章2 水蒸汽及其动力循环

1、第二章第二章水蒸汽及其动力循环水蒸汽及其动力循环问题：为什么用水蒸气而不用别的工质？n 水蒸气是热力工程中使用最早、应用最广的工质，第一热机就是用水蒸气做工质的。n长期以来，人们对水和水蒸气的性质做过很多专门研究。但迄令为止尚不能用一个代数方程同时很精确地描述它们的性质，较多的是按照它们所处状态分段，每段都有各自很复杂的状态方程。n水蒸气的计算主要靠用公式算出的数据配合实验验证而编制成的图表进行。第一节 水蒸气的定压形成过程及图表应用n一、水蒸气的基本概念和有关术语一、水蒸气的基本概念和有关术语n二、水蒸汽定压形成过程：二、水蒸汽定压形成过程：汽化汽化：水变成蒸汽的现象。：水变成蒸汽的现象。n

2、汽化：从微观上讲，液体中的分子克服周围液体分子的引力和液体表面张力而逸出液面的现象称为汽化。n蒸发：在液面进行的汽化过程；n沸腾：在液体容积空间内的汽化过程。n局部沸腾：当液体整体温度较低时，如果存在局部温度较高，产生小汽泡，而这些小汽泡不能上升到液面就被淹灭。此时液体的温度上升速率很大。n整体沸腾：当液体温度上升到与压力相应确定的温度时，整个水空间产生汽泡，汽泡不再淹灭而集汇上升到液面逸出。液化：液化：蒸汽变成水的现象。蒸汽变成水的现象。n从微观上讲，处于容器汽空间的汽态分子进入容器液体空间的现象称为液化。n液面上空间的压力越大（密度大），撞回液面的水分子也越多液化速度取决于蒸汽空间的压力。

3、n对于汽、液共存系统，汽化、液化同时存在，汽化速度大于液化的速度就是汽化，反之液化的速度大于汽化的速度就是液化。如果汽化和液化速度相等，就是我们马上讲的饱和状态饱和状态 n对于一个汽液共存系统，微观意义上的汽化速度等于液化速度相等时，系统内的液体量和汽体量达到平衡的状态。即汽化和液化还在同时进行，但汽液两相分子数量都不再增加或减少。n此时系统的压力、温度就称之为饱和压力、饱和温度。饱和压力与饱和温度不是彼此独立的，它们有一定的函数关系。因为液体的汽化速度取决于液体的温度，而汽体的液化速度取决于蒸汽的压力。 Ts = f(ps)4.常用术语及表示参数n过冷水过冷水：在定压下，未达到饱和状态的水。

4、 n饱和水饱和水：在定压下，达到饱和状态的水 n湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽：在定压下，饱和水与饱和蒸汽的机械混合物。 n干饱和蒸汽干饱和蒸汽：在定压下，纯饱和水蒸汽。 n过热蒸汽过热蒸汽：在定压下，对干饱和蒸汽进一步加热。 n过冷度：过冷度：过冷水的温度低于同压力下饱和温度的差。用“D”表示。 D= ts -t n过热度：过热度：过热蒸汽温度高于同压力下饱和温度的差。用“D”表示。 D=t- ts 二、水蒸汽定压形成过程：二、水蒸汽定压形成过程：n在火电厂中，做功的工质是流动性好、易于膨胀、极易获得、价格低廉、无毒副作用的水蒸汽，它是近似看作水在锅炉中定压力下产生的。n为了对水蒸汽的定压形成过程规律

5、性有一个全面的了解，我们取1kg，0的过冷水，置于一个带有活塞的封闭汽缸内，进行定压力p下加热，观察一个近似可逆的定压水蒸汽形成过程示意图在p-v图与T-s图上表示 A B C A B C pC pCTCTCn饱和水线饱和水线或下界线下界线 n干饱和蒸汽线干饱和蒸汽线或上界线上界线 n当压力增加到某一临界值时，饱和水与干饱和蒸汽不当压力增加到某一临界值时，饱和水与干饱和蒸汽不仅具有相同的压力和比体积，而且还具有相同的温度仅具有相同的压力和比体积，而且还具有相同的温度和熵，这时的饱和水与干饱和蒸汽之间的差异已完全和熵，这时的饱和水与干饱和蒸汽之间的差异已完全消失，在图中由同一点消失，在图中由同一

