蒸汽_有机工质联合循环发电热经济性分析

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2
有机工质循环发电的特性
有机工质循环的研究工作正在大力进行
［6 ］
，
Tab． 1
（ g·mol － 1 ） 92. 138
表1
甲苯的热力特性
它是利用低温热源的热量输出机械能或电能的理 想方式， 可以利用的热源种类包括： 太阳能、 海 洋能、生物质能、 地热能以及工厂余热等
［7 ］
Thermal properties of Toluene
蒸汽，更能充分利用低品位热量， 可以使汽轮机 冷源损失减少。
［8 ］ 相比水工质，有机工质的优势如下 ： （ 1 ） 有机工质的蒸发潜热比水小很多， 因此
在汽轮机低压缸排汽温度和压力相同的条件下 ， 与水循环相比，有机工质循环排汽焓降低， 余热 的排放量减少，冷源系统缩小。 （ 2 ） 有机工质沸点较低， 给予较低品位的能 量，就可以沸腾变为做功蒸汽。 （ 3 ） 有机工质凝固点较低， 可以在较低温度 下释放出能量。在寒冷天气可增加出力， 冷凝器 也不需要增加防冻设施。 （ 4 ） 由于有机工质本身的热力特性， 系统的 工作压力低，对设备的性能要求低。 （ 5 ） 有机工质基本都是等熵工质或干流体， 不会有液滴在高速情况下对透平机械的叶片造成 冲击损害，也不会腐蚀透平机械。 有机工质循环的局限性在于： 有机工质由于 本身的热力学特性，基本只适合中低温热源发电； 成本较水工质高； 由于焓差变化比水小， 发同样 的电，所需工质量比水多； 目前还没有实现大型 化的有机循环电厂。 本文所讨论的有机工质循环拟选甲苯， 该工 质的热力特性参数如表 1 所示。
1
水蒸汽循环发电的优点和局限性
现代大型火电厂的输出功率较大， 所需工质
量较大，而水蒸汽是一种相对廉价的工质， 自然 界中大量存在， 容易得到， 无毒无害。 而且水具 有沸点高， 汽化潜热大， 流动性好， 热稳定性很 强等热力特性
［4 ］
。 这样水就很自然的成为火电厂
运行中的理想工质。 在火电厂中做完功的工质还 是汽态 （ 有一定的湿度 ） ， 密度小， 体积非常大， 为了保持循环的安全性和经济性， 必须转化成液 态后再加热升压。 在汽态转化为液态的过程中， 释放出大量的汽化潜热， 这部分未得到利用的热 量约占到机组热耗的 50% 以上， 水的这一特性 限制了火电厂效率的提升。
火电厂的效率提高遇到瓶颈。如何利用这些余热， 使火电厂的发电热效率提高，成为目前亟待解决的 问题。为了利用这些余热，就要从目前的火电厂发
0205． 收稿日期： 2011-
第4 期
李慧君，等： 蒸汽 － 有机工质联合循环发电热经济性分析
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电模型入手，优化当前的发电模型，以提高火电厂 的发电热效率。本文主要从改进火电厂发电模型， 利用有机工质热力特性降低冷源损失，来提高发电 热效率。本文所提出的方法与燃气蒸汽轮机联合 循环类似，但又有不同之处。目前国内外资料尚未 有介绍这样的联合循环系统。
第 38 卷第 4 期 2011 年 7 月
华 北 电 力 大 学 学 报 Journal of North China Electric Power University
Vol. 38 ， No. 4 Jul． ，2011
蒸汽 有机工质联合循环发电热经济性分析
李慧君，吴凯槟，杜 威，房林铁，关秀红，高丽莎，杨继明
（ 华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北 保定 071003 ） 摘要： 为了减少火电厂中汽轮机乏汽热量的排放，降低余热热污染，应对余热回收并加以利用 。 以 NZK660 － 24. 2 /566 /566 机组为例，通过利用水蒸汽和有机工质联合循环，以达到减少机组乏热排放的目的； 新循环 分为两个单元： 水蒸汽循环单元和有机工质循环单元 。该模型通过余热换热器将两个循环相结合，将具有一 定热力参数的水蒸汽的热量传给有机工质 。由于有机工质在相同排汽参数下的焓值比水蒸汽小，汽轮机的余 热损失有望减少，同时发电量增加，机组热效率提高。 基于原机组设计参数，通过对蒸汽有机工质联合循 环发电模型的特性、热经济性分析，结果表明： 机组热效率明显提高。所研究的内容为节能降耗提供了一种 参考。 关键词： 水蒸汽； 有机工质； 热经济性； 发电模型 中图分类号： TM223. 7 文献标识码： A 文章编号： 1007 － 2691 （ 2011 ） 04 － 0044 － 05
（ kg·m － 3 ） 291. 986
摩尔质量 / 三相点温度 /标准沸点 / 临界温度 / 临界压力 / 临界密度 / ℃ － 95. 150 ℃ 110. 600 ℃ 318. 600 MPa 4. 1263
。与
