華科熱力學蒸汽動力裝置循環(huán)

第十一章蒸汽動力循環(huán)水蒸氣：火力發(fā)電、核電低沸點工質：氨、氟里昂太陽能、余熱、地熱發(fā)電動力循環(huán)：以獲得功為目的2023/4/131現(xiàn)在是1頁\一共有54頁\編輯于星期二蒸汽動力循環(huán)循環(huán)中工質偏離液態(tài)較近，時而處于液態(tài)，時而處于氣態(tài)，因而對蒸汽動力循環(huán)的分析必須結合水蒸氣的性質和熱力過程。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備，因而裝置的設備也不同?！巴馊紕恿ρb置”。燃燒產物不參與循環(huán)，因此蒸汽動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，可以利用劣質煤和工業(yè)廢熱，還可以利用太陽能和地熱等能源，這是這類循環(huán)的一大優(yōu)點。2023/4/132現(xiàn)在是2頁\一共有54頁\編輯于星期二2023/4/133現(xiàn)在是3頁\一共有54頁\編輯于星期二2023/4/134現(xiàn)在是4頁\一共有54頁\編輯于星期二2023/4/135現(xiàn)在是5頁\一共有54頁\編輯于星期二We’llsimplifythepowerplant2023/4/136現(xiàn)在是6頁\一共有54頁\編輯于星期二§11.1蒸汽動力裝置的基本循環(huán)⑴

朗肯循環(huán)蒸汽動力裝置由以下基本設備:鍋爐、汽輪機、凝汽器、給水泵按圖中所示標號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）在汽輪機中絕熱膨脹作功；2-3——乏汽在凝汽器中定壓凝結，成為凝結水；

3-4——凝結水由給水泵絕熱壓縮成給水，返回到鍋爐中冷卻水汽輪機鍋爐給水泵凝汽器234561聯(lián)接構成蒸汽動力裝置蒸汽動力裝置中水蒸氣經歷的基本循環(huán)過程可理想化為：

2023/4/137現(xiàn)在是7頁\一共有54頁\編輯于星期二sT4321t1P1理想化的蒸汽動力裝置基本循環(huán)是朗肯循環(huán)1(P1,t1)——進入汽輪機時的新蒸汽（過熱汽）狀態(tài)；

2(P2)——從汽輪機排出時的乏汽（濕蒸汽）狀態(tài)；

1-2——蒸汽在汽輪機中絕熱膨脹（定熵）的作功過程；

2-3——乏汽在凝汽器中定壓（定溫）凝結放熱過程；

3——凝結水（飽和水）狀態(tài)(P2)；

3-4——凝結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2023/4/138現(xiàn)在是8頁\一共有54頁\編輯于星期二4-5——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)sT4321t1P12023/4/139現(xiàn)在是9頁\一共有54頁\編輯于星期二給水4(P1,h’2)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）汽輪機絕熱膨脹乏汽2(P2,h2)凝汽器定壓放熱凝結水3(P2,h’2)給水泵絕熱壓縮給水4蒸汽動力裝置朗肯循環(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)）2023/4/1310現(xiàn)在是10頁\一共有54頁\編輯于星期二sP4213PPs56hs132456⑵

朗肯循環(huán)的P-v圖和h-s圖P-v圖h-s圖sPPs2023/4/1311現(xiàn)在是11頁\一共有54頁\編輯于星期二6sT54321t1P1⑶

蒸汽動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)123414q41>q4112341>1234561定溫吸熱過程41難于實現(xiàn)過熱蒸汽不采用卡諾循環(huán)2023/4/1312現(xiàn)在是12頁\一共有54頁\編輯于星期二兩相壓縮過程35難于實現(xiàn)6sT54321t1P1232濕度太大對汽輪機工作不利wnet小若以飽和汽為工質實行卡諾循環(huán)62356若P1較低熱效率反而不如朗肯循環(huán)蒸汽動力裝置不采用卡諾循環(huán)2023/4/1313現(xiàn)在是13頁\一共有54頁\編輯于星期二蒸汽卡諾循環(huán)？LowthermalefficiencyCompressorandturbinemusthandletwophaseflowsTheCarnotcycleisnotasuitablemodelforvaporpowercyclesbecauseitcannotbeapproximatedinpractice.2023/4/1314現(xiàn)在是14頁\一共有54頁\編輯于星期二⑵

