火用分析第八章蒸汽動力裝置循環(huán)

第8章

蒸汽動力裝置循環(huán)2023/2/31§8.1蒸汽動力裝置的基本循環(huán)⑴

朗肯循環(huán)蒸汽動力裝置由以下基本設備:鍋爐、汽輪機、凝汽器、給水泵按圖中所示標號4-5-6-1——給水在鍋爐中定壓加熱形成為過熱蒸汽；1-2——過熱蒸汽（新蒸汽）在汽輪機中絕熱膨脹作功；2-3——乏汽在凝汽器中定壓凝結，成為凝結水；

3-4——凝結水由給水泵絕熱壓縮成給水，返回到鍋爐中冷卻水汽輪機鍋爐給水泵凝汽器234561聯(lián)接構成蒸汽動力裝置蒸汽動力裝置中水蒸氣經歷的基本循環(huán)過程可理想化為：

2023/2/32sT4321t1P1理想化的蒸汽動力裝置基本循環(huán)是朗肯循環(huán)1(P1,t1)——進入汽輪機時的新蒸汽（過熱汽）狀態(tài)；

2(P2)——從汽輪機排出時的乏汽（濕蒸汽）狀態(tài)；

1-2——蒸汽在汽輪機中絕熱膨脹（定熵）的作功過程；

2-3——乏汽在凝汽器中定壓（定溫）凝結放熱過程；

3——凝結水（飽和水）狀態(tài)(P2)；

3-4——凝結水在給水泵中絕熱壓縮（定熵）成為鍋爐給水；由于水幾乎不可壓縮，垂直線段3-4幾乎重合成為一點2023/2/334-5——給水在鍋爐省煤器中定壓加熱成飽和水

(P1'

ts)；5-6——水在鍋爐水冷壁中定壓加熱成為飽和汽

(P1'

ts)；6-1——飽和汽在過熱器中定壓加熱成為新蒸汽

(P1'

t1)。（4-5-6-1——給水在鍋爐中定壓加熱成新蒸汽）65

4——給水（未飽和水）狀態(tài)(P1)

；朗肯循環(huán)sT4321t1P12023/2/34給水4(P1,h’2)省煤器飽和水5(P1,ts)飽和汽6(P1,ts)水冷壁過熱器過熱汽1(P1,t1)（新蒸汽）汽輪機絕熱膨脹乏汽2(P2,h2)凝汽器定壓放熱凝結水3(P2,h’2)給水泵絕熱壓縮給水4蒸汽動力裝置朗肯循環(huán)的路徑：定壓加熱定壓加熱定壓加熱6sT54321t1P1朗肯循環(huán)（重新循環(huán)）2023/2/35sP4213PPs56hs132456朗肯循環(huán)的P-v圖和h-s圖P-v圖h-s

圖sPPs2023/2/36⑵

朗肯循環(huán)的熱效率朗肯循環(huán)吸熱和放熱過程是定壓的循環(huán)的吸熱量循環(huán)的放熱量朗肯循環(huán)的熱效率汽輪機輸出的技術功給水泵消耗的技術功sT4321t1P1562023/2/37水泵消耗的技術功遠小于汽輪機作出的技術功h4=h3=h'2wt,B=h4?h3≈0汽輪機輸出的技術功給水泵消耗的技術功一般占其0.8~1%通常不計給水泵消耗的技術功sT4321t1P1562023/2/38⑶

影響朗肯循環(huán)熱效率的因素根據(jù)狀態(tài)參數(shù)關系不計給水泵消耗的技術功時，朗肯循環(huán)熱效率t,R受P1、P2、t1控制h1=f(P1,t1)h2=f(P2)h'2=f(P2)①

