华科热力学第11章蒸汽动力装置循环

1、2022-5-191第十一章第十一章 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：以获得功为目的以获得功为目的2022-5-192蒸汽动力循环蒸汽动力循环 循环中工质偏离液态较近，时而处于液态，时而处于气态，因而对蒸汽动力循环的分析必须结合水蒸气的性质和热力过程。 由于水和水蒸气均不能燃烧而只能从外界吸热，必需配备制备蒸汽的锅炉设备，因而装置的设备也不同。“外燃动力装置”。 燃烧产物不参与循环，因此蒸汽动力装置可以使用各种常规的固体、液体、气体燃料及核燃料，可以利

2、用劣质煤和工业废热，还可以利用太阳能和地热等能源，这是这类循环的一大优点。2022-5-1932022-5-1942022-5-1952022-5-196Well simplify the power plant2022-5-19711.1 蒸汽动力装置的基本循环蒸汽动力装置的基本循环 朗肯循环朗肯循环 蒸汽动力装置由以下基本设备蒸汽动力装置由以下基本设备:锅炉锅炉、汽轮机、汽轮机、凝汽器凝汽器、给水泵给水泵 按图中所示标号按图中所示标号4-5-6-1给水在锅炉中给水在锅炉中定压加热定压加热形成为过热蒸汽；形成为过热蒸汽； 1-2过热蒸汽（新蒸汽）在汽轮机中过热蒸汽（新蒸汽）在汽轮机中绝热膨胀

3、绝热膨胀作功；作功； 2-3乏汽在凝汽器中乏汽在凝汽器中定压凝结定压凝结，成为凝结水；，成为凝结水； 3-4凝结水由给水泵凝结水由给水泵绝热压缩绝热压缩成给水，返回到锅炉中成给水，返回到锅炉中 冷却水冷却水汽轮机汽轮机锅炉锅炉给水泵给水泵凝汽器凝汽器234561联接构成联接构成蒸汽动力装置蒸汽动力装置 蒸汽动力装置中水蒸气经历蒸汽动力装置中水蒸气经历的的基本基本循环过程可理想化为：循环过程可理想化为： 2022-5-198sT4321t1P1 理想化的蒸汽动力装置基本循环理想化的蒸汽动力装置基本循环是朗肯循环是朗肯循环 1(P1,t1)进入汽轮机时的进入汽轮机时的新蒸汽新蒸汽（过热汽）状态；（

4、过热汽）状态； 2(P2)从汽轮机排出时的从汽轮机排出时的乏汽乏汽（湿蒸汽）状态；（湿蒸汽）状态； 1-2蒸汽在汽轮机中蒸汽在汽轮机中绝热绝热膨胀（膨胀（定熵定熵）的作功过程；）的作功过程； 2-3乏汽在凝汽器中乏汽在凝汽器中定压定压（定温定温）凝结）凝结放热放热过程过程； 3凝结水凝结水（饱和水饱和水）状态）状态(P2) ； 3-4凝结水在给水泵中凝结水在给水泵中绝热绝热压缩（压缩（定熵定熵）成为锅炉）成为锅炉给水；给水； 由于水几乎不可压缩，垂直线段由于水几乎不可压缩，垂直线段3-4几乎重合成为一点几乎重合成为一点2022-5-1994-5给水在锅炉给水在锅炉省煤器省煤器中中定压定压加热成

5、加热成饱和水饱和水 (P1 ts) ；5-6水在锅炉水在锅炉水冷壁水冷壁中中定压加热定压加热成为成为饱和汽饱和汽 (P1 ts)；6-1饱和汽在饱和汽在过热器过热器中中定压加热定压加热成为成为新蒸汽新蒸汽 (P1 t1)。（ 4-5-6-1给水在锅炉中定压加热成给水在锅炉中定压加热成新蒸汽）新蒸汽）65 4给水给水（未饱和水）（未饱和水）状态状态(P1) ；朗肯循环朗肯循环sT4321t1P12022-5-1910给水给水4(P1, h2)省煤器省煤器饱和水饱和水5(P1, ts)饱和汽饱和汽6(P1, ts)水冷壁水冷壁过热器过热器过热汽过热汽1(P1, t1)（新蒸汽）（新蒸汽）汽轮机汽轮

