第五章-熱動力循環(huán)系統(tǒng)有效用能過程分析

1、云南師范大學能源與環(huán)境學院胡志華,能量有效利用,第五章 熱動力循環(huán)系統(tǒng)有效用能過程分析,內容簡要,本章介紹了蒸汽-燃氣聯(lián)合動力循環(huán)系統(tǒng)，各循環(huán)系統(tǒng)的特點和效率計算方法；闡述了熱電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、熱電聯(lián)產熱耗分配和熱電聯(lián)產集中供熱節(jié)能效益的分析方法，重點講述了熱電聯(lián)產YONG分析；介紹了沼氣發(fā)電與樓宇冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)；生物質氣化氣發(fā)電的概況，論述了生物質氣化氣發(fā)電的特點，分析了生物質氣化氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)；生物質直燃發(fā)電的現(xiàn)狀，闡述了生物質直燃發(fā)電的特點和生物質直燃熱電聯(lián)產系統(tǒng)。,第一節(jié) 蒸汽燃氣聯(lián)合動力循環(huán)系統(tǒng),燃氣輪機發(fā)電循環(huán)的優(yōu)點是平均吸熱溫度高（燃氣溫度可達14001500），缺點是

2、排氣溫度高，平均放熱溫度也高，因此排熱損失大，高效性沒有得到充分發(fā)揮?，F(xiàn)代高溫燃氣輪機的排氣溫度已愈來愈高，達到近600。平均放熱溫度高是燃氣輪機高效性沒有得到充分發(fā)揮的根本原因。汽輪機循環(huán)特點是平均吸熱溫度低，平均放熱溫度低，所以效率不高。如果把這兩種循環(huán)串一起，組成一個聯(lián)合循環(huán)，平均吸熱溫度高，而平均放熱溫度低，有最高的循環(huán)效率，這就是蒸汽燃氣聯(lián)合循環(huán)，是燃氣輪機和汽輪機組成的另一種廢熱利用式熱力循環(huán)，燃氣輪機的高溫低壓排氣，在余熱鍋爐中加熱水，變成高溫高壓蒸汽，再導入汽輪機中膨脹做功。,第一節(jié) 蒸汽燃氣聯(lián)合動力循環(huán)系統(tǒng),目前蒸汽燃氣聯(lián)合循環(huán)是應用最廣泛的聯(lián)合循環(huán)，主要原因有： （1）組成

3、聯(lián)合的設備已在其各自單一循環(huán)的動力機組上經過了長期運行考驗，可靠性高，開發(fā)費用低。 （2）空氣是最易得和最廉價的工質之一，它能用于燃氣輪機，且一般構成高溫的前置循環(huán)；水也是最易得和最廉價的工質之一，它用于汽輪機，且一般構成低溫的后置循環(huán)。 （3）現(xiàn)代燃氣輪機排氣的溫度水平可以良好地搭配，使得燃氣輪機循環(huán)和蒸汽輪機循環(huán)能夠成為天然相配的一對前置循環(huán)和后置循環(huán)。 與常規(guī)的蒸汽輪機發(fā)電和燃氣輪機發(fā)電相比，蒸汽燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術有巨大的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在高效率、低污染、低水耗等幾個方面，還具有系統(tǒng)簡單、起停速度快、比投資費用低等優(yōu)點。,第一節(jié) 蒸汽燃氣聯(lián)合動力循環(huán)系統(tǒng),蒸汽燃氣聯(lián)合循環(huán)形式也是多種多

4、樣的，按照前置循環(huán)所產生的余熱向后置循環(huán)傳遞和被利用的方式不同，可將它們分為排氣加熱給水聯(lián)合循環(huán)、余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán)、排氣補燃聯(lián)合循環(huán)、排氣再燃聯(lián)合循環(huán)、增壓鍋爐聯(lián)合循環(huán)、程氏循環(huán)、HAT循環(huán)等；按照循環(huán)所燃用的燃料不同，可分為常規(guī)燃油聯(lián)合循環(huán)、燃煤聯(lián)合循環(huán)和核能聯(lián)合循環(huán)等；按煤的燃燒利用方式不同，分為常壓流化床聯(lián)合循環(huán)、增壓流化床聯(lián)合循環(huán)、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)、外燃式聯(lián)合循環(huán)、直接燃煤聯(lián)合循環(huán)；按用途分為單純發(fā)電聯(lián)合循環(huán)、熱電聯(lián)產聯(lián)合循環(huán)和冷熱電聯(lián)產聯(lián)合循環(huán)等。,第一節(jié) 蒸汽燃氣聯(lián)合動力循環(huán)系統(tǒng),（一）、 余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán)概述 余熱鍋爐是蒸汽-燃氣聯(lián)合循環(huán)中的一個重要換熱設備，余熱鍋爐不用燃料，

