第11章 蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)

第11章

蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)2024/5/91第十一章蒸汽動(dòng)力循環(huán)水蒸氣：火力發(fā)電、核電低沸點(diǎn)工質(zhì)：氨、氟里昂太陽(yáng)能、余熱、地?zé)岚l(fā)電動(dòng)力循環(huán)：以獲得功為目的2024/5/922024/5/932024/5/942024/5/95蒸汽動(dòng)力循環(huán)循環(huán)中工質(zhì)偏離液態(tài)較近，時(shí)而處于液態(tài)，時(shí)而處于氣態(tài)，因而對(duì)蒸汽動(dòng)力循環(huán)的分析必須結(jié)合水蒸氣的性質(zhì)和熱力過(guò)程。由于水和水蒸氣均不能燃燒而只能從外界吸熱，必需配備制備蒸汽的鍋爐設(shè)備，因而裝置的設(shè)備也不同?！巴馊紕?dòng)力裝置”。燃燒產(chǎn)物不參與循環(huán)，因此蒸汽動(dòng)力裝置可以使用各種常規(guī)的固體、液體、氣體燃料及核燃料，可以利用劣質(zhì)煤和工業(yè)廢熱，還可以利用太陽(yáng)能和地?zé)岬饶茉?，這是這類(lèi)循環(huán)的一大優(yōu)點(diǎn)。2024/5/96§11.1

蒸汽動(dòng)力裝置的基本循環(huán)⑴

朗肯循環(huán)蒸汽動(dòng)力裝置由以下基本設(shè)備:鍋爐、汽輪機(jī)、凝汽器、給水泵按圖中所示標(biāo)號(hào)4-5-6-1——給水在鍋爐中定壓加熱形成為過(guò)熱蒸汽；1-2——過(guò)熱蒸汽（新蒸汽）在汽輪機(jī)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(jī)鍋爐給水泵凝汽器234561聯(lián)接構(gòu)成蒸汽動(dòng)力裝置蒸汽動(dòng)力裝置中水蒸氣經(jīng)歷的基本循環(huán)過(guò)程可理想化為：

2024/5/97sT4321t1P1理想化的蒸汽動(dòng)力裝置基本循環(huán)是朗肯循環(huán)1(P1,t1)——進(jìn)入汽輪機(jī)時(shí)的新蒸汽（過(guò)熱汽）狀態(tài)；

2(P2)——從汽輪機(jī)排出時(shí)的乏汽（濕蒸汽）狀態(tài)；

1-2——蒸汽在汽輪機(jī)中絕熱膨脹（定熵）的作功過(guò)程；

2-3——乏汽在凝汽器中定壓（定溫）凝結(jié)放熱過(guò)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(xiàn)段3-4幾乎重合成為一點(diǎn)2024/5/984-5——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(guò)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)sT4321t1P12024/5/99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(guò)熱器過(guò)熱汽1(P1,t1)（新蒸汽）汽輪機(jī)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(dòng)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)）2024/5/910sP

4213PPs56hs132456⑵

朗肯循環(huán)的P-v圖和h-s圖P-v圖h-s

圖sPPs2024/5/9116sT54321t1P1⑶

蒸汽動(dòng)力裝置為什么不采用卡諾循環(huán)平均吸熱溫度朗肯循環(huán)1234561平均放熱溫度朗肯循環(huán)1234561的熱效率同溫限的卡諾循環(huán)1234

14

q4

1>q41

12341>

1234561定溫吸熱過(guò)程4

1難于實(shí)現(xiàn)過(guò)熱蒸汽不采用卡諾循環(huán)2024/5/912兩相壓縮過(guò)程35難于實(shí)現(xiàn)6sT54321t1P12

3

2

濕度太大對(duì)汽輪機(jī)工作不利wnet小若以飽和汽為工質(zhì)實(shí)行卡諾循環(huán)62

3

56若P1較低熱效率反而不如朗肯循環(huán)蒸汽動(dòng)力裝置不采用卡諾循環(huán)2024/5/913⑵

朗肯循環(huán)的熱效率朗肯循環(huán)吸熱和放熱過(guò)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(jī)輸出的技術(shù)功給水泵消耗的技術(shù)功sT4321t1P1562024/5/914水泵消耗的技術(shù)功遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)作出的技術(shù)功h4=h3=h'2wt,B=h4?h3≈0汽輪機(jī)輸出的技術(shù)功給水泵消耗的技術(shù)功一般占0.8~1%不計(jì)給水泵消耗的技術(shù)功sT4321t1P1562024/5/915⑷

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(jì)給水泵消耗的技術(shù)功時(shí)，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(huì)有較顯著的提高乏汽干度x2會(huì)降低乏汽干度x2不得小于0.86P1'sT1