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)的熱效率汽輪機輸出的技術功給水泵消耗的技術功sT4321t1P1562023/4/1315現(xiàn)在是15頁\一共有54頁\編輯于星期二水泵消耗的技術功遠小于汽輪機作出的技術功h4=h3=h'2wt,B=h4?h3≈0汽輪機輸出的技術功給水泵消耗的技術功一般占0.8~1%不計給水泵消耗的技術功sT4321t1P1562023/4/1316現(xiàn)在是16頁\一共有54頁\編輯于星期二⑷

影響朗肯循環(huán)熱效率的因素根據狀態(tài)參數關系不計給水泵消耗的技術功時，朗肯循環(huán)熱效率t,R受P1、P2、t1控制h1=f(P1,t1)h2=f(P2)h'2=f(P2)①

P2、t1不變，將初壓P1提高t,R會有較顯著的提高乏汽干度x2會降低乏汽干度x2不得小于0.86P1'sT112342t1P1P1提高初壓力的影響平均吸熱溫度明顯提高對機器的強度要求提高56562023/4/1317現(xiàn)在是17頁\一共有54頁\編輯于星期二熱效率與初壓的關系

2023/4/1318現(xiàn)在是18頁\一共有54頁\編輯于星期二P1、P2不變，將初溫

t1提高t,R會有較顯著的提高乏汽干度x2會提高同時提高P1、t1是方向提高初溫的影響P11432t1sTt112t1'②平均吸熱溫度明顯提高金屬耐熱要求提高對機器的強度要求提高目前可應用的t1為550℃56汽機出口尺寸增大提高初溫的結果相當于在原循環(huán)1234561基礎上附加循環(huán)112212023/4/1319現(xiàn)在是19頁\一共有54頁\編輯于星期二熱效率與初溫的關系

2023/4/1320現(xiàn)在是20頁\一共有54頁\編輯于星期二P1、t1不變，將終壓P2降低wt,T增大

P2目前實際已采用至3.5~4kPa，對應的飽和溫度為27~33℃限于循環(huán)水的溫度，已基本達到極限低值sT12'342t1P1降低終壓力的影響3'4'③P2'對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2023/4/1321現(xiàn)在是21頁\一共有54頁\編輯于星期二熱效率與終壓的關系

2023/4/1322現(xiàn)在是22頁\一共有54頁\編輯于星期二蒸汽參數對循環(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)代蒸汽動力循環(huán)都朝著采用高參數、大容量的方向發(fā)展。

2.提高初參數p1、T1后，因循環(huán)熱效率增加而使動力廠的運行費用下降。但由于高參數的采用，設備的投資費用和一部分運行費用又將增加，因而在一般中小型動力廠中不宜采用高參數。究竟多大容量采用多高參數方為合適，須經全面地比較技術經濟指標后確定。

2023/4/1323現(xiàn)在是23頁\一共有54頁\編輯于星期二3.盡管采用較高的蒸汽參數，但由于水蒸汽性質的限制，循環(huán)吸熱平均溫度仍然不高，故對蒸汽動力循環(huán)的改進主要集中于對吸熱過程的改進，即采用種種提高吸熱平均溫度的措施。蒸汽參數對循環(huán)熱效率的影響歸納(續(xù))

