淺談提高火電效率的方法

一、

現行火力發(fā)電原理都是：煤炭化學(xué)能經(jīng)燃燒轉化為水蒸氣動(dòng)能，水蒸汽推動(dòng)汽輪做功，在磁場(chǎng)中金屬導體產(chǎn)生電能，這一過(guò)程中，導體輸出的電能由汽輪機動(dòng)能決定，而汽輪機動(dòng)能又由水蒸氣壓強(P)決定，因而要想輸出的電功率多，就得盡可能增大工質(zhì)壓強。同時(shí)，在這過(guò)程中，熱能會(huì )有較大流失，也就是說(shuō)有很大一部分熱能不能轉化為水蒸汽動(dòng)能(或壓強)。而流失的熱能與工質(zhì)(水蒸汽)的熱力學(xué)溫度(T)有關(guān)，T越大，熱能越易流失，所以，在盡可能提高工質(zhì)壓強的情況下，還得減少溫度T，也就是說(shuō)，要想辦法提高壓溫比(P/T)，什么情況下工質(zhì)的壓溫比最高?顯然是氣態(tài)快轉化為液態(tài)的臨界狀態(tài)。因為氣體越高壓，越低溫，越易液化，壓溫比提高到臨界狀態(tài)，就基本不能再升了(再升就成液體，不能做功了)，而目前許多火電廠(chǎng)都是在超超臨界狀態(tài)工作，所以，他們憑經(jīng)驗已做這一點(diǎn)，從這方面說(shuō)，火電效率不能再提升了。

從另一方面來(lái)說(shuō)，水蒸汽的初始壓強經(jīng)汽輪機做功發(fā)電后，壓強減小到比開(kāi)始小很多的程度，因而想利用乏氣循環(huán)發(fā)電也是不現實(shí)的，另外，可證明，磁流體發(fā)電效率也不可能達到或高過(guò)現有火電效率水平。

因而，要想提高效率，得從各個(gè)過(guò)程入手。首先，我們可得出熱能有三種轉移方式：做功、熱傳遞、熱輻射。這三種方式中，我們想要的是盡可能增大熱能做功部分，而減少熱傳遞和熱輻射。在鍋爐中，水蒸汽因有高溫，還是會(huì )與外界有熱傳遞。要減少熱傳遞，可利用杜瓦瓶原理絕熱，即對裝水容器安裝兩層夾板，兩板之間抽成真空再密封，這樣，熱傳遞而流失的能量大部分都會(huì )得到收集。另外，根據斯特藩一玻爾茲曼定律，熱輻射與容器面積和T4成正比。因而，可通過(guò)增大容器的體積和面積之比來(lái)減小熱輻射所占比例，從而幫助熱能利用。同樣，這種升高體積/面積的做法也對減少熱傳遞的影響有意義，這也是為什么大型火電廠(chǎng)比小火電廠(chǎng)效率高的原因。

二、

但是，以上兩種思路雖然有助于提高火電效率，但提高程度不大，因而其現實(shí)意義較小，我們可觀(guān)察到，在熱電轉換過(guò)程中，熱能最主要的流失是水蒸汽推動(dòng)汽輪機做功后向外界排出的乏氣中還含有大量熱能，這部分熱能沒(méi)被利用，因而現行火電效率不高。

那么，要想使這部分熱能得到利用，就得想法使它轉化為氣體的定向動(dòng)能(熱能是雜亂，各向均勻同性的，無(wú)法推動(dòng)汽輪機做功)。而較現實(shí)的思路是參照節流制冷原理，使水蒸氣在經(jīng)汽輪機之前就讓它通過(guò)多孔性隔板，這樣，通過(guò)后的水蒸汽溫度有所降低，而流速增大，有利于增大定向動(dòng)能所占比例，從而有利于水蒸氣做功。

因為實(shí)驗表明，先前流速較低的氣體通過(guò)縮口式閥門(mén)過(guò)后，流速增大，溫度降低，相當于把熱能轉化為氣體的定向動(dòng)能。從理論上分析，由于氣體的壓強(決定定向動(dòng)能)可看作是由溫度(決定熱能)產(chǎn)生，則壓強可認為是動(dòng)能，熱能是勢能，氣體通過(guò)小孔后，流速會(huì )增大，就是動(dòng)能增大，根據能量守恒，則勢能一定會(huì )減小，即溫度會(huì )降低。而這節流過(guò)程就是把不做功的熱能轉化為能做功的定向動(dòng)能，從而降低乏氣帶走的熱能，增大做功的比例，提高火電效率。

現實(shí)中可先對封閉的水蒸汽不斷加熱，待其壓強高到一定值時(shí)再讓水蒸汽通過(guò)多層多孔性隔板，多次節流，從而較大降低其溫度。同時(shí)保持節流后的水蒸汽動(dòng)能和現行情況大致相等(這需要節流前壓強比現在升高)，然后控制火力，使燃燒輸給水蒸汽的能量和節流后水蒸汽定向動(dòng)能相平衡。但是，現實(shí)中還需要考慮多種因素，限于篇幅，本文從略。本文只是從理論上對提高火電效率在這方面指出的一條思路，至于實(shí)際操作，各火電廠(chǎng)還要進(jìn)行多次調試。

三、

另外，火力發(fā)電過(guò)程中，各機件運動(dòng)的能量也能量消耗的原因。如汽輪機和磁極轉動(dòng)，它們本身也有能量，它們也是靠熱能提供，有一部分不能轉化為電能。因此，還得盡量減小這些機件的質(zhì)量或密度。如汽輪機廠(chǎng)可把汽輪機的葉片盡可能做薄或用輕材料(如鈦鋁合金)代替鋼鐵部分。對旋轉磁極，作者也有辦法讓其減小質(zhì)量。當然，各生產(chǎn)線(xiàn)可綜合各種情況，具體改進(jìn)，從而提高火電效率。