第十一章 蒸汽動(dòng)力循環(huán)裝置

第1頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

主要內(nèi)容

1掌握蒸汽動(dòng)力循環(huán)的基本形式——朗肯循環(huán)的組成；

2掌握工質(zhì)的初、終參數(shù)對(duì)循環(huán)效率是如何影響的。

3理解中間再熱的朗肯循環(huán)、給水回?zé)峒訜嵫h(huán)、熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)，最后是燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)等。4掌握回?zé)嵫h(huán)熱效率的計(jì)算過(guò)程。

第2頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三11-1簡(jiǎn)單蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)——朗肯循環(huán)

一、工質(zhì)為水蒸氣的卡諾循環(huán)

在采用氣體作工質(zhì)的循環(huán)中，因定溫加熱和放熱難于進(jìn)行，而且氣體的定溫線和絕熱線在p-υ圖上的斜率相差不多，以致卡諾循環(huán)所作的功并不大，故在實(shí)際上難于采用。在采用蒸汽作工質(zhì)時(shí)，由于水的汽化和蒸汽的凝結(jié)，當(dāng)壓力不變時(shí)溫度也不變，因而定溫加熱和放熱過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)。更因這時(shí)定溫過(guò)程亦即定壓過(guò)程，在p-υ圖上其與絕熱線之間的斜率相差亦大，故所作的功也較大。所以，以蒸汽為工質(zhì)時(shí)原則上可以采用卡諾循環(huán)。第3頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三實(shí)際蒸汽動(dòng)力裝置中不采用卡諾循環(huán)，其原因是：1、在壓縮機(jī)中絕熱壓縮過(guò)程8-5難于實(shí)現(xiàn)，因狀態(tài)8是水和蒸汽的混合物，壓縮過(guò)程中壓縮機(jī)工作不穩(wěn)定，同時(shí)狀態(tài)8的比體積比水的比體積大得多，需用比水泵大得多的壓縮機(jī)；2、循環(huán)局限于飽和區(qū)，上限溫度受制于臨界溫度，故即使實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán)，其熱效率也不高；3、膨脹末期，濕蒸汽干度過(guò)小，不利于動(dòng)力機(jī)安全。實(shí)際蒸汽動(dòng)力循環(huán)均以朗肯循環(huán)為其基礎(chǔ)。

第4頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、朗肯循環(huán)及其熱效率

新蒸汽可逆絕熱膨脹作出的技術(shù)功為

wt=h1-h2=p-υ圖上面積e12fe在冷凝器中向冷卻水放出的熱量為

q2=h2-h3=T-s圖上面積m32nm給水泵消耗的功為

Wp=h4-h3=p-υ圖上面積e43fe新蒸汽從熱源吸熱量為

q1=h1-h4=T-s圖上面積m4561nm循環(huán)凈功為

wnet=wt-wp=(h1-h2)-(h4-h3)=p-υ圖上面積1234561循環(huán)凈熱量為

qnet=q1-q2=(h1-h4)-(h2-h3)=(h1-h2)-(h4-h3)所以循環(huán)熱效率為ηt=wnet/q1=（ql-q2）/ql=wt

-wp/q1=[(h1-h2)-(h4-h3)]/(h1-h4)忽略泵功可簡(jiǎn)化為：第5頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、蒸汽參數(shù)對(duì)熱效率的影響

1．初溫t1對(duì)熱效率的影響

在相同的初壓及背壓下，提高新蒸汽的溫度可使熱效率增大。

2．初壓p1對(duì)熱效率的影響

在相同的初溫和背壓下，提高初壓也可使熱效率增大。當(dāng)初壓提高時(shí)，循環(huán)的平均溫差增大，所以循環(huán)的熱效率提高。

3．背壓p2對(duì)熱效率的影響

在相同的p1、t1下降低背壓p2能使熱效率提高，這是由于循環(huán)溫差加大的緣故。

第6頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第7頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

四、有摩阻的實(shí)際循環(huán)

實(shí)際所作的技術(shù)功為

wt,act=h1-h2act=(h1-h2)-(h2act-h2)

第8頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽實(shí)際作功wt,act與理論功wt的比值叫做汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率，簡(jiǎn)稱汽輪機(jī)效率，以ηT表示，即

(11-4)這樣

h2act=h2+(1-ηT)(hl-h2)=h2+(1-ηT)Δh0

(11-5)近代大功率汽輪機(jī)的ηT在0.85～0.92之間。

每千克蒸汽在實(shí)際工作循環(huán)中作出的循環(huán)凈功叫做實(shí)際循環(huán)內(nèi)部功，用wnet,act表示，wnet,act=wt,act-wp,act。忽略水泵功

wnet,act≈wt,act=h1-h2則循環(huán)內(nèi)部熱效率ηi——蒸汽在實(shí)際循環(huán)中所作的循環(huán)凈功與循環(huán)中熱源所供給的熱量的比值為(11-6)第9頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三若再考慮軸承等處的機(jī)械損失，則汽輪機(jī)輸出的有效功，即軸功為

ws=ηmwt,act→ws=ηmηTwt(11-7)或用軸功率表示：

Ps=ηmηTP0=ηmηTD(h1-h2)(11-7a)耗汽率用d表示，則理想耗汽率d0為

d0=D/P0=1/(h1-h2)(11-8)若以實(shí)際內(nèi)部功率pi為基準(zhǔn)，則內(nèi)部功耗汽率為(11-8a)若考慮有效功，則有效功耗汽率

(11-8b)第10頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三11-2再熱循環(huán)