6、机绝热膨胀绝热膨胀乏汽乏汽2(P2, h2)凝汽器凝汽器定压放热定压放热凝结水凝结水3(P2, h2)给水泵给水泵绝热压缩绝热压缩给水给水4蒸汽动力装置朗肯循环的蒸汽动力装置朗肯循环的路径：路径：定压加热定压加热定压加热定压加热定压加热定压加热6sT54321t1P1朗肯循环朗肯循环（重新循环）（重新循环）2022-5-1911sP 4213PPs56hs132456 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 h-s 图图sPPs2022-5-19126sT54321t1P11T2T 蒸汽动力装置为什么不采用卡诺循环蒸汽动力装置为什么不采用卡诺循环 平均吸热温度平均吸热温度

7、1T 朗肯循环朗肯循环1234561 平均放热温度平均放热温度2T 朗肯循环朗肯循环1234561的热效率的热效率12t1TT 同温限的卡诺循环同温限的卡诺循环1234 14 q4 1q41 1234 1 1234561定温吸热过程定温吸热过程4 1难于实现难于实现过热蒸汽不采用卡诺循环过热蒸汽不采用卡诺循环2022-5-1913两相压缩过程两相压缩过程3 5难于实现难于实现6sT54321t1P11T2T2 3 2 湿度太大对汽轮机工作不利湿度太大对汽轮机工作不利wnet小小 若以饱和汽为工质实行卡诺循环若以饱和汽为工质实行卡诺循环62 3 56若若P1较低热效率反而不如朗肯循环较低热效率反

8、而不如朗肯循环蒸汽动力装置不采用卡诺循环蒸汽动力装置不采用卡诺循环142022-5-19蒸汽卡诺循环？蒸汽卡诺循环？nLow thermal efficiencynCompressor and turbine must handle two phase flowsnThe Carnot cycle is not a suitable model for vapor power cycles because it cannot be approximated in practice.2022-5-1915 朗肯循环的热效率朗肯循环的热效率 朗肯循环朗肯循环吸热吸热和和放热放热过程是过程是定压定压

9、的的循环的循环的吸热量吸热量4145611hhqq32232hhqq循环的循环的放热量放热量朗肯循环的朗肯循环的热效率热效率)()()()()()(413421413241121Rt,hhhhhhhhhhhhqqq汽轮机输出的汽轮机输出的技术功技术功给水泵消耗的给水泵消耗的技术功技术功sT4321t1P1562022-5-1916 水泵消耗的技术功远小于水泵消耗的技术功远小于汽轮机作出的技术功汽轮机作出的技术功h4=h3=h2wt,B=h4h30)()()(413421Rt,hhhhhh汽轮机输出的汽轮机输出的技术功技术功给水泵消耗的给水泵消耗的技术功技术功 一般占一般占0.81%不计给水泵消

10、耗的技术功不计给水泵消耗的技术功2121Rt,hhhhsT4321t1P1562022-5-1917 影响朗肯循环热效率的因素影响朗肯循环热效率的因素根据状态参数关系根据状态参数关系 不计给水泵消耗的技术功时，朗肯不计给水泵消耗的技术功时，朗肯循环热效率循环热效率t,R受受P1、P2、t1控制控制h1= f (P1,t1)h2= f (P2)h2= f (P2) P2、t1不变不变，将，将初压初压P1提高提高 t,R会有较显著的提高会有较显著的提高乏汽干度乏汽干度x2会降低会降低乏汽干度乏汽干度x2不得小于不得小于0.86P1sT1 12 342t1P1P1提高初压力的影响提高初压力的影响 平

11、均吸热温度平均吸热温度明显提高明显提高1T对机器的强度要求提高对机器的强度要求提高2121Rt,hhhh5 6 562022-5-1918 热效率与初压的关系热效率与初压的关系 2022-5-1919P1、P2不变，将不变，将初温初温 t1提高提高 t,R会有较显著的提高会有较显著的提高乏汽干度乏汽干度x2会提高会提高同时提高同时提高P1、 t1是方向是方向提高初温的影响提高初温的影响P11432t1sTt11 2 t1 平均吸热温度平均吸热温度明显提高明显提高1T金属耐热要求提高金属耐热要求提高对机器的强度要求提高对机器的强度要求提高目前可应用的目前可应用的t1为为55056汽机出口尺寸增大

12、汽机出口尺寸增大 提高初温的结果相当于在原循环提高初温的结果相当于在原循环1234561基础上附加循环基础上附加循环11 2 212022-5-1920热效率与初温的关系热效率与初温的关系 2022-5-1921P1、t1不变，将终压不变，将终压P2降低降低wt,T增大增大 P2目前实际已采用至目前实际已采用至3.5 4kPa，对应的饱和温度为对应的饱和温度为27 33限于循限于循环水的温度，已基本达到极限低值环水的温度，已基本达到极限低值sT12342t1P1降低终压力的影响降低终压力的影响34P2对对 t,R总是总是有利有利略有下降；略有下降；56 冬天循环水温较低，循环热效率较高冬天循环

