蒸汽動力裝置循環(huán)

蒸汽動力裝置循環(huán)第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日§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(shè)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(jié)，成為凝結(jié)水；

3-4——凝結(jié)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(gòu)成蒸汽動力裝置蒸汽動力裝置中水蒸氣經(jīng)歷的基本循環(huán)過程可理想化為：

2023/2/202第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日sT4321t1P1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(jié)放熱過程；

3——凝結(jié)水（飽和水）狀態(tài)(P2)；

3-4——凝結(jié)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2023/2/203第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日4-5——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)sT4321t1P12023/2/204第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日給水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(jié)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)）2023/2/205第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日sP4213PPs56hs132456朗肯循環(huán)的P-v圖和h-s圖P-v圖h-s圖sPPs2023/2/206第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日⑵

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(shù)功給水泵消耗的技術(shù)功sT4321t1P1562023/2/207第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日水泵消耗的技術(shù)功遠小于汽輪機作出的技術(shù)功h4=h3=h'2wt,B=h4?h3≈0汽輪機輸出的技術(shù)功給水泵消耗的技術(shù)功一般占其0.8~1%通常不計給水泵消耗的技術(shù)功sT4321t1P1562023/2/208第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日⑶

影響朗肯循環(huán)熱效率的因素根據(jù)狀態(tài)參數(shù)關(guān)系不計給水泵消耗的技術(shù)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56562023/2/209第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日P1、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(yīng)用的t1約為550℃56汽機出口尺寸增大提高初溫的結(jié)果相當于在原循環(huán)1234561基礎(chǔ)上附加循環(huán)112212023/2/2010第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日P1、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(yīng)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2023/2/2011第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日⑷

汽輪機的相對內(nèi)效率和汽耗率實際的汽輪機內(nèi)部過程是不可逆的①汽輪機的相對內(nèi)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(guān)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)2023/2/2012第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日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2023/2/2013第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日例8-1(習(xí)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(nèi)，以比較所求得的結(jié)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2023/2/2014第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日具體計算如下：P11432t1sTt1122023/2/2015第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日計算結(jié)果匯總：t1，℃300500t0.34460.3716d，kg/J1.02151060.8146106x20.77080.85932023/2/2016第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日§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?zé)?/p>

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(chǔ)2023/2/2017第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日⑵

蒸汽動力裝置再熱循環(huán)設(shè)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(zhì)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(jié)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)）2023/2/2018第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日⑶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(shù)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sTb1atP2c342023/2/2019第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日①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(guān)

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(nèi)部效率有利sTb1atP2c34精心設(shè)計的再熱循環(huán)有望直接提高循環(huán)熱效率4%~5%

(2~3.5%)2023/2/2020第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日

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(fù)雜，初投資增加再熱也帶來一些負面影響鍋爐、汽輪機結(jié)構(gòu)復(fù)雜化100、125、200、300MW，P1>13.5MPa——

一次再熱——

二次再熱2023/2/2021第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日例8-2(習(xí)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)4003271.87.79443053.36.07874503377.07.94523209.96.30322023/2/2022第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日sT1234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=12MPat1=450℃h1=3209.9kJ/kgs1=6.3032kJ/(kgK)題給再熱后的蒸汽狀態(tài)（設(shè)為b，過熱汽）Pb=0.5MPatb=400℃hb=3271.8kJ/kgsb=7.7944kJ/(kgK)2023/2/2023第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日sT1234bcaP=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(shè)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

2023/2/2024第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日由此由于以及sT1234bca2023/2/2025第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日該再熱循環(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

2023/2/2026第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日§8.3回?zé)嵫h(huán)現(xiàn)代大型蒸汽動力裝置采用多至7~9級抽汽回?zé)崂士涎h(huán)中放熱過程溫度為最低，不可能進行回?zé)岢槠責(zé)峄責(zé)帷獙⒀h(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?zé)崛蝿?wù)2023/2/2027第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日鍋爐23561給水泵氣輪機1kg1kg(1–1)kg1kg01混合式給水回?zé)崞髂鳎ɡ鋮s水）凝結(jié)水泵41kg⑴

帶抽汽回?zé)岬恼羝麆恿ρb置對于只有1級抽汽回?zé)岬难b置（按耗汽1kg考慮）：回?zé)岢槠繛?kg，狀態(tài)01；凝汽量為(1?1)kg，狀態(tài)2回?zé)岢槠诨責(zé)崞髦卸▔耗Y(jié)成為01狀態(tài)的飽和水兩部分水合在一起(1kg)，經(jīng)給水泵升壓成為鍋爐給水

(1?1)kg的凝結(jié)水在回?zé)崞髦形鼰?1?1)(h01?h2)放出熱量1(h01h01)(1–1)kg凝結(jié)水3用凝結(jié)水泵壓送至回?zé)崞鳎ú挥嬎煤墓Γ?回?zé)崾秸羝麆恿ρb置加熱至狀態(tài)01——01壓力下的飽和水(1–1)kg42023/2/2028第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日

T-s圖上示出帶1級回?zé)岢槠恼羝麆恿ρb置循環(huán)過程01——回?zé)岢槠臓顟B(tài)01-01——

1kg回?zé)岢槠诨責(zé)峒訜崞髦械亩▔耗Y(jié)放熱過程4-01——

(1?1)kg凝結(jié)水在回?zé)崞髦卸▔夯責(zé)徇^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?zé)嵫h(huán)剩余的蒸汽繼續(xù)膨脹至乏汽狀態(tài)2并冷凝成凝結(jié)水3加壓泵將凝結(jié)水升壓至回?zé)岢槠麎毫01(未飽和水4)

01——回?zé)岢槠麎毫ο碌娘柡退?1-4——給水泵中的絕熱壓縮過程442023/2/2029第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日⑵

回?zé)嵫h(huán)的熱效率以1級抽汽回?zé)釣槔貉h(huán)的吸熱量1432t1sT011kg1kgP1(1?1)kg011kg(1?1)kg蒸汽動力裝置回?zé)嵫h(huán)44忽略水泵功耗時，循環(huán)輸出的凈功為凝汽和回?zé)岢槠谄啓C中所作兩部分技術(shù)功之和具有1級抽汽回?zé)岬难h(huán)熱效率為2023/2/2030第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日回?zé)岢槠浚ㄏ禂?shù)）的確定1432t1sT011kg1kgP1(1?1)kg011kg(1?1)kg蒸汽動力裝置回?zé)嵫h(huán)44使用混合式加熱器時，由能量平衡=tR回?zé)崾寡h(huán)的熱效率得到了提高回?zé)嶂阅軌蛱岣哐h(huán)熱效率其熱力學(xué)實質(zhì)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！2023/2/2031第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日不計給水泵耗功時，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?zé)岢槠禂?shù)1、2、3、……n，凝汽份額c

2023/2/2032第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日有n級抽汽回?zé)岬难h(huán)熱效率⑶

給水回?zé)釒淼暮锰帰?/p>

給水回?zé)峥梢燥@著提高循環(huán)的熱效率回?zé)岢槠鞯哪遣糠止κ菦]有冷源損失的(q2=0)在滿足回?zé)崮芰科胶獾臈l件下：回?zé)岢槠吭酱笤胶没責(zé)岢槠麎毫υ降驮胶芒?/p>

提高汽輪機的內(nèi)部效率減小汽輪機低壓缸的尺寸，使末級葉片減短2023/2/2033第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月2