/[g/(kW·h)]1高压机组9.0535333902超高压机组13.0535/535353603亚临界机组17.0540/540383244超临界机组25.5567/567413005高温超临界机组25600/600442786超超临界机组30600/600/600482567高温超超临界机组31700572168超过700℃超临界机组3170060205表3-1p0与ηt关系3.1热力系统及主设备选择原则•从图3-4可知，随着初压p0的增加，在极限压力范围内，t是增加的，蒸汽的初温越高，理想循环热效率越大，极限压力越高。提高蒸汽初压力使循环热效率开始下降的极限压力，在工程上没有实际意义。在当前工程范围内，提高初压p0，机组的ηt是增加的。因为目前应用的初压力数值，还在极限压力范围以内，所以提高蒸汽初压力对循环热效率的影响在实际应用中可看作只有一个方向.图3-4初压与理想循环效率关系曲线3.1热力系统及主设备选择原则•另一方面，提高初压p0对ηri的影响为：在汽轮机的容量、蒸汽初温和终压力一定的情况下，提高蒸汽的初压力，蒸汽的比容减小，进入汽轮机的蒸汽容积流量减少，级内叶栅损失和级间漏汽损失相对增大，ηri降低；从图3-2可知，随着初压的提高，汽轮机末几级叶片中蒸汽湿度增加，从而导致汽轮机相对内效率有所降低。而且，蒸汽初温越低，改变蒸汽初压时，汽轮机的相对内效率的变化也越大，因为低温蒸汽的压力变化时，蒸汽比容的变化率较大，汽轮机叶片高度的变化也大些。3.1热力系统及主设备选择原则•因此，提高蒸汽初压p0受ηi是否是提高而限制，只有使ηi增加，提高p0才是有用的，在ηri和ηt两者相互作用下，使ηi达到最大值的初压，称为机组的最佳初始压力。•同时，也应当注意，当汽轮机的容量不同时，提高蒸汽初压，对汽轮机相对内效率影响的程度也不同。图3-5所示为20MW和80MW凝汽式汽轮机在各种不同的初温下，相对内效率与蒸汽初压力的关系曲线。当初温不变时，初压提高，容量大的汽轮机相对内效率下降的慢些。这主要是因为其蒸汽容积流量较大，汽轮机高压级叶片的高度和汽轮机的部分进气度大。3.1热力系统及主设备选择原则•汽轮机容量越小，影响越大。因为汽