第三章热电联产

第三章热电联产3.1热电联产的意义电能和热能联合生产称为热电联产，如利用汽轮机中作过功的蒸汽对外供热，它是将燃料的化学能转化为高品位的热能用以发电，同时将已经在汽轮机中作了部分功（即发了电或热化发电）后的低品位热能，对外供热。电能是在供热的基础上进行生产的。热电联合能量生产符合按质利用热能原则，达到了“热尽其用”之目的。实现热电联产必须具备的基本条件是：1、有热用户，而且要保证热用户所需要的参数（压力和温度）和流量；2、在供热的同时还要保证必须数量的电能。进行热电联产的主要优点有：1．节约能源2．减轻大气污染，改善环境3．提高供热质量，改善劳动条件4．其它经济效益3.2热电联产的基本形式根据热电联产所用的能源及热力原动机型式的不同，热电联产可以分为下列几种基本形式：蒸汽轮机热电联产、燃气轮机热电联产、核电热电联产、内燃机热电联产。3.2.1蒸汽轮机热电联产蒸汽轮机热电联产是联产集中供热的最主要形式。对外同时供热和发电的蒸汽轮机称为供热式汽轮机，装有供热式汽轮机的发电厂称为热电厂。供热式汽轮机的型式有：背压式汽轮机、抽汽式汽轮机、凝汽采暖两用机、低真空供热的凝汽机组。一、背压式汽轮机(B型,CB型)背压式汽轮机利用排汽向外供热，热用户作为它的冷源，其优点是热能利用率高，结构简单，不需要凝汽器，投资省。但它的运行特点是：按“以热定电”的运行方式，热和电不能独立调节；另外背压高，整机的焓降小，偏离设计工况时，机组的相对热效率ηri显著下降。一般必须有稳定可靠的热负荷时才采用背压式汽轮机。抽汽背压式汽轮机，即CB型，其特点是在背压排汽供热的同时，还有一级较高压力的调节抽汽供热。3.2热电联产的基本形式(续)二、抽汽式汽轮机(C型，CC型)C型表示汽轮机带有一级调整抽汽：抽汽可供工业用汽，压力调整范围一般为0.78～1.23MPa；可供采暖用汽，压力调整范围一般为0.118～0.245MPa。抽汽式汽轮机的特点是：①热电负荷可独立调节，运行灵活。②抽汽式汽轮机有最小凝气流量，以保证低压缸有通风冷却蒸汽。③凝汽汽流存在着节流损失，凝汽流的绝对内效率比同参数的凝汽机组低。三、凝汽采暖两用机组(简称两用机)该机组在采暖期供热，在非采暖期或暂无热负荷时仍以凝汽机组运行。两用机的特点是：①它的高压缸通流容积是按凝汽流设计，当抽汽供热时，电功率减少。②由于在导汽管上蝶阀压损的影响，在非采暖期虽为凝汽机组，热经济性仍会下降约0.1％～0.5％。③在抽汽运行时具有抽汽式汽轮机的特点，但它的设计、制造简单，成本低。图3－1国产200MW凝汽－采暖两用机示意图3.2热电联产的基本形式(续)四、低真空供热的凝汽机组该机组在冬季采暖期时，提高机组背压，用循环水供热。由于提高了排汽压力也会使电功率减少。3.2.2燃气轮机热电联产燃气轮机热电联产系统是利用燃气轮机的排气提供热能，来对外界供热或制冷，其系统图见图3-2。燃气轮机的排气在余热锅炉中加热水，产生的蒸汽直接作为生产用汽或居民生活供热。燃气—蒸汽联合循环热电联产，将余热锅炉产生的高温、高压蒸汽在供热式汽轮机中做功发电，压力降到0.8～1.2MPa左右的蒸汽作工艺用热和生活用热，也可以将余热锅炉设计成双压式，低压蒸汽主要用作供热。燃气—蒸汽联合循环被用于热电联产目的时，它可以分为几大类型，即：①向工厂提供工业用汽的工业动力站；②向工厂提供工业用汽和热水的热电站；③向地区供热系统提供热能的热电站；④与海水淡化设备配套的动力装置。3.2热电联产的基本形式(续)电能发电机燃料空气燃气轮机排烟500摄氏度废热150摄氏度蒸汽水锅炉图3-2燃气轮机热电联产系统图3.2热电联产的基本形式(续)在燃气—蒸汽联合循环型的热电联产机组中，燃气轮机的作功能量占主导地位，因而功率系数(机组的供电量与供热量的比值)比较高，这种类型的热电联产机组比较适宜于在相对需要较多电能的场合使用，蒸汽循环中所用的供热式汽轮机为供热式汽轮机，可以是背压式或抽汽式。