2023/4/1324現(xiàn)在是24頁\一共有54頁\編輯于星期二表11-1國產鍋爐、汽輪機發(fā)電機組的初參數簡表低參數中參數高參數超高參數亞臨界參數汽輪機進汽壓力（MPa）1.33.5913.516.5汽輪機進汽溫度（℃）340435535550,535550,535發(fā)電機功率（P/kW）1500～30006000～250005~10萬12.5萬,20萬20萬，30萬，60萬2023/4/1325現(xiàn)在是25頁\一共有54頁\編輯于星期二⑸

汽輪機的相對內效率和汽耗率實際的汽輪機內部過程是不可逆的①汽輪機的相對內效率（定熵效率）②汽耗率SteamRate(d)單位為kg/J,kg/kJ,也使用kg/(kWh)為單位不計給水泵耗功時，若理想汽輪機的輸出功率為P0kW，耗汽率為Dkg/s，兩者有以下關系：理想汽耗率

裝置每輸出單位功量所消耗的蒸汽量Themassofsteamusedtoperformaunitofwork.P11432s2t1sT實際的基本循環(huán)2023/4/1326現(xiàn)在是26頁\一共有54頁\編輯于星期二相對于汽輪機的實際輸出功率實際汽耗率

因此實際蒸汽動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

——實際蒸汽動力裝置循環(huán)的熱效率t=t,RBtuT2023/4/1327現(xiàn)在是27頁\一共有54頁\編輯于星期二例5-1一簡單蒸汽動力裝置循環(huán)(即朗肯循環(huán))，蒸汽的初壓P1=3MPa，終壓P2=6kPa，初溫分別為300℃和500℃

。試求不同初溫時循環(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，以比較所求得的結果。

解：P1=3MPa（過熱汽） t1=300℃

h1=2992.4

kJ/kgs1=6.5371

kJ/(kg·K)t1=500℃h1=3454.9kJ/kgs1=7.2314kJ/(kg·K)P2=6kPa的飽和參數 ：s=0.5209kJ/(kg·K)，s=8.3305kJ/(kg·K)h=151.50kJ/kg，h=2567.1kJ/kgP11432t1sTt112忽略水泵功耗。查水蒸氣表得：2023/4/1328現(xiàn)在是28頁\一共有54頁\編輯于星期二具體計算如下：P11432t1sTt1122023/4/1329現(xiàn)在是29頁\一共有54頁\編輯于星期二計算結果匯總：t1，℃300500t0.34460.3716d，kg/J1.02151060.8146106x20.77080.85932023/4/1330現(xiàn)在是30頁\一共有54頁\編輯于星期二§11.2蒸汽動力裝置再熱循環(huán)⑴帶再熱的蒸汽動力裝置

再熱——蒸汽在汽輪機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，然后再引回汽輪機中繼續(xù)作功，或稱重熱

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；理論上可進行多次再熱，但實際只有1~2次再熱冷卻水汽輪機鍋爐給水泵凝汽器帶再熱的蒸汽動力裝置234561(再熱器)(過熱器)二次汽一次汽ab以朗肯循環(huán)為基礎2023/4/1331現(xiàn)在是31頁\一共有54頁\編輯于星期二⑵蒸汽動力裝置再熱循環(huán)設一次汽的參數為P、t，中間再熱壓力為Pb，再熱至初溫t工質循環(huán)路徑：一次汽1(P,t)……再熱器過熱汽1(P,t)（新蒸汽）凝結水3(P2,h’2)給水泵絕熱壓縮給水4定壓加熱（新蒸汽）汽輪機前缸絕熱膨脹前缸排汽a(Pa)1-a——一次汽在汽輪機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——二次汽在汽輪機后缸中絕熱膨脹作功(hb?

h2)

