華科熱力學(xué)蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)

1、第十一章 蒸汽動(dòng)力循環(huán)水蒸氣：火力發(fā)電、核電低沸點(diǎn)工質(zhì)：氨、氟里昂太陽能、余熱、地?zé)岚l(fā)電動(dòng)力循環(huán)：以獲得功為目的2022/9/241第一頁，共五十四頁。蒸汽動(dòng)力循環(huán)循環(huán)中工質(zhì)偏離液態(tài)較近，時(shí)而處于液態(tài)，時(shí)而處于氣態(tài)，因而對(duì)蒸汽動(dòng)力循環(huán)的分析必須結(jié)合水蒸氣的性質(zhì)和熱力過程。由于水和水蒸氣均不能燃燒而只能從外界吸熱，必需配備制備蒸汽的鍋爐設(shè)備，因而裝置的設(shè)備也不同?！巴馊紕?dòng)力裝置”。燃燒產(chǎn)物不參與循環(huán)，因此蒸汽動(dòng)力裝置可以使用各種常規(guī)的固體、液體、氣體燃料及核燃料，可以利用劣質(zhì)煤和工業(yè)廢熱，還可以利用太陽能和地?zé)岬饶茉?，這是這類循環(huán)的一大優(yōu)點(diǎn)。2022/9/242第二頁，共五十四頁。2022/9/

2、243第三頁，共五十四頁。2022/9/244第四頁，共五十四頁。2022/9/245第五頁，共五十四頁。Well simplify the power plant2022/9/246第六頁，共五十四頁。11.1 蒸汽動(dòng)力裝置的基本循環(huán) 朗肯循環(huán) 蒸汽動(dòng)力裝置由以下基本設(shè)備:鍋爐、汽輪機(jī)、凝汽器、給水泵 按圖中所示標(biāo)號(hào)4-5-6-1給水在鍋爐中定壓加熱形成為過熱蒸汽； 1-2過熱蒸汽（新蒸汽）在汽輪機(jī)中絕熱膨脹作功； 2-3乏汽在凝汽器中定壓凝結(jié)，成為凝結(jié)水； 3-4凝結(jié)水由給水泵絕熱壓縮成給水，返回到鍋爐中 冷卻水汽輪機(jī)鍋爐給水泵凝汽器234561聯(lián)接構(gòu)成蒸汽動(dòng)力裝置 蒸汽動(dòng)力裝置中水蒸氣經(jīng)

3、歷的基本循環(huán)過程可理想化為： 2022/9/247第七頁，共五十四頁。sT4321t1P1 理想化的蒸汽動(dòng)力裝置基本循環(huán)是朗肯循環(huán) 1(P1,t1)進(jìn)入汽輪機(jī)時(shí)的新蒸汽（過熱汽）狀態(tài)； 2(P2)從汽輪機(jī)排出時(shí)的乏汽（濕蒸汽）狀態(tài)； 1-2蒸汽在汽輪機(jī)中絕熱膨脹（定熵）的作功過程； 2-3乏汽在凝汽器中定壓（定溫）凝結(jié)放熱過程； 3凝結(jié)水（飽和水）狀態(tài)(P2) ； 3-4凝結(jié)水在給水泵中絕熱壓縮（定熵）成為鍋爐給水； 由于水幾乎不可壓縮，垂直線段3-4幾乎重合成為一點(diǎn)2022/9/248第八頁，共五十四頁。4-5給水在鍋爐省煤器中定壓加熱成飽和水 (P1 ts) ；5-6水在鍋爐水冷壁中定壓加

4、熱成為飽和汽 (P1 ts)；6-1飽和汽在過熱器中定壓加熱成為新蒸汽 (P1 t1)。（ 4-5-6-1給水在鍋爐中定壓加熱成新蒸汽）65 4給水（未飽和水）狀態(tài)(P1) ；朗肯循環(huán)sT4321t1P12022/9/249第九頁，共五十四頁。給水4(P1, h2)省煤器飽和水5(P1, ts)飽和汽6(P1, ts)水冷壁過熱器過熱汽1(P1, t1)（新蒸汽）汽輪機(jī)絕熱膨脹乏汽2(P2, h2)凝汽器定壓放熱凝結(jié)水3(P2, h2)給水泵絕熱壓縮給水4蒸汽動(dòng)力裝置朗肯循環(huán)的路徑：定壓加熱定壓加熱定壓加熱6sT54321t1P1朗肯循環(huán)（重新循環(huán)）2022/9/2410第十頁，共五十四頁。s