在运行中，如果热负荷不足，可以在余热锅炉中补燃；如果要提高整个联产系统的发电量，则可以采用注蒸汽的方式（将余热锅炉中产生的部分蒸汽回注到燃气轮机的燃烧室），就能摆脱常规的热电联产机组中“以热定电”的负荷调节模式。燃气轮机联产系统的主要特点是启动块、运行灵活。目前的发展方向是降低成本、进一步减少环境污染。图3-3中给出了一个供给工业用汽的联合循环热电联产的实例。该热电联产联合循环的主要技术参数如表3-1所示。3.2热电联产的基本形式(续)MPa/525MPaMPaMPaMPa1-发电机2-压气机3-燃烧室4-燃气透平5-烟气旁通阀6-余热锅炉的补燃室7-余热锅炉8-汽包9-水泵10-除氧器11-给水泵12-蒸汽用户13-蒸汽旁路阀14-发电机15-背压式蒸汽轮机图3-3供给工业用汽的热电联产的联合循环燃料天然气燃气轮机功率69.1MW背压式汽轮机功率44.7MW厂用电率1.23机组净功率输出112.4MW燃气轮机输入热能(LHV)230.0MW余热锅炉补燃输入热能79.6MW工业用汽流量65.3kg/s工业用汽压力0.35MPa工业用汽热功率152MW燃料的利用率85.4%功率系数0.74发电效率36.8%总能量转换效率79.9%3.2热电联产的基本形式(续)表3-1联合循环热电联产的主要技术参数3.2热电联产的基本形式(续)燃气-蒸汽联合循环热电联供应用的作用：1.提高城市居民生活品质。2.天然气管线调峰。3.热力调峰。4.电力调峰。燃气—蒸汽联合循环热电厂是典型的能量梯级利用装置，具有很高的热效率，可达70%～85%左右，接近燃气锅炉。提高能源利用率，不但节约了燃料成本，更重要的是在人口稠密地区少用能源，间接的减少了污染。燃气—蒸汽联合循环供热系统的规划建设必须考虑城市的天然气的供应、供热经济范围等方面，同时兼顾燃气轮机、供热设备效率及投资等。从目前我国城市的建设考虑，一般认为燃气—蒸汽联合循环供热系统发电功率为40～70MW，供热面积为100～200万m2的小区最为合适。3.2热电联产的基本形式(续)3.2.3核电热电联产采用核电热电联产，即核装置所提供的能量在采暖供热季节可以供热为主，而在不需要采暖供热的季节，则以供电为主。热电联产就是将反应堆产生的热能转化为水蒸汽，再送往汽轮机发电的同时，利用抽汽或者排汽进行供热。利用汽轮机排汽作为采暖热源的热电联产是核电热电联产的另一种方式，为保证供暖热源的参数，采用排汽压力为0.98MPa的背压式汽轮机。自核热得来的新汽经过汽轮机作功后进入热网换热器，加热热网水，使热网水达到供暖所要求的温度。在核能热电厂中虽然是用汽轮机作为原动机进行热电联产，但仍具有如下主要的特点：（1）不能完全避免核污染；（2）热水输送距离远；（3）核反应堆由启动到发出额定功率时间长，停机时仍消耗燃料。3.2热电联产的基本形式(续)3.2.4内燃机热电联产目前的往复式内燃机发电装置成本低，启动容易，适当地保养下可靠性高，负荷跟随性能良好；且其排放量近年得到了显著地降低，因而非常适合于作为备用、尖蜂和中间负荷的电源，同时也适合小型或中型联产机组。热电联产系统中应用的内燃机主要有两种：Diesel柴油机和Otto点燃式内燃机，Otto点燃式内燃机又有两种，一种为以汽油为燃料的；另一种为从柴油机转为火花塞点火方式的，燃料为天然气；前者功率范围20kW～1.5MW，后者的功率范围2kW～4MW。Otto点燃式内燃机转速为750～3000rpm，发电效率为25%～35%，可以采用多种燃料，包括汽油、天然气、工业生成气、沼气等。内燃机的热电联产循环系统见图3-4，该系统中余热回收有两种方式，高温余热回收和低温余热回收，高温余热回收在余热锅炉中进行，用以对外供热，低温余热回收为内燃机冷却系统。