5、僅利用燃氣輪機排氣熱量來產生蒸汽，所產生的蒸汽量與燃氣輪機功率成正比，蒸汽的溫度和壓力根據燃氣輪機排氣溫度可高可低，余熱鍋爐的蒸汽引入汽輪機發(fā)電，現(xiàn)在應用最多。,一、余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán),圖5-1 余熱鍋爐蒸汽-燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng) C-壓氣機 GT-燃氣透平 HRSG-余熱鍋爐 ST-蒸汽透平 G-發(fā)電機,第一節(jié) 蒸汽燃氣聯(lián)合動力循環(huán)系統(tǒng),（二）、 余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán)的熱效率和功比率 余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán)的熱效率和功比率是聯(lián)合循環(huán)的兩個基本特性參數(shù)。熱效率是指通過燃氣輪機獲得的軸功和通過汽輪機獲得的軸功之和在加入系統(tǒng)的燃料熱中所占有的比例。功比率是指蒸汽輪機與燃氣輪機的軸功之比。,在不補燃的余熱鍋爐聯(lián)

6、合循環(huán)中，燃料全部是從燃氣輪機的燃燒室加入的，通過燃氣輪機得到的軸功為Pgt；通過汽輪機得到的軸功為Pst，則有,式中 為熱效率（%） 為功比率,Qf 單位時間經燃燒室加入的燃料燃燒熱,第一節(jié) 蒸汽燃氣聯(lián)合動力循環(huán)系統(tǒng),在余熱鍋爐聯(lián)合循環(huán)中，汽輪機與燃氣輪機存在著一定的功率匹配關系，即,式中,汽輪機循環(huán)的熱效率（%）；,余熱鍋爐的熱效率（%）；,燃氣輪機的熱效率（%）。,第一節(jié) 蒸汽燃氣聯(lián)合動力循環(huán)系統(tǒng),第一節(jié) 蒸汽燃氣聯(lián)合動力循環(huán)系統(tǒng),第一節(jié) 蒸汽燃氣聯(lián)合動力循環(huán)系統(tǒng),第一節(jié) 蒸汽燃氣聯(lián)合動力循環(huán)系統(tǒng),第一節(jié) 蒸汽燃氣聯(lián)合動力循環(huán)系統(tǒng),第二節(jié) 熱電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng),一、熱電聯(lián)產系統(tǒng)概述,熱電聯(lián)產

7、（Combined Heat and Power），簡稱為CHP，是指能夠生產電能或者機械能，又可以回收廢熱用于供熱的聯(lián)合生產過程。CCHP是熱電聯(lián)產與制冷過程相結合。BCHP是為建筑物供冷、供熱、供電系統(tǒng)。熱電聯(lián)產是集中供熱的最有效方式。,圖5-6 和 圖5-7是熱電聯(lián)產的能量轉換特點以及熱力系統(tǒng)。,圖5-6 熱電聯(lián)產的能量轉換特點,第二節(jié) 熱電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng),一、熱電聯(lián)產系統(tǒng)概述,圖5-7 熱電聯(lián)產的熱力系統(tǒng) a.調節(jié)抽汽式熱電聯(lián)產汽輪機 b.背壓式熱電聯(lián)產汽輪機,蒸汽、熱水和電能均屬于二次能源，而電能的產生又依賴于蒸汽或者燃氣。這是熱電聯(lián)產的一個基本特征，是集中供熱的主要形式?；痣姀S和核電

8、廠都是以蒸汽作工質的，熱電聯(lián)產則是指蒸汽在供熱式汽輪機內膨脹做功后對外供熱的生產方式。熱電聯(lián)產系統(tǒng)由原動機、發(fā)電機、熱回收系統(tǒng)等組成。原動機包括柴油機、天然氣發(fā)動機、蒸汽輪機、燃氣輪機、微型燃氣輪機和燃料電池等，可以使用天然氣、煤、油、生物質氣、丙烷、木屑或者其他燃料，來產生機械能或者軸功率。,第二節(jié) 熱電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng),二、熱電聯(lián)產總熱耗分配,熱電聯(lián)產做到了按質用能，它是節(jié)約能源、改善環(huán)境的一項重大措施，其優(yōu)越性已得到共識，但是在熱電聯(lián)產的總熱耗分配中，如何確定熱、電分攤比，一直是人們爭論的焦點。因為熱、電分攤比的確定方法不僅直接關系到熱電聯(lián)產的熱經濟性能指標的確定，而且也是合理確定熱價問題的

