电厂动力工程(一)讲解

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1、电厂动力工程电厂动力工程（B B） 能源与环境工程学院动力工程系能源与环境工程学院动力工程系 孙坚荣孙坚荣 绪绪 论论 发电厂是通过能量转换而生产电能的发电厂是通过能量转换而生产电能的 工厂。根据生产电能的能源不同，主要有工厂。根据生产电能的能源不同，主要有 火力发电厂、水电站和核电站。此外，还火力发电厂、水电站和核电站。此外，还 有一部分利用风能、太阳能和地热能等新有一部分利用风能、太阳能和地热能等新 能源进行发电的电站。而火力发电厂是目能源进行发电的电站。而火力发电厂是目 前世界大多数国家电能生产的主力电厂。前世界大多数国家电能生产的主力电厂。 火力发电是利用煤、石油或天然气等火力发电是利

2、用煤、石油或天然气等 燃料的化学能来生产电能的。根据我国的燃料的化学能来生产电能的。根据我国的 燃料政策，我国火电厂的燃料主要是煤，燃料政策，我国火电厂的燃料主要是煤， 即为燃煤电厂，即为燃煤电厂， 燃煤火电厂的生产过程如图燃煤火电厂的生产过程如图0 01 1所示所示 。 能够提供可利用电能的一次能源能够提供可利用电能的一次能源 波浪发电站 风力发电站 水力发电站 地热发电站 太阳能发电站 太阳能收集站沼气发酵池 潮汐发电站 火力发电站 核电站 由上图可以看出，在火力发电厂的生产由上图可以看出，在火力发电厂的生产 过程中存在着三种形式的能量转换：过程中存在着三种形式的能量转换： 在锅炉中燃料的

3、化学能转变为热能；在锅炉中燃料的化学能转变为热能； 在汽轮机中热能转变为机械能；在汽轮机中热能转变为机械能； 在发电机中机械能转变为电能。在发电机中机械能转变为电能。 锅炉、汽轮机和发电机称为火力发电厂锅炉、汽轮机和发电机称为火力发电厂 的三大主机。的三大主机。 第一章第一章 能量转换基本知识能量转换基本知识 能量的转换与利用能量的转换与利用 能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。 电 能 机械能 辐射能 热 能 风能、水能、海洋能 机 械 机械能 直接利用 发电机 煤、石油、天然气 热 能 热机 直接利用 核 能 核反应 太阳能光合作用 生物质能 燃烧 食物利用 集热器 光电池 燃烧

4、 第一节第一节 热力学基本定律热力学基本定律 n n 一、基本概念一、基本概念 n n “ “热力发动机热力发动机” ” n n “ “工质工质” ” n n “ “高温热源高温热源” ” n n “ “低温热源低温热源” ” n n “ “热力系统热力系统” ” n n “ “闭口系统闭口系统” ” n n “ “开口系统开口系统” ” n n “ “绝热系统绝热系统” ” 热力系统热力系统： 在工程热力学中，通常选取一定的工质或在工程热力学中，通常选取一定的工质或 空间作为研究的对象，称之为空间作为研究的对象，称之为热力系统热力系统，简，简 称称系统系统。系统以外的物体称为。系统以外的物体

5、称为外界外界或或环境环境。 系统与外界之间的分界面称系统与外界之间的分界面称为为边界边界。 边界边界 闭口闭口 系统系统 （1 1）闭口系统闭口系统 ： 与外界无物质交与外界无物质交 换的系统。系统的质换的系统。系统的质 量始终保持恒定，也量始终保持恒定，也 称为称为控制质量系统控制质量系统。 外界外界 （2 2）开口系统开口系统 ： 与外界有物质交与外界有物质交 换的系统。系统的容换的系统。系统的容 积始终保持不变，也积始终保持不变，也 称为称为控制容积系统控制容积系统。 进口进口 出口出口 （3 3）绝热系统绝热系统 ： 与外界没有热量交换的系统。与外界没有热量交换的系统。 （4 4）孤立

