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1、汽轮机的热力循环 一、相关定律 1、热力学第一定律（能量守恒定律） 自然界中的一切物质都具有能量，能量不能被创造也不 会被消灭，但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且转 化过程中能量总量保持不变。 电厂中： 2.1 热力学回顾 化学能热能动能机械能电能 锅 炉 静 叶 动 叶 发 电 机 2、热力学第二定律（能量转化定律） 1）克劳修斯表述（1850，D Clausius）： 热不可能自发的不付代价地从低温物体传至高温物体（ 热能传递的方向性问题）。 2）开尔文表述： 1824.Sadi Carnot：凡有温差的地方都能产生动力（热能 转化机械能的根本条件）。 1851.Lord Kelvi
2、n & Max Plant：不可能制造出从单一热源 吸热使之全部转化为功而不留下其它任何变化的热力发动机 （第二类永动机、水坝高水位无低水位无法做功）。 2.1 热力学回顾 热能与动力工程专业4/107 2.1 热力学回顾 3、卡诺循环 1）定义：卡诺循环是由完全气体（理想气体）作工质， 经过两个定温过程和两个等熵过程构成的理想循环。在相同 温度范围内卡诺循环的热效率最高。 12：定温吸热，工质由高温的 定温热源吸热； 23：绝热膨胀，工质温度降低， 对外做功； 34：定温放热，工质在低温热 源中定温放热（有利于下 一步压缩）； 41：绝热压缩：对工质进行压 缩提供热量。 热能与动力工程专业5
3、/107 2）卡诺循环效率 说明： T1，T2c； cTm ，又因为循环放热温度同为 Tk，根据热工原理，朗肯循 环可等效化为“相当卡诺循 环”。 2.3 蒸汽参数对循环效率的影响 热能与动力工程专业13/107 其热效率可表示为： 原循环 初温上升后 结论：提高汽轮机初温可以提高循环热效率 同时也提高了末级次末级的干度，减少湿气冲蚀 2.3 蒸汽参数对循环效率的影响 热能与动力工程专业14/107 2、初温t0的限制条件 金属材料耐高温性能的限制，目前t0566。 （1）高温引起金属材料蠕变速度增加； （2）目前高温材料性能差（导电性能工艺性能）价格高: 普通碳素钢： 1 珠光体铬钼不锈钢：
4、 1.83.7 奥氏体镉镍不锈钢： 12.818 （3）工程实践表明t0不能太高 2.3 蒸汽参数对循环效率的影响 热能与动力工程专业15/107 二、蒸汽初压p0对循环效率的影响 1、假设t0=const，pk=const 循环原循环 aabcdea p0循环 aabcdea 压力p0p0 放热温度TkTk 吸热平均 温度 TnTn 循环效率t=1-Tk/Tnt=1-Tk/Tn Tn TntTk 三、排汽压力pk对循环效率的影响 1、假设p0=const，t0=const，排汽压力pk下降到pk 2.3 蒸汽参数对循环效率的影响 1-Tn/Tk1-Tn/Tk tt 放热温度 Tk Tk 热能
5、与动力工程专业20/107 2、结论 1）降低排汽压力pk可以提高循环效率。（采用冷凝式 蒸汽动力循环就是为了降低排汽压力提高循环效率） 2）但排汽压力不能无限降低，受到以下条件限制：pk 下降末级湿度增加（要求湿度t0，则ret0时，中间再热循环效率才能提高。欲使t0t0 ，就应使附加循环平均吸热温度具有较高数值，这取决于再热蒸汽的参数选 择，一般而言，基本循环与附加循环的放热温度相同，只要中间再热参数pre 与tre选取恰当（pre=0.180.26p0，tre与t0相近），附加循环平均吸热温度总是 高于基本循环，因而中间再热总能提高热效率。 热能与动力工程专业29/107 三、中间再热参
6、数的选择 1、再热温度tre 的选取： 由于tre增大可使re升高，应尽量提高tre，但tre受到 材料的限制，现一般取tre=t0（在同一锅炉中再热），国 外机组也有tre略低于t0的情况。 2.4 蒸汽中间再热循环 2、再热压力pre的选取： 1）假设Tre=T0，对于附加循环 fgee（Pre较高）和fgee（Pre较 低），由于ret0的情况。 热能与动力工程专业30/107 2）随着Pre： 附加循环平均吸热温度T1mret0； 附加循环功率增量，直至接近0，因此导致附加 循环设备未起作用 2.4 蒸汽中间再热循环 3）随着Pre： 功率,但附加循环效率， 若T1mPrPk） ，抽出
