汽轮机原理设备及运行之工程热力学基础

热力发电厂的分类分类方法热力发电厂类型一次能源化石燃料电厂，原子能发电厂，地热发电厂，太阳能发电厂，磁流体发电厂能量供应供应电能的凝汽式电厂，供应电能、热能的热电站原动机类型汽轮机发电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂、蒸汽－燃气轮机发电厂电厂总容量小容量发电厂、中容量发电厂、大容量发电厂蒸汽初参数中、低压发电厂，高压发电厂，超高压发电厂，亚临界发电厂，超临界、超超临界发电厂电厂位置坑口、港口、路口电厂，负荷中心电厂，位于煤源与负荷中心间电厂承担负荷带基本负荷、带中间负荷、带尖峰负荷电厂机炉配合非单元机组、单元机组电厂服务范围系统中发电厂，区域性电厂，自备电厂，列车电站，孤立电厂现代汽轮机发电厂的组成及生产过程•现代热力发电厂的主要组成部分包括热力和电气两大部分，锅炉、汽轮机和发电机为发电厂的三大核心设备。•现代汽轮机发电厂的生产过程–从能量的观点看，热力发电厂的基本过程是：燃料的化学能热能机械能电能（锅炉）（汽轮机）（发电机）火力发电厂生产系统示意图制粉及燃烧系统•制粉系统煤皮带运送机原煤仓给煤机磨煤机粗粉分离器旋风分离器煤粉仓给粉机输粉管喷燃器炉膛•燃烧系统燃料在炉膛内燃烧，以辐射换热方式将热量传递给炉墙内壁四周的水冷壁内的介质；燃烧产物为高温烟气和灰渣。高温烟气：依次经过过热器、省煤器、空气预热器、除尘器、引风机、烟囱，排入大气。灰渣、飞灰：用水冲入冲渣沟和冲灰沟。汽水系统锅炉给水由给水箱给水泵高压回热加热器省煤器汽包下降管下联箱水冷壁管汽包过热器主蒸汽管汽轮机凝汽器热井凝结水泵低压回热加热器除氧器给水箱冷却水系统江河（或冷却水池）中的水吸水滤网循环水泵冷却水进水管凝汽器冷却水出水管江河（或冷却水池）工程热力学基础工程热力学是研究热现象的学科。工程热力学是热力学的一个分支，主要研究热能与机械能之间相互转换时的量与质的关系，着重研究热能转变为机械能的基本规律，并寻求进行这种转换的最有利的条件。工程热力学为人们正确理解发电厂中的能量转换过程，正确理解热力设备的原理等提供了必要的基础理论知识。工质是指参与热功转换的媒介物质。如：汽轮机是以水蒸汽作为工质的。工质及其基本状态参数状态参数—描述工质在某一给定瞬间的物理特性的各个宏观物理量。基本状态参数—可以直接测量得到的状态参数,如温度、压力、比容。温度：表示物体冷热程度的物理量。与物体内部大量分子的不规则运动有关。温度越高，分子热运动就越剧烈，用符号T或t表示。热力学中，温度的量度采用热力学温标(T)，单位是开尔文(K)。温度计：测量温度的仪表。如：水银玻璃杆温度计；热电偶和热电阻；光学温度计等。压力(P)：大量分子对容器壁面频繁撞击的平均结果。以单位面积承受的垂直作用力的大小来表示。物理中的压强压力的国际标准（SI）单位：Pa，kPa，MPa。(1Pa=1N/m2，1MPa=106Pa，1kPa=103Pa)非SI单位：bar、mmHg、mmH2O、kgf/cm2等。1bar=105Pa;1atm(标准大气压)=760mmHg=1.013*105Pa;1at(工程大气压)=1kgf/cm2=735.6mmHg=0.98067*105Pa;1mmHg=133.321Pa;1mmH2O=9.8067Pa.绝对压力：气体的实际压力P相对压力的测量：当实际压力P高于当地大气压Pb时，压力测量表的读数为表压力Pg；当实际压力低于当地大气压时，压力测量表的读数为真空度Pv。比容(v)：单位质量的工质所占有的容积。单位：m3/kg密度(ρ)：比容的倒数。单位容积内工质的质量。单位：kg/m3mVvvVm1热力学的几个概念热力系统：工程热力学中把所要研究的，为一定界面所包围的物质系统，称为热力系统。外界：热力系统以外的其它物体统称外界。开口系：与外界有物质交换的热力系。闭口系：与外界无物质交换的热力系。绝热系：与外界无热量交换的热力系。