13蒸汽动力装置循环装置课件

第十三章第十三章第十三章第十三章 蒸汽动力循环装置蒸汽动力循环装置蒸汽动力循环装置蒸汽动力循环装置 讲课时间 第十二周 周四讲课时间 第十二周 周四 2016 5 172 蒸汽及蒸汽动力装置蒸汽及蒸汽动力装置 steam power plant 1 蒸汽是历史上最早广泛使用的工质 蒸汽是历史上最早广泛使用的工质 19世纪后期 蒸汽动力装置的大量使用 促使生产力飞速发展 促使资本主义诞生 世纪后期 蒸汽动力装置的大量使用 促使生产力飞速发展 促使资本主义诞生 2 目前世界约 目前世界约75 电力 国内电力 国内78 电力来自火电厂 绝 大部分来自蒸汽动力 电力来自火电厂 绝 大部分来自蒸汽动力 3 蒸汽动力装置可利用各种燃料 蒸汽动力装置可利用各种燃料 4 蒸汽是无污染 价廉 易得的工质 蒸汽是无污染 价廉 易得的工质 一 概述一 概述 蒸汽动力循环与气体动力循环的区别蒸汽动力循环与气体动力循环的区别 1 水时而处于液态 时而处于气态 在汽化 凝结时定压 也定温 水时而处于液态 时而处于气态 在汽化 凝结时定压 也定温 2 水和水蒸气不能燃烧 只能从外界向它传热 需配备锅 炉设备 与内燃机比较 这种装置可称为 水和水蒸气不能燃烧 只能从外界向它传热 需配备锅 炉设备 与内燃机比较 这种装置可称为 外燃动力装置外燃动力装置 3 蒸汽动力装置可利用各种燃料 核燃料 劣质煤 可燃 垃圾 太阳能 地热能等 蒸汽动力装置可利用各种燃料 核燃料 劣质煤 可燃 垃圾 太阳能 地热能等 一 概述 续 一 概述 续 13 1 简单蒸汽动力装置循环简单蒸汽动力装置循环 朗肯循环朗肯循环 在相同温限内 卡诺循环的热效率最高在相同温限内 卡诺循环的热效率最高 卡诺循环卡诺循环 1 水蒸气的卡诺循环水蒸气的卡诺循环 水蒸气卡诺循环有可能实现水蒸气卡诺循环有可能实现 但 但 1 压缩两相物质的困难 压缩两相物质的困难 2 膨胀末端 膨胀末端x太小太小 3 温限小 实际并不实行 卡诺循环 温限小 实际并不实行 卡诺循环 压力不变时 在液体汽化和蒸汽凝结时温度不变 因此有定 温加热和放热的可能 压力不变时 在液体汽化和蒸汽凝结时温度不变 因此有定 温加热和放热的可能 2 水蒸气朗肯循环水蒸气朗肯循环 1 流程图 流程图 2 p v T s图图 1 2 3 4 汽轮机 冷凝器 水泵 加热器 锅炉 汽轮机 冷凝器 水泵 加热器 锅炉 过热器 过热器 s P 4 2 1 3 p P s 56 h s 1 3 2 4 5 6 朗肯循环的朗肯循环的p v图和图和h h s图图 p v图图 h s 图图 s P P s dddT shv p p h T s 在湿蒸气区定压线也就是定温线 它是 斜率为对应饱和温度 在湿蒸气区定压线也就是定温线 它是 斜率为对应饱和温度Ts的斜直线 压力 越高 的斜直线 压力 越高 Ts越高 直线也就越陡 越高 直线也就越陡 Q 两相区 是直 线还是曲线 两相区 是直 线还是曲线 由 锅炉由 锅炉 过热器 构成的加热器和冷凝器 实际上就是 换热器 通过它们实现了工质与热源和冷源的热量交换 过热器 构成的加热器和冷凝器 实际上就是 换热器 通过它们实现了工质与热源和冷源的热量交换 加热器中 热源的热量通常来自于燃料的化学能 也可以 是原子能 太阳能 地热能等 加热器中 热源的热量通常来自于燃料的化学能 也可以 是原子能 太阳能 地热能等 冷凝器中的冷却介质通常为水 但在一些水资源匮乏的地 区 有时也用空气作为冷却介质 冷凝器中的冷却介质通常为水 但在一些水资源匮乏的地 区 有时也用空气作为冷却介质 朗肯循环 132 241 qhh qhh 水泵消耗功 很小 一般可不计 34T whh 汽轮机对外作功 21P whh 循环热效率 324112 11132 netTP t whhhhqqww qqqhh T s 1 2 3 4 1313 2 2考虑不可逆损失时的实际蒸考虑不可逆损失时的实际蒸考虑不可逆损失时的实际蒸考虑不可逆损失时的实际蒸 汽动力循环汽动力循环汽动力循环汽动力循环 考虑不可逆因素的蒸汽轮机循环考虑不可逆因素的蒸汽轮机循环T