华科热力学蒸汽动力装置循环

第十一章蒸汽动力循环水蒸气：火力发电、核电低沸点工质：氨、氟里昂太阳能、余热、地热发电动力循环：以获得功为目的2023/6/181本文档共54页；当前第1页；编辑于星期三\22点2分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。2023/6/182本文档共54页；当前第2页；编辑于星期三\22点2分2023/6/183本文档共54页；当前第3页；编辑于星期三\22点2分2023/6/184本文档共54页；当前第4页；编辑于星期三\22点2分2023/6/185本文档共54页；当前第5页；编辑于星期三\22点2分We’llsimplifythepowerplant2023/6/186本文档共54页；当前第6页；编辑于星期三\22点2分§11.1蒸汽动力装置的基本循环⑴

朗肯循环蒸汽动力装置由以下基本设备:锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵按图中所示标号4-5-6-1——给水在锅炉中定压加热形成为过热蒸汽；1-2——过热蒸汽（新蒸汽）在汽轮机中绝热膨胀作功；2-3——乏汽在凝汽器中定压凝结，成为凝结水；

3-4——凝结水由给水泵绝热压缩成给水，返回到锅炉中冷却水汽轮机锅炉给水泵凝汽器234561联接构成蒸汽动力装置蒸汽动力装置中水蒸气经历的基本循环过程可理想化为：

2023/6/187本文档共54页；当前第7页；编辑于星期三\22点2分sT4321t1P1理想化的蒸汽动力装置基本循环是朗肯循环1(P1,t1)——进入汽轮机时的新蒸汽（过热汽）状态；

2(P2)——从汽轮机排出时的乏汽（湿蒸汽）状态；

1-2——蒸汽在汽轮机中绝热膨胀（定熵）的作功过程；

2-3——乏汽在凝汽器中定压（定温）凝结放热过程；

3——凝结水（饱和水）状态(P2)；

3-4——凝结水在给水泵中绝热压缩（定熵）成为锅炉给水；由于水几乎不可压缩，垂直线段3-4几乎重合成为一点2023/6/188本文档共54页；当前第8页；编辑于星期三\22点2分4-5——给水在锅炉省煤器中定压加热成饱和水

(P1'

ts)；5-6——水在锅炉水冷壁中定压加热成为饱和汽

(P1'

ts)；6-1——饱和汽在过热器中定压加热成为新蒸汽

(P1'

t1)。（4-5-6-1——给水在锅炉中定压加热成新蒸汽）65

4——给水（未饱和水）状态(P1)；朗肯循环sT4321t1P12023/6/189本文档共54页；当前第9页；编辑于星期三\22点2分给水4(P1,h’2)省煤器饱和水5(P1,ts)饱和汽6(P1,ts)水冷壁过热器过热汽1(P1,t1)（新蒸汽）汽轮机绝热膨胀乏汽2(P2,h2)凝汽器定压放热凝结水3(P2,h’2)给水泵绝热压缩给水4蒸汽动力装置朗肯循环的路径：定压加热定压加热定压加热6sT54321t1P1朗肯循环（重新循环）2023/6/1810本文档共54页；当前第10页；编辑于星期三\22点2分sP4213PPs56hs132456⑵

朗肯循环的P-v图和h-s图P-v图h-s图sPPs2023/6/1811本文档共54页；当前第11页；编辑于星期三\22点2分6sT54321t1P1⑶

蒸汽动力装置为什么不采用卡诺循环平均吸热温度朗肯循环1234561平均放热温度朗肯循环1234561的热效率同温限的卡诺循环123414q41>q4112341>1234561定温吸热过程41难于实现过热蒸汽不采用卡诺循环2023/6/1812本文档共54页；当前第12页；编辑于星期三\22点2分两相压缩过程35难于实现6sT54321t1P1232湿度太大对汽轮机工作不利wnet小若以饱和汽为工质实行卡诺循环62356若P1较低热效率反而不如朗肯循环蒸汽动力装置不采用卡诺循环2023/6/1813本文档共54页；当前第13页；编辑于星期三\22点2分蒸汽卡诺循环？LowthermalefficiencyCompressorandturbinemusthandletwophaseflowsTheCarnotcycleisnotasuitablemodelforvaporpowercyclesbecauseitcannotbeapproximatedinpractice.2023/6/1814本文档共54页；当前第14页；编辑于星期三\22点2分⑵