6、点C表示，这个点称为表示，这个点称为临界点，临界点，这样一种特殊的状态称为临界状态临界状态。 A B C A B C pC pCTCTCn综上所述，在表示水的汽化过程的图与图上有n1点（临界点）n2线（上、下界线）n3区（液相区，汽液两相区，汽相区）n5态（未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干蒸汽、过热蒸汽）。三、水蒸气图、表应用n饱和水与干饱和蒸汽表（压力排列）P218、223页。n饱和水与干饱和蒸汽表（温度排列）P219、224页。n未饱和水与过热蒸汽表P220、225页。n水蒸气图。P18、26页n展开讲清右上角半图。压力线簇、比容线簇、温度线簇、干度线簇。n用图做热力过程。几点说明n中间状态用

7、内插法求n内能n湿蒸汽pvhuvvxvvxvxvx 1hhxhhxhxhx 1ssxssxsxsx 1T-s图 n它用于分析蒸汽的热力过程较为直观。图上每条过程线下的面积都代表了1kg工质在此过程中所吸收(或放出)的热量。 h-s图 ABC第二节第二节水蒸气典型热力过水蒸气典型热力过程程n一、一、换热器内的定压流动过程n二、汽轮机及水泵内绝热流动过程n三、通过喷管的绝热流动：n四、绝热节流2s12qhcgzw 一、换热器内的定压流动过程一、换热器内的定压流动过程 n能量分析n与外界无动量交换Ws=0;n动能变量忽略不计 c20 n宏观势能忽略不计 gZ0n于是有q = （h2- h1）n每公斤

8、工质在换热器内所吸收(或放出)的热量等于工质焓的升高(或减少)。 h1h2q图 2-4 换热器示意图汽轮机内的绝热流动过程 n能量分析q=0 c20 gZ0n记为：Wi=h1-h2 kJ/kg 对外做出正功n该式说明了蒸汽在汽轮机内的绝热流动过程中，对外所作的内功等于工质的焓降。 n上式也适用于水泵等压缩耗功设备，但式中的wi为外界所消耗的压缩功，以wP表示，此功转变为工质的焓升，即wP = h2 - h1。 图 2-5 汽轮机示意图h2h1w通过喷管的绝热流动 n能量分析n绝热q0 gZ0 Ws=021212221hhcc21212)(2chhc2121272.44)(2000hhhhc工质

9、在喷管中的流动n当Ma1,即流速大于当地音速，称超音速流动。 p1、v1、T1p2、v2、T2c2c1Acp1、v1、T1p2、v2、T2c2c1p1、v1、T1p2、v2、T2c2c1渐缩喷管Ma1Ma1Ma1缩放喷管（拉伐尔喷管）渐扩喷管acMa kRTkpva喷管中的稳定流动基本方程式喷管中的稳定流动基本方程式 n连续性方程式连续性方程式 n能量方程式能量方程式 n过程方程式过程方程式 n可逆过程常数vAcqmf0fvAcddqm0ffvdvcdcAdA常数2f21ch0)(212fch0ffdccdh常数pv0vdvpdpvdphwhqtvdpdh n压力与流速的关系：n比容与速度的关

10、系：n截面积与流速的关系： cdckMpdppdpvpdccca22cdcMvdvpdpkcvdva21cdcMAdAvdvcdcAdAa) 1(02n进入喷管的工质速度c时，1则，10，故dAa而dc0，故dA0。即当工质流动从亚音速流动过渡到超音速时，喷管截面必须是先逐渐缩小，一旦达到音速，喷管截面便缩小到最小值（喉部），之后再逐渐增大，这样的喷管称为渐缩渐扩管（简称缩放喷管，也称拉伐尔喷管）。 cdcMAdAa) 1(2喷管的压力比 n喷管的压力比：工质进口压力P1与工质在喷管出口外的背压力（即环境压力）Pb之比。n在喷管的最小截面（临界截面）上，有临界压力比 n工程热力学推导知，临界压

