华科热力学第11章蒸汽动力装置循环

2020/1/41第十一章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、地热发电动力循环：以获得功为目的2020/1/42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。2020/1/432020/1/442020/1/452020/1/46BOILERTURBINEPUMPCONDENSERqinwoutqoutwin3124We’llsimplifythepowerplant2020/1/47§11.1蒸汽动力装置的基本循环⑴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234561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：2020/1/48sT4321t1P1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——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2020/1/494-5——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）654——给水（未饱和水）状态(P1)；朗肯循环sT4321t1P12020/1/410给水4(P1,h’2)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,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,h’2)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6sT54321t1P1朗肯循环（重新循环）2020/1/411sP4213PPs56hs132456⑵朗肯循环的P-v图和h-s图P-v图h-s图sPPs2020/1/4126sT54321t1P11T2T⑶蒸汽动力装置为什么不采用卡诺循环平均吸热温度1T朗肯循环1234561平均放热温度2T朗肯循环1234561的热效率12t1TTη同温限的卡诺循环123414q41q41123411234561定温吸热过程41难于实现过热蒸汽不采用卡诺循环2020/1/413两相压缩过程35难于实现6sT54321t1P11T2T2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62356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142020/1/4蒸汽卡诺循环？LowthermalefficiencyCompressorandturbinemusthandletwophaseflowsTheCarnotcycleisnotasuitablemodelforvaporpowercyclesbecauseitcannotbeapproximatedinpractice.1276543(2')8TsBOILERTURBINEPUMPCONDENSERqinwoutqoutwin31242020/1/415⑵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4145611hhqq32232hhqq循环的放热量朗肯循环的热效率)()()()()()(413421413241121Rt,hhhhhhhhhhhhqqq汽轮机输出的技术功给水泵消耗的技术功sT4321t1P1562020/1/416水泵消耗的技术功远小于汽轮机作出的技术功h4=h3=h'2wt,B=h4−h3≈0)()()(413421Rt,hhhhhh汽轮机输出的技术功给水泵消耗的技术功一般占0.8~1%不计给水泵消耗的技术功'2121Rt,hhhhsT4321t1P1562020/1/417⑷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)h'2=f(P2)①P2、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0.86P1'sT112342t1P1P1提高初压力的影响平均吸热温度明显提高1T对机器的强度要求提高'2121Rt,hhhh56562020/1/418热效率与初压的关系2020/1/419P1、P2不变，将初温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P11432t1sTt112t1'②平均吸热温度明显提高1T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℃56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112212020/1/420热效率与初温的关系2020/1/421P1、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sT12'342t1P1降低终压力的影响3'4'③P2'对t,R总是有利略有下降；56冬天循环水温较低，循环热效率较高1T下降明显2T2020/1/422热效率与终压的关系2020/1/423蒸汽参数对循环热效率的影响归纳•1.提高蒸汽p1、T1、降低p2可以提高循环的热效率，因而现代蒸汽动力循环都朝着采用高参数、大容量的方向发展。•2.提高初参数p1、T1后，因循环热效率增加而使动力厂的运行费用下降。但由于高参数的采用，设备的投资费用和一部分运行费用又将增加，因而在一般中小型动力厂中不宜采用高参数。究竟多大容量采用多高参数方为合适，须经全面地比较技术经济指标后确定。2020/1/424•3.尽管采用较高的蒸汽参数，但由于水蒸汽性质的限制，循环吸热平均温度仍然不高，故对蒸汽动力循环的改进主要集中于对吸热过程的改进，即采用种种提高吸热平均温度的措施。蒸汽参数对循环热效率的影响归纳(续)2020/1/425表11-1国产锅炉、汽轮机发电机组的初参数简表低参数中参数高参数超高参数亚临界参数汽轮机进汽压力（MPa）1.33.5913.516.5汽轮机进汽温度（℃）340435535550,535550,535发电机功率（P/kW）1500～30006000～250005~10万12.5万,20万20万，30万，60万2020/1/426⑸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①汽轮机的相对内效率（定熵效率）s2121Thhhh②汽耗率SteamRate(d)单位为kg/J,kg/kJ,也使用kg/(kWh)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：)(2s10hhDP理想汽耗率hkg/kW3600kg/kJ12s12s100hhhhPDd装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量Themassofsteamusedtoperformaunitofwork.P11432s2t1sT实际的基本循环2020/1/427相对于汽轮机的实际输出功率实际汽耗率hkg/kW360021hhPDd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,RBtuT燃料的发热量装置输出的功效率实际蒸汽动力装置的热2020/1/428例5-1一简单蒸汽动力装置循环(即朗肯循环)，蒸汽的初压P1=3MPa，终压P2=6kPa，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=3MPa（过热汽）t1=300℃h1=2992.4kJ/kgs1=6.5371kJ/(kg·K)t1=500℃h1=3454.9kJ/kgs1=7.2314kJ/(kg·K)P2=6kPa的饱和参数：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。查水蒸气表得：2020/1/4298593.05209.03305.85209.02314.7''1)500(2ssssx具体计算如下：7708.05209.03305.85209.05371.6''1)300(2ssssxkJ/kg44.20135.151)7708.01(1.25677708.0']1[)300(2)300(2)300(2hxhxhkJ/kg23.22275.151)8593.01(1.25678593.0']1[)500(2)500(2)500(2hxhxh3446.05.1514.299244.20134.2992'2121)300(hhhhtP11432t1sTt1122020/1/4303716.05.1519.345423.22279.3454'2121)500(hhhhtkg/J100215.11044.20134.29921101633)300(21)300(0hhdkg/J108146.01023.22279.34541101633)500(21)500(0hhd计算结果汇总：t1，℃300500t0.34460.3716d，kg/J1.02151060.8146106x20.77080.85932020/1/431§11.2蒸汽动力装置再热循环⑴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1~2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234561(再热器)(过热器)二次汽一次汽ab以朗肯循环为基础2020/1/432⑵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：一次汽1(P,t)……再热器过热汽1(P,t)（新蒸汽）凝结水3(P2,h’2)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)；sTb1atP2c34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）2020/1/433⑶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)()(2ba