朗肯循环的热效率朗肯循环吸热和放热过程是定压的循环的吸热量循环的放热量朗肯循环的热效率汽轮机输出的技术功给水泵消耗的技术功sT4321t1P1562023/6/1815本文档共54页；当前第15页；编辑于星期三\22点2分水泵消耗的技术功远小于汽轮机作出的技术功h4=h3=h'2wt,B=h4−h3≈0汽轮机输出的技术功给水泵消耗的技术功一般占0.8~1%不计给水泵消耗的技术功sT4321t1P1562023/6/1816本文档共54页；当前第16页；编辑于星期三\22点2分⑷

影响朗肯循环热效率的因素根据状态参数关系不计给水泵消耗的技术功时，朗肯循环热效率t,R受P1、P2、t1控制h1=f(P1,t1)h2=f(P2)h'2=f(P2)①

P2、t1不变，将初压P1提高t,R会有较显著的提高乏汽干度x2会降低乏汽干度x2不得小于0.86P1'sT112342t1P1P1提高初压力的影响平均吸热温度明显提高对机器的强度要求提高56562023/6/1817本文档共54页；当前第17页；编辑于星期三\22点2分热效率与初压的关系

2023/6/1818本文档共54页；当前第18页；编辑于星期三\22点2分P1、P2不变，将初温

t1提高t,R会有较显著的提高乏汽干度x2会提高同时提高P1、t1是方向提高初温的影响P11432t1sTt112t1'②平均吸热温度明显提高金属耐热要求提高对机器的强度要求提高目前可应用的t1为550℃56汽机出口尺寸增大提高初温的结果相当于在原循环1234561基础上附加循环112212023/6/1819本文档共54页；当前第19页；编辑于星期三\22点2分热效率与初温的关系

2023/6/1820本文档共54页；当前第20页；编辑于星期三\22点2分P1、t1不变，将终压P2降低wt,T增大

P2目前实际已采用至3.5~4kPa，对应的饱和温度为27~33℃限于循环水的温度，已基本达到极限低值sT12'342t1P1降低终压力的影响3'4'③P2'对t,R总是有利略有下降；56冬天循环水温较低，循环热效率较高下降明显2023/6/1821本文档共54页；当前第21页；编辑于星期三\22点2分热效率与终压的关系

2023/6/1822本文档共54页；当前第22页；编辑于星期三\22点2分蒸汽参数对循环热效率的影响归纳

1.提高蒸汽p1、T1、降低p2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高参数、大容量的方向发展。

2.提高初参数p1、T1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。

2023/6/1823本文档共54页；当前第23页；编辑于星期三\22点2分3.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。蒸汽参数对循环热效率的影响归纳(续)

2023/6/1824本文档共54页；当前第24页；编辑于星期三\22点2分表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）1500～30006000～250005~10万12.5万,20万20万，30万，60万2023/6/1825本文档共54页；当前第25页；编辑于星期三\22点2分⑸

汽轮机的相对内效率和汽耗率实际的汽轮机内部过程是不可逆的①汽轮机的相对内效率（定熵效率）②汽耗率SteamRate(d)单位为kg/J,kg/kJ,也使用kg/(kWh)为单位不计给水泵耗功时，若理想汽轮机的输出功率为P0kW，耗汽率为Dkg/s，两者有以下关系：理想汽耗率

装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量Themassofsteamusedtoperformaunitofwork.P11432s2t1sT实际的基本循环2023/6/1826本文档共54页；当前第26页；编辑于星期三\22点2分相对于汽轮机的实际输出功率实际汽耗率

因此实际蒸汽动力装置整体上讲尚需考虑锅炉的热损失——锅炉效率B管道的热损失——管道效率tu

——实际蒸汽动力装置循环的热效率t=t,RBtuT2023/6/1827本文档共54页；当前第27页；编辑于星期三\22点2分例5-1一简单蒸汽动力装置循环(即朗肯循环)，蒸汽的初压P1=3MPa，终压P2=6kPa，初温分别为300℃和500℃

。试求不同初温时循环的热效率t、耗汽率d及蒸汽的终干度x2，并将所求得的各值填入下表内，以比较所求得的结果。

解：P1=3MPa（过热汽） t1=300℃

h1=2992.4

kJ/kgs1=6.5371

kJ/(kg·K)t1=500℃h1=3454.9kJ/kgs1=7.2314kJ/(kg·K)P2=6kPa的饱和参数 ：s=0.5209kJ/(kg·K)，s=8.3305kJ/(kg·K)h=151.50kJ/kg，h=2567.1kJ/kgP11432t1sTt112忽略水泵功耗。查水蒸气表得：2023/6/1828本文档共54页；当前第28页；编辑于星期三\22点2分具体计算如下：P11432t1sTt1122023/6/1829本文档共54页；当前第29页；编辑于星期三\22点2分计算结果汇总：t1，℃300500t0.34460.3716d，kg/J1.02151060.8146106x20.77080.85932023/6/1830本文档共54页；当前第30页；编辑于星期三\22点2分§11.2蒸汽动力装置再热循环⑴带再热的蒸汽动力装置

