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电力生产概论（动力部分）能源与环境工程学院动力工程系孙坚荣绪论发电厂是通过能量转换而生产电能的工厂。根据生产电能的能源不同，主要有火力发电厂、水电站和核电站。此外，还有一部分利用风能、太阳能和地热能等新能源进行发电的电站。而火力发电厂是目前世界大多数国家电能生产的主力电厂。火力发电是利用煤、石油或天然气等燃料的化学能来生产电能的。根据我国的燃料政策，我国火电厂的燃料主要是煤，即为燃煤电厂，燃煤火电厂的生产过程如图0－1所示。由上图可以看出，在火力发电厂的生产过程中存在着三种形式的能量转换：在锅炉中燃料的化学能转变为热能；在汽轮机中热能转变为机械能；在发电机中机械能转变为电能。锅炉、汽轮机和发电机称为火力发电厂的三大主机。第一章能量转换基本知识第一节热力学基本定律一、基本概念“热力发动机”“工质”“高温热源”“低温热源”“热力系统”“闭口系统”“开口系统”“绝热系统”（一）常用参数描写工质在平衡状态下热力特征的物理量压力(P，压强)；温度(T，热力学温标)；比容(v，与密度互为倒数)；焓(比焓)是用来衡量单位工质具有“热力势能”大小的一个尺度，符号用“h”表示，国际单位为“J／kg、kJ/kg”。(二)基本热力过程热力系统由其初始平衡状态，经过一系列之间状态变化而达到另一个新的平衡状态，其中间的物理变化过程称为“热力过程”。常见的基本热力过程有：(1)定压过程：热力系热力统状态变化过程中，工质的压力保持不变。如工质在锅炉内的吸热过程。(2)定温过程：热力系统状态变化过程中，工质的温度保持不变。如工质在凝汽器内的放热过程。(3)绝热过程：热力系统状态变化过程中，工质与外界无任何热量交换。如工质在汽轮机内的膨胀做功过程。(4)定容过程：热力系统状态变化过程中，工质的比容保持不变。如工质在汽油机内的加热过程。二热力学基本定律热力学基本定律的实质：*研究热能和机械能相互转化的基本规律例如：各种电厂的能源转换基本过程火电厂：燃料化学能→热能→机械能→电能核电厂：重核裂变能→热能→机械能→电能水电厂：水能→机械能→电能（一）热力学第一定律1、热力学第一定律的表述热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时，必产生与之数量相当的功；消耗一定量的功时，也必出现相应数量的热；2、热力学第一定律表达形式：进入系统的能量－离开系统的能量＝系统储存能量的增加对于开口系统：进入系统的能量＝离开系统的能量（二）热力学第二定律1、热力学第二定律的表述–各种说法⑴热不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体。只冷却一个热源而连续做功的循环发动机是制造不成功的。在经历任意过程之后，孤立系统的熵只会增加或保持不变，但永远不会减少。（熵增定律）2、热力学第二定律的实质–一切事物都具有方向性：–热、功之间的相互转化也具有方向性：有序→无序，无条件的，功→热；无序→有序，有条件的，热→功。–能量是有品位的给定的热量，有多少可以转化为机械能？3.卡诺循环著名的卡诺循环(由两个等温过程和两个绝热过程组成)是实际动力循环中效率最高的理想循环，它在理论上确定了一定范围内热能转变为机械功的最大限度，为实际循环的组成及热效率的提高指出了方向与途径，其循环的热效率表达式为η＝1－T2/T1（式中T1为热源温度，T2为冷源温度）由上式得出一些重要结论如下：1)循环热效率决定于高温热源与低温热源的温度T1和T2，提高工质吸热温度并且尽可能降低工质排向冷源(大气环境)的温度，可提高循环热效率。2)循环热效率永远小于100％，因为T1无穷大和T2＝0都是无法实现的，这正是热力学第二定律所揭示的规律。3)当T1＝T2时，循环热效率为零。这就是说，在没有温差存在的体系中，热能不可能转变为机械功，要利用热能来产生动力，就一定要有温度高于环境的高温热源。