电厂动力工程幻灯片

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1、,电厂动力工程（B）,能源与环境工程学院动力工程系 孙坚荣,绪 论 能源：为人类的生产和生活提供各种能力和动力的物质资源，是国民经济的重要物质基础。能源的开发和有效利用程度以及人均消费量是生产技术和生活水平的重要标志。 一次能源和二次能源 自然界中本来就有的各种形式的能源称为一次能源。一次能源可按其来源的不同划分为三类： 来自地球以外的 其主要形式是太阳能。 来自地球内部的 例如原子核能、地热能等 地球与其他天体相互作用的 例如潮汐能等,太阳每年平均输入地球的能量为178000太瓦年(1太瓦年31.51015千焦),相当于约190万亿吨标准煤。而由太阳辐射引起气象变化形成的水能、风能、洋流能、

2、波浪力能和海洋深层与表层的温差能等，由植物通过光化作用吸收并蓄积太阳能而形成的生物质能都是一次能源。 广义地说，煤、石油、天然气、油页岩和油质砂等矿物一次能源都是由历史上的有机生物质所蓄积的太阳能。来自地球内部的一次能源主要是地热和原子核能。来自地球与其他天体相互作用的一次能源主要是潮汐能。,凡由一次能源经过转化或加工制造而产生的能源称为二次能源，如电力、氢能、石油制品、煤制气、煤液化油、蒸汽和压缩空气等。但水力发电虽是由水的落差转换而来，一般均作为一次能源。 可再生能源和非再生能源 人们对一次能源又进一步加以分类。凡是可以不断得到补充或能在较短周期内再产生的能源称为可再生能源，反之称为非再生

3、能源。 风能、水能、海洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等是可再生能源； 煤、石油和天然气等是非再生能源。 地热能基本上是非再生能源，但从地球内部巨大的蕴藏量来看，又具有再生的性质。,热能可以直接利用，但大量的是将热能通过各种类型的热力机械（如内燃机、汽轮机和燃气轮机等）转换为动力，带动各类机械和交通运输工具工作；或是带动发电机送出电力，满足人们生活和工农业生产的需要。发电和交通运输需要的能源占能量总消费量的很大比例。 据预测，20世纪末仅发电一项的能源需要量将大于一次能源开发量的40。一次能源中转化为电力部分的比例越大，表明电气化程度越高，生产力越先进，生活水平越高。,发电厂是通过能量转换而生产

4、电能的工厂。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，即为燃煤电厂， 燃煤火电厂的生产过程如图01所示。,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： 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 的三大主机。,第一章 能量转换基本知识,能量的转换与利用,

5、能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。,氢、酒精等二次能源,电 能,机械能,辐射能,热 能,风能、水能、海洋能,机械能,煤、石油、天然气,热 能,核 能,太阳能,生物质能,90,能够提供可利用能量的物质资源,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,第一节 热力学基本定律,一、基本概念 “热力发动机” “工质” “高温热源” “低温热源” “热力系统” “闭口系统” “开口系统” “绝热系统”,（一）常用参数 描写工质在平衡状态下热力特征的物理量 压力 (P，压强)；单位：MPa，bar 温度 (T，热力学温

6、标)；单位：oC，k 比容 (v，与密度互为倒数) ；单位：m3/kg 焓 (h，比焓是用来衡量单位工质具有“热 力势能”大小的一个尺度) ， 单位：“Jkg、kJ/kg”。,(二)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达到另一个新的平衡状态，其中间的物理变化过程称为“热力过程”。 常见的基本热力过程有： (1)定压过程：热力系热力统状态变化过程中， 工质的压力保持不变。如工质在锅炉内的吸热过程。 (2)定温过程：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。 (3)绝热过程：热力系统状态变化过程中，工质与外界无任何热量交换。如工质在汽轮机内

7、的膨胀做功过程。 (4)定容过程：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。,二 工程热力学基本定律 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 例如：各种电厂的能源转换基本过程 火电厂：燃料化学能热能机械能电能 核电厂：重核裂变能热能机械能电能 水电厂： 水能机械能电能 （一）热力学第一定律 1、热力学第一定律的表述 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； 消耗一定量的功时，也必出现相应数量的热； 2、热力学第一定律表达形式： 进入系统的能量 离开系统的能量 系统储存能量的增加 对于开口系统：进入系统的能

8、量 离开系统的能量,（二）热力学第二定律 1、热力学第二定律的表述 各种说法 热不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体。 只冷却一个热源而连续做功的循环发动机是制造不成功 的。 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。（熵增定律） 2、热力学第二定律的实质 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： 有序无序，无条件的，功热； 无序有序，有条件的，热功。 能量是有品位的 给定的热量，有多少可以转化为机械能？,3.卡诺循环 著名的卡诺循环(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

9、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 1T2 / T1 （式中T1 为热源温度， T2 为冷源温度） 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。,2)循环热效率永远小于100，因为T1无穷大和T20都是无法实现的，这正是热力学第二定律所揭示的规律。 3)当T1T2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，就一定要有温度高于环境的高温热源。 4)在两个不同温度的恒温

