工程热力学蒸汽动力循环

第七章蒸汽动力循环第一篇工程热力学2本章主要内容朗肯循环再热循环回热循环热电合供循环目的与要求:掌握各种循环的意义、构成、热经济性(热效率等)计算及影响因素，提高循环热效率的措施等内容。3卡诺循环的工程指导意义Ｔs01234T1T2q1q2210qqws1s22,11tcTT从理论上确定了通过热机循环实现热能转变为机械能的条件及给定温度范围内循环热效率的最高极限值，并指出了提高热机效率的方向和途径，为度量实际热机循环的热力学完善程度提供了标准。对于任意复杂循环，可利用相应的等效卡诺循环（即平均温度法）来分析其热经济性。4任意循环ηt的分析方法——平均温度法2,11tabcdtcABCDTT对于实际的热机循环，在可能的条件下，尽量提高工质的平均吸热温度、降低工质的平均放热温度，是提高循环热效率的根本途径。任意循环abcd的等效卡诺循环为ABCD：循环热效率应相等。TsTm1Tm2abcdABDCs1s21T2T5以水蒸气为工质的卡诺循环能否实现呢？此循环缺点：（1）加热温度T1受临界温度（374℃）限制，不能太高。（2）放热温度T2受环境温度及汽轮机排汽干度（x2≮0.85-0.88）的限制，不能太低。（3）从凝汽器出来的3点状态为湿蒸汽，压缩这样的汽水两相混合物所需压缩机尺寸庞大，耗功量也很多，且工作极不稳定，所以实现3-4的压缩过程不易。由于以上三点原因，此循环热效率并不高，且不利于汽轮机的安全运行，故实际并不采用。一、装置系统组成及T-s图：7-1朗肯循环——蒸汽动力装置的基本循环7四个工作过程：4-1—定压吸热过程（锅炉：Boiler）1-2—绝热膨胀过程（汽轮机：Turbine）2-3—定压放热过程（凝汽器：Condenser）3-4—绝热压缩过程（给水泵：Pump）7-1朗肯循环8二、朗肯循环的热经济指标：411hhq在水泵绝热压缩耗功：322hhq3443hhw2121hhw)()(342143210hhhh41342110121t)()(hhhhhhqwqqq循环净功：循环热效率：Ts123041.循环热效率：在锅炉定压吸热：在凝汽器定压放热：在汽轮机绝热膨胀作功：水泵耗功很少，约占汽轮机轴功的2%，可忽略，即认为：'21213121121thhhhhhhhqw注意不计泵功时：h4=h3=h2′03443hhwTs12304则朗肯循环的热效率可近似地表示为：41342110121t)()(hhhhhhqwqqq式中，h1、h2及h2′由p1、t1及p2在水蒸气图表中查取。hsx=1p1t11p2210ttq36002.汽耗率：表示每产生1kw·h(即3600kJ)的功所消耗的蒸汽量(kg)，用符号d表示.3.热耗率：表示每产生1kw·h(即3600kJ)的功所消耗的热量(kJ)，用符号qt表示.21036003600hhwdkg/kWhkJ/kWh11朗肯循环1243ＴＴＴＴＴＴＴＴＴＴＴＴＴＴＴＴＴBTCPT0s1234127-2蒸汽参数对循环热效率的影响Ts123041T2T122112121(,,)1thhTfptphhT112tpphsx=1p1t11p22设初压p1＝const，排汽压力p2＝const.一、蒸汽初温对热效率的影响：（1）提高初温使平均加热温度升高，而放热温度不变，则朗肯循环的热效率得到提高；（2）排汽干度增加，即x2′x2，这有利于改善汽轮机叶片的工作条件。受到的限制：初温的提高受到过热器金属材料耐高温性能的限制，故目前国产机组的初温一般在560℃左右提高t1对ηt的影响：14设初温t1＝const，排汽压力p2＝const.二、蒸汽初压对热效率的影响：（1）提高初压使平均加热温度升高，而放热温度不变，则朗肯循环的热效率得到提高；（2）x2′x2，影响汽轮机的安全运行。