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1、蒸汽动力装置循环,2,概 述,热机：将热能转换为机械能的设备；动力循环：热机中，通过工质的热力循环过程实现热能连续地转换为机械能，其工作循环称为动力循环；根据工质的不同，动力循环可分为：蒸汽动力循环（蒸汽机、蒸汽轮机）：外燃机（external combustion engine）气体动力循环（活塞式、叶轮式）：内燃机（internal combustion engine）燃气轮机,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,研究重点热能利用的经济性，即循环热效率；分析影响循环热效率的各种因素，研究提高循环热效率的途径；研究方法简化：简化热机工作流程；理想化：简单、典型的可逆过程和循环近似实
2、际复杂的不可逆过程和循环。,13,分析动力循环的一般方法,分析动力循环的一般步骤：,1、把实际工作循环简化为理想循环，确定表征循环特性的参数，并表示在p-v图和T-s图上,研究目的：分析动力循环能量转换的经济性，合理安排循环，提高热效率,2、进行参数分析，确定理想循环中各典型点的状态参数，将其表示为工质的初态参数和循环特性参数的函数,3、进行能量分析，确定各个基本热力过程的能量关系，计算出相应的热量、功量及焓的变化,4、进行循环性能的分析，确定表征循环整体性能的各种指标：吸热量、放热量、净热、净功、热效率等,14,蒸汽动力循环,水蒸气：火力发电、核电,低沸点工质：氨、氟里昂,太阳能、余热、地热
3、发电,动力循环：以获得功为目的,15,16,17,18,蒸汽动力循环,循环中工质偏离液态较近，时而处于液态，时而处于气态，因而对蒸汽动力循环的分析必须结合水蒸气的性质和热力过程 。由于水和水蒸气均不能燃烧而只能从外界吸热，必需配备制备蒸汽的锅炉设备，因而装置的设备也不同。 “外燃动力装置”。燃烧产物不参与循环，因此蒸汽动力装置可以使用各种常规的固体、液体、气体燃料及核燃料，可以利用劣质煤和工业废热，还可以利用太阳能和地热等能源，这是这类循环的一大优点。,19,蒸汽动力装置的基本循环, 朗肯循环,蒸汽动力装置由以下基本设备:,锅炉,、汽轮机、,凝汽器、,给水泵,按图中所示标号,4-5-6-1给水
4、在锅炉中定压加热形成为过热蒸汽；,1-2过热蒸汽（新蒸汽）在汽轮机中绝热膨胀作功；,2-3乏汽在凝汽器中定压凝结，成为凝结水；,3-4凝结水由给水泵绝热压缩成给水，返回到锅炉中,冷却水,汽轮机,锅炉,给水泵,凝汽器,2,3,4,5,6,1,联接构成,蒸汽动力装置,蒸汽动力装置中水蒸气经历的基本循环过程可理想化为：,20,s,T,4,3,2,1,t1,P1,理想化的蒸汽动力装置基本循环是朗肯循环,1(P1,t1)进入汽轮机时的新蒸汽（过热汽）状态；,2(P2)从汽轮机排出时的乏汽（湿蒸汽）状态；,1-2蒸汽在汽轮机中绝热膨胀（定熵）的作功过程；,2-3乏汽在凝汽器中定压（定温）凝结放热过程；,3
5、凝结水（饱和水）状态(P2) ；,3-4凝结水在给水泵中绝热压缩（定熵）成为锅炉给水；,由于水几乎不可压缩，垂直线段3-4几乎重合成为一点,21,4-5给水在锅炉省煤器中定压加热成饱和水 (P1 ts) ；,5-6水在锅炉水冷壁中定压加热成为饱和汽 (P1 ts)；,6-1饱和汽在过热器中定压加热成为新蒸汽 (P1 t1)。,（ 4-5-6-1给水在锅炉中定压加热成新蒸汽）,6,5,4给水（未饱和水）状态(P1) ；,朗肯循环,s,T,4,3,2,1,t1,P1,22,给水4,(P1, h2),省煤器,饱和水5,(P1, ts),饱和汽6,(P1, ts),水冷壁,过热器,过热汽1,(P1,
6、t1),（新蒸汽）,汽轮机,绝热膨胀,乏汽2,(P2, h2),凝汽器,定压放热,凝结水3,(P2, h2),给水泵,绝热压缩,给水4,蒸汽动力装置朗肯循环的路径：,定压加热,定压加热,定压加热,6,s,T,5,4,3,2,1,t1,P1,朗肯循环,（重新循环）,23,s,P,4,2,1,3,P,P,s,5,6,h,s,1,3,2,4,5,6, 朗肯循环的P-v图和h-s图,P-v图,h-s 图,s,P,P,s,24,6,s,T,5,4,3,2,1,t1,P1, 蒸汽动力装置为什么不采用卡诺循环,平均吸热温度,朗肯循环1234561,平均放热温度,朗肯循环1234561的热效率,同温限的卡诺循
