毕业论文外文翻译--热力发电厂发展的替代趋势=(外文原文+中文翻译).doc
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1、热力发电厂发展的替代趋势摘要:热(或矿物燃料)发电厂(TPP)是污染环境的主要来源, 它向大气排放碳燃料燃烧的基本产物二氧化碳。正是这种气体造成了温室效应,使得全球气候变暖。减少排入大气的二氧化碳的根本解决方法在于省电, 这样便会减少燃料燃烧量。这种方法不管是从经济还是生态的角度看都是可行的。不过解决这个问题最理想的做法是不燃烧任何含碳燃料,如煤、石油制品和其他有机动力资源。这项工作的目的是概述减少热 (或矿物燃料)发电厂燃料消耗量的方法,从而减少造成温室效应的排入大气的气体.。其中一种方法在于改变工质的热物理性质,如果我们能改变传统工质,即水, 或者能采用有着完全不同热物理性质的工质,这种方
2、法也许能变为可能。这篇文章为一个切实可行的解决方案提供各种技术方法,如卡利纳循环,通过磁流体共振改变水的性质或在热电厂的热动力循环中采用液体在低于环境温度下沸腾的技术。关键词:节能电源;效率;减少向环境中排放气体;热力发电厂1. 序言人类文明与科技进步历史与电力消费的增长密切相关。基于含碳燃料消耗的热电工程发展和不断增长的电力生产是使燃料能源资源不断消耗。热能与动力工程用煤、石油、天然气和超过1%的大气氧消耗取代SO2,NOx和CO2,这些加剧温室效应的气体来产电。现在来看由GAO(美国总会计办公室)在2002年6月20日公布的数据1。2002年,美国电站排放SO2占发电厂总排气量的59%、N
3、Ox占47%、CO2占42%,但产电量只占了总电量的42%。为此,我们来使用一个简单的逻辑:如果旧电站产电占42%,则新电站产电占(100-42)%=58%;如果旧电站排放SO2占59%,则新电站排放的SO2占(100-59)% = 41%,各气体排放依此类推。命名CO2碳酸, 二氧化碳希腊符号E能量g效率G重量q密度h0气体焓下标K开尔文(热力学温度)boil沸腾条件m质量cold最低温度NOx氮氧化物f燃料P压力hot最高温度SO2二氧化硫k动力学T热力学温度lq液体V体积n正常情况v速度t温度W热力旧电站每1%的产电对应排气中的SO2占59/42 = 1.405%,我们来列出最终“气体排
4、放电力生产”的比例:电站每1% 产电的排气SO2(%)NOx(%)CO2(%)旧1.4051.1191.000新0.7070.9141.000新电站排出的SO2和NOx低于旧电站,这点毫无意义。但二氧化碳的排放是有可比性的, 这可由生产热能所采用的制度的本质来解释 因为燃烧的是含碳燃料,氧化后的最终产物是二氧化碳。可以说,30年来还没有发现任何减少二氧化碳与热量排放的根本方法,而二氧化碳与热量正是引起全球温室效应及气候变暖的主因。2. 通过改变工作介质的热物理性质来提高电厂效率效率是指电站生产的热功W与产电所消耗的热能Gf之比 (1)因此,提高电厂效率(如矿物燃料电厂)有两种不同的方法:1.保
5、持产电消耗热能(Gf)不变,提高热工(W), 电厂采用联合循环来实现这个方法,即通过燃气轮机再利用排气热量。2.保持热工(W)不变,降低产电消耗热能(Gf)。另一个提高电厂效率的方法是不断改变工作介质的热物理性质。本文章从生态和自然限制方面做出了对这个方法的理论分析。本文将简要介绍研究的基本路线和取得的成果。2.1. 改变传统的工作介质的热性能从技术实现的角度看,提高火力发电厂效率最简单的方法是通过采用磁流体共振来改变工作介质即水的热物理性质。这种方法的本质是水的二阶相变。这个过程的特点是改变水在每个转变点的所有性质。但参照热过程,改变汽化热和热能力的可能性至关重要。这个方法在技术上可行的简单
6、之处在于它的实现不需要重新设计火力发电厂。这意味着使用磁流体共振的方法可在任何电站使用,不管电站是新还是旧。换句话说,要改善任何热电厂的生态环境,特别是减少二氧化碳的排放,能在最短的时间内完成。为能够在蒸汽发生器给水线中正确选择设备(即磁流体谐振器)的安装位置并精确调整使得汽化热或热容下降。但水的性质使得热容提高导致气化热提高,反之亦然。计算结果显示:使用磁流体谐振器很可能使电厂效率提升10%。这样能减少29%的燃料消耗、29%的固气排放、52%的热排放(在热电厂装备容量不变的情况下)。2.2. 综合工作介质的利用90年代初,在美国的一个1MW的电厂中,进行了著名的A. Kalina 循环。在
