汽輪機熱力性能

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更新時間: 2013-09-11

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汽輪機裝置(包括汽輪機、凝汽器和給水加熱器等)的熱力性能,包括熱耗率和熱效率,主要與採用的熱力系統有關。

汽輪機熱力性能 -汽輪機熱力性能

 

汽輪機熱力性能 -正文
  汽輪機裝置(包括汽輪機、凝汽器和給水加熱器等)的熱力性能,包括熱耗率和熱效率,主要與採用的熱力系統有關。
  熱力系統  圖1為採用再熱的 300兆瓦凝汽式汽輪機裝置的熱力系統示意圖。來自鍋爐的蒸汽經蒸汽室進入高壓缸膨脹作功。高壓缸的排汽,除小部分通往給水加熱器加熱給水外,其餘的通往再熱器。蒸汽在再熱器中再熱后,通往中壓缸繼續膨脹作功。中壓缸的排汽,除小部分流向驅動給水泵的小汽輪機和除氧器外,其餘流入雙流結構的低壓缸作功。低壓缸的排汽和小汽輪機排汽一起進入凝汽器凝結成水。

汽輪機熱力性能汽輪機熱力性能

  為了提高循環熱效率,從汽輪機中間級抽出一部分作過功的蒸汽,分別送入各給水加熱器逐步加熱凝結水。圖中除軸封加熱器外,共有8台加熱器,其中1台為除氧器,它是混合式加熱器,由抽汽將凝結水加熱到飽和溫度,以除去溶解在水中的氧,防止設備腐蝕;其餘7台均為表面式加熱器。從凝結水泵出口到給水泵前這段管路上的加熱器承受低水壓,稱為低壓加熱器;給水泵后的加熱器承受高水壓,稱為高壓加熱器。給水泵將通過低壓加熱器的凝結水升壓,再經高壓加熱器將給水加熱後送往鍋爐;另有很小部分給水從給水泵出口直接送往鍋爐,用於噴水調節過熱蒸汽溫度。
  各高壓加熱器中抽汽的凝結水(疏水)從抽汽壓力較高的加熱器逐級排入壓力較低的加熱器,並在其中放出一部分熱量,最後排入除氧器。低壓加熱器也同樣逐級排出疏水,最後排入凝汽器。
  熱力性能  汽輪機裝置的熱力性能用熱耗率和熱效率表示。汽輪機裝置的熱耗率為每輸出單位機械功所耗的蒸汽熱量。熱效率是輸出機械功與所耗蒸汽熱量之比。電站汽輪機裝置的熱耗率和熱效率是按發電機輸出單位功計算的,已考慮了發電機效率。為了進行熱力性能計算,必須列出各部分的熱力系統熱平衡方程,因此熱力性能計算也稱熱平衡計算。
  以圖1中6號加熱器為例,每個加熱器的熱平衡計算方法如下。流入加熱器管中的凝結水流量為qm,溫度為tW1,焓為HW1。加熱后流出時溫度為tW2,焓為HW2。流入加熱器並在管外流動的抽汽量為qme6,壓力為pe6,焓為He6。5號加熱器疏水流入6號加熱器的流量為汽輪機熱力性能5,焓為HS5,6號加熱器的疏水流量為汽輪機熱力性能6,焓為HS6。相應的熱量平衡方程為 

