【《蒸汽动力装置热力设备数学模型分析》5500字】

蒸汽动力装置热力设备数学模型分析目录TOC\o"1-3"\h\u11876蒸汽动力装置热力设备数学模型分析 1109651.1蒸汽发生器 1197511.2给水加热器 3181591.1.1表面式给水加热器 3781.1.2混合式给水加热器 5177231.3汽轮发电机 6132551.4泵 7160891.4.1电动泵 7116371.4.2汽动泵 8139111.5冷凝器 91.1蒸汽发生器蒸汽发生器是利用核能产生的热能把水加热成为热水或蒸汽的机械设备，也称蒸汽锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分。船用蒸发器装在各种船舶上，所产生的蒸汽用于驱动蒸汽动力机械。蒸汽发生器的传热方程为 Qsg=式中F——蒸汽发生器有效传热面积，m2K——蒸汽发生器总换热系数，W/(m2﹒K)∆T蒸汽发生器中的传热过程由传热管内一回路冷却剂对管壁的强制对流换热、传热管壁和污垢层的导热以及传热管外壁面对二回路工质的沸腾放热等几部分组成。将传热管看作薄壁圆筒，则总换热系数为 K=11式中α1——一次侧对流换热系数，W/(m2Rw，Rα2——二次侧沸腾换热系数，(m2dsidca——传热管计算直径，通常取传热管外径为计算直径，即d当工质按顺流或逆流方式工作时，传热温差由下式确定： ∆Tm=式中，∆Tmax与如果∆Tmax ∆Tm=设蒸汽发生器二次侧工作压力为ps，据此条件计算总换热系数K，然后根据蒸汽供应系统分配到单台蒸汽发生器的热负荷Q ∆Tm=蒸汽发生器进、出口冷却剂的温差为 ∆Tc=已知系统中冷却剂的平均温度为Tm Tsi=根据蒸汽发生器一、二次侧对数平均温差公式，可以确定二次侧工质的蒸发温度为Ts=T式中，A为系数，A=∆与Ts相对应的饱和压力p'ps−p则热平衡计算结束，否则重新设定ps 蒸汽发生器的蒸汽产量与热负荷、新蒸汽参数相关，通过上述迭代计算确定给定负荷下的新蒸汽参数后，即可按下式确定单台蒸汽发生器的蒸汽产量： Gs1式中hfhh's——蒸发压力pξphfw整个蒸汽供应系统的新蒸汽产量为 Ds=G1.2给水加热器回热循坏可以提高热力循环效率，给水回热系统与汽轮机抽汽系统共同构成回热循环，由多级给水加热器以及疏水冷却器、疏水箱、疏水泵等设备和相应的管系组成。给水加热器分为低压加热器、除氧器和高压加热器，低压加热器位于凝水泵与除氧器之间，高压加热器位于给水泵与蒸发器之间。从冷凝器来的凝结水依次通过低压加热器、除氧器和高压加热器，被加热到一定温度后送入蒸汽发生器，加热蒸汽主要来自汽轮机高、低压缸的各级抽汽。根据加热蒸汽与给水接触方式的不同，给水加热器可分为混合式和表面式两种类型。1.1.1表面式给水加热器 低压给水加热器和高压给水加热器均为表面式加热器，通过金属受热面来实现热量传递。根据给水加热器中汽水介质传热方式的不同，一般将给水加热器分为串流疏水式加热器和疏水汇流式加热器两种类型。 串流疏水式加热器前端串联一个疏水冷却器，汽轮机抽汽、辅助蒸汽以及下游加热器的疏水在加热器中对给水加热，形成的汽水混合物排入疏水冷却器，对进入加热器的给水进行预热，然后作为该级加热器的疏水排走。 