7、环12341,4,q41q41,123411234561,定温吸热过程41难于实现,过热蒸汽不采用卡诺循环,25,两相压缩过程35难于实现,6,s,T,5,4,3,2,1,t1,P1,2,3,2湿度太大对汽轮机工作不利,wnet小,若以饱和汽为工质实行卡诺循环62356,若P1较低热效率反而不如朗肯循环,蒸汽动力装置不采用卡诺循环,26, 朗肯循环的热效率,朗肯循环吸热和放热过程是定压的,循环的吸热量,循环的放热量,朗肯循环的热效率,汽轮机输出的技术功,给水泵消耗的技术功,s,T,4,3,2,1,t1,P1,5,6,27,水泵消耗的技术功远小于汽轮机作出的技术功,h4=h3=h2,wt,B=h
8、4h30,汽轮机输出的技术功,给水泵消耗的技术功,一般占0.81%,不计给水泵消耗的技术功,s,T,4,3,2,1,t1,P1,5,6,28, 影响朗肯循环热效率的因素,根据状态参数关系,不计给水泵消耗的技术功时，朗肯循环热效率t,R受P1、P2、t1控制,h1= f (P1,t1),h2= f (P2),h2= f (P2), P2、t1不变，将初压P1提高,t,R会有较显著的提高,乏汽干度x2会降低,乏汽干度x2不得小于0.86,P1,s,T,1,1,2,3,4,2,t1,P1,P1,提高初压力的影响,平均吸热温度,明显提高,对机器的强度要求提高,5,6,5,6,29,P1、P2不变，将初
9、温 t1提高,t,R会有较显著的提高,乏汽干度x2会提高,同时提高P1、 t1是方向,提高初温的影响,P1,1,4,3,2,t1,s,T,t1,1,2,t1,平均吸热温度,明显提高,金属耐热要求提高,对机器的强度要求提高,目前可应用的t1为550,5,6,汽机出口尺寸增大,提高初温的结果相当于在原循环1234561基础上附加循环11221,30,P1、t1不变，将终压P2降低,wt,T增大,P2目前实际已采用至3.5 4kPa，对应的饱和温度为27 33限于循环水的温度，已基本达到极限低值,s,T,1,2,3,4,2,t1,P1,降低终压力的影响,3,4,P2,对t,R总是有利,略有下降；,5
10、,6,冬天循环水温较低，循环热效率较高,下降明显,31, 汽轮机的相对内效率和汽耗率,实际的汽轮机内部过程是不可逆的,汽轮机的相对内效率（定熵效率）,汽耗率(d),单位为kg/J,kg/kJ,也使用kg/(kWh)为单位,不计给水泵耗功时，若理想汽轮机的输出功率为P0kW，耗汽率为Dkg/s，两者有以下关系：,理想汽耗率,装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量,P1,1,4,3,2s,2,t1,s,T,实际的基本循环,32,相对于汽轮机的实际输出功率,实际汽耗率,因此实际蒸汽动力装置整体上讲尚需考虑,锅炉的热损失锅炉效率B,管道的热损失管道效率tu,实际蒸汽动力装置循环的热效率,t=t,RBtuT,
11、33,一简单蒸汽动力装置循环(即朗肯循环)，蒸汽的初压P1 = 3 MPa，终压P2 = 6 kPa，初温分别为300和500 。试求不同初温时循环的热效率t、耗汽率d及蒸汽的终干度x2，并将所求得的各值填入下表内，以比较所求得的结果。,解：,P1=3 MPa（过热汽）,t1=300 h1=2992.4 kJ/kg s1=6.5371 kJ/(kgK),t1=500 h1=3454.9 kJ/kg s1 =7.2314 kJ/(kgK),P2=6 kPa的饱和参数：,s=0.5209 kJ/(kgK)，s=8.3305 kJ/(kgK)h=151.50 kJ/kg， h=2567.1 kJ/k