7、这个循环中,通过使用氨、乙胺、二乙胺等化学品工作介质,实现了电厂效率的提高。例如,当氨溶于水时,这种方案的热容量低于只用水的方案中的热容量。此外,当1摩尔的氨溶于1升的水时,会产生8.28卡的热量,这刚好能使方案中14%的一千克氨升温到约100。因此,当一升水从30加热到100时,可把溶解所释放的热量储存起来,大约为70卡的热量或0.01千克燃料所释放的热量。Kalina循环的实现如下:在给水进入蒸汽发生器前,添加适量的氨。由于氨溶释放的热量和最终方案中热容的降低,加热到沸腾温度所需燃料减少。蒸汽与气态氨分离,然后,水与氨在进入蒸汽发生器前再次混合。在化学工业中,分离水和氨的过程被广泛使用在纯
8、碱制作工艺的过滤液体阶段。实践证明,应用Kalina循环的电厂的效率能提升10%,且可减少20%的燃料消耗。因为所使用的燃料的特性并不发挥主要作用,Kalina循环能使灰尘、二氧化碳、二氧化硫的排放量减少,节约20%的燃料。相对于2.1节中提到的磁流体共振方法,卡利Kalina的缺点在于:如果一个热电厂使用了朗肯循环,则不可能使用Kalina循环。2.3. 取代传统的工作介质让我们来详细地关注利用环境热来产电的方式,从燃料节省角度看,环境热是我们认为最有前景的。首先我们来回顾建立技术的物理及物化基本原理,这在当今已不言自明。公理1. 已确定,1摩尔任何气体在标况(压力为101.325kPa,温
9、度为288.15K)下,体积Vmn=22.414m3/kmol。公理2. 蒸发和冷凝可用于所有一阶相变。一阶相变(PT1)即不断变动过渡点的物质聚集状态。从浓缩到气态,或从气态到浓缩,物质的摩尔流量会发生突变,这是所有物质的一个正常趋势。在沸腾温度和标准压力下任何液态物质的摩尔流量为: (2)其中,kM指摩尔重量,指沸腾温度下液态物质密度标况下气态物质的摩尔流量为: (3)其中,为标况下气体物质密度不管物质状态如何变化,摩尔重量是不变的。 (4) (5)我们来看参考书目中的一些算例。1摩尔液态水的体积是0.018m3,而在标况下气态水的体积为22.414m3(见上述公理),是液态水体积的124
10、5倍。1摩尔液态氮的体积为0.035 m3,而在标况下气态氮的体积为22.414 m3(见上述公理),是液态氮体积的640倍。1摩尔液态二氧化碳的体积为0.040 m3,而在标况下气态二氧化碳的体积为22.414 m3(见上述公理),是液态二氧化碳体积的561倍。1摩尔液态丙烷的体积为0.076 m3,而在标况下气态丙烷的体积为22.414 m3(见上述公理),是液态丙烷体积的294倍。公理3.理想气体状态方程,如下: (6)其中Pn,Tn,Vn 分别是标准压力(101.3kPa,这是每年的海平面气压平均值),标准温度(15,这是每年的海平面气温平均值),和1摩尔气态物质的体积。Pt,Tt,V
11、t分别是1摩尔气体如蒸汽在t温度下的压力、温度和体积。把方程(5) 代入方程(6)我们得到: (7)当1摩尔液体蒸发(见公理2),得到的气体在一封闭空间加热,相对压力提高导致相对温度上升。 (8)这一在蒸汽过热器中进行的技术步骤使得到足够高的压力值成为可能。公理 4.涡轮受一股有动能的气流驱动。 (9)上述公式很普遍,适用于任何运动个体。本例中气体的特性根据每单位质量体积表现在它的密度。然而,气体体积要考虑它的可压缩性,所以也由压力决定。公理 5.气体在本例中储存的潜在能量(积累的能量)是由蒸汽过热器和冷凝器之间的压力差决定的(见公理3),压力靠气体冷凝的完整性,这是由气态变为液态的一阶相变(
