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1、热电厂热力过程及效率分析第一部分：热力学基础热电厂是以蒸汽为工质的一个热力系统，因此，对热电厂的分析必须建立在热力学定律及理想热力循环的基础上。一、热力学的基本概念：1热力系：在分析热力过程或现象时，常从若干物体中取出需要研究的对象，这被取出的研究对象称为热力系。热力系可以是元件或设备，也可以是系统或空间。在同一个大的热力系统中，因研究问题的不同所选择的热力系也不同。以热电厂为例，可以把锅炉、汽轮机或单独一部分蒸汽管道作为一个热力系研究锅炉运行、汽轮机运行或管道损失问题，也可以把锅炉、管道及汽轮机共同作为一个热力系研究发电供汽过程存在的问题。外界：热力系以外的物质世界统称为外界或环境；边界：热
2、力系与外界的分界面称为边界；因此热力系即为由界面包围的作为研究对象的物体的总和。按热力系与外界进行物质、能量交换的情况不同，热力系主要有：闭口系：热力系与外界无物质交换；开口系：热力系与外界之间有物资交换，或者说有物质穿过边界。按热力系绝热系：热力系与外界无热量交换；孤立系：热力系与外界既无能量交换又无物质交换；2.热力过程与热力循环：2.1概念：热力系状态连续变化的过程称为热力过程。热力系统从一个初态出发经历一系列状态变化后又回到初始状态封闭的热力过程，称为热力循环。2.2工程中常见的两类热力循环：P 热能动力和制冷装置 热机的经济性用热效率衡量，等于净功与向循环输入11 2 2的热量比，=
3、W/Q43 T0 热力循环 热机低温热源高温热源热机 低温热源 高温热源 Q1Q1WWQ2Q2热能动力装置 制冷装置二、热力学第一定律：1.第一定律的实质：热力学第一定律是能量守恒与能量转换定律在热力学中的具体体现。热力学第一定律：在任何发生能量传递和转换的热力过程中，传递和转换的能量的总量保持恒定不变。“永动机是不可能制造成功的”。2.热力过程的两种能量传递方式：热力系与外界传递能量的方式有两种：作功和传热。2.1功：力学中功的定义为物体所受的力与沿力的方向所产生的位移之积。W=F.dx在热力学中功的定义为：功是物系间相互作用而传递的能量，当系统完成作功时，其对外界的作用可用在外界举起重物的
4、单一效果来代替。热力系对外作功符号为正，外界对热力系作功符号为负。在工程中，热与功的相互转换常常是通过气体的体积变化（膨胀或压缩）来实现的。2.2热：热是系统与外界交换能量地另一种形式，它是与物质内部分子运动有关的能量，当热力系与外界间温度不等而发生接触时，彼此将进行能量交换。热力系与外界之间依靠温差传递的能量称为热。热力系吸热时符号为正，放热时为负。Q=m.c.dT热与功是物系在与外界相互作用的过程中传递的能量，传热和作功是热力系与外界传递能量的两种方式，它们是过程量而不是状态量，因此不能说“物体具有多少热量”和“物体具有多少功量”。3.热力学第一定律表达式：3.1基本表达式： 根据能量守恒
5、定律，对于闭系能量守恒方程式：Q=U+W Q=dU +W式中：U为物质的内能，是以一定方式储存于热力系内部的能量，是热力系的状态函数。在闭系中，不存在与外界的物质交换，只存在能量交换，只涉及内能、热、功的相互转换，不牵涉任何其它形式能的转换，上述方程的惟一依据是能量守恒定律，因而适用于闭系内进行的一切热力过程。3.2稳定流动能量方程式：稳定流动：工程中常遇到工质流过热力设备时，工质不但与外界有能量传递与转换，而且有质量交换，即有工质流进流出，如汽轮机，是开口系。在流动过程中，开口系内部及其边界上各点，工质的热力参数及运动参数都不随时间而变，这种流动过程称为稳定流动过程。稳定流动的条件：单位时间
6、进入和流出热力系的工质质量相等，并等于常数；单位时间加入热力系的净热及热力系输出的净功不随时间而变；1Wnet2p1 v1 T1p2 v2 T2 u1 c1 z1u2 c2 z221Q稳定流动能量方程式：因为存在工质的进出及能量的转化，因此在研究稳定流动过程时，应以能量守恒定律为基础，同时兼顾热力学能量变化与宏观机械能等能量的变化。工质进入热力系界面1-1时携带的能量：工质的内能：U1；工质因具有流速c1而具有的宏观动能1/2mc12；工质在进口截面相对某一基准面有一定的高度而具有的重力势能mgz1；因此工质进入热力系统时携带的能量为：E1= U1+1/2mc12+ mgz1。同理，工质流出热
7、力系界面2-2时携带的能量为：E2= U2+1/2mc22+ mgz2。因而，工质流经热力系统时，热力系统储存能量的变化为：E=E2-E1=(U2-U1)+1/2m(c22- c12)+mg(z2- z1) =U+1/2mc+mgz热力系与外界功、热量的变化为：外界加入Q的热量；系统输出净功Wnet；工质进入热力系克服系统内工质阻力而对热力系作的功P1V1，工质流出热力系克服外界阻力而对外界作功P2V2。Wf= P2V2- P1V1=PV称为流动功。综上，根据能量守恒定律有：Q= E2-E1+Wnet+ Wf=E+Wnet+ Wf=U+1/2mc+mgz+ Wnet+ Wf = (U2+ P2