假设给水加热器为第k级，单位质量流量的汽轮机抽汽在加热器中放出的热量为 qh,k单位质量流量的辅助蒸汽在加热器中放出的热量为 q'h,单位质量流量的疏水在加热器中放出的热量为 γk=h单位质量流量的给水在加热器中的焓升为 τk=根据给水加热器的工作流程，其质量平衡方程为 Gd,式中，ηk为第k辅助加热器蒸汽的流量和焓值通常是给定的，则给水加热器所消耗的抽汽量为 Ge,对于没有疏水冷却器的给水加热器，计算方法也完全相同。疏水汇流式给水加热器的汽轮机抽汽、辅助蒸汽的疏水在加热器出口与给水汇流到一起，送往下游的给水加热器。单位质量流量的汽轮机抽汽在加热器中放出的热量为 qh,单位质量流量的辅助蒸汽在加热器中放出的热量为 q'h单位质量流量的疏水在加热器中放出的热量为 γk=单位质量流量的给水在加热器中的焓升为 τk=根据疏水汇流式给水加热器的工作原理，其质量平衡方程、热平衡方程为 Gf, Ge,则给水加热器所消耗的抽汽量为 Ge,给水加热器进口给水流量为 Gf,1.1.2混合式给水加热器混合式加热器没有金属材料构成的传热面，加热蒸汽与给水直接混合并进行传热。热力除氧器属于混合式加热器，其作用是将给水加热到除氧器运行压力下的饱和状态，以除去水中溶解的氧和其他气体。根据运行压力的大小，除氧器可以分为真空式、大气压式和高压式三类。真空式除氧器由于凝结水在经过部分处于真空的设备和管道时仍有漏入空气的可能，因此只是一种辅助装置。在中参数机组中一般采用0.12MPa或0.25MPa的大气压式除氧器，在高参数机组中一般采用0.6MPa的高压除氧器，在超高压机组中，为保证良好的给水品质，有时还把冷凝器作为真空式除氧器使用，作为高压除氧器的补充。进入除氧器的给水通常包括低压给水加热器输送来的给水、汽水分离再热器和高压给水加热器的疏水，加热蒸汽则来自汽轮机高压缸的抽汽。除氧水箱中的水由给水泵抽出，逐级流经各级高压给水加热器，被加热至最终给水温度，然后进入蒸汽发生器。设除氧器为给水回热系统中的第k级加热器，则单位质量流量的汽轮机抽汽在除氧器中放出的热量为 qh,单位质量流量的给水在加热器中的焓升为 τk=根据除氧器工作原理，忽略除氧器排气造成的蒸汽损失和除氧器本体的散热损失，则除氧器的质量平衡方程、热平衡方程为 Gf, Ge,联立以上两式，可得 Ge, Gf,1.3汽轮发电机汽轮发电机是实现热能转换为电能的重要设备。在工作过程中，汽轮机将蒸汽发生器产生的蒸汽所具有的热能转变为蒸汽流的动能，再转换为机械能，驱动发电机发电。由于排汽容积流量大，为了提高汽轮机的效率，需要增加低压缸的数目，提高汽轮机末级叶片的高度，或增加排汽口数量。汽轮机在运行时存在着各种内部能量损失，除去喷嘴损失、动叶损失、余速损失之外，还有摩擦鼓风损失、级内漏汽损失、湿汽损失及节流损失等。汽轮机的内部损失造成汽轮机内部蒸汽做功能力下降，部分蒸汽的动能耗散为热能并被蒸汽流所吸收，使蒸汽的焓增加。如果忽略汽轮机的轴封损失和散热损失，则蒸汽在汽轮机通流部分的膨胀过程没有热量损失。汽轮机的内功率为 Ni=式中，Nih，N Nih=汽轮机产生的机械能在传送过程中，由于轴承摩擦等原因使得部分机械能耗散为热能，被滑油吸收并带走。