11、力比： n对于过热蒸汽 k=1.3 c0.546 1ccPP1PPb112()1kckcPPk喷管的选择 绝热节流 nq0 c20 gZ0 Ws=0nh1= h2 110220n绝热节流是典型的不可逆过程，是不等焓过程。n节流前后，h=0，流速略有上升，压力明显下降，熵值明显增大。n节流使工质做功能力降低 n节流的工程应用：制定流量（节流孔板）；获得流量控制（阀门）。 hsx=10P2P1Pbhhs0第三节第三节 蒸汽动力循环蒸汽动力循环水蒸气：水蒸气：火力发电、核电火力发电、核电低沸点工质：低沸点工质：氨、氟里昂氨、氟里昂太阳能、余热、地热发电太阳能、余热、地热发电动力循环：动力循环：以获得

12、功为目的以获得功为目的卡诺循环卡诺循环sT4213sT4213卡诺循环改造卡诺循环改造sT42131231郎肯循环郎肯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郎肯循环郎肯循环1234简化（理想化）：简化（理想化）：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1342pv郎肯循环郎肯循环pv图图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4321Tshs1324郎肯循环郎肯循环Ts和和hs图图12 汽轮机汽轮机 s 膨

13、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hs1324郎肯循环功和热的郎肯循环功和热的计算计算 汽轮机作功：汽轮机作功：2121 ,hhws凝汽器中的定压放热量：凝汽器中的定压放热量：322hhq水泵绝热压缩耗功：水泵绝热压缩耗功：3443 ,hhws锅炉中的定压吸热量：锅炉中的定压吸热量：411hhqhs1324郎肯循环热效率的郎肯循环热效率的计算计算 ,1 2,3 4nett11sswwwqq一般很小，一般很小，占占0.81%，忽略泵功忽略泵功 1213thhhh工程上常用工程上常用汽耗率汽耗率, 反映装置经济性，设备尺寸反映装置经

14、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 功量所消耗的蒸汽量功量所消耗的蒸汽量kgnet3600dw汽耗率的概念汽耗率的概念netw的单位是的单位是kJ/kg1kW=1 kJ/snet3600360013600kgkgkgkgdkJkJkWhkJwhhsh郎肯循环郎肯循环与卡诺循环比较与卡诺循环比较sT6421 41098753 q2相同；相同； q1卡诺卡诺 q1朗肯朗肯 卡诺卡诺 朗肯朗肯； 等温吸等温吸热热41难实现难实现 11点点x太小太小,不利于不利于汽机强度；汽机强度； 12-9两两相区难压缩；相区难压缩； wnet卡诺卡诺小小 卡诺卡诺 朗肯；

15、朗肯； wnet卡诺卡诺 wnet 朗肯朗肯1112对比同温限对比同温限1234对比对比5678对比对比9-10-11-12sp1, t1, p2654321如何提高如何提高郎肯循环郎肯循环的热效率的热效率1213thhhh影 响 热 效 率影 响 热 效 率的参数？的参数？TsT654321 1 6 5 4 2蒸汽初压对蒸汽初压对郎肯循环郎肯循环热效率的影响热效率的影响t1 , p2不变不变，p1优点：优点： ，汽轮机出口汽轮机出口尺寸小尺寸小1Tt2v缺点：缺点： 对强度要求高对强度要求高 不利于汽不利于汽轮机安全。一般轮机安全。一般要求出口干度大要求出口干度大于于0.85 0.882xs

16、T654321 1 2蒸汽初温对蒸汽初温对郎肯循环郎肯循环热效率的影响热效率的影响优点：优点： ，有利于汽机有利于汽机安全。安全。1Tt2x缺点：缺点： 对耐热及强度要对耐热及强度要求高，目前最高求高，目前最高初温一般在初温一般在550左右左右 汽机出口汽机出口尺寸大尺寸大2vp1 , p2不变不变，t1sT654321 2乏汽压力乏汽压力对对郎肯循环郎肯循环热效率的影响热效率的影响优点：优点： 2Tt缺点：缺点：受环境温度限制，受环境温度限制，现在大型机组现在大型机组p2为为0.00350.005MPa，相应的饱和温度约为相应的饱和温度约为27 33 ，已接近事，已接近事实上可能达到的最低实

