工程热力学：蒸汽动力循环2014

1、13系学习部 热机热机 热力循环热力循环 制冷机制冷机 热泵热泵 内燃机内燃机 外燃机外燃机 活塞式内燃机活塞式内燃机 （汽油机、柴油汽油机、柴油 机、机、） 蒸汽机、斯特林机蒸汽机、斯特林机 空调、冰箱、冷冻设备空调、冰箱、冷冻设备 热泵、双向空调、热泵、双向空调、 逆向循环（逆向循环（制冷供热循环制冷供热循环） 正向循环（正向循环（动力循环动力循环） 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 (郎郎 肯肯Rankine循环循环) 燃气轮机：燃气轮机：地、空地、空 Brayton循环循环 气体动力循环气体动力循环 Otto循环循环 Diesel循环循环 Dual循环循环 (开式开式) 制冷循环制冷循环 供热

2、循环供热循环 概括性卡诺循环概括性卡诺循环 13系学习部 火电厂鸟览图火电厂鸟览图 13系学习部 火力发电厂主要设备示意火力发电厂主要设备示意 13系学习部 火电厂火电厂 主要设主要设 备示意备示意 13系学习部 锅锅 炉炉 汽轮机汽轮机 发电机发电机 给水泵给水泵 凝汽器凝汽器 1 2 3 4 过热器过热器 4 32 1 T s 12 汽轮机汽轮机 s 膨胀膨胀 34 给水泵给水泵 s 压缩压缩 蒸汽动力循环示意蒸汽动力循环示意 23 凝汽器凝汽器 p 放热放热 41 锅炉锅炉 p 吸热吸热 初汽初汽 乏汽乏汽 1 q 2 q 13系学习部 动力循环动力循环 T1 T2 Q1 W 高温热源高

3、温热源 低温热源低温热源 吸热吸热 排热排热 作净功作净功 Q2 13系学习部 动力循环的评价指标动力循环的评价指标 正循环正循环：净效应（吸热、对外作功）：净效应（吸热、对外作功） 动力循环效率动力循环效率 T1 T2 W 12 1 qq q 2 1 1 q q Q1 Q2 111 WW m QQ mq w 1.0 收益收益 代价代价 净功净功 吸热吸热 按绝对按绝对 值分析值分析 13系学习部 2 1 1 q q s 1 3 4 T 2 1 T 2 T 1 1141 4 qTdsTs 2 2232 3 qTdsTs 232 141 1 Ts Ts 2 1 1 T T 提高效率提高效率 的路

4、径的路径 1.1.升高升高 2.2.降低降低 1 T 2 T 1 q 2 q 13系学习部 工程上常用汽耗率工程上常用汽耗率, , 反映装置经济性，设备尺寸反映装置经济性，设备尺寸 汽耗率：汽耗率：蒸汽动力装置每输出蒸汽动力装置每输出 1kW.h（1度度） 功量所消耗的蒸汽量功量所消耗的蒸汽量 kg w采用采用 kJ/kg , d 用用 kg/kW.h 汽耗率汽耗率 kg kWh 若若 3600 d w 则则 11 mm d WWW mw 时段时段 13系学习部 T s 循环循环设计参数的选定设计参数的选定 T1 T1 初温初温 锅锅 炉炉 汽轮机汽轮机 发电机发电机 给水泵给水泵 凝汽器凝汽

5、器 过热器过热器 背压背压 初压初压 初压初压 p2 p1 背压背压 2s Tp p2 1 T 2 T 21 1 t T T 卡诺卡诺 循环设计的尺子循环设计的尺子 p1 1 1 2 2 3 3 4 4 初温初温 13系学习部 原则上越小越好原则上越小越好 受环境温度限受环境温度限 制，现在大型机组制，现在大型机组 p2 2为为0.0035-0.0035- 0.005MPa0.005MPa，相应的饱和温度约为，相应的饱和温度约为 27- 33 27- 33 ，已接近事实上可能达，已接近事实上可能达 到的最低限度。冬天热效率高到的最低限度。冬天热效率高 背背压压的选择的选择 T s T1 2s

6、T 21 1 t T T 卡诺卡诺 2s T 2 p 2 p 锅锅 炉炉 汽轮机汽轮机 给水泵给水泵 1 2 3 4 过热器过热器 背压背压 p2 13系学习部 初温初温的选择的选择 T s 2 p 初温原则上越高越初温原则上越高越 好但对部件耐热及好但对部件耐热及 强度要求高，目前强度要求高，目前 最高初温一般在最高初温一般在 550左右左右 21 1 t T T 1 T 1 T T1 初温初温 锅锅 炉炉 汽轮机汽轮机 给水泵给水泵 1 2 3 4 过热器过热器 13系学习部 1 p 初压初压的选择的选择 T s 2 p 1 T 汽中水损害汽中水损害 涡轮叶片涡轮叶片 尽可能高，但对材料强

