蒸汽动力循环

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1、第八章蒸汽动力循环第八章蒸汽动力循环 分类（按工质）：热机定义：将热能转换为机械能的设备蒸汽动力动力循环燃气动力循环 （内燃机、燃气轮机等）（蒸汽机、汽轮机等）动力循环：热机的工作循环.8-1 朗肯循环蒸汽动力装置系统简图汽轮机汽轮机冷凝器冷凝器发电机发电机水泵水泵锅锅炉炉8.1.18.1.1蒸汽机概述蒸汽机概述蒸汽机概述蒸汽机概述蒸汽电厂示意图蒸汽机简易图锅炉锅炉飞轮飞轮滑动阀滑动阀活塞活塞汽缸汽缸蒸汽蒸汽五十年代蒸汽机车 汽轮机示意图汽轮机汽轮机 给水泵给水泵 冷凝器冷凝器 蒸汽蒸汽 冷水冷水 汽轮机低压缸汽轮机中压缸汽轮机高压缸蒸汽是历史上最早广泛使用的工质，19世纪后期蒸汽动力装置的大

2、量使用，促使生产力飞速发展，促使资本主义诞生目前世界75%电力，国内78%电力来自火电厂，绝大部分来自蒸汽动力蒸汽动力装置可利用各种燃料蒸汽是无污染、价廉、易得的工质8.1.2工质为水蒸气的卡诺循环工质为水蒸气的卡诺循环sT12643P1W0nmOP2578在相同范围内卡诺循环的热效率最高气体工质的定温加热与放热难于进行，且功不大(比较p-v图上定温线与定熵线斜率)水蒸气汽化与凝结时既定压又定温，功大(斜率)实际蒸汽动力装置不采用卡诺循环8-5难于实现；V8V5 需用比水泵大得多的压缩机；循环局限于饱和区，热效率不高；膨胀末期湿空气，不利于动力机安全；实际蒸汽动力循环均以朗肯循环为基础8.1.

3、3朗肯循环及其热效率朗肯循环及其热效率1523锅炉过热器汽轮机发电机冷凝器给水泵冷却水1、朗肯循环工作原理朗肯循环可理想化为两个定压过程、两个定熵过程。W015432vp3-4-5-1：水定压加热变为过热水蒸气 1-2： 过热水蒸气在汽轮机内定熵膨胀2-3：湿蒸汽在冷凝器内定压冷却3-3：凝结水在水泵中的定熵压缩sT12543P1W0670P21523锅炉过热器汽轮机发电机冷凝器给水泵冷却水34水的压缩性很小，经过水泵绝热压缩后温度升高极小，认为点 3 与点3重合， 3 -4与下界限3-4重合。T-s 图sT12543P1W0670P2sT12543P1W0670P2q1wspwstq2154

4、32shh-s 图图 2、朗肯循环的热效率 1-2为定熵膨胀过程，以汽轮机为控制体 3- 4 为定熵压缩过程，以水泵为控制体 4 -1定压过程，锅炉和过热器为控制体消耗轴功吸收热量sT12543P1W0670P2 2-3定压凝结过程，冷凝器为控制体sT12543P1W0670P2整个装置为热力系统：很小8.1.4蒸汽参数对热效率的影响蒸汽参数对热效率的影响1.初温T1对热效率的影响同p1，p2；T1 ， 同效率的卡诺循环的平均吸热温度等效卡诺循环热效率：有利：乏汽干度不利：比容设备 ，设备体积 材料要求高.12354Ts2.初压p1对热效率的影响sT12354有利：乏汽比容 ，设备体积 ; 不

5、利：乏汽湿度 ，腐蚀汽轮机最后几级叶片；不利汽轮机的安全运行.同T1，p2；p1 ，平均吸热温度 ， （ T2 环境温度 ）3. 背压p2对热效率的影响sT12354环境温度对蒸汽动力装置的运行影响很大，冬季高于夏季，北方高于南方。 局限于朗肯循环内以调整蒸汽参数来提高动力循环的热效率，潜力有限； 在朗肯循环基础上发展的较为复杂的循环，如回热循环、再热循环等p2, T2, 循环温差, 8.1.5有摩阻的实际循环有摩阻的实际循环 实际蒸汽动力循环都是不可逆过程，如果考虑到汽轮机中的不可逆损失，则理想循环中的可逆绝热过程l-2将代之以不可逆绝热过程1-2。这样，在循环中q1(4-5-1)不变，而q