9、核心，它同時關系到熱電企業(yè)和熱電用戶兩者的利益，對熱電事業(yè)的健康發(fā)展有著重要的影響。,第二節(jié) 熱電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng),二、熱電聯(lián)產總熱耗分配,熱電廠的總熱耗 Q lz , 包括供熱 氣流熱耗量量Qlr、凝汽發(fā)電熱耗量Qc和經減溫、減壓后直接供熱量Qtw。目前國內外學者對熱電廠總熱耗量的分配，進行了許多研究，提出了各種不同的分配方法，歸納熱電分配方法有以下幾類： （1）熱電聯(lián)產效益歸電法，如熱量法、聯(lián)邦德國的卡路里法和日本的熱焓基準法等。 （2）熱電聯(lián)產效益歸熱法，如實際焓降法、日本的軸功率法和固定煤耗法等。 （3）熱電聯(lián)產效益折中分配法，如方法、熱泵法、能量等價法、M比法以及折合-法等。,第二節(jié) 熱

10、電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng),三、熱電聯(lián)產集中供熱節(jié)能效益,在熱電聯(lián)產工程中，對熱工設備能量轉換效果的評價，首先用熱量法進行分析，再用分析法作對比。,第二節(jié) 熱電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng),三、熱電聯(lián)產集中供熱節(jié)能效益,第二節(jié) 熱電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng),三、熱電聯(lián)產集中供熱節(jié)能效益,第二節(jié) 熱電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng),三、熱電聯(lián)產集中供熱節(jié)能效益,第二節(jié) 熱電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng),三、熱電聯(lián)產集中供熱節(jié)能效益,第二節(jié) 熱電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng),第二節(jié) 熱電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng),第二節(jié) 熱電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng),第二節(jié) 熱電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng),五、影響熱電廠有效用能的主要因素,熱電聯(lián)產的經濟性與以下因素有關： （1）與燃煤損耗率、鍋爐效率、綜合管道效率、汽輪機組運行效率、廠用電

11、率、熱電比和熱網管道損耗率等參數(shù)有關。 （2）盡量降低凝氣發(fā)電量的煤耗率 熱電聯(lián)產機組可以采取在大容量、高參數(shù)的凝汽機組中低壓缸聯(lián)通管上抽汽的措施，這就是所謂的供熱與凝汽發(fā)電的兩用機組。 （3）供汽回水率 對外供熱時凝結水回收率太低是熱電聯(lián)產經濟性降低的重要因素之一。,第二節(jié) 熱電聯(lián)產循環(huán)系統(tǒng),（4）熱電比的變化盡管不會影響到汽輪機組運行效率，但會影響企業(yè)能源效率。 （5）外供蒸汽的參數(shù)的變化會導致汽輪機組效率變化，從而影響企業(yè)能源效率。 （6）廠用電率與企業(yè)能源效率也有關系，廠用電率越高，企業(yè)能源效率越低。 （7）熱網管道損耗率越高，企業(yè)能源效率越低。,五、影響熱電廠有效用能的主要因素,第三

12、節(jié) 沼氣冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,一、沼氣發(fā)電概述,沼氣是在厭氧條件下由有機物經多種微生物的分解與轉化作用后產生的可燃氣體。主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷含量一般為60%70%，二氧化碳含量為30%40%（容積比）。沼氣的利用途徑有多種，可以用來加熱、照明、供暖、發(fā)電、提純制天然氣、制汽車燃料等，現(xiàn)在最有效的利用途徑是發(fā)電。,從環(huán)保角度講，沼氣中的甲烷是作用強烈的溫室氣體，其導致溫室效應的效果是二氧化碳的23倍，控制甲烷及沼氣排放已成為保護大氣的一個重要問題；從能源角度講，沼氣是性能較好的燃料，純燃料熱值為21.9MJ/m3（甲烷含量60%、二氧化碳含量32%），屬于中等熱值燃料。,二、沼氣發(fā)電