平衡状态：在外界条件不变的情况下，即使经历较长时间，系统的宏观特性仍不发生变化，这种状态称为平衡状态。热力系统、外界和边界热力系统就是人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。热力系统简称系统、体系。与热力系统发生质、能交换的物系称为外界。热力系统与外界的分界线（面）称为边界。为分析问题方便起见，把热力学分析的对象从周围物体中隔离出来。AB1）热力系统的分割完全是“人为”的，因此对于不同的问题，甚至对于同一问题可取不同的系统。例如研究向容器充气，可以取容器为系统，也可取充入容器的气体和原在容器内的气体一起为系统。若没有质量越过边界，则系统称为闭口系（又称控制质量，用CM表示）；若通过边界系统与外界有质量交换，则称为开口系（又称控制体积，用CV表示）；与外界无热量交换的系统称为绝热系；本课程研究最多的是由可压缩物质组成的，无化学反应、与外界有能量交换的有限物质系统，称为简单可压缩系统。理想气体与实际气体理想气体：它的分子是不占有容积的质点，分子之间也不存在相互作用的内聚力。–常见气体，其性质大致接近于理想气体。那些离液态不远的气体（如：水蒸汽）除外。实际气体。热力发动机中用来作为工质的水蒸汽和制冷机中的制冷剂距液态不远，而且工作过程中有物质的集态变化。因此，这些工质一般不能作为理想气体看待。饱和状态是这类工质的重要性质对蒸汽动力循环、制冷循环和湿空气过程的理解和分析有重要作用。理想气体状态方程•物理学告诉我们：–P——气体的绝对压力（N/m2orPa）；–v——气体的比容（m3/kg）；–T——气体的热力学温度（K）；–R——气体常数（N.m/kg.K）。RTpvRTpv热力学状态平衡状态：只要不受外界环境的影响，工质的状态就不会随时间而变化，并且在工质的内部各处都具有相应相同的压力、温度和比容等状态参数。第四节热力学第一定律26热力学第一定律表述为：热可以变为功，功也可以变为热。一定量的热消失时，必产生数量与之相当的功；消耗一定量的功时，必产生数量与之相当的热。热力学第一定律也称为能量守恒与转换定律工质的内能内能是指工质在某种状态下内部所蕴藏的总能量，包括内动能和内势能。热力学第一定律解析式1（闭口系）：q=△u+w上式表明：加给工质的热量，一部分用来改变工质的内能，另一部分则用来使工质膨胀而对外作功。内动能分子运动的动能。工质内部分子运动的动能愈大，工质的温度愈高，内动能是温度T的单值函数；内势能分子之间由于相互作用力而具有的能量。工质的内势能与工质的比容有关，是比容v的函数。理想气体由于不存在内聚力，故内势能为零。工质的内能，决定于工质的热力学温度和比容，即：u=f(T,v)。这表明：工质内能的大小完全取决于它所处的热力学状态。内能u是工质的一个状态参数。理想气体的内能，是温度的单值函数。膨胀功是气体体积变化而与外界交换的功。功与压容图功被定义为力及沿力方向所产生位移的乘积。气缸中有1kg气体，压力为p，内装一无摩擦可移动活塞，截面积为f，作用于活塞里侧的力pf稍大于作用于活塞外侧的力Fout，则气体将发生膨胀而使活塞向右移动dx的距离,则缸内气体对活塞所作的微元功为：dwpfdxpdv当此1kg气体从状态1变化到状态2时，所作的膨胀功为：（J/kg）21vvwpdv功在p-v图上可用过程线与v轴包围的面积表示。功与热量在热力学研究工质的热功转换规律时：功是过程的函数；热量也是如此。作功与传热是能量传递的两种基本方式–“功”是由压力差的作用而传递的能量；–“热量”是由温差的作用而传递的能量。二者都是能量在传递过程中的度量，且可相互转换。热量与温熵图热量是由温度差的作用而产生的能量。可逆过程（工质与热源无温差换热，可理解为有温差但是温差无穷小，T工质温度）中，过程中的微元传热量可表示如下：过程总传热量可表示如下：由此得到熵的定义式：21ssqTdsdqdsTdqTdsp-v图和T-s图功可用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示；热量可用T-s图上过程线与s轴包围的面积表示，所以p-v图和T-s图是分析气体热力过程的能量变化的有力工具。