；sTb1atP2c34蒸汽動力裝置再熱循環(huán)二次汽b(Pa,t)汽輪機后缸絕熱膨脹乏汽2(P2,h2)凝汽器定壓放熱（循環(huán)）2023/4/1332現(xiàn)在是32頁\一共有54頁\編輯于星期二⑶再熱循環(huán)的熱效率忽略給水泵的功耗時，再熱循環(huán)輸出的功為一次汽和二次汽在汽輪機中所作的技術功之和對于具有1次再熱的蒸汽動力循環(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sTb1atP2c342023/4/1333現(xiàn)在是33頁\一共有54頁\編輯于星期二①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最佳的中間再熱壓力②再熱的目的不全在于靠其直接提高循環(huán)的熱效率無再熱時乏汽的狀態(tài)為c；有再熱時乏汽的狀態(tài)為2x2>xc——與Pa有關再熱的目的更重要地還在于它能提高汽輪機乏汽的干度，從而為提高初壓力創(chuàng)造條件

③此外，乏汽干度提高對汽輪機的內部效率有利sTb1atP2c34精心設計的再熱循環(huán)有望直接提高循環(huán)熱效率4%~5%(2~3.5%)2023/4/1334現(xiàn)在是34頁\一共有54頁\編輯于星期二

蒸汽再熱循環(huán)的實踐P1<10MPa一般不采用再熱我國常見再熱機組t1>600℃，P1>25MPa(超臨界機組)系統(tǒng)復雜，初投資增加再熱也帶來一些負面影響鍋爐、汽輪機結構復雜化100、125、200、300MW，P1>13.5MPa——

一次再熱——

二次再熱2023/4/1335現(xiàn)在是35頁\一共有54頁\編輯于星期二例5-2(習題11-3部分)蒸汽動力裝置再熱循環(huán)，蒸汽的初參數為P1=12MPa、t1=450℃，終壓為P2=0.004MPa。再熱時蒸汽的壓力為0.5MPa，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-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)4003271.87.79443053.36.07874503377.07.94523209.96.30322023/4/1336現(xiàn)在是36頁\一共有54頁\編輯于星期二sT1234解：由水蒸氣表查得：P2=4kPa時s=0.4224kJ/(kgK)s=8.4747kJ/(kgK)h=121.41kJ/kgh=2554.1kJ/kg,P1=12MPat1=450℃h1=3209.9kJ/kgs1=6.3032kJ/(kgK)題給再熱后（設為b，過熱汽）Pb=0.5MPatb=400℃hb=3271.8kJ/kgsb=7.7944kJ/(kgK)2023/4/1337現(xiàn)在是37頁\一共有54頁\編輯于星期二sT1234bcaP=0.5MPa時s=1.8604

kJ/(kgK)s=6.8215kJ/(kgK)h=640.1

kJ/kgh=2748.5kJ/kg,已知再熱時的狀態(tài)（設為a）Pa=0.5MPasa值在s與s之間，故知a點為濕蒸汽狀態(tài)sa=s1=6.3032kJ/(kgK)并且

2023/4/1338現(xiàn)在是38頁\一共有54頁\編輯于星期二由此ha=xah+(1-xa)h=0.89552748.5+(10.8955)640.1=2528.17kJ/kg由于h2=x2h2+(1-x2)h2=0.73032554.1+(10.7303)121.41=1898.00kJ/kg以及hc=xch+(1xc)h=0.91552554.1+(10.9155)121.41=2348.54kJ/kgsT1234bca2023/4/1339現(xiàn)在是39頁\一共有54頁\編輯于星期二該再熱循環(huán)的終濕度(1

xc)=0.0845

循環(huán)的熱效率（忽略水泵耗功）

sT1234bca同樣初參數，不帶再熱的朗肯循環(huán)熱效率為

兩種情況相比較，知

t,R

>t,re

以及x2<

xc

2023/4/1340現(xiàn)在是40頁\一共有54頁\編輯于星期二朗肯循環(huán)熱效率不高的主要原因是加熱過程不是在等溫下進行的（有一段低溫預熱段），致使加熱平均溫度不高?；責嵫h(huán)是利用回熱來加熱給水，消除或降低加熱過程的不可逆程度，以提高效率2023/4/1341現(xiàn)在是41頁\一共有54頁\編輯于星期二理想回熱①汽輪機的結構不允許蒸汽一邊作功，一邊放熱給被加熱流體②被回熱的流體是液態(tài)水，它的比熱容與蒸汽不一致；③乏汽的干度有可能變得過低而危害汽輪機經濟安全運行。2023/4/1342現(xiàn)在是42頁\一共有54頁\編輯于星期二§11.3回熱循環(huán)(RegenerativeCycle)