8、V2)- (U1+ P1V1)+ 1/2mc+mgz+ Wnet定义H=U+PV或对于单位工质h=u+pv分别为焓及比焓，则有：Q=H+1/2mc+mgz+ Wnet其微分形式为：Q=dH+1/2mdc+mgdz+ Wnet此即为稳定流动的能量方程式。焓的概念及实质：在稳定能量方程中引入了一个新的参数焓H=U+PV，显然焓是由状态参数组成的，因此它也是一个状态参数。从物理意义上讲，焓实际上是流动工质的内能与流动功之和，可以认为是流动工质所携带的能量。稳定流动的能量方程式是热电厂分析中最常用的工具。第二部分：蒸汽动力循环：一、概述：蒸汽动力循环系指以蒸汽作为工质的动力循环。热电厂即是以蒸汽动力循
9、环为理论依据设计、建设的，因此研究蒸汽动力循环，分析循环热效率是分析提高热电厂运行效率的基础。1、动力循环的热效率：动力循环过程的热力学第一定律表达式为：q=w，其中q=q1-q2，w=wt-wp，q和w分别表示循环的净热量和净功量；q1和q2分别表示循环的吸热量和放热量；wt和wp分别表示循环的作功量和耗功量；则循环效率为：=w/q1=( q1-q2)/ q1=1- q2/ q12、卡诺循环：根据热力学第二定律，当冷热源温度确定时，可逆循环的热效率最高。由两个定温过程及两个绝热工程组成的可逆循环称为卡诺循环。对于可逆过程有q2/ q1= T2/ T1，故循环热效率为：T=1- T2/ T14
10、 1而对于一般的动力循环，如图，引入平均吸热T1温度T1和平均放热温度T2，则循环效率可表达为：T2 =1- T2 / T1 3 2可见欲提高循环效率，应设法提高平均吸热温度和 O S降低平均放热温度。 卡诺循环在蒸汽卡诺循环中，定温吸热过程4-1是在锅炉T内的定压吸热过程，定温放热过程2-3是在冷凝器中 T1 4 1的定压放热过程，定熵膨胀过程是在汽轮机中的理想 绝热膨胀过程，定熵压缩过程3-4是在压缩机中的理 T2 3 2 想绝热压缩过程。在实际工程中，前三个过程均可近似的实现，但 S第四各过程，将汽水混合物压缩则需要耗费很大的 一般的热力循环压缩功，而且压缩机工况极为恶劣，难于实现。因此
11、，蒸汽动力循环的卡诺循环是难以被采用的。为了改进上述压缩过程，人们将汽轮机出口的低压湿蒸汽完全凝结成水，以便采用水泵来完成压缩过程，如此改进的结果即构成了蒸汽动力循环的朗肯循环。2、蒸汽的朗肯循环：最简单的水蒸汽动力循环装置由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵组成，如图所示。其工作过程如下：水在锅炉中吸热，由水变为过热蒸汽；过热蒸汽进入汽轮机中膨胀，对外作功；在汽轮机出口，工质为低压湿蒸汽状态（称为乏汽），此乏汽进入冷凝器向冷却水放热，凝结为饱和水（称为冷凝水）；水泵消耗外功，将凝结水升压并送回锅炉，完成动力循环。上述理想的简单蒸汽动力循环称为朗肯循环。可以看出，朗肯循环过程即是一个基本的冷凝机组循环
12、。汽轮机中的膨胀过程1-2：可逆绝热过程，即定熵过程。应用开口系能量方程，过程中对外作功wt=h1-h2。冷凝器内的放热过程2-3：定压过程。过程中工质放热q2=h2-h3。水泵中的压缩过程3-4：定熵过程。过程中工质接受外功wp=h4-h3。锅炉中的吸热过程4-1：定压过程。过程中工质吸热q1=h1-h4。朗肯循环的热效率为：=w/q1=(wt-wp)/ q1=( h1-h2)-( h4-h3)/( h1-h4)功比rw=w/wt是反映动力循环经济性的另一指标，其定义为循环的净输出功量与汽轮机作功量之比值。朗肯循环的功比为：rw=w/wt=(wt-wp)/ wt=( h1-h2)-( h4-
13、h3)/( h1-h2)由于水的不可压缩性，故泵功常用下式近似计算：wp=v3(p4-p3)水泵耗功一般运小于汽轮机作功，因此近似计算中常忽略泵功不计，此时循环热效率为：=( h1-h2) /( h1-h4)；评价蒸汽动力装置的另一重要指标是汽耗率d，其定义是装置每输出1kwh功量所耗费的蒸汽量：d=3600/w；朗肯循环是最基本的蒸汽动力循环，其结构简单而热效率较低。现代蒸汽动力装置中实际所采用的较复杂的蒸汽动力循环都是在其基础上加以改进后得到的。例题：蒸汽参数为p1=5.0Mpa t1=4350C p2=0.0049Mpa，试计算循环功量、吸收热量、热效率、功比、汽耗率，若忽略泵功，循环效
14、率又为多少？解：查表h1=784kcal/kg=3281kJ/kg s=6.75kJ/kg.K h2=553.1kcal/kg=2080kJ/kg x=0.794 h3=h2=32.56kcal/kg=136.3kJ/kg h4=33.62kcal/kg=140.73kJ/kg则：汽轮机作功为：wt=h1-h2=3281-2080=1201kJ/kg 水泵耗功为： wp=h4-h3=140.73-136.3=4.43kJ/kg 循环功量为： w=wt-wp=1196.57kJ/kg 吸热量为： q1=h1-h4=3281-140.73=3140.27kJ/kg 放热量为： q2=h2-h3=2080-136.3=1943.7kJ/kg 热效率为：