7、尽可能高，但对材料强 度要求高，且受干度限度要求高，且受干度限 制，一般要求出口干度制，一般要求出口干度 大于大于0.85 0.880.85 0.88 湿压缩耗功大湿压缩耗功大 对机器不利对机器不利 锅锅 炉炉 汽轮机汽轮机 给水泵给水泵 1 2 3 4 过热器过热器 初压初压 p1 卡诺卡诺 1 p 13系学习部 郎肯郎肯(Rankine(Rankine) )循环循环 锅锅 炉炉 汽轮机汽轮机 发电机发电机 给水泵给水泵 凝汽器凝汽器 1 2 3 4 过热器过热器 T s 1 3 4 2 T0 12 汽轮机汽轮机 s 膨胀膨胀 23 凝汽器凝汽器 p 放热放热 34 给水泵给水泵 s 压缩压

8、缩 41 锅炉锅炉 p 吸热吸热 可逆循环可逆循环 1 p 2 p 1 T 初汽初汽 乏汽乏汽 13系学习部 郎肯循环郎肯循环p-v图与焓熵图图与焓熵图 h 1 3 24 1 3 4 2 p v 12 汽轮机汽轮机 s 膨胀膨胀 23 凝汽器凝汽器 p 放热放热 34 给水泵给水泵 s 压缩压缩41 锅炉锅炉 p 吸热吸热 s 13系学习部 h s 1 3 24 汽轮机作功汽轮机作功 冷凝器中的定压放热量冷凝器中的定压放热量 322 hhq 水泵绝热压缩耗功水泵绝热压缩耗功 锅炉中的定压吸热量锅炉中的定压吸热量 411 hhq 郎肯循环的计算郎肯循环的计算 11 tP qq www 12 13

9、 hh hh 一般很小，一般很小， 占占0.81%， 忽略泵功忽略泵功 12 t hhw 43 P hhw汽轮机汽轮机 冷凝器冷凝器 水泵水泵 锅炉锅炉 按绝对值分析按绝对值分析 13系学习部 本课程仅分析一个代表本课程仅分析一个代表 性的不可逆因素性的不可逆因素： 汽机不可逆汽机不可逆 s T 3 2 1 4 有摩阻的循环有摩阻的循环 热一律热一律：热效率分析法热效率分析法 分析法分析法 由于有摩阻实际循由于有摩阻实际循 环为不可逆循环从环为不可逆循环从 而有而有熵增熵增或或压降压降 压降压降 理想循环理想循环实际循环实际循环 熵增熵增 热二律热二律：熵分析法熵分析法, , 分析法分析法用用

10、 13系学习部 忽略泵功忽略泵功可逆循环效率可逆循环效率 12 13 hh hh 汽机相对内效率汽机相对内效率 34 hh s T 5 32 2 1 4 实际蒸汽动力循环热效率法实际蒸汽动力循环热效率法 12 12 T hh hh t t w w T 实际功实际功 理论功理论功 汽机 流体内摩擦流体内摩擦 t wt w 13系学习部 221220 11 TT hhhhhh 理想绝热焓降理想绝热焓降 T: 0.85 0.92 实际循环内部功实际循环内部功 12 hh tPt wwww 循环内部热效率循环内部热效率 12 12 11313 T iT hhhh qhhhh w 实际蒸汽动力循环热效率

11、法实际蒸汽动力循环热效率法 12 12 T hh hh t t w w 汽机流体内摩擦流体内摩擦 t w t w 13系学习部 考虑轴承等机械损失考虑轴承等机械损失： 12 smtmTt mT hh www 忽略水泵功时汽轮机循环输出净功率：忽略水泵功时汽轮机循环输出净功率： m 蒸气耗量蒸气耗量 kg/skg/s 实际蒸汽动力循环热效率法实际蒸汽动力循环热效率法 12smTtmT mmm hh ww 汽机汽机 机械损失机械损失 t w t w 电机电机 s w 机械效率机械效率 内摩擦内摩擦 汽轮机理想输出功率汽轮机理想输出功率 12smTmT WWm hh 13系学习部 耗汽率耗汽率0 0