13、水温较低，循环热效率较高1T下降明显下降明显2T2022-5-1922热效率与终压的关系热效率与终压的关系 2022-5-1923蒸汽参数对循环热效率的影响归纳蒸汽参数对循环热效率的影响归纳 1.提高蒸汽提高蒸汽p1、T1、降低、降低p2可以提高循环的热效率，可以提高循环的热效率，因而现代蒸汽动力循环都朝着采用因而现代蒸汽动力循环都朝着采用高参数、大容量高参数、大容量的方向发展。的方向发展。 2. 提高初参数提高初参数p1、T1后，因循环热效率增加而使动后，因循环热效率增加而使动力厂的运行费用下降。但由于高参数的采用，设备力厂的运行费用下降。但由于高参数的采用，设备的投资费用和一部分运行费用又

14、将增加，因而在一的投资费用和一部分运行费用又将增加，因而在一般中小型动力厂中不宜采用高参数。究竟多大容量般中小型动力厂中不宜采用高参数。究竟多大容量采用多高参数方为合适，须经全面地比较技术经济采用多高参数方为合适，须经全面地比较技术经济指标后确定。指标后确定。 2022-5-1924 3. 尽管采用较高的蒸汽参数，但由于水蒸汽性尽管采用较高的蒸汽参数，但由于水蒸汽性质的限制，循环吸热平均温度仍然不高，故对质的限制，循环吸热平均温度仍然不高，故对蒸汽动力循环的改进主要集中于对吸热过程的蒸汽动力循环的改进主要集中于对吸热过程的改进，即采用种种提高吸热平均温度的措施。改进，即采用种种提高吸热平均温度

15、的措施。 蒸汽参数对循环热效率的影响归纳蒸汽参数对循环热效率的影响归纳(续续) 2022-5-1925表11-1 国产锅炉、汽轮机发电机组的初参数简表低参数中参数高参数超高参数亚临界参数汽轮机进汽压力（MPa）1.33.5913.516.5汽轮机进汽温度（）340435535550,535550,535发电机功率 （P/ kW）15003000600025000510万12.5万,20万20万，30万，60万2022-5-1926 汽轮机的相对内效率和汽耗汽轮机的相对内效率和汽耗率率实际的汽轮机内部过程是不可逆的实际的汽轮机内部过程是不可逆的汽轮机的相对内效率（定熵效率）汽轮机的相对内效率（定

16、熵效率）s2121Thhhh汽耗率汽耗率Steam Rate (d) 单位为单位为kg/J,kg/kJ,也使用也使用kg/(kW h)为单位为单位 不计给水泵耗功时，若不计给水泵耗功时，若理想理想汽轮机的输出功率为汽轮机的输出功率为P0kW，耗汽率为，耗汽率为Dkg/s，两者有以下关系：，两者有以下关系：)(2s10hhDP理想汽耗率理想汽耗率 hkg/kW 3600kg/kJ 12s12s100hhhhPDd装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量The mass of steam used to perform a unit of work.P11432s2t1sT

17、实际的基本循环实际的基本循环2022-5-1927相对于汽轮机的实际输出功率相对于汽轮机的实际输出功率实际汽耗率实际汽耗率 hkg/kW 360021hhPDd 因此实际蒸汽动力装置整体上讲尚需考虑因此实际蒸汽动力装置整体上讲尚需考虑锅炉的热损失锅炉的热损失锅炉效率锅炉效率 B管道的热损失管道的热损失管道效率管道效率 tu 实际蒸汽动力装置循环的热效率实际蒸汽动力装置循环的热效率 t= t,R B tu T燃料的发热量装置输出的功效率实际蒸汽动力装置的热2022-5-1928例例5-1一简单蒸汽动力装置循环一简单蒸汽动力装置循环(即朗即朗肯循环肯循环)，蒸汽的初压，蒸汽的初压P1 = 3 MP

18、a，终压终压P2 = 6 kPa，初温分别为，初温分别为300和和500 。试求不同初温时循环的热。试求不同初温时循环的热效率效率 t、耗汽率、耗汽率d及蒸汽的终干度及蒸汽的终干度x2，并将所求得的各值填入下表内，以并将所求得的各值填入下表内，以比较所求得的结果。比较所求得的结果。 解：解：P1=3 MPa（过热汽）（过热汽）t1=300 h1=2992.4 kJ/kg s1=6.5371 kJ/(kgK)t1=500 h1=3454.9 kJ/kg s1 =7.2314 kJ/(kgK)P2=6 kPa的饱和参数的饱和参数：s =0.5209 kJ/(kgK)，s =8.3305 kJ/(k

