第十一章 蒸汽動力循環(huán)裝置

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主要內容

1掌握蒸汽動力循環(huán)的基本形式——朗肯循環(huán)的組成；

2掌握工質的初、終參數對循環(huán)效率是如何影響的。

3理解中間再熱的朗肯循環(huán)、給水回熱加熱循環(huán)、熱電聯產循環(huán)，最后是燃氣—蒸汽聯合循環(huán)等。4掌握回熱循環(huán)熱效率的計算過程。

第2頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三11-1簡單蒸汽動力裝置循環(huán)——朗肯循環(huán)

一、工質為水蒸氣的卡諾循環(huán)

在采用氣體作工質的循環(huán)中，因定溫加熱和放熱難于進行，而且氣體的定溫線和絕熱線在p-υ圖上的斜率相差不多，以致卡諾循環(huán)所作的功并不大，故在實際上難于采用。在采用蒸汽作工質時，由于水的汽化和蒸汽的凝結，當壓力不變時溫度也不變，因而定溫加熱和放熱過程能夠實現。更因這時定溫過程亦即定壓過程，在p-υ圖上其與絕熱線之間的斜率相差亦大，故所作的功也較大。所以，以蒸汽為工質時原則上可以采用卡諾循環(huán)。第3頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三實際蒸汽動力裝置中不采用卡諾循環(huán)，其原因是：1、在壓縮機中絕熱壓縮過程8-5難于實現，因狀態(tài)8是水和蒸汽的混合物，壓縮過程中壓縮機工作不穩(wěn)定，同時狀態(tài)8的比體積比水的比體積大得多，需用比水泵大得多的壓縮機；2、循環(huán)局限于飽和區(qū)，上限溫度受制于臨界溫度，故即使實現卡諾循環(huán)，其熱效率也不高；3、膨脹末期，濕蒸汽干度過小，不利于動力機安全。實際蒸汽動力循環(huán)均以朗肯循環(huán)為其基礎。

第4頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三二、朗肯循環(huán)及其熱效率

新蒸汽可逆絕熱膨脹作出的技術功為

wt=h1-h2=p-υ圖上面積e12fe在冷凝器中向冷卻水放出的熱量為

q2=h2-h3=T-s圖上面積m32nm給水泵消耗的功為

Wp=h4-h3=p-υ圖上面積e43fe新蒸汽從熱源吸熱量為

q1=h1-h4=T-s圖上面積m4561nm循環(huán)凈功為

wnet=wt-wp=(h1-h2)-(h4-h3)=p-υ圖上面積1234561循環(huán)凈熱量為

qnet=q1-q2=(h1-h4)-(h2-h3)=(h1-h2)-(h4-h3)所以循環(huán)熱效率為ηt=wnet/q1=（ql-q2）/ql=wt

-wp/q1=[(h1-h2)-(h4-h3)]/(h1-h4)忽略泵功可簡化為：第5頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三三、蒸汽參數對熱效率的影響

1．初溫t1對熱效率的影響

在相同的初壓及背壓下，提高新蒸汽的溫度可使熱效率增大。

2．初壓p1對熱效率的影響

在相同的初溫和背壓下，提高初壓也可使熱效率增大。當初壓提高時，循環(huán)的平均溫差增大，所以循環(huán)的熱效率提高。

3．背壓p2對熱效率的影響

在相同的p1、t1下降低背壓p2能使熱效率提高，這是由于循環(huán)溫差加大的緣故。

第6頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三第7頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三

四、有摩阻的實際循環(huán)

實際所作的技術功為

wt,act=h1-h2act=(h1-h2)-(h2act-h2)

第8頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三汽輪機內蒸汽實際作功wt,act與理論功wt的比值叫做汽輪機的相對內效率，簡稱汽輪機效率，以ηT表示，即

(11-4)這樣

h2act=h2+(1-ηT)(hl-h2)=h2+(1-ηT)Δh0

(11-5)近代大功率汽輪機的ηT在0.85～0.92之間。

每千克蒸汽在實際工作循環(huán)中作出的循環(huán)凈功叫做實際循環(huán)內部功，用wnet,act表示，wnet,act=wt,act-wp,act。忽略水泵功

wnet,act≈wt,act=h1-h2則循環(huán)內部熱效率ηi——蒸汽在實際循環(huán)中所作的循環(huán)凈功與循環(huán)中熱源所供給的熱量的比值為(11-6)第9頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三若再考慮軸承等處的機械損失，則汽輪機輸出的有效功，即軸功為

ws=ηmwt,act→ws=ηmηTwt(11-7)或用軸功率表示：

Ps=ηmηTP0=ηmηTD(h1-h2)(11-7a)耗汽率用d表示，則理想耗汽率d0為

d0=D/P0=1/(h1-h2)(11-8)若以實際內部功率pi為基準，則內部功耗汽率為(11-8a)若考慮有效功，則有效功耗汽率

(11-8b)第10頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三11-2再熱循環(huán)

