第十章 蒸汽动力装置循环

第十章蒸汽动力装置循环第十章蒸汽动力装置循环10-1简单蒸汽动力装置循环—朗肯循环10-2再热循环10-3回热循环10-4热电合供循环（自学）10-5蒸汽—燃气联合循环（自学）10-6蒸汽动力装置循环的㶲分析（自学）一、蒸汽动力装置概述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。10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环目前世界58%电力，国内65%电力来自火电厂，绝大部分来自蒸汽动力。蒸汽电厂示意图10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环火电厂、核电厂中的蒸汽动力循环凝汽器汽轮机锅炉给水泵主蒸汽乏汽凝结水给水10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环蒸汽动力循环凝汽器汽轮机锅炉给水泵主蒸汽乏汽凝结水给水10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环蒸汽动力循环中的设备——锅炉需要三样原料:产生三样东西蒸汽动力装置燃料水空气（煤\石油\天然气\生物质）蒸汽（产品）灰\渣CO2,NOx,SOx10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环蒸汽动力循环中的设备——汽轮机汽轮机作用：蒸汽的能量转变为机械能10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环蒸汽动力循环中的设备——给水泵给水泵作用：提高水的压力10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环蒸汽动力循环中的设备——凝汽器凝汽器作用：将低压蒸汽冷凝成水10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环凝汽器水泵主蒸汽水能量转换的分析锅炉给水泵汽轮机凝汽器汽轮机锅炉锅炉凝汽器汽轮机水泵工质（蒸汽和水）分析谁？锅炉？汽轮机？凝汽器？水泵？谁作为载体进行能量转换？10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环蒸汽的热力过程锅炉给水泵汽轮机凝汽器凝汽器水泵主蒸汽水汽轮机600550500450400350300250200150100500温度（℃）热力过程中：蒸汽状态变化状态参数压力、比容、温度、熵、热力学能、比定容热容、比定压热容……10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环蒸汽的热力过程图比熵s1234压强p比容v液相气液两相气相气液两相气相液相温度T600550500450400350300250200150100500温度（℃）10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环蒸汽动力循环比熵s温度T1234压力p比容v液相气液两相气相液相气液两相气相过程计算实际过程复杂而不可逆：摩擦、非平衡、耗散、…无法计算先抓住主要矛盾，获得基本规律再分析次要因素的影响，进行合理的修正理想的可逆过程简单，描述容易容易计算10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环理想化——可逆循环比熵s温度T1234压力p比容v液相气液两相气相液相气液两相气相热力过程实际过程可逆过程1-22-33-44-1多变膨胀可逆绝热膨胀近等压放热可逆等压放热多变压缩可逆绝热压缩近等压吸热可逆等压吸热朗肯循环10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环W.J.M.Rankine,1820-1872深入实践，注重积累，实现从量变到质变的飞跃在爱丁堡大学学习自然科学原理1836年1837年进入铁路工程，协助父亲从事铁路工程1838年在爱尔兰从事铁路、水利等工程学徒1842年回苏格兰从事土木工程1850年爱丁堡皇家学会会员，从事工程和科学方面的工作1859年出版《蒸汽机和其它动力机手册》第一本系统阐述蒸汽机理论的经典著作10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环工程上尚无进行卡诺循环的蒸汽动力装置的原因是（）卡诺循环的工质只能是理想气体循环放热量太大，吸热量太小湿饱和蒸汽区温限太小且压缩两相介质困难不能实现等温吸热和等温放热ABCD提交单选题1分蒸汽动力循环中绝热膨胀发生在（）汽轮机凝汽器回热器锅炉ABCD提交单选题1分朗肯循环冷凝器中发生的是（）过程，在水泵中进行的是（）过程。定压放热/定熵膨胀定压吸热/定熵压缩定压吸热/定熵膨胀定压放热/定熵压缩ABCD提交单选题1分朗肯循环的定压吸热发生在（）锅炉汽轮机回热器凝汽器ABCD提交单选题1分朗肯循环的热力计算比熵s温度T锅炉汽轮机凝汽器给水泵1234热力学第一定律（能量守恒）1-2汽轮机做功?液相气液两相气相

10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环朗肯循环的热力计算比熵s温度T1234热力学第一定律（能量守恒）1-2汽轮机做功?2-3凝汽器放热液相气液两相气相锅炉汽轮机凝汽器给水泵

10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环朗肯循环的热力计算比熵s温度T1234热力学第一定律（能量守恒）1-2汽轮机做功?2-3凝汽器放热液相气液两相气相3-4水泵耗功锅炉汽轮机凝汽器给水泵

10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环朗肯循环的热力计算比熵s温度T1234热力学第一定律（能量守恒）1-2汽轮机做功?2-3凝汽器放热液相气液两相气相3-4水泵耗功4-1锅炉吸热分别代表1，2，3，4点焓值锅炉汽轮机凝汽器给水泵

10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环朗肯循环的效率比熵s温度T锅炉汽轮机凝汽器给水泵1234热效率收益代价

水泵耗功

有：通常40%左右通过查图表或者计算机程序获得10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环朗肯循环的决定参数和评价指标决定性参数初压p1初温t1背压p2评价性参数效率ηt功量wnet终点干度x2ss10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环初压对朗肯循环的影响参数改变优点缺点s325411`TT1热效率↑，设备尺寸↓乏汽干度下降，不利于运行提高p1压力平均吸热温度热效率平均放热温度做功量不明排气干度↓10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环初温对朗肯循环的影响32145T1T1’sT参数改变优点缺点热效率↑，设备尺寸↓乏汽干度下降，不利于运行热效率↑,净功量↑,设备安全↑材料要求↑，设备尺寸↑提高p1提高T1温度平均吸热温度热效率平均放热温度做功量↑排气干度↑10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环背压对朗肯循环的影响参数改变优点缺点提高p1热效率↑，设备尺寸↓乏汽干度下降，不利于运行热效率↑,净功量↑,设备安全↑材料要求↑，设备尺寸↑热效率↑，净功量↑受制于环境温度提高T1降低p215432ss1s3s3’T0T1T背压平均吸热温度热效率平均放热温度做功量↑排气干度？？