17、上可能达到的最低限度。冬天热效率高限度。冬天热效率高p1 , t1不变不变，p2 4 32实际蒸汽动力循环分析实际蒸汽动力循环分析sT532 241114非理想因素：非理想因素：给水泵不可逆给水泵不可逆( 3 4 )汽机不可逆汽机不可逆( 1 2 )汽机汽门节流汽机汽门节流( 1 1 ) 蒸汽管道摩擦降蒸汽管道摩擦降压，散热压，散热(11) 提高循环热效率的途径提高循环热效率的途径改变循环参数提高初温度提高初温度提高初压力提高初压力降低乏汽压力降低乏汽压力改变循环形式回热循环回热循环再热循环再热循环改变循环形式热电联产热电联产燃气燃气-蒸汽联合循环蒸汽联合循环新型动力循环新型动力循环IGCCP

18、FBC-CC.Ts65431ba23蒸汽再热循环的热效率蒸汽再热循环的热效率 再热循环本身不一再热循环本身不一定提高循环热效率定提高循环热效率 与再热压力有关与再热压力有关 x2降低降低,给提高初给提高初压创造了条件，选压创造了条件，选取再热压力合适，取再热压力合适，一般采用一般采用一次再热一次再热可使热效率提高可使热效率提高2 23.53.5。蒸汽再热循环的实践蒸汽再热循环的实践 再热压力再热压力 pb=pa 0.20.3p1 p113.5MPa，一次，一次再热再热 超临界机组，超临界机组， t1600，p125MPa，二，二次次再热再热 超优点：通过提高初临界机组，超优点：通过提高初临界机

19、组， t1600，p125MPa，二次，二次再热再热Ts65431ba2蒸汽再热循环的蒸汽再热循环的定量计算定量计算吸热量：吸热量： 114abqhhhh放热量：放热量：223qhh净功（忽略泵功）：净功（忽略泵功）： net12bawhhhh热效率：热效率：net12t,RH114()()()()baabwhhhhqhhhh4 蒸汽蒸汽抽汽抽汽回热循环回热循环(1- )kg kg65as43211kgT12361kga45kg(1-)kga kg4(1- )kg51kg由于由于T-s图上各点质图上各点质量不同，面积不再量不同，面积不再直接代表热和功直接代表热和功抽汽抽汽回热循环的抽汽量回热循

20、环的抽汽量计算计算(1- )kg kg65as43211kgTa kg4(1- )kg51kg以混合式回热器为例以混合式回热器为例热一律热一律a4511hhh 忽略泵功忽略泵功54a4hhhha2a2hhhh抽汽抽汽回热循环热效率的回热循环热效率的计算计算(1- )kg kg65as43211kgT吸热量：吸热量：放热量：放热量：1,RG151aqhhhh2,RG221qhhRG1aa21whhhh净功：净功：热效率：热效率： 1aa2t,RG1a1hhhhhh为什么抽汽为什么抽汽回热热效率提高？回热热效率提高？(1- )kg kg65as43211kgT22t,RG121a11hhhhhh

21、22t121hhhh 简单朗肯循环：简单朗肯循环：1a01hht,RGt物理意义物理意义： kg kg工质工质100%利用利用 1- 1- kg kg工质效率未变工质效率未变蒸汽蒸汽抽汽抽汽回热循环的特点回热循环的特点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13级，级，中大型火力发电厂一般为中大型火力发电厂一般为 48级。级。优点优点l 提高热效率提高热效率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

22、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5 热电联产热电联产(供供)循环循环1234给水泵热用户汽轮机过热器锅炉用发电厂作了功用发电厂作了功的蒸汽的余热来的蒸汽的余热来满足热用户的需满足热用户的需要，这种作法称要，这种作法称为为热电联热电联( (产产) )供供。背压式机组背压式机组( (背压背压0.1MPa) )热用户为什么要热用户为什么要用换热器而不直用换热器而不直接用热力循环的接用热力循环的水？水？抽汽调节式抽汽调节式热电联产热电联产(供供)循环循环过热器汽轮机发电机锅炉冷却水冷凝器加热器水泵 1水泵 2调节阀 抽汽式热电联抽汽式热电联供循环供循环, , 可以自动可