7、部分蒸汽加热将要送入锅炉的给水，使给水得到加热，这种循 环称为“给水回热循环”或“给水预热循环”或“回热抽气循环”， 简称“回热循环”。 2.5 给水回热循环 基本思路：1）减少换热温差换热损失 2）抽汽流循环效率100%（无效热损失） 热能与动力工程专业33/107 2.5 给水回热循环 1）锅炉供新汽 D（P0,t0,i0）进入汽轮机做功P0下降至Pr，抽 出部分汽体 Dr 到加热器加热给水,余下Dk 在汽轮机中继续膨胀做功。 做功结束的蒸汽在排 气压力Pk下在冷凝器中凝 结成水，由凝结水泵打入 加热器，自抽汽吸热，温 度由tk增加到,tfw再由给水 泵打入锅炉，完成一个循 环。 热能与动
8、力工程专业34/107 2.5 给水回热循环 2）回热循环可分为以下两个循环： 循环1：由凝结汽流Dk=D-Dr构成； 这部分汽流一直由P0膨胀至Pk做功，是纯冷凝循环， 即朗肯循环，效率为t。 循环2：由回热抽汽Dr构成； 该部分蒸汽抽出前在汽 轮机中做功压力由P0下降至 Pr，做功（i0-ir），抽出后 对给水加热，其热量传给水 ，设有冷源损失（凝汽器中 凝结放热），循环效率理论 上可以达到t=100%。 热能与动力工程专业35/107 2.5 给水回热循环 3）结论：以上两个循环总循环效率 高于原始郎肯循环效率: 4）实际应用中，一般为多级回热（29）级，效率较纯冷凝 机组提高610%（
9、相对），小功率机组35级，大机组6 9级。 5）优点： 提高循环热效率（减少 冷源损失）； 对排气温度没有影响； 热能与动力工程专业36/107 2.5 给水回热循环 二、给水回热系统的经济性 1）单级给水回热循环效率： 蒸汽总流量 ：D 抽气量：Dr 凝汽量：Dk 给水焓 （进入锅炉） 凝结水焓 （冷凝器后） 热能与动力工程专业37/107 2.5 给水回热循环 2）每1kg蒸汽做功：（对汽轮机） 凝汽流： 抽汽流： 总做功： 3）每1kg蒸汽吸热： 根据加热器热平衡方程确定给水焓tfw 热能与动力工程专业38/107 2.5 给水回热循环 热能与动力工程专业39/107 2.5 给水回热循
10、环 4）绝对效率： 比较纯冷凝机组效率: 热能与动力工程专业40/107 2.6 给水回热循环 三、多级回热循环装置 循环示意图 总进汽量： 冷凝器进汽量： 第r级抽汽量 热能与动力工程专业41/107 2.5 给水回热循环 每1kg蒸汽做功：（每1kg蒸汽中含有 kg凝汽流， kg抽汽流） 热能与动力工程专业42/107 2.5 给水回热循环 3.每1kg蒸汽的吸热量： 1）给水焓 为：如右图所示可得能量守恒方程： 热能与动力工程专业43/107 2.5 给水回热循环 2）多级回热循环的绝对内效率： 热能与动力工程专业44/107 2.6 给水回热循环 也可以写成另一种形式： （1）假设全部
11、汽流冷凝做功： （2）抽汽部分做功，余热加热给水少做功为 （3）全部蒸汽的实际吸热量： 回顾：热力学定律卡诺朗肯实际再热回热 再热+回热？ ？ 热能与动力工程专业45/107 2.6 具有中间再热的给水回热循环的经济性 一、循环特点 1.参数定义： i0：初焓 P0： 初压 ire：再热前蒸汽焓 ire：再热后蒸汽焓 Pre：再热前压力 Pre：再热后压力 Pre= Pre-Pre 中间再热后的压力 ik：排气焓（两相） Pk：排气压力 ：高压缸抽汽焓 ：低压缸抽汽焓 ：凝结水焓 ：给水焓 热能与动力工程专业46/107 2.6 具有中间再热的给水回热循环的经济性 2.预先规定： 1） ：中间再热加给1kg蒸汽的热量 2）凝汽流总焓降： 3）抽汽做功焓降： （1）对高压缸（抽汽前） （2）对中低压缸（再热后） 热能与动力工程专业47/107 2.6 具有中间再热的给水回热循环的经济性 4）设 分别为高压缸和中低压缸抽汽份额，则 5）中间再热蒸汽份额： 显然： 6）凝汽流吸热量： 热能与动力工程专业48/107 2.6 具有