12、12 11 t m d Phhw 内部功耗汽率内部功耗汽率 0 12 11 i tT d d hh w 有效功耗汽率有效功耗汽率 0 11 e smTmT d d t ww 实际蒸汽动力循环热效率法实际蒸汽动力循环热效率法 汽机汽机 机械损失机械损失 t w t w 电机电机 s w 内摩擦内摩擦 smtmTt www 反映规模反映规模 13系学习部 回热循环回热循环 再热循环再热循环 热电联产热电联产 二气二气-联合循环联合循环 新型循环新型循环 IGCC PFBC-CC . 提高循环热效率的途径提高循环热效率的途径 改变循环形式改变循环形式 联合运行联合运行 13系学习部 高高p 涡涡 低

13、低p 涡涡 凝凝 泵泵 炉炉 再再 热热 1 1 5 5 2 2 6 6 3 3 4 4 T s 6 5 4 3 1 a 再热循环再热循环 22 T0 请告诉我，在初温一定时，如何能提高请告诉我，在初温一定时，如何能提高 初压从而提高循环效率但又不降低涡轮初压从而提高循环效率但又不降低涡轮 出口的干度呢？出口的干度呢？ 高压涡轮高压涡轮 低压低压 涡轮涡轮 再热再热 器器 Reheat Cycle 13系学习部 再热循环本身不一定再热循环本身不一定 提高循环热效率提高循环热效率 它与初压的提高结合它与初压的提高结合 来可提高循环热效率来可提高循环热效率 一般采用一次再热一般采用一次再热 可可

14、使热效率提高使热效率提高45。 再热循环再热循环特性特性 T s 6 5 4 3 1 2 高压涡轮高压涡轮 低压低压 涡轮涡轮 再热再热 器器 再热压力约为初压再热压力约为初压1/4 13系学习部 s 抽汽回热循环抽汽回热循环 涡涡 开式开式 回热回热 凝凝泵泵2 炉炉 泵泵1 混合式混合式 回热器回热器 1 1 2 23 3 4 4 5 5 6 6 7 7 锅锅 T s 6 5 4 3 1 2 7 a 1 m 2 m 3 m 2 m 1 m 3 m 3 m 1 m 朗肯循环热效率不高的主要原因朗肯循环热效率不高的主要原因 是加热过程不是在等温下进行的，是加热过程不是在等温下进行的， 致使加热

15、平均温度不高致使加热平均温度不高。 开式回热器是开式回热器是 汽液混合室汽液混合室 Regenerative Cycle 13系学习部 抽汽回热循环抽汽回热循环效率一定增大吗效率一定增大吗 T s 6 5 43 1 2 7 a 1 m 2 m 3 m w 分析时可忽略泵功分析时可忽略泵功 抽汽抽汽前前 31 1m 1 q w 抽汽抽汽后后 31 1m 1 q w 1 w =w 11 qq ww = 11 1qq = 可证可证 1 q 3 31 11 mW m mm 1313 w =wwww 13系学习部 闭式回热器闭式回热器 闭式闭式 回热器回热器 泵泵2泵泵1 凝凝 混合混合 室室 炉炉 涡

16、涡 锅锅 冷凝水冷凝水 闭式回热闭式回热 器设备复器设备复 杂但可以杂但可以 省去水泵省去水泵 的开销的开销 13系学习部 具有一个开式及三个闭式回热器的电厂具有一个开式及三个闭式回热器的电厂 凝凝 炉炉 开式回热器开式回热器 一般应有一一般应有一 个开式回热个开式回热 器以便除去器以便除去 水中空气水中空气 涡涡 泵泵 泵泵 阀阀阀阀阀阀 闭回闭回 闭回闭回闭回闭回开开 回回 排气排气 闭式回闭式回 热器热器 锅锅 凝汽阀凝汽阀 只允许液体通过只允许液体通过 13系学习部 小型火力发电厂回热级数一般为小型火力发电厂回热级数一般为1 13 3级，级， 中大型火力发电厂一般为中大型火力发电厂一般

17、为 4 48 8级级。 优点优点 l 提高热效率提高热效率, ,提高幅度比再热大得多提高幅度比再热大得多 l 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短 l 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面 l 可兼作除氧器可兼作除氧器 缺点缺点 l 循环比功减小，汽耗率增加循环比功减小，汽耗率增加 l 增加设备复杂性增加设备复杂性 l 回热器投资回热器投资 缺点缺点 蒸汽抽汽回热循环的特点蒸汽抽汽回热循环的特点 1 d w 13系学习部 汞汞- -水二元蒸汽联合循环水二元蒸汽联合循环 涡涡 锅炉锅炉 泵泵 汞饱饱 和线和线 涡涡 凝凝 泵泵 过热器过热器 换热器换热器 汞循环汞循环 水蒸水蒸 汽循汽循 环环 汞循环 水蒸汽 循环 水蒸水蒸 汽饱汽饱 和线和线 in Q out Q