新汽膨脹到某一中間壓力后撤出汽輪機(jī)，導(dǎo)入鍋爐中，使之再加熱，然后再導(dǎo)入汽輪機(jī)繼續(xù)膨脹到背壓p2。這樣的循環(huán)叫做再熱循環(huán)。循環(huán)所作的功(忽略水泵功)為

wnet=(h1-hb)+(h0-h2)加入的熱量為q1=(h1-h2`)+(ha-hb)一般地，中間壓力在(20％～30％)p1范圍內(nèi)時(shí)對(duì)提高ηt的作用最大。

第11頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

11-3回?zé)嵫h(huán)

一、抽汽回?zé)?/p>

從概括性卡諾循環(huán)及定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)可以知道，回?zé)峋褪前驯緛?lái)要放給冷源的熱量利用來(lái)加熱工質(zhì)，以減少工質(zhì)從熱源的吸熱量。目前工程上采用的回?zé)岱绞绞菑钠啓C(jī)的適當(dāng)部位抽出尚未完全膨脹的壓力、溫度相對(duì)較高的少量蒸汽，去加熱低溫凝結(jié)水，已達(dá)到回?zé)岬哪康?。這種循環(huán)稱為抽汽回?zé)嵫h(huán)。

第12頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、回?zé)嵫h(huán)計(jì)算

首先要確定抽汽量α1，它可以從回?zé)崞鞯臒崞胶夥匠淌郊百|(zhì)量守恒式確定。圖11-12是混合式回?zé)崞鞯氖疽鈭D，其熱平衡方程為

(1-α1)(h01`-h4)=α1(h01-h01`)

若忽略水泵功，則h4=h2`，可得

α1=(h01`-h2`)/(h01-h2`)(11-10)

循環(huán)凈功為

wnet=(h1-h01)+(1-α1)(h01-h2)

=(1-α1)(hl-h2)+α1(h1-h0)

從熱源吸入的熱量為

q1=h1-h01`

循環(huán)熱效率

(11-11)

由式(11-10)可以得出

h0`=h2`+α1(h0-h2`)

代入式(11—11)，整理后可得

第13頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

采用抽汽回?zé)?，能顯著提高循環(huán)熱效率，優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于工質(zhì)吸熱量減少，鍋爐熱負(fù)荷減低，因而可減少受熱面，節(jié)省金屬材料；

(2)由于汽耗率增大，使汽輪機(jī)高壓端的蒸汽流量增加，而低壓端因抽汽而流量減小，這樣有利于汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中解決第一級(jí)葉片太短和最末級(jí)葉片太長(zhǎng)的矛盾，提高單機(jī)效率；

(3)由于進(jìn)入冷凝器的乏汽量減少，可減少冷凝器的換熱面積；節(jié)省銅材。

綜上所述，采用回?zé)崂笥诒?，故現(xiàn)代大中型蒸汽動(dòng)力裝置都采用回?zé)嵫h(huán)。當(dāng)然抽汽級(jí)數(shù)過(guò)多會(huì)使系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，因而很少超過(guò)8級(jí)。在采用大型機(jī)組的現(xiàn)代蒸汽電廠中，廣泛采用一次再熱與多級(jí)抽汽回?zé)岬难h(huán)。

第14頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三11—4熱電合供循環(huán)

熱電合供循環(huán)也稱為熱電聯(lián)產(chǎn)或稱熱化。

所謂熱化(即熱電合供循環(huán)，簡(jiǎn)稱熱電循環(huán))就是考慮到這兩種需要，使蒸汽在電廠中膨脹作功到某一壓力，再以此乏汽或乏汽的熱量供給生活或工業(yè)之用的方案，同時(shí)供熱和供電的工廠稱為熱電廠。這時(shí)汽輪機(jī)的背壓(即汽輪機(jī)設(shè)計(jì)排汽壓力)通常大于0.1MPa，這種汽輪機(jī)叫做背壓式汽輪機(jī)。第15頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

因?yàn)闊犭娧h(huán)除了輸出機(jī)械功wnet外，同時(shí)提供了可利用的熱量q2，故衡量其經(jīng)濟(jì)性除了熱效率外同時(shí)需考慮熱量利用系數(shù)ξ。熱量利用系數(shù)ξ定義為ξ=已利用的熱量/工質(zhì)從熱源所吸收的熱量熱電廠的熱量利用系數(shù)則以燃料的總釋熱量為計(jì)算基準(zhǔn)，若以ξ`，表示熱電廠的熱量利用系數(shù)，則ξ`=利用的熱量/燃料的總釋熱量

第16頁(yè)，共18頁(yè)，2023年，2月20日，星期三11-5蒸汽—燃?xì)饴?lián)合循環(huán)

兩種或幾種不同工質(zhì)的循環(huán)互相復(fù)合或聯(lián)合可有效提高整個(gè)聯(lián)合裝置的熱效率。兩氣循環(huán)是兩種工質(zhì)聯(lián)合運(yùn)行的蒸氣循環(huán)。汞、水兩氣循環(huán)的T-s圖如圖11-19所示。圖中1a-2a-3a-5a-1，是汞循環(huán)，1-2-3-5-6-1為水循環(huán)。在循環(huán)參數(shù)為

汞p1=1.962MPa、t1a=582.4℃，p2a=9.81kPa；t2a=249.6℃

水p1=3.5MPa、t6=242.54℃，p2=4kPa、t2=28.98℃

汞—水兩氣循環(huán)的熱效率可達(dá)到50％