qm·(HW2-HW1)=qme6·He6+汽輪機熱力性能5·HS5-汽輪機熱力性能6·HS6

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如果只有抽汽量qme6為未知值,即可解出

qme6=【qm·(HW2-HW1)-汽輪機熱力性能5·HS5+汽輪機熱力性能6·HS6】/He6

  如果分別對各加熱器列出類似的熱平衡方程,求解后即可得出各段抽汽量,從而可得出通過汽輪機各級的蒸汽流量和相應的功率,算出汽輪機的總功率。
  對於圖1的循環,發出功率為額定功率 300兆瓦,汽輪機裝置熱耗率為8080.5焦/(瓦·時),熱效率為44.5%。對於整個電站,還要考慮鍋爐效率和廠用電,因此電站熱耗率比單獨汽輪機裝置的熱耗率高。如果廠用電占輸出功率的 5%,鍋爐效率為90%,則相應電站熱耗率為8080.5/(0.95×0.9)=9450焦/(瓦·時),電站熱效率為3600/9450=38.1%。
  影響熱效率的因素  汽輪機裝置的熱效率最高可達40%左右。提高汽輪機裝置熱效率的問題一直受到人們重視。熱效率的水平主要取決於理想循環熱效率(不考慮汽輪機損失)和汽輪機內效率。由熱力學第二定律已知,理想循環的熱效率決定於循環的平均吸熱溫度和平均放熱溫度。平均吸熱溫度越高,平均放熱溫度越低,則理想循環的熱效率越高。影響汽輪機裝置熱效率的主要因素有新蒸汽參數、排汽壓力、給水回熱和再熱循環。
  ① 新蒸汽參數:在排汽壓力pK相同的情況下,不同的新蒸汽參數對理想循環熱效率ηt的影響不同(圖2)。當新蒸汽壓力p0不變時,提高新蒸汽溫度t0會使平均吸熱溫度增高,使理想循環熱效率提高;同時由於進汽比容增大和排汽濕度減少,汽輪機的內效率也有所提高。提高新蒸汽溫度受到耐熱鋼的性能和價格的限制,一般採用535~565℃。當新蒸汽溫度不變時,提高壓力也可提高理想循環熱效率,但是過分提高壓力反而會使理想循環熱效率降低;同時由於進汽比容減小和排汽濕度增大,汽輪機的內效率降低。壓力的提高還受汽輪機末級容許濕度(12~14%)的限制。在一定的蒸汽溫度下,通常有一個最佳的壓力,這時理想循環熱效率最高。

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  ② 排汽壓力(背壓):在新蒸汽參數相同的情況下,降低汽輪機的背壓會使平均放熱溫度降低,理想循環熱效率提高(圖3)。降低背壓一方面受到自然條件(如冷卻水源和水溫)的限制,另一方面將使排汽比容增大,汽輪機末級葉片和凝汽器的尺寸相應增大,增加投資。因此,合理的背壓必須根據技術經濟比較加以選用。凝汽式電站汽輪機的排汽壓力,在冷卻水溫為20℃時常用0.005~0.006兆帕,在冷卻水溫為 27℃時常用0.007~0.008兆帕。
  ③ 給水回熱:圖1中的給水加熱方法稱為給水回熱。在新蒸汽參數、背壓和功率不變的條件下,給水回熱會使進汽量增加而排汽量減少,因而能減少凝汽器冷卻水帶走的熱量損失(冷源損失),提高理想循環熱效率。給水回熱的經濟性主要決定於給水的最終溫度和回熱級數(圖4)。圖中橫坐標為給水溫升與最大可能溫升之比(給水溫升比),縱坐標為理想循環採用回熱后熱耗的降低與最大可能降低值之比(熱耗降低相對值)。從圖中可以看出,對於給定的回熱級數,給水溫度有一最佳值。實際採用的給水溫度往往低於理論最佳值,因為提高給水溫度時鍋爐排煙溫度隨之提高,而鍋爐效率則降低。此外,隨著回熱級數增多,熱效率增加,其相對增益逐漸減小,加熱器設備投資和維護費用相應增加。因此,實際採用的給水溫度常為理論最佳值的0.65~0.75。常用的給水溫度、回熱級數和採用回熱后熱效率提高的相對值見表。

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  ④ 再熱循環:汽輪機的再熱循環可用以溫度T和熵S為坐標的T-S 圖表示(圖5)。為了便於分析,圖中的汽輪機膨脹曲線用理想曲線表示。再熱循環可以看作是由基本循環1-2-3-4-5-1和再熱附加循環 1′-2′-2-h-1′組成的複合循環。適當地選擇再熱壓力和溫度可以使再熱附加循環的平均吸熱溫度T孡大於基本循環的平均吸熱溫度Tp。因此,附加循環比基本循環有更高的熱效率,因而可提高再熱循環的熱效率。此外,採用中間再熱能減小汽輪機低壓部分的濕度,提高汽輪機的內效率,並減少葉片受濕汽的侵蝕。一般採用一次再熱可使機組的熱效率相對提高5%,採用二次再熱還可再相對提高2%。但是採用再熱會增加設備造價,因此一般火電站只有 100兆瓦以上的汽輪機才採用再熱,而且大都只採用一次再熱。再熱溫度常取與新蒸汽溫度相同,再熱壓力為新蒸汽壓力的18~26%。對於大功率核電站飽和蒸汽輪機,經常用新蒸汽對高壓缸排汽進行再熱,以減少低壓缸蒸汽的溫度。
  供熱式汽輪機在提供電或動力(用於驅動發電機或其他機械)的同時,也提供工業和生活用熱,將原來沒有利用的熱量加以利用,這對於節約能源很有意義。

 

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