再热——蒸汽在汽轮机中工作至某一中间压力后重新送回到锅炉的再热器中加热，然后再引回汽轮机中继续作功，或称重热

一次汽——再热前的蒸汽二次汽——再热后的蒸汽一般都再热至初温；理论上可进行多次再热，但实际只有1~2次再热冷却水汽轮机锅炉给水泵凝汽器带再热的蒸汽动力装置234561(再热器)(过热器)二次汽一次汽ab以朗肯循环为基础2023/6/1831本文档共54页；当前第31页；编辑于星期三\22点2分⑵蒸汽动力装置再热循环设一次汽的参数为P、t，中间再热压力为Pb，再热至初温t工质循环路径：一次汽1(P,t)……再热器过热汽1(P,t)（新蒸汽）凝结水3(P2,h’2)给水泵绝热压缩给水4定压加热（新蒸汽）汽轮机前缸绝热膨胀前缸排汽a(Pa)1-a——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(hb−

h2)

；sTb1atP2c34蒸汽动力装置再热循环二次汽b(Pa,t)汽轮机后缸绝热膨胀乏汽2(P2,h2)凝汽器定压放热（循环）2023/6/1832本文档共54页；当前第32页；编辑于星期三\22点2分⑶再热循环的热效率忽略给水泵的功耗时，再热循环输出的功为一次汽和二次汽在汽轮机中所作的技术功之和对于具有1次再热的蒸汽动力循环循环的吸热量为蒸汽分别在锅炉的过热器和再热器中所吸热量之和再热循环的热效率为

一次汽作的功二次汽作的功一次汽吸的热量二次汽吸的热量sTb1atP2c342023/6/1833本文档共54页；当前第33页；编辑于星期三\22点2分①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最佳的中间再热压力②再热的目的不全在于靠其直接提高循环的热效率无再热时乏汽的状态为c；有再热时乏汽的状态为2x2>xc——与Pa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度，从而为提高初压力创造条件

③此外，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高循环热效率4%~5%(2~3.5%)2023/6/1834本文档共54页；当前第34页；编辑于星期三\22点2分

蒸汽再热循环的实践P1<10MPa一般不采用再热我国常见再热机组t1>600℃，P1>25MPa(超临界机组)系统复杂，初投资增加再热也带来一些负面影响锅炉、汽轮机结构复杂化100、125、200、300MW，P1>13.5MPa——

一次再热——

二次再热2023/6/1835本文档共54页；当前第35页；编辑于星期三\22点2分例5-2(习题11-3部分)蒸汽动力装置再热循环，蒸汽的初参数为P1=12MPa、t1=450℃，终压为P2=0.004MPa。再热时蒸汽的压力为0.5MPa，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、终湿度和朗肯循环作比较，并在T-s图上画出该再热循环。附水蒸气表（节录）

饱和水蒸气表

P,MPah,kJ/kg,h,kJ/kgs,kJ/(kgK)s,kJ/(kgK)0.004121.412554.10.42248.47470.5640.12748.51.86046.8215过热水蒸气表

t,℃0.5，MPa12MPah,kJ/kgs,kJ/(kgK)h,kJ/kgs,kJ/(kgK)4003271.87.79443053.36.07874503377.07.94523209.96.30322023/6/1836本文档共54页；当前第36页；编辑于星期三\22点2分sT1234解：由水蒸气表查得：P2=4kPa时s=0.4224kJ/(kgK)s=8.4747kJ/(kgK)h=121.41kJ/kgh=2554.1kJ/kg,P1=12MPat1=450℃h1=3209.9kJ/kgs1=6.3032kJ/(kgK)题给再热后（设为b，过热汽）Pb=0.5MPatb=400℃hb=3271.8kJ/kgsb=7.7944kJ/(kgK)2023/6/1837本文档共54页；当前第37页；编辑于星期三\22点2分sT1234bcaP=0.5MPa时s=1.8604