12

342t1P1P1

提高初壓力的影響平均吸熱溫度明顯提高對(duì)機(jī)器的強(qiáng)度要求提高5

6

562024/5/916P1、P2不變，將初溫

t1提高

t,R會(huì)有較顯著的提高乏汽干度x2會(huì)提高同時(shí)提高P1、t1是方向提高初溫的影響P11432t1sTt1

1

2

t1'②平均吸熱溫度明顯提高金屬耐熱要求提高對(duì)機(jī)器的強(qiáng)度要求提高目前可應(yīng)用的t1為550℃56汽機(jī)出口尺寸增大提高初溫的結(jié)果相當(dāng)于在原循環(huán)1234561基礎(chǔ)上附加循環(huán)11

2

212024/5/917P1、t1不變，將終壓P2降低wt,T增大

P2目前實(shí)際已采用至3.5~4kPa，對(duì)應(yīng)的飽和溫度為27~33℃限于循環(huán)水的溫度，已基本達(dá)到極限低值sT12'342t1P1降低終壓力的影響3'4'③P2'對(duì)

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2024/5/918⑸

汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率和汽耗率實(shí)際的汽輪機(jī)內(nèi)部過(guò)程是不可逆的①汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率（定熵效率）②汽耗率(d)單位為kg/J,kg/kJ,也使用kg/(kW

h)為單位不計(jì)給水泵耗功時(shí)，若理想汽輪機(jī)的輸出功率為P0kW，耗汽率為Dkg/s，兩者有以下關(guān)系：理想汽耗率

裝置每輸出單位功量所消耗的蒸汽量P11432s2t1sT實(shí)際的基本循環(huán)2024/5/919相對(duì)于汽輪機(jī)的實(shí)際輸出功率實(shí)際汽耗率

因此實(shí)際蒸汽動(dòng)力裝置整體上講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(shí)際蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)的熱效率

t=

t,R

B

tu

T2024/5/920例11-1(習(xí)題11-1)一簡(jiǎn)單蒸汽動(dòng)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(shí)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(guò)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/kgP11432t1sTt1

1

2

忽略水泵功耗。查水蒸氣表得：2024/5/921具體計(jì)算如下：P11432t1sTt1

1

2

2024/5/922計(jì)算結(jié)果匯總：t1，℃300500

t0.34460.3716d，kg/J1.0215

10

60.8146

10

6x20.77080.85932024/5/923§11.2

蒸汽動(dòng)力裝置再熱循環(huán)⑴帶再熱的蒸汽動(dòng)力裝置

再熱——蒸汽在汽輪機(jī)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(jī)中繼續(xù)作功，或稱(chēng)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(jìn)行多次再熱，但實(shí)際只有1~2次再熱冷卻水汽輪機(jī)鍋爐給水泵凝汽器帶再熱的蒸汽動(dòng)力裝置234561(再熱器)(過(guò)熱器)二次汽一次汽ab以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)2024/5/924⑵蒸汽動(dòng)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(guò)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(jī)前缸絕熱膨脹前缸排汽a(Pa)1-a——一次汽在汽輪機(jī)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(jī)后缸中絕熱膨脹作功

(hb?

h2)

；sTb1atP2c34蒸汽動(dòng)力裝置再熱循環(huán)二次汽b(Pa,t)汽輪機(jī)后缸絕熱膨脹乏汽2(P2,h2)凝汽器定壓放熱（循環(huán)）2024/5/925⑶再熱循環(huán)的熱效率忽略給水泵的功耗時(shí)，再熱循環(huán)輸出的功為一次汽和二次汽在汽輪機(jī)中所作的技術(shù)功之和對(duì)于具有1次再熱的蒸汽動(dòng)力循環(huán)循環(huán)的吸熱量為蒸汽分別在鍋爐的過(guò)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sTb1atP2c342024/5/926①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(gè)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(wú)再熱時(shí)乏汽的狀態(tài)為c；有再熱時(shí)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(jī)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(duì)汽輪機(jī)的內(nèi)部效率有利sTb1atP2c34精心設(shè)計(jì)的再熱循環(huán)有望直接提高循環(huán)熱效率4%~5%(2~3.5%)2024/5/927

蒸汽再熱循環(huán)的實(shí)踐P1<10MPa一般不采用再熱我國(guó)常見(jiàn)再熱機(jī)組t1>600℃，P1>25MPa(超臨界機(jī)組)系統(tǒng)復(fù)雜，初投資增加再熱也帶來(lái)一些負(fù)面影響鍋爐、汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化100、125、200、300MW，P1>13.5MPa——一次再熱——二次再熱2024/5/928例11-2(習(xí)題11-3部分)蒸汽動(dòng)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(shí)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(huà)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/(kg

K)s

,kJ/(kg

K)0.004121.412554.10.42248.47470.5640.12748.51.86046.8215過(guò)熱水蒸氣表

t,℃0.5，

MPa12MPah,kJ/kgs,kJ/(kg

K)h,kJ/kgs,kJ/(kg

K)4003271.87.79443053.36.07874503377.07.94523209.96.30322024/5/929sT1234解：由水蒸氣表查得：P2=4kPa