s图 其中实线为 可逆循环 虚线为实际不可逆循环 图 其中实线为 可逆循环 虚线为实际不可逆循环 本课程重点考虑本课程重点考虑水泵内的不可逆压缩过程水泵内的不可逆压缩过程和和汽轮机内 的不可逆膨胀过程 汽轮机内 的不可逆膨胀过程对循环热效率的影响对循环热效率的影响 水泵的绝热效率水泵的绝热效率 P 21 P P21 s s s whh whh 汽轮机的相对内效率汽轮机的相对内效率 34T T T 34ss hhw whh 2 和4点的确定 压缩 膨胀前工质状态相同 压缩 膨胀后工 质的压力也相同 两种效率的数值总是小于两种效率的数值总是小于1 分别反映了水泵内 压缩过程和汽轮机内膨胀过程的理想程度 分别反映了水泵内 压缩过程和汽轮机内膨胀过程的理想程度 水泵的绝热效率 定熵效率 水泵的绝热效率 定熵效率 P 21 P P21 s s s whh whh 汽轮机的相对内效率汽轮机的相对内效率 34T T T 34ss hhw whh 不可逆性对蒸汽动力循环热效率的影响举 例见公共邮箱 汽耗率是评价蒸汽动力 循环的另一个重要指标 汽耗率是评价蒸汽动力 循环的另一个重要指标 单位为单位为kg J kg kJ 也使用也使用kg kW h 为单位 不计给水泵耗功时 若 为单位 不计给水泵耗功时 若理想理想汽轮机的输出功率为汽轮机的输出功率为 P0kW 蒸汽流量为 蒸汽流量为Dkg s 两者有以下关系 两者有以下关系 034s PD hh 理想汽耗率理想汽耗率 0 034s34s 13600 kg kJ kg kW h D d Phhhh 装置每输出装置每输出1kW h 等于 等于 3600kJ 功量所消耗的蒸汽量 功量所消耗的蒸汽量 实际汽耗率实际汽耗率 34 3600 kg kW h D d Phh 理想汽耗率理想汽耗率 0 034s 3600 kg kW h D d Phh 44 0 s hh dd 1313 3 3 通过改变蒸汽参数提高朗通过改变蒸汽参数提高朗通过改变蒸汽参数提高朗通过改变蒸汽参数提高朗 肯循环的热效率肯循环的热效率肯循环的热效率肯循环的热效率 1 提高蒸汽初温提高蒸汽初温T1 2 T 1 T 1 T 提高了终态提高了终态2的干度的干度x2 延长汽轮机使用寿命 受材料耐热性能限制 平均吸热温度提高 效率提高 延长汽轮机使用寿命 受材料耐热性能限制 平均吸热温度提高 效率提高 2 提高蒸汽压2 提高蒸汽压p1 但但 x2下降且下降且 p太高造成强度问题太高造成强度问题 2 T 1 T 1 T 平均吸热温度提高 效率提高平均吸热温度提高 效率提高 3 降低终参数降低终参数p2 但受制于环境温度 不能任意降 低 同时 但受制于环境温度 不能任意降 低 同时 x2下降 下降 2 T 2 T 平均放热温度降低 效率提高平均放热温度降低 效率提高 1313 4 4 再热循环再热循环再热循环再热循环 为什么选择再热循环为什么选择再热循环 为了提高蒸汽动力循环的热效率 一种方法是从 改变循环特性参数入手 另一种方法是从改进循 环入手 为了提高蒸汽动力循环的热效率 一种方法是从 改变循环特性参数入手 另一种方法是从改进循 环入手 前一种方法在上一节进行了讨论 结果表明 朗 肯循环中提高蒸汽的初压力可以提高循环热效 率 但会引起乏汽干度减小 不利于汽轮机的安 全运行 如何能够克服此不利影响呢 前一种方法在上一节进行了讨论 结果表明 朗 肯循环中提高蒸汽的初压力可以提高循环热效 率 但会引起乏汽干度减小 不利于汽轮机的安 全运行 如何能够克服此不利影响呢 一种方法是在提高蒸汽初压的同时提高初温 但 此种方法会受到金属材料耐热性能的限制 另一 种方法是从改进循环入手 一种方法是在提高蒸汽初压的同时提高初温 但 此种方法会受到金属材料耐热性能的限制 另一 种方法是从改进循环入手 采用再热循环采用再热循环 再热循环再热循环 再热对循环效率的影响再热对循环效率的影响 t 12 34 53254 qqqhhhh TT 3 4T 5 63456 wwwhhhh P21 whh netTP 11 345621 3254 www qq hhhhhh