12、见公理2)。在广为人知的郎肯循环中,蒸汽发生器中的水沸腾导致压力上升。由此产生的蒸汽在过热器中加热,使得压力继续上升。在涡轮凝汽器中蒸汽被凝结,导致压力降为真空压力。过热器与冷凝器之间的压差使蒸汽从高压带迅速转向低压带,旋转涡轮产电。同样的,任何物质的一阶相变使物质液态变为气态,再从气态变为液态。从提高效率和改变电厂生态参数看,采用循环作为工作体系,低沸点物质如氢、氦、氮、氧、氖、二氧化碳等,看起来最有前途的。循环使用这些气体的原因是这些气体都是低沸点气体。这意味着没必要为从燃烧燃料到产生气体提供热量,这是PT1发生和液体变为气体的仪器,因为环境本身可作为热源。例如,大家都记得,氮沸腾温度为-
13、196或77K。如果用氮代替水产电,让我们估计一下能节省多少燃料。使液氮沸腾(即蒸汽产生所需要的热量)由环境热量提供,而过热氮以获得较高的压力值需要燃烧传统的碳氢燃料。我们来假设一利用郎肯循环和水作为工作介质的热电厂的效率为41%。该电厂每燃烧0.405kg的传统燃料便产出1KW的电。假设在涡轮入口蒸汽压力上升阶段燃料消耗量分别与水加热至沸腾温度、蒸发比热、过热蒸汽焓成正比(见表1)。现在,我们用氮代替水,假设蒸汽热容,作为三原子气体,为4R;氮的热容,二原子气体,为7/2R。蒸汽从30加热至530,消耗894 kJ/kg,氮从30加热至530,则需消耗:表1 估计燃料消耗用以提高涡轮入口的蒸
14、汽压力蒸汽轮机循环阶段初温()终温 ()功率消耗 (kJ/kg)相对油耗加热冷凝水到沸点3031012770.38水沸腾31031013240.40蒸汽过热3105307260.22总量33271.00表2 估计燃料消耗用以提高涡轮入口的蒸汽压力涡轮循环阶段初温,终温,功率消耗, kJ/kg氮沸腾196196加热气态氮19630气体过热305302782=1564如公理2所说,水蒸发后体积增大了1245倍,而氮只增大了640倍。为使计算有可比性,我们假设郎肯循还中所用的氮是水的两倍。(见表2)。这样,在郎肯循环中用氮代替水,燃烧碳氢化合物燃料过热气态氮至530,很可能使燃料消耗减少2.1倍。这
15、样,消耗0.19kg的常规燃料能生产1KW电力。排入大气的有害气体也会减少2.1倍。我们来看看这种电力生产技术是否与热力学定律相悖。热力学第一定律解释了热与功的关系,即能量守恒定律。因此公式(1)可归纳如下:热机(包括电厂的热机)的效率不能大于一。通过减少传统燃料的2.1倍,就有可能提高热电厂高达82的效率。事实上,由于部分生产能耗为压缩机的运作提供液化氮,效率会低一些。对热力学第二定律,正如Clausius制定的,内容如下:热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。让我们假设氮在热力循环作为工作介质。由于液氮的沸点为196(77K),环境温度可低达50(223K),这与热力学第二定律
16、的环境(热体)热完全符合,环境热会自发地流向液氮(冷机构),从而提供热量让其沸腾。对可逆卡诺循环热机的热力学第二定律介绍如下: (10)其中,T是周期中的最高温度(增加的热温度),T是最低温度(在这种情况下,为氮的沸点温度)。我们所做的简单计算中,自然会用到热力学温标:水为工质的郎肯循环 ;氮为工质的循环 氮循环中,蒸汽发生器(气体发生器)用液氮沸腾代替水沸腾,从热力学效率的角度看更可取。我们可以看到,所提出的产电技术方法与热力学第一、第二定律都不矛盾。电力工程的发展趋势已被一些电厂投入商业用途中。现在已经提出利用超临界二氧化碳联合电力生产、热能的以太阳能为动力的朗肯循环。拟议的系统由太阳能集
17、热器、发电涡轮机、高低温热回收系统和给水泵组成。估计发电效率为0.25,热回收效率为0.65。第6页 共7页 学号:06410203 常 州 大 学毕业设计(论文)外文翻译(2010届)外文题目 Exergy analysis of a thermal power plant with measured boiler and turbine losses 译文题目 有测量锅炉和汽轮机损失的火电厂的火用分析 外文出处 Thermal engineering xxx(2010)xxx-xxx 学 生 刘 旦 珩 学 院 机械与能源工程学院 专 业 班 级 热能062 校内指导教师 刘 鸿 专业技术
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