13、與樓宇冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng),第三節(jié) 沼氣冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,采用冷熱電三聯(lián)供沼氣發(fā)電機組進行場內供電，同時采用內燃機排放的高溫煙氣及缸套熱水直接驅動煙氣直燃型機組，為場區(qū)建筑提供冬季供熱、夏季供冷以及日常生活熱水。冷熱電三聯(lián)供沼氣發(fā)電機組工程示意圖如圖5-9所示。,（一）項目規(guī)模 冷熱電三聯(lián)供沼氣發(fā)電機組總裝機容量1200kW，提供可利用的余熱不少于340kW。 （二）設備技術要求 1. 沼氣發(fā)電機組 發(fā)電機組與附件、控制盤、電力開關、輔助電氣設備等都安裝在一個帶有通風系統(tǒng)和隔音的標準集裝箱內。在集裝箱內，控制盤、電氣設備與機組分隔布局，集裝箱式一體化建造，室外安裝。 2直燃型三聯(lián)供機組 采用內燃

14、機排放的高溫煙氣及缸套熱水直接驅動煙氣直燃型三聯(lián)供機組。 3直燃型三聯(lián)供機組補給系統(tǒng) 采用沼氣補給。 4滲瀝液處理車間水源熱泵技術要求 冷熱源采用滲瀝液經處理后的中水作為水源熱泵中央空調機組的冷源水；冬季車間采暖設計溫度810，夏季車間室內空調設計溫度為2527；供熱負荷92kW，供冷負荷122kW。,第三節(jié) 沼氣冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,（三）冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)選型 1. 沼氣發(fā)電機組 如圖5-10所示，是2套高斯科爾SFGLD360機組，總功率為1260kW。機組性能參數(shù)見表 5-2。,第三節(jié) 沼氣冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,圖5-10 高斯科爾SFGLD360機組,表5-2 高斯科爾SFGLD360機組

15、性能參數(shù)表,第三節(jié) 沼氣冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,2. 吸收式溴化鋰空調 （1）BCHP介紹：BCHP（Building Cooling Heating & Power）稱為樓宇冷熱電聯(lián)產，是由一套系統(tǒng)解決建筑電、冷、熱等全部需要的現(xiàn)代能源中心，具有節(jié)能、環(huán)保、安全、經濟性好等綜合效益。 （2）主要設備選型：發(fā)電機組與余熱非電空調一對一連接，冷熱負荷優(yōu)先利用發(fā)電機組煙氣余熱。 BCHP系統(tǒng)的原理圖如圖5-11所示。,第三節(jié) 沼氣冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,圖5-11 BCHP原理圖 1.高溫發(fā)生器 2.低溫發(fā)生器 3.冷凝器 4.蒸發(fā)器 5.吸收器 6.高溫熱交換器 7.低溫熱交換器 8.熱水器 9.溶液器

16、 10.冷劑泵 11.冷水閥（開） 12.溫水閥（關） 13.冷熱切換閥（開） 14.燃燒機 15.尾氣發(fā)生器 16.電動尾氣閥（開） 17.自開式風門（關） 18.電動三通閥 19.缸套水泵 20.缸套水發(fā)生器 21.散熱水箱,第三節(jié) 沼氣冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,3. 水源熱泵選型及使用方案 垃圾處理工藝過程中產生一定量的中水，因為處理車間需要冬季供暖，夏季制冷，規(guī)劃擬采用中水水源熱泵進行供熱制冷。 （1）熱源條件：中水水溫夏季為27，冬季為20。 （2）負荷情況：車間內溫度要求冬季保持在810之間，冬季熱負荷為92kW，夏季負荷為122kW。 （3）設備選型及流程：根據現(xiàn)場的實際情況選擇東莞市

17、康達新能源科技有限公司的水源熱泵機組型號為QYHP-150C。 綜上所述，沼氣發(fā)電機組與BCHP系統(tǒng)聯(lián)合運行后，系統(tǒng)運行成本大大降低，與市場能源價格競爭力明顯增強，因此，其具備很好的經濟性和極高的商業(yè)應用價值，另外集裝箱型沼氣發(fā)電機組和BCHP系統(tǒng)對機房無特殊要求，能達到常規(guī)直燃機機房設計規(guī)范和燃氣發(fā)電機組機房設計規(guī)范即可。系統(tǒng)安裝簡捷方便，系統(tǒng)運行以后，低成本運行有可靠保障。,第四節(jié) 生物質熱解氣化氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,第四節(jié) 生物質熱解氣化氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,第四節(jié) 生物質熱解氣化氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,（二）生物質氣化發(fā)電技術分類 1根據采用的氣化設備不同，生物質氣化過程可分為固定床氣化和流化