hhhh 再热压力对循环热效率大小的影响再热压力对循环热效率大小的影响 1 1 6 6 4 3 2 4 3 2 s T s T T T1 1 1 1 2 2 1 T 1T 1 T 5 5 T T2 2 只要再热压力选得不 太低 再热循环的平 均吸热温度较原有基 本循环要高 平均放 热温度不变 循环热 效率高于原有基本循 环 提高 只要再热压力选得不 太低 再热循环的平 均吸热温度较原有基 本循环要高 平均放 热温度不变 循环热 效率高于原有基本循 环 提高 2 4 再热压力选得过低会 降低平均吸热温度 使得循环热效率较原 有基本循环低 再热压力选得过低会 降低平均吸热温度 使得循环热效率较原 有基本循环低 但如果再热压力选择 过高 对乏汽干度的 改善较少 但如果再热压力选择 过高 对乏汽干度的 改善较少 1 1 6 6 4 3 2 4 3 2 s T s T T T1 1 1 1 2 2 1 T 1T 1 T 5 5 T T2 2 若综合考虑再热压力对热效 率和干度的影响 应存在一 个最佳的再热压力 此最佳 压力使得干度位于允许的范 围内 同时热效率达到最大 值 若综合考虑再热压力对热效 率和干度的影响 应存在一 个最佳的再热压力 此最佳 压力使得干度位于允许的范 围内 同时热效率达到最大 值 1 opt 0 2 0 3 pp 再热 注意 注意 再热的目的不全在于提高循环热效率 无再热时乏汽的状态为 再热的目的不全在于提高循环热效率 无再热时乏汽的状态为c 有再热时乏汽的状态为 有再热时乏汽的状态为6 x6 xc 与与p再热 再热有关 有关 再热的目的再热的目的更重要地更重要地还在于它能提高汽轮机乏汽的干 度 从而为提高初压力创造条件 还在于它能提高汽轮机乏汽的干 度 从而为提高初压力创造条件 s T 53 4 t P 6 c1 2 再热次数越多 再热过程的平均温度越 高 热效率相应提高 再热次数越多 再热过程的平均温度越 高 热效率相应提高 一次再热可使循环热效 率提高 一次再热可使循环热效 率提高2 4 次数多 系统复杂 投资增加 不利于 管理 次数多 系统复杂 投资增加 不利于 管理 实际再热次数很少超过两次 超临界参 数的机组一般才考虑二次再热 实际再热次数很少超过两次 超临界参 数的机组一般才考虑二次再热 再热目的是为了提高乏汽的干度再热目的是为了提高乏汽的干度 若研 发出或有条件使用具有更高耐热性能的 材料 则没必要再热 若研 发出或有条件使用具有更高耐热性能的 材料 则没必要再热 1313 5 5 回热循环回热循环回热循环回热循环 为什么选择回热循环 为什么选择回热循环 水的吸热低温段拉低了 循环的平均吸热温度 使热效率不高 若能改善此低温吸热 段 提升平均吸热温 度 可能会较大程度地 提高循环热效率 水的吸热低温段拉低了 循环的平均吸热温度 使热效率不高 若能改善此低温吸热 段 提升平均吸热温 度 可能会较大程度地 提高循环热效率 理想回热 难以在汽轮机缸外设计回热水套来实现蒸汽和给水之间的换热 乏汽的干度有可能变得过低而危害汽轮机经济安全运行 难以在汽轮机缸外设计回热水套来实现蒸汽和给水之间的换热 乏汽的干度有可能变得过低而危害汽轮机经济安全运行 蒸汽边膨胀边放热 以加热汽 轮机缸外回热水套内的给水 注意 对于抽汽式回热 循环 工质经历不同过 程时 注意 对于抽汽式回热 循环 工质经历不同过 程时有质量的变化有质量的变化 因 此 因 此T s图上的图上的面积不能直 接代表热量 面积不能直 接代表热量 但用 但用T s图 分析仍然很有帮助 图 分析仍然很有帮助 带抽汽回热的蒸汽动力装置带抽汽回热的蒸汽动力装置 循环中工质从外部热源吸收的热量为循环中工质从外部热源吸收的热量为 154 qhh 工质向外部冷源放出的热量为工质向外部冷源放出的热量为 271 1qhh 汽轮机的作功量为汽轮机的作功量为 T5667 1whhhh 消耗的泵功消耗的泵功 pp Ip II 1www p I121 wvpp p II343 wvpp netTP2 111 1 wwwq qqq 回热抽汽量的确定回热抽汽量的确定 在回热器的混合换热过程中 