19、gK)h =151.50 kJ/kg， h =2567.1 kJ/kg P11432t1sTt112忽略水泵功耗。忽略水泵功耗。查水蒸气表得：查水蒸气表得：2022-5-1929 8593. 05209. 03305. 85209. 02314. 71)500(2ssssx具体计算如下：具体计算如下： 7708. 05209. 03305. 85209. 05371. 61)300(2ssssxkJ/kg 44.20135 .151)7708. 01 (1 .25677708. 01 )300(2)300(2)300(2hxhxhkJ/kg 23.22275 .151)8593. 01 (1

20、.25678593. 01 )500(2)500(2)500(2hxhxh3446. 05 .1514 .299244.20134 .29922121)300(hhhhtP11432t1sTt1122022-5-19303716.05 .1519 .345423.22279 .34542121)500(hhhhtkg/J 100215. 11044.20134 .29921101633)300(21)300(0hhdkg/J 108146. 01023.22279 .34541101633)500(21)500(0hhd计算结果汇总：计算结果汇总： t1，300500t0.34460.3716

21、d，kg/J1.02151060.8146106x20.77080.85932022-5-193111.2 蒸汽动力装置再热循环蒸汽动力装置再热循环 带再热的蒸汽动力装置带再热的蒸汽动力装置 再热再热蒸汽在汽轮机蒸汽在汽轮机中工作至某一中间压力后中工作至某一中间压力后重新送回到锅炉的再热器重新送回到锅炉的再热器中加热，然后再引回汽轮中加热，然后再引回汽轮机中继续作功，或称重热机中继续作功，或称重热 一次汽一次汽再热前的蒸汽再热前的蒸汽二次汽二次汽再热后的蒸汽再热后的蒸汽一般都再热至初温；理论上可进行多次再热，但实际只一般都再热至初温；理论上可进行多次再热，但实际只有有12次再热次再热冷却水冷却

22、水汽轮机汽轮机锅炉锅炉给水泵给水泵凝汽器凝汽器带再热的蒸汽动力装置带再热的蒸汽动力装置234561(再热器再热器)(过热器过热器)二次汽二次汽一次汽一次汽ab 以朗肯循环为基础以朗肯循环为基础2022-5-1932 蒸汽动力装置再热循环蒸汽动力装置再热循环 设一次汽的参数为设一次汽的参数为P、t，中间，中间再热压力为再热压力为Pb，再热至初温，再热至初温 t工质循环路径：工质循环路径：一次汽一次汽1(P, t)再热器再热器过热汽过热汽1(P, t)（新蒸汽）（新蒸汽）凝结水凝结水3(P2, h2)给水泵给水泵绝热压缩绝热压缩给水给水4定压加热定压加热（新蒸汽）（新蒸汽）汽轮机前缸汽轮机前缸绝热

23、膨胀绝热膨胀前缸排汽前缸排汽a(Pa)1-a一次汽在汽轮机前缸中绝热膨胀作功一次汽在汽轮机前缸中绝热膨胀作功 (h1 ha) ；a-b蒸汽在锅炉再热器中蒸汽在锅炉再热器中定压再热，吸热定压再热，吸热 (hb ha)；b-2二次汽在汽轮机后缸中绝热膨胀作功二次汽在汽轮机后缸中绝热膨胀作功 (hb h2) ；sTb1atP2c34蒸汽动力装置再热循环蒸汽动力装置再热循环二次汽二次汽b(Pa, t)汽轮机后缸汽轮机后缸绝热膨胀绝热膨胀乏汽乏汽2(P2, h2)凝汽器凝汽器定压放热定压放热（循环）（循环）2022-5-1933 再热循环的热效率再热循环的热效率 忽略给水泵的功耗时，再热循环忽略给水泵的

24、功耗时，再热循环输输出的功出的功为一次汽和二次汽在汽轮机中为一次汽和二次汽在汽轮机中所作的技术功之和所作的技术功之和 对于具有对于具有1次再热的蒸汽动力循环次再热的蒸汽动力循环)()(2ba1nethhhhw 循环的循环的吸热量吸热量为蒸汽分别在锅炉为蒸汽分别在锅炉的过热器和再热器中所吸热量之和的过热器和再热器中所吸热量之和 )()(ab211hhhhq再热循环的再热循环的热效率热效率为为 )()()()()()()()(ab21ab21ab212ba11netreh.t,hhhhhhhhhhhhhhhhqw一次汽作的功一次汽作的功二次汽作的功二次汽作的功一次汽吸的热量一次汽吸的热量二次汽吸的