10、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。 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。,第二节 水蒸气动力循环 一、水蒸气的基本性质,1、水的饱和状态 （1）饱和状态 对于一个汽液共存系统，当液体汽化和蒸汽液化的速度相等时，这一动态平衡状态称为饱和状态。 处于饱和状态时，系统的压力、温度称为饱和压力、饱和温度 （2）饱和压力（ps） （3）饱和温度（ts） 对于一定的物质饱和压力和饱和温度是一一对应的。例如1个大气压下，水的沸点100,2、水及水蒸气的状态

11、 （1）过冷水（未饱和水） （2）饱和水 （3）湿蒸汽（湿饱和蒸汽） 饱和水和饱和蒸汽的混合物，其中纯饱和蒸汽的质量百分数称为湿蒸汽的干度，以x表示，其状态一般由（ps，x）或（ts，x）确定。 （4）干饱和蒸汽 （5）过热蒸汽,3、水及水蒸气的六个基本状态参数 （1）压力 p MPa （2）温度 t （3）比容 v m3/kg （4）比焓 h kJ/kg （5）比熵 s kJ/kg （6）干度 x 注意： 在饱和水线、湿蒸汽区、干饱和蒸汽线，压力和温度是一一对应的，此时这两个参数将缩减为一个参数； 通常已知其中两个独立参数，可以求得其他参数。,4、水及水蒸气的临界点 临界点参数 压力 Pc=

12、22.129MPa 温度 t c=374.15 比容 vc=0.00326 m3/kg 特性及应用 超临界参数 P Pc 在水蒸气的定压发生过程中，水直接瞬间汽化为过热蒸汽 汽= 水 亚临界参数 ppc 经历湿蒸汽的汽化阶段 汽 水,5. 过冷水定压加热成过热蒸汽的三个阶段： 过冷水加热到饱和水的预热阶段，所需的热量为预热热； 饱和水汽化成干饱和蒸汽的汽化阶段，所需的热量为汽化潜热； 干饱和蒸汽加热成过热蒸汽的过热阶段，所需的热量为过热热。 过冷水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽是加热过程中涉及到的五个典型状态，其中饱和水和干饱和蒸汽状态是定压力下的两个惟一状态点，其他可具有无限多个状态

13、点。,二、水蒸气动力循环,（一）朗肯循环 12为过热蒸汽在汽轮机内的理想绝热膨胀做功过程，所做的功为w=h1-h2：； (2) 23为乏汽(即汽轮机排汽)向凝汽器(冷源)的理想定压放热的完全凝结过程， 其放热量为q2=h2-h3； (3) 34为凝结水通过水泵的理想绝热压缩过程，所消耗的功为wph4-h3； (4) 41为高压水在锅炉内经定压加热、汽化、过热而成为过热蒸汽的理想定压吸热 过程，所吸收的热量为q1=h1-h4。,朗肯循环的热效率,机械功 w=h1-h2 放热 q2=h2-h3 水泵耗功 wph4-h3 吸热 q1=h1-h4 对外做功：w0= w- wp=(h1-h2)(h4-h

14、3) 朗肯循环的热效率 w0/q1=(h1-h2)(h4-h3)/(h1-h4) 由于wp很小，忽略之： (h1-h2) /(h1-h2) h1：汽轮机的进汽焓 h2：汽轮机排汽压力下的排汽焓 h2：排汽压力下的饱和水焓 重要结论：提高蒸汽的初参数、降低排汽压力可以提高效率。,(二) 中间再热循环,1,5,7,H.P,L.P,8,9,3,Boiler,Reheater,Low-P turbine,High-P turbine,Pump,Condenser,qin,qout,蒸汽再热循环系统示意图,wturb,out,wpump,in,蒸汽再热循环系统示意图,蒸汽再热循环,水蒸气再热循环的T-S

15、图,1采用再热技术的目的： 增加吸热环节 提高吸热过程平均吸热温度 提高循环效率 2、再热循环： 在朗肯循环的基础上，将做过部分功的蒸汽从汽轮机的某一中间位置（一般为高压缸排汽）抽出来，通过管道送回锅炉内的再热器，使之再加热到与过热器出口过热蒸汽相同或稍高的温度，然后返回到汽轮机的中、低压缸继续膨胀做功，直至达到终压。 3、再热循环的特点 （1）可以提高乏汽的干度，有利于汽轮机安全工作，提高了汽轮机的内效率； （2）提高循环热效率（约45）； （3）减少了汽耗率，减小了设备尺寸； （4）（不利因素）设备复杂，运行管理要求高。,（三） 给水回热循环,1,2,A,4,T,s,A,1,5,3,回热循环系统示流程图和T-s图,Boiler,Turbine,Pump,Condenser,Open FWH,FWH=Feedwater heater,qin,qout,4,3,6,6,5,Pump,1kg,kg,kg,wturb,out,回热循环,1采用给水回热循环的目的： 提高给水温度 提高吸热过程平均吸热温度 提高循环效率 减少汽轮机排汽量 减少冷源损失 提高循环效率 2回热循环的描述 在朗肯循环基础上，从汽轮机的某些中间部位抽出一部分做过功的蒸汽，送入回热加热器中用来加热凝汽器来的凝结水，使锅炉的入口水温提高。由于锅炉中水的预热起点温度提高，