P2、t1不變，將初壓P1提高t,R會有較顯著的提高乏汽干度x2會降低乏汽干度x2不得小于0.86P1'sT112342t1P1P1提高初壓力的影響平均吸熱溫度明顯提高對機器的強度要求提高56562023/2/39P1、P2不變，將初溫

t1提高t,R會有較顯著的提高乏汽干度x2會提高同時提高P1、t1是方向提高初溫的影響P11432t1sTt112t1'②平均吸熱溫度明顯提高金屬耐熱要求提高對機器的強度要求提高目前可應用的t1約為550℃56汽機出口尺寸增大提高初溫的結果相當于在原循環(huán)1234561基礎上附加循環(huán)112212023/2/310P1、t1不變，將終壓P2降低wt,T增大

P2目前實際采用至3.5~5kPa，水的對應飽和溫度為27~33℃sT12'342t1P1降低終壓力的影響3'4'③P2'對t,R總是有利略有下降；56冬天循環(huán)水溫較低，循環(huán)熱效率較高下降明顯限于循環(huán)水的溫度（環(huán)境溫度），已基本達到極限低值2023/2/311⑷

汽輪機的相對內效率和汽耗率實際的汽輪機內部過程是不可逆的①汽輪機的相對內效率（定熵效率）②汽耗率(d)單位kg/J，kg/kJ，也使用kg/(kWh)不計給水泵耗功時，若理想汽輪機的輸出功率為P0

kW，耗汽量為D

kg/s，兩者有以下關系：理想汽耗率

裝置輸出每單位功量所消耗的蒸汽量P11432s2t1sT實際的基本循環(huán)2023/2/312相對于汽輪機實際輸出功率P的汽耗率為實際汽耗率實際汽耗率

從整體上講，實際蒸汽動力裝置尚需考慮：鍋爐的熱損失——鍋爐效率B管道的熱損失——管道效率tu

實際蒸汽動力裝置的熱效率t=t,RBtuT⑸

實際蒸汽動力裝置的熱效率2023/2/313例8-1(習題11-1)一簡單蒸汽動力裝置循環(huán)(即朗肯循環(huán))，蒸汽的初壓P1=3MPa，終壓P2=6kPa，初溫分別為300℃和500℃

。試求不同初溫時循環(huán)的熱效率t、耗汽率d及蒸汽的終干度x2，并將所求得的各值填入下表內，以比較所求得的結果。

解：P1=3MPa（過熱汽） t1=300℃

h1=2992.4

kJ/kgs1=6.5371

kJ/(kg·K)t1'=500℃h1=3454.9kJ/kgs1'=7.2314kJ/(kg·K)P2=6kPa的飽和參數(shù)

：s=0.5209kJ/(kg·K)，s=8.3305kJ/(kg·K)h=151.50kJ/kg，h=2567.1kJ/kgP11432t1sTt112忽略水泵功耗。查水蒸氣表得：s>s1>s乏汽為濕蒸汽2023/2/314具體計算如下：P11432t1sTt1122023/2/315計算結果匯總：t1，℃300500t0.34460.3716d，kg/J1.02151060.8146106x20.77080.85932023/2/316§8.2蒸汽動力裝置再熱循環(huán)⑴

帶再熱的蒸汽動力裝置再熱——蒸汽在汽輪機中工作至某一中間壓力后重新送回到鍋爐的再熱器中加熱，然后再引回汽輪機中繼續(xù)作功，或稱重熱

一次汽——再熱前的蒸汽二次汽——再熱后的蒸汽一般都再熱至初溫；理論上可進行多次再熱，但實際只有1~2次再熱冷卻水汽輪機鍋爐給水泵凝汽器帶再熱的蒸汽動力裝置234561(再熱器)(過熱器)二次汽一次汽ab以朗肯循環(huán)為基礎2023/2/317⑵

蒸汽動力裝置再熱循環(huán)設一次汽的參數(shù)為P、t，中間再熱壓力為Pb，再熱至初溫t工質循環(huán)路徑：一次汽1(P,t)……再熱器過熱汽1(P,t)（新蒸汽）凝結水3(P2,h’2)給水泵絕熱壓縮給水4定壓加熱（新蒸汽）汽輪機前缸絕熱膨脹前缸排汽a(Pa)1-a——一次汽在汽輪機前缸中絕熱膨脹作功