受到的限制：初压的提高受到汽轮机排汽干度下降的限制。故一般同时提高蒸汽的初温及初压，既能提高热效率，又能保证汽轮机叶片良好的工作条件。提高p1对ηt的影响：15设初温t1＝const，初压p1＝const.三、排汽压力对热效率的影响：（1）降低排汽压力使平均放热温度有明显下降，而平均吸热温度相对下降得极少，因此朗肯循环的热效率还是有明显提高。（2）降低排汽压力使汽轮机排汽干度下降，这将不利于汽轮机的安全运行。受到的限制：排汽压力的降低主要受汽轮机排汽干度下降及环境温度的限制。目前火电厂的排汽压力最低在0.004MPa左右降低p2对ηt的影响：新课引入21xpt为解决二者间的矛盾，可对循环方式加以改进：采用再热循环。177-3再热循环再热的概念：当蒸汽在汽轮机中膨胀作功而压力降低到某个中间压力时，把蒸汽从汽轮机引出，送至锅炉的再热器中重新加热，使蒸汽再次达到较高的温度，然后送回汽轮机的低压汽缸继续膨胀作功。采用再热的目的：提高汽轮机排汽干度，为初压的提高创造条件；同时提高循环热效率。18一、装置系统组成及循环T-s图：（以一次再热循环为例）二、循环计算：4-1—锅炉中定压吸热过程；1-a—高压缸中绝热膨胀过程；a-b—再热器中定压吸热过程；b-2—低压缸中绝热膨胀过程；2-3—凝汽器中定压放热过程；3-4—给水泵中绝热压缩过程。)()()()(212110,abbazthhhhhhhhqw循环热效率：4A2b循环净功：1.热效率：循环吸热量：w0=（h1-ha)+(hb-h2)q1=（h1-h4)+(hb-ha)不计泵耗功20二、循环计算：4A2b2.汽耗率：3.热耗率：21036003600hhhhwdbazkg/kWh,,3600tztzqkJ/kWh1.再热的意义：当初压较高时，采用再热可使乏汽的干度显著的提高，增加了汽轮机工作的安全性，同时使循环的热效率得到进一步提高，汽耗率和热耗率都小于同参数的朗肯循环，故现代蒸汽动力装置中，蒸汽初压高于13MPa时都采用再热措施。三、再热循环分析：3.再热次数：再热次数过多，使管道系统复杂，投资增加，运行不便。一般很少超过两次。只有超临界参数机组才考虑采用两次再热。2.再热参数的确定：再热压力pa=p1.(20%--30%)，再热温度tb=t1。新课引入Ts12304C29,004.0C303,9o2o121sstMPaptMPap时时水在锅炉中的低温预热段很长，使循环的平均吸热温度较低，所以朗肯循环的热效率不高。对循环方式加以改进：采用回热循环121TTt237-4回热循环回热：在循环内部工质自身之间的换热。（与外热源无关）抽汽回热：从汽轮机内抽出部分作了一定功的蒸汽，将其引入回热加热器中用于预热锅炉给水。一、装置系统图及T-s图：（以一级抽汽回热循环为例）抽汽率（α）——从进入汽轮机的1kg蒸汽中所抽出的蒸汽量。1.抽汽率α的确定：'20'2'0hhhh由热平衡方程式，可得：故二、一级回热循环计算：))(1()('20'00hhhhkg0h'0h'2hkg)1(kg1注意：h2′为乏汽压力P2下的饱和水焓；h0′为抽汽压力p0下的饱和水焓。1243回热器0’F0给水泵凝结水泵kgkg1kg)1(kg1（1）循环净功：（不计泵耗功）))(1()(20010hhhhw（2）工质从锅炉中吸热：'01200110,))(1()(hhhhhhqwht011hhq2.热效率：Ts10230'(F)(4)1p2p0p0kg1kgkg)1(循环热效率：274.热耗率：,,3600ththqkJ/kWhTs10230'(F)(4)1p2p0p0kg1kgkg)1(3.