kJ/(kgK)s=6.8215kJ/(kgK)h=640.1

kJ/kgh=2748.5kJ/kg,已知再热时的状态（设为a）Pa=0.5MPasa值在s与s之间，故知a点为湿蒸汽状态sa=s1=6.3032kJ/(kgK)并且2023/6/1838本文档共54页；当前第38页；编辑于星期三\22点2分由此ha=xah+(1-xa)h=0.89552748.5+(10.8955)640.1=2528.17kJ/kg由于h2=x2h2+(1-x2)h2=0.73032554.1+(10.7303)121.41=1898.00kJ/kg以及hc=xch+(1xc)h=0.91552554.1+(10.9155)121.41=2348.54kJ/kgsT1234bca2023/6/1839本文档共54页；当前第39页；编辑于星期三\22点2分该再热循环的终湿度(1

xc)=0.0845

循环的热效率（忽略水泵耗功）

sT1234bca同样初参数，不带再热的朗肯循环热效率为

两种情况相比较，知

t,R

>t,re

以及x2<

xc

2023/6/1840本文档共54页；当前第40页；编辑于星期三\22点2分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（有一段低温预热段），致使加热平均温度不高。回热循环是利用回热来加热给水，消除或降低加热过程的不可逆程度，以提高效率2023/6/1841本文档共54页；当前第41页；编辑于星期三\22点2分理想回热①汽轮机的结构不允许蒸汽一边作功，一边放热给被加热流体②被回热的流体是液态水，它的比热容与蒸汽不一致；③乏汽的干度有可能变得过低而危害汽轮机经济安全运行。2023/6/1842本文档共54页；当前第42页；编辑于星期三\22点2分§11.3回热循环(RegenerativeCycle)

现代大型蒸汽动力装置采用多至7~9级抽汽回热朗肯循环中放热过程温度为最低，不可能进行回热抽汽回热：作功过程中抽出一部分蒸汽来完成回热任务回热——将循环中某一放热过程放出的热量用于满足另一吸热过程的需要2023/6/1843本文档共54页；当前第43页；编辑于星期三\22点2分锅炉23561给水泵气轮机1kg1kg(1–1)kg1kg0101混合式给水回热器凝汽器（冷却水）凝结水泵41kg⑴带抽汽回热的蒸汽动力装置对于只有1级抽汽回热的装置（按耗汽1kg考虑）：回热抽汽量为1kg，状态01；凝汽量为(1−1)kg，状态2回热抽汽在回热器中定压凝结放出热量1(h01-h01)两部分水合在一起(1kg)，经给水泵升压成为锅炉给水

(1−1)kg的凝结水在回热器中吸热(1−1)(h01−h2)回热抽汽本身亦凝结成为01状态的饱和水(1–1)kg凝结水3用凝结水泵压送至回热器（不计水泵耗功）=回热式蒸汽动力装置加热至状态01——01压力下的饱和水(1–1)kg42023/6/1844本文档共54页；当前第44页；编辑于星期三\22点2分

T-s图上示出带1级回热抽汽的蒸汽动力装置循环过程

01——回热抽汽的状态

01-01——

1kg回热抽汽在回热加热器中的定压凝结放热过程4-01——

(1−1)kg生水在回热器中定压加热过程

4——进入锅炉时的给水(1kg)

状态1432t1sT011kg1kgP1(1−1)kg011kg(1−1)kg蒸汽动力装置回热循环剩余的蒸汽继续膨胀至乏汽状态2并冷凝成凝结水3加压泵将凝结水升压至回热抽汽压力P01(未饱和水4)

01——回热抽汽压力下的饱和水

01-4——给水泵中的绝热压缩过程442023/6/1845本文档共54页；当前第45页；编辑于星期三\22点2分⑵

回热循环的热效率以1级抽汽回热为例：循环的吸热量1432t1sT011kg1kgP1(1−1)kg011kg(1−1)kg蒸汽动力装置回热循环44忽略水泵功耗时，循环输出的净功为凝汽和回热抽汽在汽轮机中所作两部分技术功之和具有1级抽汽回热的循环热效率为2023/6/1846本文档共54页；当前第46页；编辑于星期三\22点2分回热抽汽量的确定1432t1sT011kg1kgP1(1−1)kg011kg(1−1)kg蒸汽动力装置回热循环44使用混合式加热器时，由能量平衡=ηRt回热使循环的热效率得到了提高回热之所以能够提高循环热效率其热力学实质在于抽汽部分所完成的循环热效率为100%它们是不能独立存在的！2023/6/1847本文档共54页；当前第47页；编辑于星期三\22点2分不计给水泵耗功时，循环输出净功为

循环放热量循环吸热量对于n级抽汽回热抽汽1、2、