(h1?

ha)

；a-b——蒸汽在鍋爐再熱器中定壓再熱，吸熱

(hb

?ha)；b-2——二次汽在汽輪機后缸中絕熱膨脹作功

(hb?

h2)

；sTb1atP2c34蒸汽動力裝置再熱循環(huán)二次汽b(Pa,t)汽輪機后缸絕熱膨脹乏汽2(P2,h2)凝汽器定壓放熱（循環(huán)）2023/2/318⑶再熱循環(huán)的熱效率忽略給水泵的功耗時，再熱循環(huán)輸出的功為一次汽和二次汽在汽輪機中所作的技術功之和對于具有1次再熱的蒸汽動力循環(huán)循環(huán)的吸熱量為蒸汽分別在鍋爐的過熱器和再熱器中所吸熱量之和再熱循環(huán)的熱效率為

一次汽作的功二次汽作的功一次汽吸的熱量二次汽吸的熱量sTb1atP2c342023/2/319①再熱措施能否提高循環(huán)的熱效率取決于中間壓力存在著一個最佳的中間再熱壓力②再熱的目的不全在于靠其直接提高循環(huán)的熱效率無再熱時乏汽的狀態(tài)為c；有再熱時乏汽的狀態(tài)為2x2>xc

——與Pa有關

再熱的目的更重要地還在于它能提高汽輪機乏汽的干度，從而為提高初壓力創(chuàng)造條件

③此外，乏汽干度提高對汽輪機的內部效率有利sTb1atP2c34精心設計的再熱循環(huán)有望直接提高循環(huán)熱效率4%~5%

(2~3.5%)2023/2/320

蒸汽再熱循環(huán)的實踐P1<10MPa一般不采用再熱我國常見再熱機組t1>600℃，P1>25MPa(超臨界機組)系統(tǒng)復雜，初投資增加再熱也帶來一些負面影響鍋爐、汽輪機結構復雜化100、125、200、300MW，P1>13.5MPa——

一次再熱——

二次再熱2023/2/321例8-2(習題11-3部分)蒸汽動力裝置再熱循環(huán)，蒸汽的初參數(shù)為P1=12MPa、t1=450℃，終壓為P2=0.004MPa。再熱時蒸汽的壓力為0.5MPa，再熱后蒸汽的溫度為400℃。試確定該再熱循環(huán)的熱效率和終濕度，將所得的熱效率、終濕度和朗肯循環(huán)作比較，并在T-s圖上畫出該再熱循環(huán)。附水蒸氣表（節(jié)錄）

飽和水蒸氣表

P,MPah,kJ/kg,h,kJ/kgs,kJ/(kgK)s,kJ/(kgK)0.004121.412554.10.42248.47470.5640.12748.51.86046.8215過熱水蒸氣表

t,℃0.5，

MPa12MPah,kJ/kgs,kJ/(kgK)h,kJ/kgs,kJ/(kgK)4003271.87.79443053.36.07874503377.07.94523209.96.30322023/2/322sT1234解：由水蒸氣表查得：P2=4kPa

時s=0.4224kJ/(kgK)s=8.4747kJ/(kgK)h=121.41kJ/kgh=2554.1kJ/kg,P1=12MPa

t1=450℃h1=3209.9kJ/kgs1=6.3032kJ/(kgK)題給再熱后的蒸汽狀態(tài)（設為b，過熱汽）Pb=0.5MPa

tb=400℃hb=3271.8kJ/kgsb=7.7944kJ/(kgK)2023/2/323sT1234bcaP=0.5MPa時s=1.8604

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

kJ/kgh=2748.5kJ/kg,已知再熱時的蒸汽狀態(tài)（設為a）Pa=0.5MPasa值在s與s之間，故知a點為濕蒸汽狀態(tài)sa=s1=6.3032kJ/(kgK)并且