这部分能量损失可用汽轮机的机械效率表示： ηmt=式中，Nt电机在汽轮机的驱动下产生电能，由于机械损失和电气损失使部分能量转变为热能，被冷却用的氢气带走，其能量损失用发电机的有效效率表示： ηmt=式中，Ne因此，汽轮发电机组中的能量损失主要是汽轮机功率传输过程及发电机内的损失，其值可表示为 ∆Nte=1.4泵热力系统中主要的泵有主冷却剂泵、给水泵、凝水泵、循环水泵等，根据使用条件的不同，泵采用电动机驱动或者辅汽轮机驱动。一般认为，泵在工作时存在以下几种损失：由于流体在流道中的摩擦和局部阻力造成的水力损失；由于密封不严及液体回流造成的流量损失；由于部件摩擦损耗造成的机械损失。这些损失实际上是泵在工作过程中由于存在不可逆因素而使部分机械能耗散为热能，由于泵的工作部件直接与流体相接触，耗散的能量基本上被流体所吸收，使流体的温度升高，根据能量平衡原理，可以近似认为泵的能量在数量上基本没有损失。通常用泵效率来评价泵的能量利用的完善程度： η=N式中NpNpe Npe=式中QfHf1.4.1电动泵对于电动泵，如主泵、凝水泵等，驱动电机在工作时，由于电枢绕组中的铜损、铁损和机械损耗造成了能量的损失，损失的能量转化为热能或者被设备冷却水带走或者散失到周围空气中。电动机的效率为 ηm=式中，Nm因此电动泵在工作过程中的能量损失主要是电动机的损失： ∆Nmp1.4.2汽动泵汽动泵由功率较小的汽轮机驱动，给水泵普遍采用汽动。汽轮机在工作过程中，由于蒸汽绝热膨胀过程不可逆，部分机械能耗散为热能并被蒸汽所吸收，如果忽略漏泄和散热损失，则蒸汽在汽轮机内的膨胀过程没有热量损失；机械功在传递过程中由于轴承、齿轮减速器的摩擦使热量耗散为热能并被滑油带走，这部分能量损失可用机械效率来表示： ηmt=式中NiGsHi由此可见，汽动泵在工作时的能量损失为 ∆Ntp在这一回路冷却剂系统中，主泵对冷却剂做功，主泵对冷却剂的加热功率等于主泵电机的输入电功率减去电机的冷却和损耗功率，即相当于泵的输入功率，这样系统中主泵对冷却剂的总加热功率可用下式计算： Qmp=式中Qc——流经堆芯的冷却剂的总体流量，m3Hmpηmp1.5冷凝器在理想状态下，冷凝器汽侧各处的压力都是相同的。蒸汽从排汽处出来，进入冷凝器后，在汽侧压力相对应的饱和温度下开始凝结。此时，蒸汽失去了热量，而冷却水的热量增加，两个热量在数值上是相等的。而由于排出的蒸汽和循环水泵抽出的冷却水之间的传热端差等于零。所以，冷凝器内的压力和冷却水温度相对应的蒸汽压力是相等的。实际情况中，冷却水的量和冷却面积不能为无限扩大，所以蒸汽和冷却水的传热端差也就不可能为零。为增强船用冷凝器换热效果，冷凝器内蒸汽与冷却水管中的冷却水布置成近似逆流换热的方式。如图1.1蒸汽的温度在大部分冷却面上都不会发生变化，但是到了冷却区，因为蒸汽已经被大量凝结，这就导致了冷凝器中的空气含量迅速增加，使蒸汽的分压力Ps比冷凝器的压力Pc明显低很多，而Ps图3.1蒸汽和冷却水的温度沿冷却表面的分布由于冷凝器传热端差较大，在冷却水吸热过程中，进水端的温度变化曲线较陡，所以蒸汽凝结温度ts ts=式中tw1,∆t——冷却水温升，∆δt——传热端差，δt=由式可得，只要求得tw1、∆t和δt的值，就可求得饱和蒸汽温度t冷却水温升∆由热平衡方程可得： Dch故 ∆t=hc−h式中Dchc，hhw1cp——水的定压比热、对循环冷却水可取cm=DWDc为冷凝器的冷却倍率，当增大m时，∆t减小，ts也减小，冷凝器的压力降低，冷却水的量的增大，循环水泵功率增大或导致自流式循环方式的船舶航速增加。所以m传热端差