5、P4213PPs56hs132456 朗肯循環(huán)的P-v圖和h-s圖P-v圖h-s 圖sPPs2022/9/2411第十一頁，共五十四頁。6sT54321t1P1 蒸汽動(dòng)力裝置為什么不采用卡諾循環(huán) 平均吸熱溫度 朗肯循環(huán)1234561 平均放熱溫度 朗肯循環(huán)1234561的熱效率 同溫限的卡諾循環(huán)123414q41q41123411234561定溫吸熱過程41難于實(shí)現(xiàn)過熱蒸汽不采用卡諾循環(huán)2022/9/2412第十二頁，共五十四頁。兩相壓縮過程35難于實(shí)現(xiàn)6sT54321t1P1232濕度太大對(duì)汽輪機(jī)工作不利wnet小 若以飽和汽為工質(zhì)實(shí)行卡諾循環(huán)62356若P1較低熱效率反而不如朗肯循環(huán)蒸汽動(dòng)

6、力裝置不采用卡諾循環(huán)2022/9/2413第十三頁，共五十四頁。蒸汽卡諾循環(huán)？Low thermal efficiencyCompressor and turbine must handle two phase flowsThe Carnot cycle is not a suitable model for vapor power cycles because it cannot be approximated in practice.2022/9/2414第十四頁，共五十四頁。 朗肯循環(huán)的熱效率 朗肯循環(huán)吸熱和放熱過程是定壓的循環(huán)的吸熱量循環(huán)的放熱量朗肯循環(huán)的熱效率汽輪機(jī)輸出的技術(shù)功給水泵

7、消耗的技術(shù)功sT4321t1P1562022/9/2415第十五頁，共五十四頁。 水泵消耗的技術(shù)功遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)作出的技術(shù)功h4=h3=h2wt,B=h4h30汽輪機(jī)輸出的技術(shù)功給水泵消耗的技術(shù)功 一般占0.81%不計(jì)給水泵消耗的技術(shù)功sT4321t1P1562022/9/2416第十六頁，共五十四頁。 影響朗肯循環(huán)熱效率的因素根據(jù)狀態(tài)參數(shù)關(guān)系 不計(jì)給水泵消耗的技術(shù)功時(shí)，朗肯循環(huán)熱效率t,R受P1、P2、t1控制h1= f (P1,t1)h2= f (P2)h2= f (P2) P2、t1不變，將初壓P1提高t,R會(huì)有較顯著的提高乏汽干度x2會(huì)降低乏汽干度x2不得小于0.86P1sT112342

8、t1P1P1提高初壓力的影響 平均吸熱溫度明顯提高對(duì)機(jī)器的強(qiáng)度要求提高56562022/9/2417第十七頁，共五十四頁。 熱效率與初壓的關(guān)系 2022/9/2418第十八頁，共五十四頁。P1、P2不變，將初溫 t1提高t,R會(huì)有較顯著的提高乏汽干度x2會(huì)提高同時(shí)提高P1、 t1是方向提高初溫的影響P11432t1sTt112t1 平均吸熱溫度明顯提高金屬耐熱要求提高對(duì)機(jī)器的強(qiáng)度要求提高目前可應(yīng)用的t1為55056汽機(jī)出口尺寸增大 提高初溫的結(jié)果相當(dāng)于在原循環(huán)1234561基礎(chǔ)上附加循環(huán)112212022/9/2419第十九頁，共五十四頁。熱效率與初溫的關(guān)系 2022/9/2420第二十頁，共

9、五十四頁。P1、t1不變，將終壓P2降低wt,T增大 P2目前實(shí)際已采用至3.5 4kPa，對(duì)應(yīng)的飽和溫度為27 33限于循環(huán)水的溫度，已基本達(dá)到極限低值sT12342t1P1降低終壓力的影響34P2對(duì)t,R總是有利略有下降；56 冬天循環(huán)水溫較低，循環(huán)熱效率較高下降明顯2022/9/2421第二十一頁，共五十四頁。熱效率與終壓的關(guān)系 2022/9/2422第二十二頁，共五十四頁。蒸汽參數(shù)對(duì)循環(huán)熱效率的影響歸納 1.提高蒸汽p1、T1、降低p2可以提高循環(huán)的熱效率，因而現(xiàn)代蒸汽動(dòng)力循環(huán)都朝著采用高參數(shù)、大容量的方向發(fā)展。 2. 提高初參數(shù)p1、T1后，因循環(huán)熱效率增加而使動(dòng)力廠的運(yùn)行費(fèi)用下降。

