热力系统及其主要辅助设备

垃圾锅炉产生的过热蒸汽，如何变成电能呢？这就涉及能量形式的转化，其示意图如图3-24所示，其中汽轮机带动发电机，由发电机发出电力的过程比较容易理解，在中学物理中就描述了发电机的原理，在此不再赘述。这里主要介绍一下较为费解的蒸汽动力循环，说明蒸汽内能（即热能）如何转化成机械能，影响效率的主要因素是什么，垃圾焚烧发电厂的典型热力系统是什么样的。

图3-24　能量形式的转化

1.热力循环

（1）卡诺循环。如图3-25所示，从热力学第二定律知道，在两个温度恒定的热源之间工作的热机其最高热效率是卡诺循环效率，即

图3-25　卡诺循环

式中：ΔS＝S2－S1为卡诺循环的熵变化。

说明：1）从式（3-19）知道单热源或无温差无法作功；

2）一定有向冷源放热的热损失Q2，故η＜1；

3）热机工作要有工质，作为携带能量的媒介，完成热源吸热、作功、向冷源放热的工作；

4）从式（3-20）看，吸热温度T1越大，放热温度T2越小，则η越大。

当然，T1受限于燃料的理论燃烧温度，如煤粉Ta≈2000K，生活垃圾Ta≈1300～1600K；T2受限于地球环境温度（约300K）。

卡诺循环是效率最高的循环，但却不是一个可实现的循环，因为：①实际工质无法作可逆变化；②无法使工质实现绝热变化和等温换热。

（2）朗肯循环。在动力工程中比较理想的工质是水，以水作工质的循环称为朗肯循环，水作工质有许多优点：①接近于等温吸热、等温放热；②工质可携带能量大；③无毒无害；④来源丰富，价格便宜。火力发电厂采用的都是朗肯循环。

如图3-26所示，朗肯循环是一个切实可行的蒸汽循环。图中，5—1′为定压吸热（省煤器、蒸发、过热），1′—2为定熵膨胀作功（汽机，实际上“定熵”为“绝热”即1′—2′），2—3为等压放热（冷却塔）；3—5为定熵压缩（给水泵，实际上“定熵”为“绝热”即3—5′）。

朗肯循环效率η朗低于卡诺循环效率η卡，要提高η朗有如下措施：

1）提高工作压力P1使吸热饱和温度T1提高，但受到水的临界压力、临界温度的限制：pcrit＝22.129MPa，tcrit＝374.15°C。

图3-26　朗肯循环(www.xing528.com)

2）降低冷源温度T2，受到地球环境限制，极限时t2≈30～40°C，此时p≈0.04～0.05bar（蒸汽压力）。

3）采用过热，提高过热蒸汽温度，但受到材料的限制，低合金钢如12CrlMoV，最高允许温度540～550°C（汽温）。

4）采用再热，理论上级数越多越好，实际上大多只用一级。再热实际上是为了提高平均加热温度，同时也减小了终点温度。

5）采用回热。概括性卡诺循环采用回热方法，提高了加热温度，使其热效率与相同温度范围的卡诺循环热效率相等。利用蒸汽（汽机抽汽）加热锅炉给水，减少工质在低温液态区的对外吸热，提高平均吸热温度。

2.蒸汽动力循环中的热机及热力系统

焚烧发电厂的典型热力系统见图3-27。

（1）简单蒸汽动力循环。

1）工质：水。

2）主机。

a.锅炉：产生高温高压蒸汽。

b.汽机：高温高压蒸汽作功。

c.发电机：产生电能。

图3-27　典型热力系统

3）主要辅助设备（仅指热力系统）。

a.凝汽器：把作过功的蒸汽（乏汽）凝结成水。

b.除氧器：降低给水中的含氧量（达到安全标准）。

c.凝结水泵：凝结水通过该水泵打入除氧器（属低压系统）。

d.给水泵：将除氧器给水箱的水提高压力输入锅炉。

（2）带回热的系统。

1）高压加热器：给水泵后（用高、中压缸抽汽）。

2）低压加热器：给水泵前（用低压缸抽汽）。

垃圾焚烧发电厂从热力系统看属于小型火电发电厂，其典型的热力系统就是图3-27所示的系统。这个系统已非常成熟、稳定，应用于垃圾发电厂时主要的问题是蒸汽参数不够稳定，另外考虑到垃圾发电厂主要以消纳垃圾为主，因而机组负荷主要是由焚烧炉确定。