4)在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆循环，均具有相同的热效率，且与工质的性质无关。5)在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆循环，其热效率必低于在两个同样恒温热源间工作的可逆循环。实际循环都是不可逆循环，其热效率必低于同温限的卡诺循环。第二节水蒸气动力循环一、水蒸气的基本性质1、水的饱和状态（1）饱和状态对于一个汽—液共存系统，当液体汽化和蒸汽液化的速度相等时，这一动态平衡状态称为饱和状态。处于饱和状态时，系统的压力、温度称为饱和压力、饱和温度（2）饱和压力（ps）（3）饱和温度（ts）对于一定的物质饱和压力和饱和温度是一一对应的。–1atm下，水的沸点100℃2、水及水蒸气的状态（1）过冷水（未饱和水）（2）饱和水（3）湿蒸汽（湿饱和蒸汽）饱和水和饱和蒸汽的混合物，其中纯饱和蒸汽的质量百分数称为湿蒸汽的干度，以x表示，其状态一般由（ps，x）或（ts，x）确定。（4）干饱和蒸汽（5）过热蒸汽3、水及水蒸气的六个基本状态参数–（1）压力pMPa–（2）温度t℃–（3）比容vm3/kg–（4）比焓hkJ/kg–（5）比熵skJ/kg℃–（6）干度x/注意：–在饱和水线、湿蒸汽区、干饱和蒸汽线，压力和温度是一一对应的，此时这两个参数将缩减为一个参数；–通常已知其中两个独立参数，可以求得其他参数。4、水及水蒸气的临界点–临界点参数压力Pc=22.129MPa温度tc=374.15℃比容vc=0.00326m3/kg–特性及应用超临界参数–PPc–在水蒸气的定压发生过程中，水直接瞬间汽化为过热蒸汽–ρ汽=ρ水亚临界参数–ppc–经历湿蒸汽的汽化阶段–ρ汽ρ水5.过冷水定压加热成过热蒸汽的三个阶段：①过冷水加热到饱和水的预热阶段，所需的热量为预热热；②饱和水汽化成千饱和蒸汽的汽化阶段，所需的热量为汽化潜热；③干饱和蒸汽加热成过热蒸汽的过热阶段，所需的热量为过热热。过冷水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽是加热过程中涉及到的五个典型状态，其中饱和水和干饱和蒸汽状态是定压力下的两个惟一状态点，其他可具有无限多个状态点。二、水蒸气动力循环（一）朗肯循环(1)1—2为过热蒸汽在汽轮机内的理想绝热膨胀做功过程，所做的功为w=h1-h2：；(2)2—3为乏汽(即汽轮机排汽)向凝汽器(冷源)的理想定压放热的完全凝结过程，其放热量为q2=h2-h3；(3)3—4为凝结水通过水泵的理想绝热压缩过程，所消耗的功为wp＝h4-h3；(4)4—1为高压水在锅炉内经定压加热、汽化、过热而成为过热蒸汽的理想定压吸热过程，所吸收的热量为q1=h1-h4。过程编号执行设备理想过程输入、输出3-4给水泵可逆绝热压缩低压给水通过给水泵增压，得以进入锅炉，损耗泵功wp4-5-6-1锅炉定压可逆吸热高压给水在锅炉中经定压预热、汽化、过热而成为过热蒸汽，吸热量为q11-2汽轮机可逆绝热膨胀做功过热蒸汽在汽轮机内膨胀做功，最终变为乏汽，做功wt2-3凝汽器可逆定压放热乏汽在凝汽器中凝结放热成为凝结水，排出废热q2朗肯循环的热效率W=h1-h2q2=h2-h3wp＝h4-h3q1=h1-h4对外做功：w0=w-wp=(h1-h2)－(h4-h3)朗肯循环的热效率η＝w0/q1=[(h1-h2)－(h4-h3)]/(h1-h4)W0很小，忽略之：η＝(h1-h2)/(h1-h2’)h1：汽轮机的进汽焓h2：汽轮机排汽压力下的排汽焓h2’：排汽压力下的饱和水焓提高蒸汽的初参数、降低排汽压力可以提高效率。(二)中间再热循环1．采用再热技术的目的：–增加吸热环节→提高吸热过程平均吸热温度→提高循环效率2、再热循环：–在朗肯循环的基础上，将做过部分功的蒸汽从汽轮机的某一中间位置（一般为高压缸排汽）抽出来，通过管道送回锅炉内的再热器，使之再加热到与过热器出口过热蒸汽相同或稍高的温度，然后返回到汽轮机的中、低压缸继续膨胀做功，直至达到终压。