12、g,忽略水泵功耗。,查水蒸气表得：,34,具体计算如下：,35,计算结果汇总：,36,蒸汽动力装置再热循环, 带再热的蒸汽动力装置,再热蒸汽在汽轮机中工作至某一中间压力后重新送回到锅炉的再热器中加热，然后再引回汽轮机中继续作功，或称重热,一次汽再热前的蒸汽,二次汽再热后的蒸汽,一般都再热至初温；理论上可进行多次再热，但实际只有12次再热,冷却水,汽轮机,锅炉,给水泵,凝汽器,带再热的蒸汽动力装置,2,3,4,5,6,1,(再热器),(过热器),二次汽,一次汽,a,b,以朗肯循环为基础,37, 蒸汽动力装置再热循环,设一次汽的参数为P、t，中间再热压力为Pb，再热至初温 t,工质循环路径：,一次
13、汽1,(P, t),再热器,过热汽1,(P, t),（新蒸汽）,凝结水3,(P2, h2),给水泵,绝热压缩,给水4,定压加热,（新蒸汽）,汽轮机前缸,绝热膨胀,前缸排汽a,(Pa),1-a一次汽在汽轮机前缸中绝热膨胀作功 (h1 ha) ；,a-b蒸汽在锅炉再热器中定压再热，吸热 (hb ha)；,b-2二次汽在汽轮机后缸中绝热膨胀作功 (hb h2) ；,s,T,b,1,a,t,P,2,c,3,4,蒸汽动力装置再热循环,二次汽b,(Pa, t),汽轮机后缸,绝热膨胀,乏汽2,(P2, h2),凝汽器,定压放热,（循环）,38, 再热循环的热效率,忽略给水泵的功耗时，再热循环输出的功为一次汽
14、和二次汽在汽轮机中所作的技术功之和,对于具有1次再热的蒸汽动力循环,循环的吸热量为蒸汽分别在锅炉的过热器和再热器中所吸热量之和,再热循环的热效率为,一次汽作的功,二次汽作的功,一次汽吸的热量,二次汽吸的热量,s,T,b,1,a,t,P,2,c,3,4,39,再热措施能否提高循环的热效率取决于中间压力,存在着一个最佳的中间再热压力,再热的目的不全在于靠其直接提高循环的热效率,无再热时乏汽的状态为c；有再热时乏汽的状态为2,x2xc 与Pa有关,再热的目的更重要地还在于它能提高汽轮机乏汽的干度，从而为提高初压力创造条件,此外，乏汽干度提高对汽轮机的内部效率有利,s,T,b,1,a,t,P,2,c,
15、3,4,精心设计的再热循环有望直接提高循环热效率4% 5% (23.5%),40,蒸汽再热循环的实践,P1 10MPa 一般不采用再热,我国常见再热机组,t1600，P125MPa (超临界机组),系统复杂，初投资增加,再热也带来一些负面影响,锅炉、汽轮机结构复杂化,100、125、200、300 MW，P113.5MPa, 一次再热, 二次再热,41,蒸汽动力装置再热循环，蒸汽的初参数为P1=12 MPa、t1=450，终压为P2=0.004 MPa。再热时蒸汽的压力为0.5 MPa，再热后蒸汽的温度为400。试确定该再热循环的热效率和终湿度，将所得的热效率、终湿度和朗肯循环作比较，并在 T
16、-s图上画出该再热循环。附水蒸气表（节录）,饱和水蒸气表,过热水蒸气表,42,s,T,1,2,3,4,解：,由水蒸气表查得：,P2=4 kPa 时,s=0.4224 kJ/(kgK),s=8.4747 kJ/(kgK),h=121.41 kJ/kg,h=2554.1 kJ/kg,P1=12 MPa,t1=450,h1=3209.9 kJ/kg,s1=6.3032 kJ/(kgK),题给再热后（设为b，过热汽）,Pb=0.5 MPa,tb=400,hb=3271.8 kJ/kg,sb=7.7944 kJ/(kgK),43,s,T,1,2,3,4,b,c,a,P=0.5MPa 时,s=1.8604
17、 kJ/(kgK),s=6.8215 kJ/(kgK),h=640.1 kJ/kg,h=2748.5 kJ/kg,已知再热时的状态（设为a）,Pa = 0.5 MPa,sa值在s与s之间，故知a点为湿蒸汽状态,sa = s1 = 6.3032 kJ/(kgK),并且,44,由此,ha=xah+(1-xa)h =0.89552748.5+(1 0.8955)640.1 =2528.17 kJ/kg,由于,h2= x2h2+(1-x2)h2 =0.73032554.1+(10.7303)121.41=1898.00 kJ/kg,以及,hc=xch+(1xc)h =0.91552554.1+(10.
