过程装备与控制工程概论第四章

LOGOZHENGZHOUUNIVERSITY第4章过程装备是能源生产转化利用的核心化工与能源学院LOGOZHENGZHOUUNIVERSITY绪论能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。能源是人类社会生存和发展的重要物质基础，是从事各种经济活动的原动力，也是社会经济发展水平的重要标志。典型的过程装备-蒸汽机的出现，促使能源结构从薪柴转向煤炭，而大型过程装备的制造技术（焊接、压力成型等）的发展又促使从煤炭转向石油、天然气和核原料，随着能源和环境问题日益突出，能源结构向多元化转变将势在必然，先进过程装备技术也必将在其中发挥关键的作用。ZHENGZHOUUNIVERSITYLOGOZHENGZHOUUNIVERSITY火力发电厂概念:就能量转换的形式而言，火力发电机组的作用是将燃料（煤、石油、天然气）的化学能经燃烧释放出热能，再进一步将热能转变为电能。其发电方式有:汽轮机发电、燃气轮机发电及内燃机发电三种。其中汽轮机发电所占比例最大，燃气轮机发电近年来有所发展，内燃机发电比例最小。火电厂(汽轮机)能量转换过程与三大主机作用如下：锅炉：燃料化学能→蒸汽热能汽轮机：蒸汽热能→机械能,发电机：机械能→电能LOGOZHENGZHOUUNIVERSITY4.1.1火力发电过程基本原理按照卡诺循环的原理，提高高温热源的温度或降低低温热源的温度可以提高热机效率。发电循环不是严格的卡诺循环，但这一原则基本适用。因此蒸汽参数低的电厂效率较低，蒸汽参数高的电厂效率也高。火电厂（coalfiredpowerplant)的蒸汽参数是指蒸汽的压力和温度。LOGOZHENGZHOUUNIVERSITY4.1.1火力发电过程基本原理1955年----6MW，3.4MPa,435℃（上汽）--中压机组1957年----12MW，3.4MPa,435℃--中压机组1959年----25（50）MW，3.4MPa,435℃--中压机组1962年----50（100）MW，8.8MPa,535/535℃--高压机组1969年----125（200）MW，13.2MPa,535/535℃--超高压机组1971年----300MW，16.2MPa,535/535℃--亚临界机组1985年----300(600)MW，16.7MPa,538/538℃--亚临界机组2002年----600MW，24.2MPa,538/566℃--超临界机组2007年----1000MW，26.25MPa、600℃/600℃--超超临界机组按照蒸汽参数火电厂分类如下（按我国火电设备生产历程顺序）：一般认为：新蒸汽的压力大于12MPa的锅炉称为超高压锅炉，配套的汽轮机称为超高压汽轮机；新蒸汽的压力(16MPa~22.064MPa)的锅炉称为亚临界锅炉，配套的汽轮机称为亚临界汽轮机；新蒸汽的压力大于临界压力(22.064MPa)小于25MPa的锅炉称为超临界锅炉，配套的汽轮机称为超临界汽轮机；新蒸汽的压力介于25－31MPa的锅炉称为超超临界锅炉，配套的汽轮机称为超超临界汽轮机。（另有一种说法是只要蒸汽温度超过600℃即可认为是超超临界）（来自华能网站）LOGOZHENGZHOUUNIVERSITY4.1.1火力发电过程基本原理火力发电厂一般可以分为以下三个系统：热力（汽水）系统燃烧系统发电系统火力发电过程基本原理火力发电厂的汽水系统是由锅炉、汽轮机、凝汽器、高低压加热器、凝结水泵和给水泵等组成，他包括汽水循环、化学水处理和冷却系统等。水在锅炉中被加热成蒸汽，经过热器进一步加热后变成过热的蒸汽，再通过主蒸汽管道进入汽轮机。由于蒸汽不断膨胀，高速流动的蒸汽推动汽轮机的叶片转动从而带动发电机。为了进一步提高其热效率，一般都从汽轮机的某些中间级后抽出作过功的部分蒸汽，用以加热给水。在现代大型汽轮机组中都采用这种给水回热循环。火力发电过程基本原理此外，在超高压机组中还采用再热循环，既把作过一段功的蒸汽从汽轮机的高压缸的出口将作过功的蒸汽全部抽出，送到锅炉的再热汽中加热后再引入气轮机的中压缸继续膨胀作功，从中压缸送出的蒸汽，再送入低压缸继续作功。在蒸汽不断作功的过程中，蒸汽压力和温度不断降低，最后排入凝汽器并被冷却水冷却，凝结成水。凝结水集中在凝汽器下部由凝结水泵打至低压加热再经过除氧气除氧，给水泵将预加热除氧后的水送至高压加热器，经过加热后的热水打入锅炉，再过热器中把水已经加热到过热的蒸汽，送至汽轮机作功，这样周而复始不断的作功。火力发电过程基本原理在汽水系统中的蒸汽和凝结水，由于疏通管道很多并且还要经过许多的阀门设备，这样就难免产生跑、冒、滴、漏等现象，这些现象都会或多或少地造成水的损失，因此我们必须不断的向系统中补充经过化学处理过的软化水，这些补给水一般都补入除氧器中。火力发电过程基本原理进入透平机的蒸汽所拥有的热能，一部分转变为透平机的机械能，并进一步转换为发电机的输出电能。