18、床氣化兩大類。 2根據規(guī)模不同，生物質氣化發(fā)電系統(tǒng)可分為大型、中型、小型三種。 3根據氣化過程中采用的氣化介質的不同，主要可分以下幾種工藝： （1）空氣氣化： （2）氧氣氣化： （3）水蒸氣氣化： （4）空氣（氧氣）水蒸氣氣化： （5）熱分解氣化： （6）氫氣氣化：,第四節(jié) 生物質熱解氣化氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,第四節(jié) 生物質熱解氣化氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,第四節(jié) 生物質熱解氣化氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,第四節(jié) 生物質熱解氣化氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,第四節(jié) 生物質熱解氣化氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,第四節(jié) 生物質熱解氣化氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,第四節(jié) 生物質熱解氣化氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,為了大力發(fā)展生物質氣化氣熱電聯(lián)產系統(tǒng)，

19、有以下幾個關鍵技術： （1）開發(fā)大容量、高效率的增壓流化床氣化爐：氣化爐是系統(tǒng)的關鍵設備，增壓流化床氣化爐內的加壓環(huán)境強化了燃燒和傳熱反應，同時可以減小設備體積，便于制造安裝，減少基建費用和運輸費用。 （2）進一步研究高溫干法凈化系統(tǒng)：高溫干法凈化可以有效地利用燃氣顯熱，減少燃氣中水分含量，提高燃氣輪機效率和燃燒穩(wěn)定性，但需要提高其利用率，降低投資和運行成本。 （3）開發(fā)低熱值燃氣專用的燃氣輪機機組：設計低熱值燃氣專用的燃燒室和燃燒器，以保證燃氣的穩(wěn)定燃燒。調整壓氣機和燃氣輪機的匹配，同時要加強燃氣輪機對于燃氣品質的適應性。,第五節(jié) 生物質直燃熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,一、生物質直燃發(fā)電概述 生物質直

20、燃發(fā)電是指利用生物質燃燒后的熱能轉化為蒸汽進行發(fā)電，在原理上，與燃煤火力發(fā)電沒有什么區(qū)別。目前生物質直燃技術主要包括生物質燃料的直燃發(fā)電和垃圾焚燒發(fā)電。直燃發(fā)電是指把生物質原料送入適合生物質燃燒的特定蒸汽鍋爐中，生產蒸汽，驅動蒸汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電。直燃發(fā)電的關鍵技術包括原料預處理技術、蒸汽鍋爐的多種原料適用性、蒸汽鍋爐的高效燃燒、蒸汽輪機的效率。,第五節(jié) 生物質直燃熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,生物質能具有資源分布廣、環(huán)境影響小、可以永續(xù)利用等優(yōu)點，是目前應用最為廣泛的可再生能源，消費總量僅次于煤炭、石油、天然氣，位居第四位。世界各國高度重視發(fā)展生物質能，許多國家都制定了相應的發(fā)展計劃，產業(yè)規(guī)模持續(xù)擴

21、大，技術水平逐步提高，生物質能的開發(fā)利用正在全球加快推進。作為重點發(fā)展的可再生能源，生物質發(fā)電具有以下特點： （1）為國家的可持續(xù)發(fā)展提供新能源，促進能源結構的調整： （2）作為一種清潔能源，可以改善生態(tài)環(huán)境： （3）變廢為寶，有利于建立資源節(jié)約型社會： （4）有利于推動社會主義新農村建設：,二、生物質直燃發(fā)電的特點,第五節(jié) 生物質直燃熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,生物質直燃熱電聯(lián)產系統(tǒng)是一個以秸稈等生物質為燃料的火力發(fā)電廠，由鍋爐、汽輪機、發(fā)電機及電氣設備、燃料輸送、化學水處理和環(huán)保組成的。其中，鍋爐和燃料輸送系統(tǒng)與常規(guī)電廠有恨大的差別，其他部分基本可以采用常規(guī)電廠的技術設備。生物質直燃熱電聯(lián)產發(fā)電生產過程如圖5-15所示。,三、生物質直燃熱電聯(lián)產系統(tǒng),第五節(jié) 生物質直燃熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,第五節(jié) 生物質直燃熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析,生物質直燃發(fā)電汽水系統(tǒng)由鍋爐、汽輪機、凝汽器、給水泵以及化學水處理和冷卻水系統(tǒng)組成，如圖5-17所示。,第五節(jié)