6、系统孤立系统 ： 与外界与外界 既无能量（功、热量）既无能量（功、热量） 交换又无物质交换的系统。交换又无物质交换的系统。 * * 1313 热机工作过程示意图热机工作过程示意图 高温热源高温热源 吸热吸热QQ 1 1 热机热机 作功作功WW 机械能 放热放热QQ 2 2 低温热源低温热源 锅 炉 汽轮机汽轮机 冷凝器冷凝器 水泵水泵 冷却水冷却水 过热蒸汽过热蒸汽 乏汽乏汽 循环水循环水 发电机发电机 （一）常用参数（一）常用参数 描写工质在平衡状态下热力特征的物理量描写工质在平衡状态下热力特征的物理量 压力压力 (P(P，压强，压强) )；单位：；单位：MPaMPa，barbar 温度温度

7、 (T(T，热力学温标，热力学温标) )；单位：；单位： o o C C，k k 比容比容 (v(v，与密度互为倒数，与密度互为倒数) ) ；单位：；单位：mm 3 3 /kg/kg 焓焓 (h(h，比焓是用来衡量单位工质具有，比焓是用来衡量单位工质具有“ “热热 力势能力势能” ”大小的一个尺度大小的一个尺度) ) ， 单位：单位：“ “J Jkgkg、kJ/kgkJ/kg” ”。 ( (二二) )基本热力过程基本热力过程 热力系统由其初始平衡状态，经过一系列之间状态变化而热力系统由其初始平衡状态，经过一系列之间状态变化而 达到另一个新的平衡状态，其中间的物理变化过程称为达到另一个新的平衡状

8、态，其中间的物理变化过程称为“热力热力 过程过程”。 常见的基本热力过程有：常见的基本热力过程有： (1)(1)定压过程定压过程：热力系：热力系热力热力统状态变化过程中，统状态变化过程中， 工质的压力保工质的压力保 持不变。如工质在锅炉内的吸热过程。持不变。如工质在锅炉内的吸热过程。 (2)(2)定温过程定温过程：热力系统状态变化过程中，工质的温度保持不：热力系统状态变化过程中，工质的温度保持不 变。如工质在凝汽器内的放热过程。变。如工质在凝汽器内的放热过程。 (3)(3)绝热过程绝热过程：热力系统状态变化过程中，工质与外界无任何：热力系统状态变化过程中，工质与外界无任何 热量交换。如工质在汽

9、轮机内的膨胀做功过程。热量交换。如工质在汽轮机内的膨胀做功过程。 (4)(4)定容过程定容过程：热力系统状态变化过程中，工质的比容保持不：热力系统状态变化过程中，工质的比容保持不 变。如工质在汽油机内的加热过程。变。如工质在汽油机内的加热过程。 n n 二二 工程热力学基本定律工程热力学基本定律 工程热力学基本定律的实质：工程热力学基本定律的实质： * *研究热能和机械能相互转化的基本规律研究热能和机械能相互转化的基本规律 例如：各种电厂的能源转换基本过程例如：各种电厂的能源转换基本过程 火电站：燃料化学能火电站：燃料化学能热能热能机械能机械能电能电能 核电站：重核裂变能核电站：重核裂变能热能

10、热能机械能机械能电能电能 水电站：水电站： 水能水能机械能机械能电能电能 （一）热力学第一定律（一）热力学第一定律 1 1、热力学第一定律的表述、热力学第一定律的表述 热可以变为功，功也可以变为热；热可以变为功，功也可以变为热； 一定量的热消失时，必产生与之数量相当的功一定量的热消失时，必产生与之数量相当的功 消耗一定量的功时，也必出现相应数量的热；消耗一定量的功时，也必出现相应数量的热； 2 2、热力学第一定律表达形式：、热力学第一定律表达形式： 进入系统的能量进入系统的能量 离开系统的能量离开系统的能量 系统系统 储存能量的增加储存能量的增加 对于开口系统对于开口系统： 进入系统的能量进入

11、系统的能量 离开系统的能量离开系统的能量 （二）热力学第二定律二）热力学第二定律 1 1、热力学第二定律的表述、热力学第二定律的表述 各种说法各种说法 热不可能自发地、不付代价地从低温物体传热不可能自发地、不付代价地从低温物体传 向高温物体。向高温物体。 只冷却一个热源而连续做功的循环发动机是只冷却一个热源而连续做功的循环发动机是 制造制造 不成功不成功 的。的。 在经历任意过程之后，孤立系统的熵只会增在经历任意过程之后，孤立系统的熵只会增 加或保持不变，但永远不会减少。（熵增定加或保持不变，但永远不会减少。（熵增定 律）律） 2 2、热力学第二定律的实质、热力学第二定律的实质 一切事物都具有