3、再热循环的特点（1）可以提高乏汽的干度，有利于汽轮机安全工作，提高了汽轮机的内效率；（2）提高循环热效率（约4％～5％）；（3）减少了汽耗率，减小了设备尺寸；（4）（不利因素）设备复杂，运行管理要求高。4.中间再热循环的热效率W=h1-h2q2=h2-h3wp＝h4-h3q1=h1-h4对外做功：w0=w-wp=(h1-h2)－(h4-h3)朗肯循环的热效率η＝w0/q1=[(h1-h2)－(h4-h3)]/(h1-h4)W0很小，忽略之：η＝(h1-h2)/(h1-h2’)h1：汽轮机的进汽焓h2：汽轮机排汽压力下的排汽焓h2’：排汽压力下的饱和水焓（三）给水回热循环1．采用给水回热循环的目的：–提高给水温度→提高吸热过程平均吸热温度→提高循环效率–减少汽轮机排汽量→减少冷源损失→提高循环效率2．回热循环的描述–在朗肯循环基础上，从汽轮机的某些中间部位抽出一部分做过功的蒸汽，送入回热加热器中用来加热凝汽器来的凝结水，使锅炉的入口水温提高。由于锅炉中水的预热起点温度提高，工质在锅炉内的平均吸热温度T；将提高，故可使循环热效率提高。–一般超高压以上的机组采用7～9级回热。3．给水回热的特点（1）提高了循环的效率（2）减轻了汽轮机末级的工作负荷（四）热电联产循环热电联产的概念–所谓热电联产循环就是将电能生产和热能生产联合成一体，既供热又供电，所供热能是已做功发电的汽轮机排汽所携带的热能。（1）热电联产循环的做功发电收益（高品位能量）（2）热电联产循环的供热收益（低品位能量）将相对于朗肯循环少做的功和朗肯循环的冷源损失全部（或部分）地送到热用户利用了。所以热电联产循环的热量有效利用程度比纯动力循环要高得多，这正是热电联产循环的意义之所在。第三节换热器(热交换器)换热器是实现冷热流体热量交换的设备，对冷流体来说是被加热，对热流体来说是被冷却。因此，通常所说的加热器也就是冷却器。换热器在火电厂的热力系统中应用非常广泛。按其工作原理，换热器一般可分为混合式、表面式和再生式三大类。(1)混合式换热器：冷、热流体通过直接接触彼此混合来完成热量交换，同时也存在质量交换。混合式换热器具有换热效率高、设备简单的优点，但因冷热流体直接混合，其应用受到限制。如火电厂中给水除氧器就属于混合式换热器。(2)表面式换热器：冷、热流体被固体壁隔开，分别在其两侧流过，借助于固体壁，热流体的热量传给冷流体，故又称为间壁式换热器。表面式换热器是火电厂应用最多的一类。如锅炉中的各汽水受热面、回热加热系统中的高、低压加热器等。(3)再生式换热器：冷热流体先后交替地流过同一固体换热壁面，热流体流过时将壁面加热并储蓄热量，冷流体流过时则壁面放出热量并加热冷流体，这样借助壁面的蓄、放热过程，使热流体的热量传给冷流体，又称回热式换热器。大容量锅炉中采用的回转式空气预热器就属于这类换热器。表面式换热器有两种基本布置方式，即顺流式和逆流式布置(如图所示)，其他布置是在基本方式上派生出来的，称为混合流布置。顺流布置，冷热流体总体上同向流动；逆流布置，冷热流体总体上反向流动。在冷热流体进出口温度相同的条件下，逆流式的传热平均温差较顺流时为大，可以获得较好的传热效果。所需的换热面积小，但两种流体的最高温度集中在换热器的同一端面上，容易造成该端面的金属壁超温而导致毁坏，没有顺流式安全。因此，在安全允许的条件下，尽量采要逆流式布置．需要考虑壁面安全时，则采用顺流式布置，或低温段采用逆流布置而高温段采用顺流布置即混合流布置。在锅炉内的各受热面的布置就突出了这一原则。第二章火力发电目前我国的火电厂绝大部分是燃煤火电厂第一节火电厂生产过程在火力发电厂的生产过程中存在着三种形式的能量转换：在锅炉中燃料的化学能转变为热能；在汽轮机中热能转变为机械能；在发电机中机械能转变为电能。锅炉、汽轮机和发电机称为火力发电厂的三大主机。火电厂的经济性指标1.发电热效率：发出电能与燃料供给热量的百分比是在循环效率的基础上再考虑到锅炉、汽轮机、发电机及管道的热效率后得出的，大机组一般发电热效率为37%~41%2.供电效率：发电热效率扣除厂用电率后得出的电厂热效率一般供电效率为30%~34%3.供电煤耗率：每供一千瓦时电所消耗的标准煤量大机组的供电煤耗率一般