2023/2/324由此由于以及sT1234bca2023/2/325該再熱循環(huán)的終濕度(1

xc)=0.0845

循環(huán)的熱效率（忽略水泵耗功）

sT1234bca同樣初參數(shù)，不帶再熱的朗肯循環(huán)熱效率為

兩種情況相比較，知

t,R

>t,re

以及x2<

xc

2023/2/326§8.3回熱循環(huán)現(xiàn)代大型蒸汽動力裝置采用多至7~9級抽汽回熱朗肯循環(huán)中放熱過程溫度為最低，不可能進行回熱抽汽回熱回熱——將循環(huán)放熱過程放出的熱量用于滿足吸熱過程的需要——作功過程中抽出一部分蒸汽來完成回熱任務2023/2/327鍋爐23561給水泵氣輪機1kg1kg(1–1)kg1kg01混合式給水回熱器凝汽器（冷卻水）凝結水泵41kg⑴

帶抽汽回熱的蒸汽動力裝置對于只有1級抽汽回熱的裝置（按耗汽1kg考慮）：回熱抽汽量為1kg，狀態(tài)01；凝汽量為(1?1)kg，狀態(tài)2回熱抽汽在回熱器中定壓凝結成為01狀態(tài)的飽和水兩部分水合在一起(1kg)，經給水泵升壓成為鍋爐給水

(1?1)kg的凝結水在回熱器中吸熱(1?1)(h01?h2)放出熱量1(h01h01)(1–1)kg凝結水3用凝結水泵壓送至回熱器（不計水泵耗功）=回熱式蒸汽動力裝置加熱至狀態(tài)01——01壓力下的飽和水(1–1)kg42023/2/328

T-s圖上示出帶1級回熱抽汽的蒸汽動力裝置循環(huán)過程01——回熱抽汽的狀態(tài)01-01——

1kg回熱抽汽在回熱加熱器中的定壓凝結放熱過程4-01——

(1?1)kg凝結水在回熱器中定壓回熱過程4——進入鍋爐時的給水(1kg)

狀態(tài)1432t1sT011kg1kgP1(1?1)kg011kg(1?1)kg蒸汽動力裝置回熱循環(huán)剩余的蒸汽繼續(xù)膨脹至乏汽狀態(tài)2并冷凝成凝結水3加壓泵將凝結水升壓至回熱抽汽壓力P01(未飽和水4)

01——回熱抽汽壓力下的飽和水01-4——給水泵中的絕熱壓縮過程442023/2/329⑵

回熱循環(huán)的熱效率以1級抽汽回熱為例：循環(huán)的吸熱量1432t1sT011kg1kgP1(1?1)kg011kg(1?1)kg蒸汽動力裝置回熱循環(huán)44忽略水泵功耗時，循環(huán)輸出的凈功為凝汽和回熱抽汽在汽輪機中所作兩部分技術功之和具有1級抽汽回熱的循環(huán)熱效率為2023/2/330回熱抽汽量（系數(shù)）的確定1432t1sT011kg1kgP1(1?1)kg011kg(1?1)kg蒸汽動力裝置回熱循環(huán)44使用混合式加熱器時，由能量平衡=tR回熱使循環(huán)的熱效率得到了提高回熱之所以能夠提高循環(huán)熱效率其熱力學實質在于抽汽部分所完成的循環(huán)熱效率為100%但是，它們是不可能獨立存在！2023/2/331不計給水泵耗功時，循環(huán)輸出凈功為

循環(huán)放熱量循環(huán)吸熱量對于n級抽汽回熱抽汽系數(shù)1、2、3、……n，凝汽份額c

2023/2/332有n級抽汽回熱的循環(huán)熱效率⑶

給水回熱帶來的好處①

給水回熱可以顯著提高循環(huán)的熱效率回熱抽汽所作的那部分功是沒有冷源損失的(q2=0)在滿足回熱能量平衡的條件下：回熱抽汽量越大越好回熱抽汽壓力越低越好②