6、2 (3-2 3-2)增大。如图所示，q2的增大部分为面积82278。汽轮机效率(汽轮机相对内效率)T：汽轮机内蒸汽实际做功wt与理论功wt 的比值实际循环内部功wnet:1kg蒸汽在实际工作循环中作出的循环净功wnet= wt-wP。忽略水泵功wP，wnetwt= h1-h2。循环内部热效率i:实际蒸汽循环净功与循环中热源所供给的热量的比值：考虑轴承等处的机械损失m，则汽轮机输出的有效功（即轴功ws）：忽略水泵功，循环输出净功率的表达式：理想耗汽率o 以实际内部功率Pi为基准有效功耗汽率s：8-2 再热循环ReheatCycleReheatCycle 再热目的：克服汽轮机尾部蒸汽湿度太大的危

7、害：热效率 腐蚀153过热器冷凝器给水泵再 热 器6再热循环是提高热效率的途径之一 (3% 左右)1再 热 器6多出一块1c4,365Tsb2目前，超高压大型发电厂几乎毫无例外地采用再热循环。根据蒸汽初参数的情况，一般进行一次或最多两次再热。 8-3 回 热 循 环Extracting cycleExtracting cycle抽汽回热循环工 作 循 环 图23锅炉汽轮机发电机冷凝器水泵1冷却水1水泵2水泵3一号回热器二号回热器过热器8679 在回热器内先后与两次抽汽混合加热，每次加热终了的水温达到相应的抽汽压力下的饱和温度利用膨胀作了功的蒸汽预热锅炉给水，以提高热效率抽汽回热循环目的工 作

8、循 环 图23锅炉汽轮机发电机水泵11水泵2水泵3一号回热器二号回热器过热器867912354Ts6879T-s 图回热抽汽率1、2的计算，根据凝结水被加热到抽汽压力下的饱和温度的原则，由质量守恒和能量平衡式来确定。以二号回热器为控制体h6 、h8 是第一、第二次抽汽的焓；h7 、h9 是第一、第二次抽汽压力下的饱和水的焓；h3 是乏汽压力下的凝结水的焓以一号回热器为控制体23锅炉汽轮机发电机水泵11水泵2水泵3一号回热器二号回热器过热器8679二级回热循环的热效率：理论上抽汽级数越多，最佳水温越好，平均吸热温度越高，热效率也越高； 级数越多，设备和管道越复杂，而每级的抽气量越少；因此，级数不

9、宜过多，电厂为 3 8 级。12354Ts6879例题8.1在朗肯循环中，蒸汽进入汽轮机的初压力p1=13.5MPa，初温度T1=823K，乏汽压力p2=0.004MPa，求：循环净功wnet、加热量q1、朗肯循环热效率t、汽耗率及汽轮机出口干度x2；试从 的角度分析能量利用情况。解 1-2为蒸汽在汽轮机内可逆绝热膨胀过程；2-3为乏汽在冷凝器内可逆定压放热过程；3-4为水在给水泵内可逆绝热压缩过程。由已知条件查水及水蒸气热力性质图或表，得到各状态点参数。点1：p1=13.5MPa，T1=823K得： h1=3464.5kJ/kg，s1=6.585 kJ/(kg K)点2：s2=s1=6.58

10、5 kJ/(kgK)，p2=0.004MPa， 根据x2=(s2-s2/)/(s2/-s2/)可得： x2=0.765，h2=x2s2/+(1-x2)s2/=1982.4 kJ/kg， T2=301.95K点3：h3=h2/=121.41 kJ/kg，s3=s2/=0.4224 kJ/(kgK)点4：s4=s3=0.4224 kJ/(kgK)，p4=13.5MPa，h4=134.93kJ/kg汽轮机做功wT： wT=h1-h2=3464.5-1982.4=1482.1 kJ/kg水泵消耗的功wp： Wp=h4-h3=134.93-121.41=13.52 kJ/kg循环净功wnet： wnet

11、=wT-wp=1482.1-13.52=1468.58 kJ/kg工质吸热量q1： q1=h1-h4=3464.5-134.93=3329.57 kJ/kg朗肯循环热效率t： t=wnet/q1=1468.58/3329.57=44.1%汽耗率： =1/wnet=1/(1468.581000)= 6.8110-7 kg/J汽轮机出口干度x2： x2=0.765朗肯循环热效率t=44.1%说明蒸汽机吸入的热量q1中，只有44.1%转变成了功，55.9%都放给了大气环境T0=293K，十分可惜。但是，由于实际上排气温度已较低(T2=301.95K)，排出的热量 为：由数值看，虽然排出的热量较多，但

