第8章 蒸汽动力循环.ppt

第八章蒸汽动力循环 StreamPowerCycle 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 8 1 1蒸汽机概述 蒸汽电厂示意图 蒸汽机简易图 五十年代蒸汽机车 汽轮机示意图 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 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 V8 V5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朗肯循环及其热效率 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 3 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 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 h s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 2 3定压凝结过程 冷凝器为控制体 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 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 2 初压p1对热效率的影响 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 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 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q2 3 2 3 2 增大 如图所示 q2的增大部分为面积822 78 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 wnet wt 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 ReheatCycle 再热目的 克服汽轮机尾部蒸汽湿度太大的危害 热效率腐蚀 再热循环是提高热效率的途径之一 3 左右 多出一块 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 Extractingcycle 抽汽回热循环 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 工作循环图 T 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 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 级数不宜过多 电厂为3 8级 1 2 3 5 4 T s 6 8 7 9 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 585kJ kg K 点2 s2 s1 6 585kJ kg K p2 0 004MPa 根据x2 s2 s2 s2 s2 可得 x2 0 765 h2 x2s2 1 x2 s2 1982 4kJ kg T2 301 95K点3 h3 h2 121 41kJ kg s3 s2 0 4224kJ kg K 点4 s4 s3 0 4224kJ kg K p4 13 5MPa h4 134 93kJ kg 汽轮机做功wT wT h1 h2 3464 5 1982 4 1482 1kJ kg水泵消耗的功wp Wp h4 h3 134 93 121 41 13 52kJ kg 循环净功wnet wnet wT wp 1482 1 13 52 1468 58kJ kg工质吸热量q1 q1 h1 h4 3464 5 134 93 3329 57kJ 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 58 1000 6 81 10 7kg 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 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 5K 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 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 2488 121 0 0959 循环功量计算wnet wT h1 1h01 2h02 1 1 2 h2 3306 0 106 2804 0 0959 2488 1 0 106 0 0959 2090 1102 1kJ kg 循环热效率和汽耗率循环吸热量q1 q1 h1 h7 3306 633 2673kJ kg循环热效率 t t wnet q1 1102 1 2673 0 4123循环汽耗率 1 wnet 1 1102 1 103 9 0736 10 7kg 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 0313 0 381 8 22 8 4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