3.2热电联产的基本形式(续)热用户蒸汽或热水～200℃排烟～450℃冷却器内燃机油空气水图3-4内燃机的热电联产循环系统3.2热电联产的基本形式(续)内燃机的热电联产循环系统非常适合小型用能系统，且该系统启动块，系统经济性受环境温度影响不大；其缺点是由于内燃机的磨损使得设备运行、维护费用高。典型的内燃机能量平衡图见图3-5，从图中可以看出，内燃机冷却系统（包括冷却水、油冷却器、入口空气冷却器）回收的热量为25%，该热能温度为95℃的低品位热；与燃气轮机联产相比，内燃机的供热量较小，比较适合于供应热水、热空气、低压蒸汽的场合，由于内燃机的排气中含氧量较大，可以达到15%，如果需要中压蒸汽，则可以在余热锅炉中采用补燃的方式。3.2热电联产的基本形式(续)57.525.0%24.5%图3-5内燃机联产系统能量平衡图热电联产方式热电比，kW/kW发电效率，%热效率，%背压式蒸汽轮机4.0～14.314～2884～92抽汽冷凝式蒸汽轮机2.0～10.022～4060～80燃气轮机1.3～2.024～3570～85燃汽轮机联合循环1.0～1.734～4069～83内燃机1.1～2.533～5375～853.2热电联产的基本形式(续)不同的热电联产方式性能参数见表3-2。表3-2不同热电联产方式性能参数3.3热电厂的热经济性3.3.1热电厂的总指标热电厂总指标有两个。一、热电厂的燃料利用系数ηtp式中：Pe为热电厂的总发电量；Q为热电厂的供热量；Btp为热电厂的煤耗量。二、供热机组的热化发电率1、热化发电率的定义为：式中,Wh为热电联产的热化发电量；Qh为热电联产的热化供热量。热化发电率的意义是表明供热机组每单位GJ供热量的发电量。LtpetpqBQP3600hhQW（3－1）（3－2）kW·h/GJ3.3热电厂的热经济性(续)图3－6抽汽式汽轮机的系统图。图中供热抽汽量Dh在热用户处放出热量后以h’.h返回除氧器。然后经H2、H1加热到hfw进入锅炉，产生蒸汽再进入到汽轮机，这部分蒸汽完成一个供热循环，相当一个背压机循环。该循环的发电量由Dh在汽轮机中膨胀电能Wh0和其回水引入加热器的各级回热抽汽产生的电能Whi组成，即Wh=Wh0+Whi。(1)外部热化发电率ω0只考虑抽汽Dh在汽轮机的膨胀做功称为外部热化发电率。3600/)(0gmhhhhhDW610/)(hhhhhhDQ则：gmhhhhhhhhhQW00278（3－3）（3－5）（3－4）3.3热电厂的热经济性(续)WhWh0+Whi+Wch0D0Dchh,DhH1HhfwCYh'hDh图3－6抽汽式供热汽轮机系统图3.3热电厂的热经济性(续)(2)内部热化发电率ωi若回水在所经各级加热器(图中的H1，H2和CY)的抽汽所产生的电能，这部分的热化发电率称为内部热化发电率。3600)(10gmZjhjihhhDW那么:hihiQW(3)供热汽轮机的热化发电率ω)1(278)1(00ehhhhegmhhhi式中，称为相对热化发电份额，它表示供热循环中，回热部分作功与抽汽作功的比值，也表示回热作功所占的比例。)()(0100hhZjhjihhDhhDe（3－6）（3－7）（3－8）3.3热电厂的热经济性(续)要指出的是：①回热抽汽Djh是指对供热返回水加热的抽汽量；②当热网工质有损失时，回水率为(在0～1之间)，则需补充热网水(1－)，补充水焓为hw.m，那么回水焓为。2、热化发电率指标的特点（1）热化发电率是质量指标。(2)影响ω的因素有供热机组的初参数，抽汽参数，回热参数，回水温度，回水率，补充水温度，设备的技术完善程度以及回水所流经的加热器的级数等。(3)ω的应用：只能用来比较供热参数相同的供热式机组的热经济性。3.3.2热电厂的分项热经济指标在经济性评价时，需将Btp(或Qtp)分为发电和供热两项，称之为分项热经济指标。令Qtp(h)、Qtp(e)为热电厂供热、发电的热耗量；Btp(h)，Btp(e)为热电厂供热、发电的煤耗量，则有：mwhhwhhh..)1()()(etphtptpQQQ)()()()(etphtpL