透平机排气所拥有的热能在凝汽器内传递给（循环）冷却水，并向周围环境散失，是一种能量损失，称为冷源损失。这一损失的大小是影响火力发电设备效率高低的关键。这一损失的数值和所占比例越大，发电设备的效率就越低，发电所需燃料消耗量就越大。火力发电过程基本原理在进入透平机的蒸汽中，有一部分做过功后从透平机中抽出，分布供给高压加热器、除氧器和低压加热器作为回热抽汽，以加热透平机的凝结水和锅炉给水，逐步提高锅炉给水的温度，减少其在锅炉内部加热所耗得热量。另一方面，透平机的回热抽汽可减少进入凝汽器的排汽量及其热量，减少冷源热损失，因而可提高发电设备的循环热效率。火力发电过程基本原理根据卡诺循环的原理，提高发电设备热力循环的初参数（压力p0和温度t0）是火力发电厂提高热效率和节约能耗的一个重要途径。当保持透平机排汽压力和温度（p2和t2）不变，也即在一定量的冷源热损失情况下，透平机的进汽压力和温度（p0和t0）越高，则在透平机内转变为有用功的能量及其所占比例越大，因而发电厂效率越高。火力发电过程基本原理带有一根斜线表示热力循环具有一次再过热，两根斜线表示具有两次再过热。左边的数值为蒸汽初温，往后依次为一次再热汽温和二次再热汽温蒸汽温度①t0/℃电厂效率/%供电煤耗/[g/(kW●h)]高压机组超高压机组亚临界机组超临界机组超超临界机组超超临界机组高温超超临界机组9.013.017.025.527.030.030.0510535/535535/535566/566600/600600/600/60070033353841454857372351324300273256215由该表可见，火力发电采用超高参数（高温超超临界）发电时，可比亚临界参数发电节省三分之一以上燃料消耗，所带来的经济效益是显然的。如要实现如此之高的参数，材料和装备的可靠性和经济性是关键。LOGOZHENGZHOUUNIVERSITY4.1.1火力发电过程基本原理较高的蒸汽参数常常与蒸汽的再热联系在一起。透平机由高压缸和中、低压缸组成。在高压缸中做过功后，蒸汽的温度和压力已经降低很多。这时候将其送回锅炉，在再热器内再次加热至较高温度，使其拥有较大能量，然后再送往透平机的中、低压缸，可以增加其在中低压缸中做功的能量和所占比例。因此，具有蒸汽再热的火电设备，其循环热效率比不带再热的设备高。火力发电的关键过程装置锅炉设备是火力发电厂中的主要热力设备之一。它的任务是使燃料通过燃烧将化学能转变为热能，并且以此热能加热水，使其成为一定数量和质量（压力和温度）的蒸汽。由炉膛、烟道、汽水系统（其中包括受热面、汽包、联箱和连接管道）以及炉墙和构架等部分组成的整体，称为“锅炉本体”。火力发电的关键过程装置按锅炉的蒸汽压力：可将锅炉分为低压锅炉（压力小于2.45MPa），中压锅炉（压力2.94～4.90MPa），高压锅炉（压力7.84～10.8MPa），超高压锅炉（压力11.8～14.7MPa），亚临界锅炉（压力15.7～19.6MPa），超临界锅炉（压力22.1MPa），超超临界锅炉（压力30～31MPa）。按锅炉蒸发受热面内工质的流动方式分类：自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流锅炉、复合循环锅炉。按锅炉的整体布置分类：∏型结构锅炉、箱型结构锅炉、塔型结构锅炉。火力发电的关键过程装置锅炉本体是锅炉设备的主要部分是由“锅”和“炉”两部分组成。“锅”是汽水系统，它主要任务是吸收燃料放出的热量，使水加热、蒸发并最后具有一定参数的过热蒸汽。它由省煤器、汽包、下降管、联箱、水冷壁、过热器和再热器等设备及其连接管道和阀门组成。火力发电的关键过程装置在“炉”的燃烧系统中，原煤经煤斗送入磨煤机磨制成煤粉，与此同时需要热空气对煤粉进行加热和干燥，因此外界冷空气通过送风机送入锅炉尾部烟道的空气预热器重，被烟气加热成热空气进入热风管道。其中一部分热空气送入磨煤机中，对煤进行加热和干燥，同时这部分空气也是输送煤粉的介质，煤粉和热空气的混合物经燃烧器进入炉膛内燃烧；另一部分热空气则直接经燃烧器进入炉膛参与煤粉的燃烧。火力发电的关键过程装置燃烧的煤粉放出大量的热能，使炉膛火焰中心温度具有1500℃或更高的温度。炉膛四周布置有许多水冷壁管壁，炉膛顶部内布置着顶棚过热器及炉膛上方布置着屏式过热器等受热面。其中水冷壁和顶棚过热器等炉膛辐射受热面，器内部工质在吸收炉膛的辐射热的同时，是火焰温度降低，保护炉墙不致被烧坏。为防止融化的灰渣黏结在烟道受热面上，烟气向上流动到达炉膛上部出口处时，其温度要低于煤灰的熔点。高温烟气经炉膛上部出口离开炉膛进入水平烟道，与布置在水平烟道的过热器进行热量交换，然后进入尾部烟道，并与再热器、省煤器和空气预热器等受热面进行交换，使烟气不断放出热量而逐渐冷却下来，使得离开空气预热器的烟气温度通常在110℃-160℃之间。低温烟气再经脱硫、脱硝装置、二氧化碳吸收装置以及除尘处理，确保达到环保要求。火