現(xiàn)代大型蒸汽動力裝置采用多至7~9級抽汽回熱朗肯循環(huán)中放熱過程溫度為最低，不可能進行回熱抽汽回熱：作功過程中抽出一部分蒸汽來完成回熱任務回熱——將循環(huán)中某一放熱過程放出的熱量用于滿足另一吸熱過程的需要2023/4/1343現(xiàn)在是43頁\一共有54頁\編輯于星期二鍋爐23561給水泵氣輪機1kg1kg(1–1)kg1kg0101混合式給水回熱器凝汽器（冷卻水）凝結水泵41kg⑴帶抽汽回熱的蒸汽動力裝置對于只有1級抽汽回熱的裝置（按耗汽1kg考慮）：回熱抽汽量為1kg，狀態(tài)01；凝汽量為(1?1)kg，狀態(tài)2回熱抽汽在回熱器中定壓凝結放出熱量1(h01-h01)兩部分水合在一起(1kg)，經給水泵升壓成為鍋爐給水

(1?1)kg的凝結水在回熱器中吸熱(1?1)(h01?h2)回熱抽汽本身亦凝結成為01狀態(tài)的飽和水(1–1)kg凝結水3用凝結水泵壓送至回熱器（不計水泵耗功）=回熱式蒸汽動力裝置加熱至狀態(tài)01——01壓力下的飽和水(1–1)kg42023/4/1344現(xiàn)在是44頁\一共有54頁\編輯于星期二

T-s圖上示出帶1級回熱抽汽的蒸汽動力裝置循環(huán)過程

01——回熱抽汽的狀態(tài)

01-01——

1kg回熱抽汽在回熱加熱器中的定壓凝結放熱過程4-01——

(1?1)kg生水在回熱器中定壓加熱過程

4——進入鍋爐時的給水(1kg)

狀態(tài)1432t1sT011kg1kgP1(1?1)kg011kg(1?1)kg蒸汽動力裝置回熱循環(huán)剩余的蒸汽繼續(xù)膨脹至乏汽狀態(tài)2并冷凝成凝結水3加壓泵將凝結水升壓至回熱抽汽壓力P01(未飽和水4)

01——回熱抽汽壓力下的飽和水

01-4——給水泵中的絕熱壓縮過程442023/4/1345現(xiàn)在是45頁\一共有54頁\編輯于星期二⑵

回熱循環(huán)的熱效率以1級抽汽回熱為例：循環(huán)的吸熱量1432t1sT011kg1kgP1(1?1)kg011kg(1?1)kg蒸汽動力裝置回熱循環(huán)44忽略水泵功耗時，循環(huán)輸出的凈功為凝汽和回熱抽汽在汽輪機中所作兩部分技術功之和具有1級抽汽回熱的循環(huán)熱效率為2023/4/1346現(xiàn)在是46頁\一共有54頁\編輯于星期二回熱抽汽量的確定1432t1sT011kg1kgP1(1?1)kg011kg(1?1)kg蒸汽動力裝置回熱循環(huán)44使用混合式加熱器時，由能量平衡=ηRt回熱使循環(huán)的熱效率得到了提高回熱之所以能夠提高循環(huán)熱效率其熱力學實質在于抽汽部分所完成的循環(huán)熱效率為100%它們是不能獨立存在的！2023/4/1347現(xiàn)在是47頁\一共有54頁\編輯于星期二不計給水泵耗功時，循環(huán)輸出凈功為

循環(huán)放熱量循環(huán)吸熱量對于n級抽汽回熱抽汽