10、但由于高參數(shù)的采用，設(shè)備的投資費(fèi)用和一部分運(yùn)行費(fèi)用又將增加，因而在一般中小型動(dòng)力廠中不宜采用高參數(shù)。究竟多大容量采用多高參數(shù)方為合適，須經(jīng)全面地比較技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)后確定。 2022/9/2423第二十三頁，共五十四頁。3. 盡管采用較高的蒸汽參數(shù)，但由于水蒸汽性質(zhì)的限制，循環(huán)吸熱平均溫度仍然不高，故對(duì)蒸汽動(dòng)力循環(huán)的改進(jìn)主要集中于對(duì)吸熱過程的改進(jìn)，即采用種種提高吸熱平均溫度的措施。 蒸汽參數(shù)對(duì)循環(huán)熱效率的影響歸納(續(xù)) 2022/9/2424第二十四頁，共五十四頁。表11-1 國產(chǎn)鍋爐、汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的初參數(shù)簡(jiǎn)表低參數(shù)中參數(shù)高參數(shù)超高參數(shù)亞臨界參數(shù)汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力（MPa）1.33.5913.516

11、.5汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度（）340435535550,535550,535發(fā)電機(jī)功率 （P/ kW）15003000600025000510萬12.5萬,20萬20萬，30萬，60萬2022/9/2425第二十五頁，共五十四頁。 汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率和汽耗率實(shí)際的汽輪機(jī)內(nèi)部過程是不可逆的汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率（定熵效率）汽耗率Steam Rate (d) 單位為kg/J,kg/kJ,也使用kg/(kWh)為單位 不計(jì)給水泵耗功時(shí)，若理想汽輪機(jī)的輸出功率為P0kW，耗汽率為Dkg/s，兩者有以下關(guān)系：理想汽耗率 裝置每輸出單位功量所消耗的蒸汽量The mass of steam used to perfor

12、m a unit of work.P11432s2t1sT實(shí)際的基本循環(huán)2022/9/2426第二十六頁，共五十四頁。相對(duì)于汽輪機(jī)的實(shí)際輸出功率實(shí)際汽耗率 因此實(shí)際蒸汽動(dòng)力裝置整體上講尚需考慮鍋爐的熱損失鍋爐效率B管道的熱損失管道效率tu 實(shí)際蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)的熱效率t=t,RBtuT2022/9/2427第二十七頁，共五十四頁。例5-1一簡(jiǎn)單蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)(即朗肯循環(huán))，蒸汽的初壓P1 = 3 MPa，終壓P2 = 6 kPa，初溫分別為300和500 。試求不同初溫時(shí)循環(huán)的熱效率t、耗汽率d及蒸汽的終干度x2，并將所求得的各值填入下表內(nèi)，以比較所求得的結(jié)果。 解：P1=3 MPa（過熱汽

13、）t1=300 h1=2992.4 kJ/kg s1=6.5371 kJ/(kgK)t1=500 h1=3454.9 kJ/kg s1 =7.2314 kJ/(kgK)P2=6 kPa的飽和參數(shù)：s=0.5209 kJ/(kgK)，s=8.3305 kJ/(kgK)h=151.50 kJ/kg， h=2567.1 kJ/kg P11432t1sTt112忽略水泵功耗。查水蒸氣表得：2022/9/2428第二十八頁，共五十四頁。具體計(jì)算如下： P11432t1sTt1122022/9/2429第二十九頁，共五十四頁。計(jì)算結(jié)果匯總： t1，300500t0.34460.3716d，kg/J1.02

14、151060.8146106x20.77080.85932022/9/2430第三十頁，共五十四頁。11.2 蒸汽動(dòng)力裝置再熱循環(huán) 帶再熱的蒸汽動(dòng)力裝置 再熱蒸汽在汽輪機(jī)中工作至某一中間壓力后重新送回到鍋爐的再熱器中加熱，然后再引回汽輪機(jī)中繼續(xù)作功，或稱重?zé)?一次汽再熱前的蒸汽二次汽再熱后的蒸汽一般都再熱至初溫；理論上可進(jìn)行多次再熱，但實(shí)際只有12次再熱冷卻水汽輪機(jī)鍋爐給水泵凝汽器帶再熱的蒸汽動(dòng)力裝置234561(再熱器)(過熱器)二次汽一次汽ab 以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)2022/9/2431第三十一頁，共五十四頁。 蒸汽動(dòng)力裝置再熱循環(huán) 設(shè)一次汽的參數(shù)為P、t，中間再熱壓力為Pb，再熱至初溫 t工