25、热量二次汽吸的热量sTb1atP2c342022-5-1934再热措施能否提高循环的热效率取决于中间压力再热措施能否提高循环的热效率取决于中间压力 存在着一个存在着一个最佳最佳的中间再热压力的中间再热压力1opta,)3 .02 .0(PP再热的目的不全在于靠其直接再热的目的不全在于靠其直接提高循环的热效率提高循环的热效率 无再热时乏汽的状态为无再热时乏汽的状态为c；有再；有再热时乏汽的状态为热时乏汽的状态为2x2xc 与与Pa有关有关 再热的目的更重要地还在于它能提高汽轮机乏汽的干再热的目的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度，从而为提高初压力创造条件 此外，此

26、外，乏汽干度提高对汽轮机的内部效率有利乏汽干度提高对汽轮机的内部效率有利sTb1atP2c34 精心设计的再热循环有望直接提精心设计的再热循环有望直接提高循环热效率高循环热效率4% 5% (23.5%)2022-5-1935 蒸汽再热循环的实践蒸汽再热循环的实践P1600，P125MPa (超临界机组超临界机组)系统复杂，初投资增加系统复杂，初投资增加 再热也带来一些负面影响再热也带来一些负面影响锅炉、汽轮机结构复杂化锅炉、汽轮机结构复杂化100、125、200、300 MW，P113.5MPa 一次一次再热再热 二次二次再热再热2022-5-1936例例5-2(习题习题11-3部分部分)蒸汽

27、动力装置再热循环，蒸汽的初蒸汽动力装置再热循环，蒸汽的初参数为参数为P1=12 MPa、t1=450，终压为，终压为P2=0.004 MPa。再。再热时蒸汽的压力为热时蒸汽的压力为0.5 MPa，再热后蒸汽的温度为，再热后蒸汽的温度为400。试确定该再热循环的热效率和终湿度，将所得的热效率、试确定该再热循环的热效率和终湿度，将所得的热效率、终湿度和朗肯循环作比较，并在终湿度和朗肯循环作比较，并在 T-s图上画出该再热循环。图上画出该再热循环。附水蒸气表（节录）附水蒸气表（节录） 饱和水蒸气表饱和水蒸气表 P, MPah , kJ/kg,h , kJ/kgs , kJ/(kg K)s , kJ/

28、(kg K)0.004121.412554.10.42248.47470.5640.12748.51.86046.8215过热水蒸气表过热水蒸气表 t, 0.5， MPa12MPah, kJ/kgs, kJ/(kg K)h, kJ/kgs, kJ/(kg K)4003271.87.79443053.36.07874503377.07.94523209.96.30322022-5-1937sT1234解：解： 由水蒸气表查得：由水蒸气表查得： P2=4 kPa 时时 s =0.4224 kJ/(kg K) s =8.4747 kJ/(kg K) h =121.41 kJ/kg h =2554.1

29、 kJ/kg, P1=12 MPa t1=450 h1=3209.9 kJ/kg s1=6.3032 kJ/(kg K) 题给再热后（题给再热后（设为设为b，过热汽）过热汽）Pb=0.5 MPa tb=400 hb=3271.8 kJ/kg sb=7.7944 kJ/(kg K) 2022-5-1938sT1234bcaP=0.5MPa 时时 s =1.8604 kJ/(kg K) s =6.8215 kJ/(kg K) h =640.1 kJ/kg h =2748.5 kJ/kg, 已知再热时的状态（设为已知再热时的状态（设为a）Pa = 0.5 MPasa值在值在s 与与s 之间之间，故知

30、故知a点为点为湿蒸汽湿蒸汽状态状态8955. 08604. 18215. 68604. 13032. 6aassssxsa = s1 = 6.3032 kJ/(kg K) 并且并且 2022-5-1939由此由此ha=xah +(1-xa)h =0.8955 2748.5+(1 0.8955) 640.1 =2528.17 kJ/kg 由于由于3730.02244 .04747.84224.03032.622212ssssxh2= x2h2 +(1-x2)h2 =0.7303 2554.1+(1 0.7303) 121.41=1898.00 kJ/kg 9155. 04224. 04747. 84224. 07944. 7bcssssx以及以及hc=xch +(1 xc)h =0.9155 2554.1+(1 0.9155) 121.41=2348.54 kJ/kgsT1234bca2022-5-1940该再热循环的终湿度该再热循环的终湿度(1 xc)=0.