汽耗率：))(1()(360036002001,0hhhhwdhhkg/kWh28两级抽汽回热循环29三、回热循环的分析（意义）：1、回热循环的热效率高于同参数朗肯循环的热效率，因为回热减少了冷源损失，提高了给水温度（即提高了循环的平均吸热温度）。2、回热虽使汽耗率高于同参数朗肯循环的汽耗率,但由于抽汽，改善了蒸汽的流动，有利于汽轮机结构改进。3、给水温度的提高，使锅炉热负荷及相应受热面（省煤器）减少；由于抽汽使进入凝汽器的乏汽量减少，使凝汽器及其辅助设备尺寸减小，节省材料和投资。4、热耗率低于同参数朗肯循环的热耗率。305、从理论上讲，回热抽汽级数越多则热效率越高，但实际上，随级数增加，热效率增长减慢，且系统复杂，各种费用增加，故需作全面技术经济比较。采用多级回热时：中、低压机组3～5级，高压以上机组7～9级；如330MW机组采用7级抽汽回热。回热虽增加了回热器等设备，使系统复杂，投资增加，但基于上面几点原因，总的来说是利大于弊，所以蒸汽动力装置无论容量大小，都广泛采用了抽汽回热循环。31四、具有一级回热和一次再热的蒸汽动力循环：Fkgkg)1(kg1b12０43kg)1((a)0'Ts0(b)1b023(4)0'(F)kg1kgkg)1(327-5热电合供（联产）循环一、热电合供循环：发电+供热工业用汽压力为0.24—0.8MPa；生活用汽压力为0.12—0.25MPa.二、热电合供循环的类型：（按供热方式不同分）1.背压式热电机组2.调节抽汽式热电机组331、背压式热电机组(p20.1MPa)理论上，K=1，但实际上，由于各种损失，一般K=65%～70%。120:qqwK工质从热源得到的热量被利用的能量能量利用系数优点：①K值较高；②系统简单，投资费用低。缺点：①t有所降低；②供热、供电互相影响；③供热参数单一。应用：热负荷较稳定，且用汽量大的自备电厂。热用户供电供热342、调节抽汽式热电机组优点：①可同时满足供热、供电的需要；②供热可满足不同压力的需要；③热效率比背压式高。缺点：①系统及运行较复杂；②其能量利用系数比背压式低。加热器热用户调节阀供电供热35提高蒸汽动力循环热经济性的途径改变蒸汽参数提高蒸汽初温提高蒸汽初压降低乏汽压力改变循环方式回热循环再热循环热电合供循环燃气-蒸汽联合循环(P121.图4-26)新型动力循环IGCC(P123.图4-28)PCFB-CC…...减少各种不可逆损失36本章小结朗肯循环的装置图、T-s图及蒸汽参数对循环热效率的影响；再热的定义，采用再热的目的，再热循环的装置图及T-s图；抽汽回热的定义，回热循环的装置图及T-s图，采用回热循环的意义；热电合供循环的类型及经济性指标；提高火电厂实际蒸汽动力循环热经济性的途径3738工程热力学复习要点热力过程及热力循环工质的热力性质热力学基本定律基本概念及热力学参数39（一）基本概念及热力学参数),()()(mmHgMPaPappppppvbbg及各种压力单位间的换算负压正压1、状态参数：（1）温度：T=t+273K（2）压力：（3）比体积：v=V/mm3/kg（ρv=1）（4）热力学能：u=f(T,v)kJ/kg（5）焓：h=u+pvkJ/kg（物理意义！）（6）熵：ds=δq/TkJ/(kg.K)——可逆过程2、过程参数：)!:()(:)2()(:)1(2121kWhsTTdsqvppdvw功的单位注意可逆过程示热图图热量示功图图功40（二）热力学基本定律tquwqhw式中各量均取代数值!1、热力学第一定律：（实质及数学表达式）2、热力学第二定律：（实质及文字表述）从传热的角度从热功转换的角度克劳修斯表述开尔文表述41（三）工质的热力性质112212(1):()(2):(:,)(3):(),()(4)ggpvgmpvpvpvRTRRTTccRccCufThfTi