12、其有效能值较小，说明排汽的热能品质较低，因而动力利用的价值不大。例题8.2 在图8.11所示的两级抽汽回热循环中（其T-s图如图8.12所示），第一级回热加热器为混合式，第二级为表面式。表面式回热加热器的疏水流回冷凝器。若已知该回热循环的参数为p1=13.5MPa， T1=808K，p2=0.004MPa，给水回热温度为423K，抽汽点蒸汽的压力按等温差分配选定。试完成：加热器级间的温差分配；各级抽汽参数p01、p02、h01、h02；抽汽系数1、2；循环功；循环热效率和汽耗率；与同参数朗肯循环相比较。解两级抽汽回热循环的T-s图如图所示。由p2=0.004MPa查水蒸气图表得T2/=302K

13、，故从冷凝器的凝结水温度升至给水温度间的总温差T=T7-T3=423-302=121K。加热级数为2，故平均每级温差应为：T/2=60.5 K，由此可算出： T9= T3+T/2=302+60.5=362.5K 各级抽汽参数 各级抽汽压力是根据所供加热器出口水温要求而确定的。在混合式加热器中，抽汽压力p01必须是温度T6对应下的饱和压力，可由饱和蒸汽表上查出p01=p6=0.476MPa。在表面式加热器中，抽汽压力p02应至少相应于温度T8时的饱和压力（本例中忽略冷热流体间的传热温差，即认为凝结水可以被加热至抽汽压力下的饱和温度T8=T9）。于是由T9=362.5K查出p02=0.069MPa

14、。 抽汽压力确定之后，即可由水蒸气在h-s图上各定压线与定熵线的交点查出各抽汽点的焓：h1=3306kJ/kg，h2=2090kJ/kg，h3=121kJ/kg h01=h6=2804kJ/kg，h7=633kJ/kgh02=h8=2488kJ/kg，h9=375kJ/kg抽汽系数的计算取混合式加热器为热力系，由能量平衡可得： 1=(h7-h9)/(h6-h9)=(633-375)/(2804-375)=0.106取表面式加热器为热力系，并进行能量和质量平衡计算： 2h8+(1-1-2)h3=(1-1)h9即 2=(1-1)(h9-h3)/(h8-h3) =(1-0.106)(375-121)

15、/(2488-121) = 0.0959循环功量计算 wnetwT=h1-1h01-2h02-(1-1-2)h2 =3306-0.1062804-0.09592488-(1-0.106-0.0959)2090 =1102.1 kJ/kg循环热效率和汽耗率循环吸热量q1：q1=h1-h7=3306-633=2673 kJ/kg循环热效率t：t=wnet/q1=1102.1/2673=0.4123循环汽耗率：=1/wnet=1/(1102.1103)= 9.073610-7 kg/J同参数朗肯循环的比较同参数朗肯循环的热效率为 回热使循环效率提高：0.4123-0.381=0.0313相对值为：0

16、.0313/0.381=8.22%8.4热电合供循环热电合供循环 为提高蒸汽动力装置循环的热效率，总是把乏汽压力尽可能降低。 热电合供循环（简称热电循环）：考虑到提高热能利用率与消除锅炉污染，使蒸汽在电厂中膨胀作功到某一压力，再以此乏汽或乏汽的热量供给生活或工业之用的方案。 同时供热和供电的工厂称为热电厂 。热电循环1-2-3-5-6-1的热效率较原循环l-2-3-5-6-1低，这从热能转变成机械功的角度来看是不利的。但因为热电循环除了输出机械功wnet外，同时提供了可利用的热q2，故衡量其经济性除了热效率外，同时还需考虑热量利用系数，其定义为： 热电厂的热量利用系数以燃料的总释热量为计算基准，若以/表示热电厂的热量利用系数，则： 汽轮机的背压（即汽轮机设计排汽压力）通常大于0.1MPa，这种汽轮机叫做背压式汽轮机。采用背压式汽轮机组的热电厂，其电能生产随热用户对热量需求的变动而变动，且其热效率也较低。为避免这一缺点，热电厂多应用撤汽式汽轮机组。热用户负荷的变动对电能生产量的变动影响较小且其热效率较背压式汽轮机组热电循环为高。第八章完