23、以自动调节热、电供应比调节热、电供应比例，以满足不同用例，以满足不同用户的需要。户的需要。热电联产热电联产(供供)循环循环的经济性评价的经济性评价net1qwKq供热已被利用的能量工质从热源得到的能量nett1wq 只采用热效率只采用热效率 显然不够全面显然不够全面 能量利用系数能量利用系数，但未考虑热和电的品位不同，但未考虑热和电的品位不同 Ex经济学评价经济学评价 热电联产、集中供热是发展方向，经济环保热电联产、集中供热是发展方向，经济环保6 现代现代新型动力循环新型动力循环n蒸汽电站提高电厂供电效率的措施：蒸汽电站提高电厂供电效率的措施：n提高初参数，向亚临界和超临界发展；提高初参数，向

24、亚临界和超临界发展；n采用大功率机组，降低厂用电率；采用大功率机组，降低厂用电率；n采用热电联供。采用热电联供。n火电厂发展现状火电厂发展现状n占总装机容量的占总装机容量的80%左右，效率左右，效率3740%；n耗煤占总产量耗煤占总产量30%，油占，油占10%左右；左右；n提高供电效率和改善环境有重要意义。提高供电效率和改善环境有重要意义。燃气燃气- -蒸汽联合循环蒸汽联合循环n燃气轮机的发展燃气轮机的发展n热力参数与单机容量逐步提高，达热力参数与单机容量逐步提高，达W200MW，热效率，热效率3541%；n可靠性可靠性9598.5%，可作为基本负荷电站；，可作为基本负荷电站；n联合循环的现实

25、可行性联合循环的现实可行性n燃气轮机排气温度燃气轮机排气温度t4=400600；n大功率机组排气量大功率机组排气量300kg/s以上；以上；n利用排气能量加热蒸汽轮机给水利用排气能量加热蒸汽轮机给水( (取代锅炉取代锅炉) )，大大提高供电效率，极限效率大大提高供电效率，极限效率( (烧气烧气) )约约58%。燃气蒸汽联合循环燃气蒸汽联合循环Ts燃气轮机循环燃气轮机循环蒸汽轮机循环蒸汽轮机循环燃气蒸汽联合循环燃气蒸汽联合循环法国法国GEC Alsthom公司的联合循环电站公司的联合循环电站燃气轮机：燃气轮机：227.2 MW蒸汽轮机：蒸汽轮机：128.3 MW燃料：天然气燃料：天然气热效率：热

26、效率：54.5%整体煤气化联合循环整体煤气化联合循环(IGCC)n工作流程工作流程n气化炉中煤气化炉中煤煤气；煤气；n煤气的净化；煤气的净化；n燃气轮机循环；燃气轮机循环；n余热锅炉回收排气热量；余热锅炉回收排气热量；n蒸汽轮机循环蒸汽轮机循环整体煤气化联合循环整体煤气化联合循环(IGCC)n优点优点n热效率高，目前热效率高，目前4046%，预计可，预计可52%；n环保性能好，环保性能好，SO2,NOx,CO2,粉尘排放低，粉尘排放低，可燃用高硫煤；可燃用高硫煤；n可实现煤化工综合利用，生产硫、硫酸、甲可实现煤化工综合利用，生产硫、硫酸、甲醇、尿素等；醇、尿素等；n单机功率可达单机功率可达300400MWn缺点缺点n目前煤气化和净化的热损失还偏大；目前煤气化和净化的热损失还偏大；n初期投资大。初期投资大。整体煤气化联合循环整体煤气化联合循环(IGCC)应用应用n目前已建成或拟建的目前已建成或拟建的IGCC电站电站10余余座，美国预测，座，美国预测，2030年年IGCC市场份市场份额达额达35%左右左右n如美国加州有一个电站，如美国加州有一个电站，“世界上最世界