不涉及作功 若假设 无热损失 根据稳定流动开口系统能量守恒方程式 在回热器的混合换热过程中 不涉及作功 若假设 无热损失 根据稳定流动开口系统能量守恒方程式 22 f f 11 22 jjjjiiii ji Q Wmhcgzmhcgz 623 1hhh 32 62 hh hh 带抽汽回热的蒸汽动力循环 从外部热源的吸热段 带抽汽回热的蒸汽动力循环 从外部热源的吸热段 4 5 无回热的蒸汽动力循环 从外部热源的吸热段 无回热的蒸汽动力循环 从外部热源的吸热段 2 3 工质从外部热源吸热的平均温度提高了 因此循环 的热效率也相应提高 工质从外部热源吸热的平均温度提高了 因此循环 的热效率也相应提高 现代火力发电产中的蒸汽动力装置无一例外地都采用 了回热循环 采用回热并不妨碍采用再热 大型机组既实行再热 也采用回热 现代火力发电产中的蒸汽动力装置无一例外地都采用 了回热循环 采用回热并不妨碍采用再热 大型机组既实行再热 也采用回热 相应的负面影响 相应的负面影响 初投资增加 系统复杂性增加 初投资增加 系统复杂性增加 1313 6 6 热电合供循环热电合供循环热电合供循环热电合供循环 一 为什么选择一 为什么选择 热电合供热电合供 燃烧燃料以实现向热用户供热燃烧燃料以实现向热用户供热 燃料燃 烧温度 燃料燃 烧温度 1400 200 热力学第一定律热力学第一定律 燃料燃烧产生的热量全部被热 用户所利用 满足能量守恒 燃料燃烧产生的热量全部被热 用户所利用 满足能量守恒 热力学第二定律热力学第二定律 不可逆损失太大 不可逆损失太大 生产工艺 如印染 造 纸 炼油 食品加工 等 和居民生活 如居 住区 宾馆等 生产工艺 如印染 造 纸 炼油 食品加工 等 和居民生活 如居 住区 宾馆等 Q 因此 将汽轮机排气压力设计成热用户所需 参数 背压式汽轮机 使汽轮机排气的冷凝热 能为热用户所充分利用 汽轮机排气的冷凝热 能为热用户所充分利用 利用后的冷凝水再泵 回至锅炉 这样的热 电联合生产系统的工作 方式 称为 热电合供 也称热电联产 汽轮机乏汽接近环境温度 压力只 有3 5kPa 对应的饱和温度 24 11 28 95 几无做功能 力 而被冷凝器冷水带走的热能又 非常可观 50 60 如果能提高汽轮机排气压力 则能 提高饱和温度 可以用于供热 充 分利用排气热能 二 背压式汽轮机供热循环二 背压式汽轮机供热循环 背压式气轮机背压式气轮机 为适应供 热需要而有较高排气压力的汽 轮机 为适应供 热需要而有较高排气压力的汽 轮机 背压 0 1MPa 背压 0 1MPa 若背压为若背压为0 3MPa 对应的饱和温度 可达 对应的饱和温度 可达 133 6 在很多生产工艺和居 民生活中得以利用 在很多生产工艺和居 民生活中得以利用 2 32 3 锅炉中定压加热过程 3 4 锅炉中定压加热过程 3 4 汽机中绝热膨胀过程 4 1 汽机中绝热膨胀过程 4 1 热用户 加热器 中定压凝结放热过程 1 2 热用户 加热器 中定压凝结放热过程 1 2 回水在给水泵中绝热压缩过程回水在给水泵中绝热压缩过程 优点优点 系统简单 缺点 系统简单 缺点 1 电负荷和热负荷互相影响 即当热 能的供应量增加或减少时 电能的生产量也随着 增加或减少 2 它不能同时满足对热力参数有不 同要求的热用户 1 电负荷和热负荷互相影响 即当热 能的供应量增加或减少时 电能的生产量也随着 增加或减少 2 它不能同时满足对热力参数有不 同要求的热用户 三 可调节抽汽式热电合供循环三 可调节抽汽式热电合供循环 加 热 器 汽轮机 冷 凝 器 热 用 户 热 用 户 水泵 水泵 水泵 优点 热电生产相互影响较小 同时还可以用不 同压力的抽汽来满足各种热用户的不同需求 优点 热电生产相互影响较小 同时还可以用不 同压力的抽汽来满足各种热用户的不同需求 汽轮机采用中间抽汽式 在 适当位置从汽轮机中抽出一 部分已经作功但尚有一定压 力的蒸汽供给热用户 压力 的大小根据热用户的需求确 定 汽轮机采用中间抽汽式 在 适当位置从汽轮机中抽出一 部分已经作功但尚有一定压 力的蒸汽供给热用户 压力 的大小根