在p-v图能够确定过程功的正或负；在T-s图上能够确定过程热量的正或负，对过程能量转换分析带来极大的方便。第六节稳定流动能量方程式稳定流动：工质的流动情况不随时间而变化，即工质在设备任何截面上的所有状态参数和流速的平均值不随时间而改变，而且在同一时刻流经任何截面的流量均相同。稳定流动能量方程式如图所示，1kg工质从1-1截面进入系统，从2-2截面流出系统。当该工质从1-1截面进入系统时，带入系统中的总能量为：11121121vpgZcu22222221vpgZcu该工质从2-2截面流出系统时，传出系统的总能量为：考虑到和，根据能量守恒与转换定律可得出下列方程式：可写成：令：，则：适用于开口系qiwiwvpgZcuqvpgZcu2222221112112121iwZZgccvpvpuuq12212211221221pvuhitwZZgccw1221222121ttqhhwhw焓(h)：h=u+pv(J/kg)；因为u、p、v都是状态参数，所以焓也是状态参数。代表每kg工质沿流动方向往前传递的总能量中直接取决于热力状态的部分。技术功（wt）：从热力设备中流出来的技术上可资利用的功量。itwZZgccw12212221在p-v图上可用过程线与p轴包围的面积表示。技术功又等于工质膨胀功与流动功的代数和：22112211twpdvpvpvvdp流动功是开口系输出和输入的推动功的差，等于p2v2-p1v1，是开口系维持流动必须付出的代价。流动功0,可以用于输出机械功，比如汽机；流动功0,需要消耗机械功，比如泵。因此蒸汽流过汽轮机时，输出轴功由实质两部分组成：1、工质本身降压膨胀时的膨胀功；2、出口压力很低，所需推动功p2v2远小于带入推动功p1v1，多余的推动功即流动功可以转化为轴功。因此蒸汽在汽轮机中开始膨胀做功时的压力越高，流出汽轮机时压力越低，则膨胀功和流动功越大，输出轴功越多。当工质在进出口处的流速变化不大、进出口高度差也可不考虑时，则动能变化及位能变化均可忽略不计，比如蒸汽轮机。此时，轴功就等于技术功tiww稳定流动能量方程式的应用工质流过汽轮机时:21ttqhhwhwitwZZgccw12212221上式表明,工质在流过汽轮机时输出到外界的轴功等于工质焓的减小。第七节水蒸汽在定压下的形成过程水蒸汽在定压下的形成过程未饱和水饱和水湿蒸汽干蒸汽过热蒸汽水蒸汽的形成过程在T-s图上的表示Mc—饱和水线；Nc—干饱和蒸汽线；—液体热；r—汽化潜热；—过热热量；c—临界点lqsuq过热度：过热蒸汽温度t超过蒸汽压力对应的饱和温度ts的数值。水的临界点参数：tc=374.15℃；pc=22.129MPa；vc=0.00326m3/kg干度：湿蒸汽中所含干蒸汽的质量百分数。设零度水的焓为0，液体热：ql=h′，汽化潜热：r=h″-h′，过热热量：qsu=h-h″。所以：h′=ql；h″=ql+r；h=ql+r+qsu。温熵图上任一点的焓值都可以用通过该点的定压线、垂直线、纵坐标轴和横坐标轴这样四条线为界线的一块面积来表示为什么用图表？1、工程中需要这些数据：h,v,s等已知：汽轮机蒸汽进出口参数，怎样求作功？可由图表根据p1t1p2t2求出焓降，从而得出作功的大小2、水蒸汽不同于理想气体，其状态方程极其复杂。所以一般按温度和压力编排成类似于数据库的表格，以便查取不同热力状态下水蒸汽的多种热力参数(焓、熵、比容)水和水蒸汽表(离散的点)或将这些数据拟合成曲线焓熵图(离散与连续的结合)来源：实验数据整理水蒸汽表目的：tphrtspsv查取方法:插值法–饱和水、干蒸汽、未饱和水、过热蒸汽可通过水蒸汽表直接查出。–湿蒸汽参数可按下式计算：温熵图焓熵图线算图、莫里尔(德)来源：水蒸汽表目的：直接查取Δha定压加热b绝