18、9155)121.41=2348.54 kJ/kg,s,T,1,2,3,4,b,c,a,45,该再热循环的终湿度(1 xc)=0.0845,循环的热效率（忽略水泵耗功）,s,T,1,2,3,4,b,c,a,同样初参数，不带再热的朗肯循环热效率为,两种情况相比较，知,t,R t,re,以及,x2 xc,46,回热循环,现代大型蒸汽动力装置采用多至79级抽汽回热,朗肯循环中放热过程温度为最低，不可能进行回热,抽汽回热：作功过程中抽出一部分蒸汽来完成回热任务,回热将循环中某一放热过程放出的热量用于满足另一吸热过程的需要,47,锅炉,2,3,5,6,1,给水泵,1kg,1kg,(11)kg,1kg,0
19、1,01,混合式给水回热器,凝汽器,（冷却水）,凝结水泵,4,1kg, 带抽汽回热的蒸汽动力装置,对于只有1级抽汽回热的装置（按耗汽1kg考虑）：,回热抽汽量为1kg，状态 01；,凝汽量为(11)kg，状态 2,回热抽汽在回热器中定压凝结放出热量1 (h01-h01),两部分水合在一起(1kg)，经给水泵升压成为锅炉给水,(11)kg的凝结水在回热器中吸热(11)(h01h2),回热抽汽本身亦凝结成为01状态的饱和水,(11)kg,凝结水3用凝结水泵压送至回热器（不计水泵耗功）,=,回热式蒸汽动力装置,加热至状态0101压力下的饱和水,(11)kg,4,48,T-s图上示出带1级回热抽汽的蒸
20、汽动力装置循环过程,01回热抽汽的状态,01-01 1kg回热抽汽在回热加热器中的定压凝结放热过程,4-01 (11)kg生水在回热器中定压加热过程,4进入锅炉时的给水(1kg) 状态,1,4,3,2,t1,s,T,01,1kg,1kg,P1,(11)kg,01,1kg,(11)kg,蒸汽动力装置回热循环,剩余的蒸汽继续膨胀至乏汽状态2,并冷凝成凝结水3,加压泵将凝结水升压至回热抽汽压力P01(未饱和水4),01回热抽汽压力下的饱和水,01-4给水泵中的绝热压缩过程,4,4,49, 回热循环的热效率,以1级抽汽回热为例：,循环的吸热量,1,4,3,2,t1,s,T,01,1kg,1kg,P1,
21、(11)kg,01,1kg,(11)kg,蒸汽动力装置回热循环,4,4,忽略水泵功耗时，循环输出的净功为凝汽和回热抽汽在汽轮机中所作两部分技术功之和,具有1级抽汽回热的循环热效率为,50,回热抽汽量的确定,1,4,3,2,t1,s,T,01,1kg,1kg,P1,(11)kg,01,1kg,(11)kg,蒸汽动力装置回热循环,4,4,使用混合式加热器时，由能量平衡,=Rt,回热使循环的热效率得到了提高,回热之所以能够提高循环热效率其热力学实质在于,抽汽部分所完成的循环热效率为100%,它们是不能独立存在的！,51,不计给水泵耗功时，循环输出净功为,循环放热量,循环吸热量,对于n级抽汽回热,抽汽
22、1、2、3、n，凝汽份额c,52,有n级抽汽回热的循环热效率, 给水回热带来的好处, 给水回热可以显著提高循环的热效率,回热抽汽所作的那部分功是没有冷源损失的(q2=0),在满足回热能量平衡的条件下：,回热抽汽量越大越好,回热抽汽压力越低越好, 提高汽轮机的内部效率,减小汽轮机低压缸的尺寸，使末级叶片减短,53, 减轻凝汽器的负担，减小其尺寸；减小循环水量, 减小了锅炉省煤器的负担；,现代火力发电产中的蒸汽动力装置无一例外地都采用了回热循环,采用回热并不妨碍采用再热，大型机组既实行再热，也采用回热,利于增大空气预热器受热面,相应的负面影响：,汽耗率增大,初投资增加,系统复杂性增加,54,热电联
23、产(供)循环,热电联供(产)用电厂作过功的蒸汽向热用户供热, 背压式汽轮机供热循环,背压式气轮机为适应供热需要而有较高排气压力的汽轮机(背压0.1MPa),汽轮机,锅炉,给水泵,热用户,2,3,4,5,6,1,背压式气轮机供热装置,缺点,电、热负荷难于兼顾,工质损失可能较大,优点系统简单,4561锅炉中定压加热过程,12汽机中绝热膨胀过程,23热用户（加热器）中定压凝结放热过程,34回水在给水泵中绝热压缩过程,55,锅炉,2,3,5,6,1,回水泵,01,换热器(热用户),凝汽器,给水泵,4,调节阀, 可调节抽汽式热电联供循环,热、电负荷可以单独调节，运行方式灵活, 热电联供循环的经济性评价,能量利用系数,可调节抽汽式汽轮机,可调节抽汽式热电联供装置,56,燃气-蒸汽联合循环,T,s,燃气轮机循环,蒸汽轮机循环,燃气轮机排气,400600,废热锅炉,过热汽,汽轮机,燃气-蒸汽联合循环,57,提高循环热效率的途径,改变循环参数,提高初温度,提高初压力,降低乏汽压力,改变循环形式,回热循环,再热循环,热电联产,燃气-蒸汽联合循环,新型动力循环,（磁流体发电联合循环、煤气化燃料电池联合循环）,