10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环四、有摩阻的实际朗肯循环1、T-s图及h-s图忽略水泵功：

不变

一般仅考虑汽轮机中有摩阻损耗的实际循环。10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环2、不可逆性衡量（1）汽轮机内部相对效率𝛈T（汽机效率）近代大功率汽轮机𝛈T在0.85-0.92左右。

四、有摩阻的实际朗肯循环（2）装置内部热效率蒸汽在实际循环中所作的循环净功与循环中热源所供给的热量的比值。忽略水泵功：

汽轮机内蒸汽实际作功与理论功的比值。针对设备针对循环不可逆过程造成做功能力损失10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环（3）装置有效热效率

ηe

3、实际内部耗汽率di和耗汽量

Di以实际内部功率Pi为基准Pi—实际内部功率考虑透平与发电机连接时，轴承等机械损失

四、有摩阻的实际朗肯循环Pe—有效轴功率，ηm—机械效率

实际输出功10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环水在锅炉内加热蒸发气化，所加热吸收的热量等于水的状态的（）温度变化压力变化焓变化熵变化ABCD提交单选题1分朗肯循环中离开锅炉进入蒸汽轮机的蒸气是4MPa、400℃，冷凝器内压力为10kPa。试确定循环热效率。分析：为确定热效率，需计算水泵耗功、汽轮机作功和锅炉内蒸汽吸热量。分别依次取这些设备为控制体积，蒸汽作稳态流动，且可忽略动能和位能变化。解控制体积:水泵。进入状态:p2，饱和液；出口状态:p4。

水泵据第一定律

Ts123(2’)654锅炉控制体积:锅炉。进入状态:p1，h4已知；状态确定。出口状态:状态1确定。由第一定律

代入已得数据

控制体积:蒸汽轮机。进入状态:p1、T1已知；状态确定出口状态:p2已知。

蒸汽轮机据第一定律

据第二定律

代入由蒸汽表查取的数据：

循环净功也可从冷凝器中乏汽放热量qL确定。

10-2再热循环改变循环参数改变循环形式联合循环提高初温提高初压降低乏汽压力再热循环回热循环热电合供循环蒸汽-燃气联合循环…提高朗肯循环热效率的措施一、再热循环设备流程及T-s图再热循环：新蒸汽膨胀到某一中间压力后撤出汽轮机，导入锅炉中特设的再热器R，使之再加热，再导入汽轮机继续膨胀到背压p2。p1出发点：朗肯循环中提高新蒸汽压力p1，从而提高热效率；若不相应提高温度t1，将造成乏汽干度x2减小。目的：提高膨胀终端的蒸汽干度x2。10-2再热循环一、再热循环设备流程及T-s图再热循环：新蒸汽膨胀到某一中间压力后撤出汽轮机，导入锅炉中特设的再热器R，使之再加热，再导入汽轮机继续膨胀到背压p2。...p1pb....出发点：朗肯循环中提高新蒸汽压力p1，从而提高热效率；若不相应提高温度t1，将造成乏汽干度x2减小。目的：提高膨胀终端的蒸汽干度x2。10-2再热循环二、再热循环分析吸热量：循环作功（忽略泵功）：循环热效率：

取决于再热压力的选择！10-2再热循环三、再热压力对循环热效率的影响其他影响：x2上升（根本目的）；d0下降；系统复杂化，投资上升。（1）再热压力过低（2）再热压力过高Tm2不变，Tm1下降，

ηt↓Tm2不变，Tm1上升，ηt↑，但x2改善不大。与原循环相比与原循环相比a’b’2’2’..p1pb’pb’’a’’b’’2’’..Tm1Tm2T’m1T”m1.......22’再热压力（中间压力）必须在合理范围内，一般是20%-30%的p1。10-2再热循环实现再热循环是为了（）提高蒸汽膨胀终了的干度增加循环吸热量提高循环的压力，以提高循环热效率增大循环净功ABCD提交单选题1分为提高朗肯循环的热效率可采取的措施是（）降低初压降低蒸汽的过热温度提高冷凝温度采用再热循环ABCD提交单选题1分10-3回热循环目的：朗肯循环中经水泵升压后的未饱和水温度较低，导致循环的平均温度降低，采用回热的方法可以提高循环的平均吸热温度，从而提高循环热效率。一、抽汽回热约500K（227℃）随π

变约850K（580℃）约36℃（6kPa）不能按照燃气轮机装置回热，而采用抽汽回热。一、抽汽回热（1）混合式.1-αkgαkg0101’....1kg1-αkg...抽汽回热循环：从汽轮机的适当部位抽出来尚未完全膨胀的，压力、温度相对较高的少量蒸汽，去加热低温冷凝水。冷凝压力低于抽汽压力10-3回热循环一、抽汽回热蒸汽动力装置循环回热的两种方式（2）间壁式工程上多采用间壁式，两者热力学分析相似。水泵设置数量不一样10-3回热循环能量方程：二、抽汽回热循环分析1、抽汽量-以混合式为例

忽略泵功

假设条件：（1）各股工质的速度接近；（2）忽略回热器的散热。10-3回热循环二、抽汽回热循环分析1、抽汽量吸热量放热量循环热效率循环净功忽略水泵功

Tm2不变，Tm1上升，抽汽回热循环与原循环相比ηt↑。工质经历不同过程时质量发生变化，T-s图上的面积不能直接代表热