15、質(zhì)循環(huán)路徑：一次汽1(P, t)再熱器過熱汽1(P, t)（新蒸汽）凝結(jié)水3(P2, h2)給水泵絕熱壓縮給水4定壓加熱（新蒸汽）汽輪機(jī)前缸絕熱膨脹前缸排汽a(Pa)1-a一次汽在汽輪機(jī)前缸中絕熱膨脹作功 (h1 ha) ；a-b蒸汽在鍋爐再熱器中定壓再熱，吸熱 (hb ha)；b-2二次汽在汽輪機(jī)后缸中絕熱膨脹作功 (hb h2) ；sTb1atP2c34蒸汽動(dòng)力裝置再熱循環(huán)二次汽b(Pa, t)汽輪機(jī)后缸絕熱膨脹乏汽2(P2, h2)凝汽器定壓放熱（循環(huán)）2022/9/2432第三十二頁，共五十四頁。 再熱循環(huán)的熱效率 忽略給水泵的功耗時(shí)，再熱循環(huán)輸出的功為一次汽和二次汽在汽輪機(jī)中所作的技

16、術(shù)功之和 對(duì)于具有1次再熱的蒸汽動(dòng)力循環(huán) 循環(huán)的吸熱量為蒸汽分別在鍋爐的過熱器和再熱器中所吸熱量之和 再熱循環(huán)的熱效率為 一次汽作的功二次汽作的功一次汽吸的熱量二次汽吸的熱量sTb1atP2c342022/9/2433第三十三頁，共五十四頁。再熱措施能否提高循環(huán)的熱效率取決于中間壓力 存在著一個(gè)最佳的中間再熱壓力再熱的目的不全在于靠其直接提高循環(huán)的熱效率 無再熱時(shí)乏汽的狀態(tài)為c；有再熱時(shí)乏汽的狀態(tài)為2x2xc 與Pa有關(guān) 再熱的目的更重要地還在于它能提高汽輪機(jī)乏汽的干度，從而為提高初壓力創(chuàng)造條件 此外，乏汽干度提高對(duì)汽輪機(jī)的內(nèi)部效率有利sTb1atP2c34 精心設(shè)計(jì)的再熱循環(huán)有望直接提高循環(huán)

17、熱效率4% 5% (23.5%)2022/9/2434第三十四頁，共五十四頁。 蒸汽再熱循環(huán)的實(shí)踐P1600，P125MPa (超臨界機(jī)組)系統(tǒng)復(fù)雜，初投資增加 再熱也帶來一些負(fù)面影響鍋爐、汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化100、125、200、300 MW，P113.5MPa 一次再熱 二次再熱2022/9/2435第三十五頁，共五十四頁。例5-2(習(xí)題11-3部分)蒸汽動(dòng)力裝置再熱循環(huán)，蒸汽的初參數(shù)為P1=12 MPa、t1=450，終壓為P2=0.004 MPa。再熱時(shí)蒸汽的壓力為0.5 MPa，再熱后蒸汽的溫度為400。試確定該再熱循環(huán)的熱效率和終濕度，將所得的熱效率、終濕度和朗肯循環(huán)作比較，并在 T

18、-s圖上畫出該再熱循環(huán)。附水蒸氣表（節(jié)錄） 飽和水蒸氣表 P, MPah, kJ/kg,h, kJ/kgs, kJ/(kgK)s, kJ/(kgK)0.004121.412554.10.42248.47470.5640.12748.51.86046.8215過熱水蒸氣表 t, 0.5， MPa12MPah, kJ/kgs, kJ/(kgK)h, kJ/kgs, kJ/(kgK)4003271.87.79443053.36.07874503377.07.94523209.96.30322022/9/2436第三十六頁，共五十四頁。sT1234解： 由水蒸氣表查得： P2=4 kPa 時(shí) s=0.

19、4224 kJ/(kgK) s=8.4747 kJ/(kgK) h=121.41 kJ/kg h=2554.1 kJ/kg, P1=12 MPa t1=450 h1=3209.9 kJ/kg s1=6.3032 kJ/(kgK) 題給再熱后（設(shè)為b，過熱汽）Pb=0.5 MPa tb=400 hb=3271.8 kJ/kg sb=7.7944 kJ/(kgK) 2022/9/2437第三十七頁，共五十四頁。sT1234bcaP=0.5MPa 時(shí) s=1.8604 kJ/(kgK) s=6.8215 kJ/(kgK) h=640.1 kJ/kg h=2748.5 kJ/kg, 已知再熱時(shí)的狀態(tài)（設(shè)為a）Pa = 0.5 MPasa值在s與s之間，故知a點(diǎn)為濕蒸汽狀態(tài)sa = s1 = 6.3032 kJ/(kgK) 并且 2022/9/2438第三十八頁，共五十四頁。由此ha=xah+(1-xa)h =0.89552748.5+(1 0.8955)640.1 =2528.17 kJ/kg 由于h2= x2h2+(1-x2)h2 =0.73032554.1+(10.7303)121.41=1