新汽膨脹到某一中間壓力后撤出汽輪機，導入鍋爐中，使之再加熱，然后再導入汽輪機繼續(xù)膨脹到背壓p2。這樣的循環(huán)叫做再熱循環(huán)。循環(huán)所作的功(忽略水泵功)為

wnet=(h1-hb)+(h0-h2)加入的熱量為q1=(h1-h2`)+(ha-hb)一般地，中間壓力在(20％～30％)p1范圍內時對提高ηt的作用最大。

第11頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三

11-3回熱循環(huán)

一、抽汽回熱

從概括性卡諾循環(huán)及定壓加熱燃氣輪機裝置循環(huán)可以知道，回熱就是把本來要放給冷源的熱量利用來加熱工質，以減少工質從熱源的吸熱量。目前工程上采用的回熱方式是從汽輪機的適當部位抽出尚未完全膨脹的壓力、溫度相對較高的少量蒸汽，去加熱低溫凝結水，已達到回熱的目的。這種循環(huán)稱為抽汽回熱循環(huán)。

第12頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三二、回熱循環(huán)計算

首先要確定抽汽量α1，它可以從回熱器的熱平衡方程式及質量守恒式確定。圖11-12是混合式回熱器的示意圖，其熱平衡方程為

(1-α1)(h01`-h4)=α1(h01-h01`)

若忽略水泵功，則h4=h2`，可得

α1=(h01`-h2`)/(h01-h2`)(11-10)

循環(huán)凈功為

wnet=(h1-h01)+(1-α1)(h01-h2)

=(1-α1)(hl-h2)+α1(h1-h0)

從熱源吸入的熱量為

q1=h1-h01`

循環(huán)熱效率

(11-11)

由式(11-10)可以得出

h0`=h2`+α1(h0-h2`)

代入式(11—11)，整理后可得

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采用抽汽回熱，能顯著提高循環(huán)熱效率，優(yōu)點：

(1)由于工質吸熱量減少，鍋爐熱負荷減低，因而可減少受熱面，節(jié)省金屬材料；

(2)由于汽耗率增大，使汽輪機高壓端的蒸汽流量增加，而低壓端因抽汽而流量減小，這樣有利于汽輪機設計中解決第一級葉片太短和最末級葉片太長的矛盾，提高單機效率；

(3)由于進入冷凝器的乏汽量減少，可減少冷凝器的換熱面積；節(jié)省銅材。

綜上所述，采用回熱利大于弊，故現代大中型蒸汽動力裝置都采用回熱循環(huán)。當然抽汽級數過多會使系統過于復雜，因而很少超過8級。在采用大型機組的現代蒸汽電廠中，廣泛采用一次再熱與多級抽汽回熱的循環(huán)。

第14頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三11—4熱電合供循環(huán)

熱電合供循環(huán)也稱為熱電聯產或稱熱化。

所謂熱化(即熱電合供循環(huán)，簡稱熱電循環(huán))就是考慮到這兩種需要，使蒸汽在電廠中膨脹作功到某一壓力，再以此乏汽或乏汽的熱量供給生活或工業(yè)之用的方案，同時供熱和供電的工廠稱為熱電廠。這時汽輪機的背壓(即汽輪機設計排汽壓力)通常大于0.1MPa，這種汽輪機叫做背壓式汽輪機。第15頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三

因為熱電循環(huán)除了輸出機械功wnet外，同時提供了可利用的熱量q2，故衡量其經濟性除了熱效率外同時需考慮熱量利用系數ξ。熱量利用系數ξ定義為ξ=已利用的熱量/工質從熱源所吸收的熱量熱電廠的熱量利用系數則以燃料的總釋熱量為計算基準，若以ξ`，表示熱電廠的熱量利用系數，則ξ`=利用的熱量/燃料的總釋熱量

第16頁，共18頁，2023年，2月20日，星期三11-5蒸汽—燃氣聯合循環(huán)

兩種或幾種不同工質的循環(huán)互相復合或聯合可有效提高整個聯合裝置的熱效率。兩氣循環(huán)是兩種工質聯合運行的蒸氣循環(huán)。汞、水兩氣循環(huán)的T-s圖如圖11-19所示。圖中1a-2a-3a-5a-1，是汞循環(huán)，1-2-3-5-6-1為水循環(huán)。在循環(huán)參數為

汞p1=1.962MPa、t1a=582.4℃，p2a=9.81kPa；t2a=249.6℃

水p1=3.5MPa、t6=242.54℃，p2=4kPa、t2=28.98℃

汞—水兩氣循環(huán)的熱效率可達到50％