12、方向性：一切事物都具有方向性： 热、功之间的相互转化也具有方向性：热、功之间的相互转化也具有方向性： 有序有序无序，无条件的，功无序，无条件的，功热；热； 无序无序有序，有条件的，有序，有条件的，热热功功。 能量是有品位的能量是有品位的 给定的热量，有多少可以转化为机械能？给定的热量，有多少可以转化为机械能？ 热力学第一定律热力学第一定律阐明了热能和机械能以及其它阐明了热能和机械能以及其它 形式的能量在传递和转换过程中数量上的形式的能量在传递和转换过程中数量上的守守 恒恒关系。关系。热力学第二定律热力学第二定律揭示了热力过程发揭示了热力过程发 生的生的方向方向、条件条件和和限度限度。 2020

13、 3 3卡诺循环卡诺循环 卡诺循环是法国工程师卡诺循环是法国工程师 卡诺卡诺（S. S. CarnotCarnot）于于18241824 年提出的一种理想热机工作年提出的一种理想热机工作 循环，它由两个循环，它由两个定温过程定温过程和和 两个两个绝热过程绝热过程组成组成。 卡诺循环热效率卡诺循环热效率： （式中T1为热源温度， T2 为冷源温度） 2121 由上式得出一些重要结论如下： 1) 循环热效率决定于高温热源与低温热源的温度T1和T2，提 高工质吸热温度并且尽可能降低工质排向冷源(大气环境) 的温度，可提高循环热效率。 卡诺循环(由两个等温过程和两个绝热过程组成)是实际动力循 环中效率

14、最高的理想循环，它在理论上确定了一定范围内热能 转变为机械功的最大限度，为实际循环的组成及热效率的提高 指出了方向与途径，其循环的热效率表达式为 2) 2) 循环热效率永远小于循环热效率永远小于100100，因为，因为T T 1 1 无穷大和无穷大和T T 2 2 0 0都是无法都是无法 实现的，这正是热力学第二定律所揭示的规律。实现的，这正是热力学第二定律所揭示的规律。 3) 3) 当当T T 1 1 T T 2 2 时，循环热效率为零。这就是说，在没有温差存在的时，循环热效率为零。这就是说，在没有温差存在的 体系中，热能不可能转变为机械功，要利用热能来产生动力，就体系中，热能不可能转变为机

15、械功，要利用热能来产生动力，就 一定要有温度高于环境的高温热源。一定要有温度高于环境的高温热源。 4) 4) 在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆循环，均具有相在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆循环，均具有相 同的热效率，且与工质的性质无关。同的热效率，且与工质的性质无关。 5) 5) 在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆循环，其热效在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆循环，其热效 率必低于在两个同样恒温热源间工作的可逆循环。实际循环都是率必低于在两个同样恒温热源间工作的可逆循环。实际循环都是 不可逆循环，其热效率必低于同温限的卡诺循环。不可逆循环，其热效率必低于同温限的

16、卡诺循环。 n n 第二节第二节 水蒸气动力循环水蒸气动力循环 一、水蒸气的基本性质一、水蒸气的基本性质 1 1、水的饱和状态、水的饱和状态 （1 1）饱和状态）饱和状态 对于一个汽对于一个汽液共存系统，液共存系统， 当液体汽化和蒸汽液化的速当液体汽化和蒸汽液化的速 度相等时，这一动态平衡状度相等时，这一动态平衡状 态称为饱和状态。态称为饱和状态。 处于饱和状态时，系统的压处于饱和状态时，系统的压 力、温度称为饱和压力、饱力、温度称为饱和压力、饱 和温度和温度 （2 2）饱和压力（）饱和压力（p p s s ） （3 3）饱和温度（）饱和温度（t t s s ） 对于一定的物质饱和压力和对于一定的物质饱和压力和 饱和温