水蒸汽动力循环原理相似， 不同的是该循环使用 的工质是有机物。 相对于水工质， 有机工质的蒸 发温度较低，汽化潜热较小。 循环工质的热力学 性质决定了有机工质循环的热经济性， 因此要根 据有机工质的热力学、 物理化学特性及安全性能 综合考虑，选择合适的做功工质。 现在的火电厂中的能量转换系统基于水蒸汽 朗肯循环的再热循环和回热抽汽， 工质为水， 主 要设备由锅炉、 汽轮机、 凝汽器、 加热器和给水 泵等组成，工质在能量转换过程中， 进行定压吸 热、绝热膨胀、 定温放热和绝热压 缩 4 个 过 程， 完成能量转换。 而有机工质循环则可由蒸发器获 取做了一部分功的具有一定热力学参数的热量 。 有机工质与水蒸汽相比， 主要优点在于： 在相同 的热力学参数下， 有机工质的汽化潜热远小于水
解能源危机，减少余热热污染的目的
［2 ］
。
0
引
言
以水为工质的火电厂的余热主要包括锅炉余热 与冷源余热。大型火电厂的效率一般是在 42% 左
［ 3 ］ 右，核电不及 35% ，50% 以上的热量被释放到环 境中 （ 空冷或水冷） 。由于大量的余热未得到利用，
国内外对低温余热的利用研究主要开始于 20 ［1 ］ 世纪 70 年代石油危机时期 。 低温余热种类繁 多、数量巨大， 充分利用这些能源， 可以达到缓
（ Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education， North China Electric Power University，Baoding 071003 ，China） Abstract： Waste heat contained in the exhausted steam from a turbine in a power plant should be recovered for the purpose of reducing waste heat loss and thermal pollution． Taking the NZK660 － 24. 2 / 566 /566 unit as an example， a steam － organic fluid combined cycle was employed to achieve the target of reducing the waste heat emission． The new cycle can be divided into two subunits： steam cycle parts and organic fluid cycle parts． In this model，a waste － heat exchanger was added to realize heat transfer from the steam with certain thermal parameters to the organic fluid． Due to a much lower enthalpy value of the organic fluid than that of the steam with the same exhaust steam parameters， the turbine waste heat loss could be reduced． Meanwhile，the plant output could be increased as well as the thermal efficiency． Finally an analysis was carried out on the characteristics and thermal economy of power generation of steam － organic fluid combined cycle，which was based on the original unit＇s design values，and an obvious thermal efficiency improvement can be observed． It could be concluded that this research provides a reference for energy saving． Key words： water vapor； organic fluid； thermal economy； power generation model
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华北电力大学学报
2011 年
在新循环中， 加入了余热换热器、 低压缸 2 、 升 ， 。 ， 压泵 冷源系统变小 其余设备不发生变化 参数 亦不发生变化。 在目前的条件下， 该模型可以实 现。
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4. 1
热经济性比较
新旧模型热经济性指标计算 由于系统发生了改变 （ 图 1 所示 ） ， 所以该机
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。 原模型的高中低压缸做功计算
4. 1. 1
高中压缸和低压缸 1 做功 W II W II = W JQ － W ZF － W CQ － W PQ （ II = 11 ， 22 ， 33 ） （ 1）
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水蒸汽循环单元 水工质在热力循环过程中的工作过程为