時(shí)s

=0.4224kJ/(kg

K)s

=8.4747kJ/(kg

K)h

=121.41kJ/kgh

=2554.1kJ/kg,P1=12MPa

t1=450℃h1=3209.9kJ/kgs1=6.3032kJ/(kg

K)題給再熱后（設(shè)為b，過(guò)熱汽）Pb=0.5MPa

tb=400℃hb=3271.8kJ/kgsb=7.7944kJ/(kg

K)2024/5/930sT1234bcaP=0.5MPa時(shí)s

=1.8604

kJ/(kg

K)s

=6.8215kJ/(kg

K)h

=640.1

kJ/kgh

=2748.5kJ/kg,已知再熱時(shí)的狀態(tài)（設(shè)為a）Pa=0.5MPasa值在s

與s

之間，故知a點(diǎn)為濕蒸汽狀態(tài)sa=s1=6.3032kJ/(kg

K)并且

2024/5/931由此ha=xah

+(1-xa)h

=0.8955

2748.5+(1

0.8955)

640.1=2528.17kJ/kg由于h2=x2h2

+(1-x2)h2

=0.7303

2554.1+(1

0.7303)

121.41=1898.00kJ/kg以及hc=xch

+(1

xc)h

=0.9155

2554.1+(1

0.9155)

121.41=2348.54kJ/kgsT1234bca2024/5/932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

第6次作業(yè)：11-32024/5/933§11.3

回?zé)嵫h(huán)現(xiàn)代大型蒸汽動(dòng)力裝置采用多至7~9級(jí)抽汽回?zé)崂士涎h(huán)中放熱過(guò)程溫度為最低，不可能進(jìn)行回?zé)岢槠責(zé)幔鹤鞴^(guò)程中抽出一部分蒸汽來(lái)完成回?zé)崛蝿?wù)回?zé)帷獙⒀h(huán)中某一放熱過(guò)程放出的熱量用于滿(mǎn)足另一吸熱過(guò)程的需要2024/5/934鍋爐23561給水泵氣輪機(jī)1kg

1kg(1–

1)kg1kg010

1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?dòng)力裝置對(duì)于只有1級(jí)抽汽回?zé)岬难b置（按耗汽1kg考慮）：回?zé)岢槠繛?/p>

1kg，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)放出熱量

1(h01-h0

1)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)(h0

1?h

2)回?zé)岢槠旧硪嗄Y(jié)成為0

1狀態(tài)的飽和水(1–

1)kg凝結(jié)水3用凝結(jié)水泵壓送至回?zé)崞鳎ú挥?jì)水泵耗功）=回?zé)崾秸羝麆?dòng)力裝置加熱至狀態(tài)0

1——01壓力下的飽和水(1–

1)kg4

2024/5/935

T-s圖上示出帶1級(jí)回?zé)岢槠恼羝麆?dòng)力裝置循環(huán)過(guò)程

01——回?zé)岢槠臓顟B(tài)

01-0

1——

1kg回?zé)岢槠诨責(zé)峒訜崞髦械亩▔耗Y(jié)放熱過(guò)程4

-0

1——

(1?

1)kg生水在回?zé)崞髦卸▔杭訜徇^(guò)程

4——進(jìn)入鍋爐時(shí)的給水(1kg)

狀態(tài)1432t1sT0

11kg

1kgP1(1?

1)kg011kg(1?

1)kg蒸汽動(dòng)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

)

0

1——回?zé)岢槠麎毫ο碌娘柡退?/p>

0

1-4——給水泵中的絕熱壓縮過(guò)程4

42024/5/936⑵

回?zé)嵫h(huán)的熱效率以1級(jí)抽汽回?zé)釣槔貉h(huán)的吸熱量1432t1sT0

11kg

1kgP1(1?

1)kg011kg(1?

1)kg蒸汽動(dòng)力裝置回?zé)嵫h(huán)4

4忽略水泵功耗時(shí)，循環(huán)輸出的凈功為凝汽和回?zé)岢槠谄啓C(jī)中所作兩部分技術(shù)功之和具有1級(jí)抽汽回?zé)岬难h(huán)熱效率為2024/5/937回?zé)岢槠康拇_定1432t1sT0

11kg

1kgP1(1?

1)kg011kg(1?

1)kg蒸汽動(dòng)力裝置回?zé)嵫h(huán)4

4使用混合式加熱器時(shí)，由能量平衡=ηRt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(shí)質(zhì)在于抽汽部分所完成的循環(huán)熱效率為100%它們是不能獨(dú)立存在的！2024/5/938不計(jì)給水泵耗功時(shí)，循環(huán)輸出凈功為

循環(huán)放熱量循環(huán)吸熱量對(duì)于n級(jí)抽汽回?zé)岢槠?/p>

1、

2、

3、……

n，凝汽份額

c

2024/5/939有n級(jí)抽汽回?zé)岬难h(huán)熱效率⑶

給水回?zé)釒?lái)的好處①