火力发电的热效率

关于提高火力发电的热效率

一、前言

火力发电过程中的清洁生产，除了SO2、粉煤灰等污染物的处理外，提高火力发电的热效率，减少能耗，也是清洁生产中必不可少的一部分，在生产相同电量的情况下，减少能源的使用量，相应的减少了污染物的产生，从源头削减了污染，达到清洁生产的目的。

二、正文

1 热效率现状

目前能源的很大一部分是用于发电，而且多采用矿物燃料加热燃烧，将贮藏的化学能转换为热能，热能通过发电装置又可转化为电能，即火力发电。火力发电的简单过程是：化石燃料通过在锅炉中燃烧大约将90%的化学能转换为热能，并将热能传递给锅炉水管中的水分，使其加热蒸发，水蒸气通过蒸汽管流向涡轮机并冲击叶片转动，涡轮机则把40% 的热能转换成机械能，发电机把所能得到的机械能的99%转换成电能，然后通过输出系统将电能输送到用户。

由热能转换成电能的总效率等于锅炉效率X涡轮机效率X发电机效率。

若每个装置以目前最大效率运行，则

总效率=0.88X 0.46X 0.99X 100%=40%

以上所述表明，一个火力发电站所消耗的热能只有40%转换成电能，其余60%热能以热的形式损失掉了。其中从锅炉燃烧过程烟气的排放带走一部分热量使大气增温，另外大部分是从汽轮机出来的热蒸汽经冷却器冷去后形成水，冷凝水用泵打回锅炉重复使用，而冷却器中的冷却水则增温外排，

流入河流或其他水体，形成所谓的热污染。

2 提高热效率的方法

2.1 提高压温比

现行火力发电原理都是：煤炭化学能经燃烧转化为水蒸气动能，水蒸汽推动汽轮做功，在磁场中金属导体产生电能，这一过程中，导体输出的电能由汽轮机动能决定，而汽轮机动能又由水蒸气压强（P）决定，因而要想输出的电功率多，就得尽可能增大工质压强。同时, 在这过程中，热能会有较大流失，也就是说有很大一部分热能不能转化为水蒸汽动能（或压强）。而流失的热能与工质冰蒸汽）的热力学温度（T）有关，T越大，热能越易流失，所以，在尽可能提高工质压强的情况下，还得减少温度T，也就是说，要想办法提高压温比（P/T），而在气态快转化为液态的临界状态时，工质的压温比最高。因为气体越高压，越低温，越易液化，压温比提高到临界状态，就基本不能再升了（再升就成液体，不能做功了），目前许多火电厂都是在超超临界状态工作，所以，从这方面说，火电效率不能再提升了。

2.2 减少热传递和热辐射

要想提高效率，得从各个过程入手。首先，我们可得出热能有三种转移方式：做功、热传递、热辐射。这三种方式中，我们想要的是尽可能增大热能做功部分，而减少热传递和热辐射。在锅炉中，水蒸汽因有高温，还是会与外界有热传递。要减少热传递，可利用杜瓦瓶原理绝热，即对装水容器安装两层夹板，两板之间抽成真空再密封，这样，热传递而流失的能量大部分都会得到收集。另外，根据斯特藩一玻尔兹曼定律，热辐射与容器面积和T4成正比。因而，可通过增大容器的体积和面积之比来减小热辐射所占比例，从而帮助热能利用。

2.3 利用乏气中的热能

以上两种思路虽然有助于提高火电效率，但提高程度不大，因而其现实意义较小，在热电转换过程中，热能最主要的流失是水蒸汽推动汽轮机做功后向外界排出的乏气中还含有大量热能，这部分热能没被利用，因而现行火电效率不高。要想使这部分热能得到利用，就得想法使它转化为气体的定向动能（热能是杂乱，各向均匀同性的，无法推动汽轮机做功）而较现实的思路是参照节流制冷原理，使水蒸气在经汽轮机之前就让它通过多孔性隔板，这样，通过后的水蒸汽温度有所降低，而流速增大，有利于增大定向动能所占比例，从而有利于水蒸气做功。

实验表明，先前流速较低的气体通过缩口式阀门过后，流速增大，温度降低，相当于把热能转化为气体的定向动能。从理论上分析，由于气体的压强（决定定向动能）可看作是由温度（决定热能）产生，则压强可认为是动能，热能是势能，气体通过小孔后，流速会增大，就是动能增大，根据能量守恒，则势能一定会减小，即温度会降低。而这节流过程就是把不做功的热能转化为能做功的定向动能，从而降低乏气带走的热能，增大做功的比例，提高火电效率。

现实中可先对封闭的水蒸汽不断加热，待其压强高到一定值时再让水蒸汽通过多层多孔性隔板，多次节流，从而较大降低其温度。同时保持节流后的水蒸汽动能和现行情况大致相等（这需要节流前压强比现在升高），然后控制火力，使燃烧输给水蒸汽的能量和节流后水蒸汽定向动能相平衡。

2.4 改善机件

另外，火力发电过程中，各机件运动的能量也能量消耗的原因。如汽轮机和磁极转动，它们本身也有能量，它们也是靠热能提供，有一部分不能转化为电能。因此，还得尽量减小这些机件的质量或密度。如汽轮机厂可把汽轮机的叶片尽可能做薄或用轻材料（如钛铝合金）代替钢铁部分。

三、思考

从总量来看，我国是一个煤炭能源比较丰富的国家，但由于人口众多，无论人均能源占有量或人均能源消费量都很低。在能源需求量日益增大的今天，有限能源不断减少，特别是石油资源日益紧张的情况下，使得煤炭资源不仅在当前，而且在今后较长时间内将是主要能源。提高煤炭资源在发电过程中能量的充分利用，既提高了能源的利用效率，缓减能源压力，又使得在生产相同电量的情况下，燃烧较少的煤炭，相应的，产生较少的污染物——S02、粉煤灰、废水、废气等，达到清洁生产的目的。火力发电过程中，由于燃烧大量的煤炭资源，产生大量的污染物，污染物的排放对环境产生了极大的影响，我们在致力于如何处理、处置污染物的同时，更应该注重减少污染物的产生，而清洁生产正是从源头削减污染，提高资源利用效率，减少或者避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放，以减轻或者消除对人类健康和环境的危害。

清洁生产是环境保护战略由被动反应向主动行动的一种转变，是工业生产实现可持续发展的必要途径。随着经济的发展，电力这种清洁能源的使用量也将大幅度增加，这就要求我们在大力生产电力能源的同时，必须引导电力企业开展清洁生产，使清洁生产有组织、有计划地在企业中进行下去。节能、降耗、减污、增效，提高电厂综合竞争能力，将污染物消除在生产过程中，降低污染治理设施的建设和运行费用，并有效解决污染转移问题，