工程热力学-第十章-蒸汽动力装置循环.

第十章蒸汽动力装置循环10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环10-2再热循环10-3回热循环＊10-4热电合供循环＊10-5蒸汽-燃气联合循环＊10-6蒸汽动力装置循环的火用分析火电厂示意图10-1简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环1、水蒸汽的卡诺循环水蒸汽相变时，定温过程即定压过程，易于实现，且在p-v图上定温线和定熵线的斜率相差较大，所以循环净功也较大，理论上能实现卡诺循环（5678）■不采用卡诺循环的原因●放热后的终状态8点为湿饱和蒸汽，压缩两相物质难以实现。●循环只能在湿蒸汽区进行，吸热温度不能超过临界温度，循环温差较小、热效率不高。●绝热膨胀过程的终状态7点干度过小、水含量过大，不利于汽轮机的安全运行。（干度不应低于0.88。）2、朗肯循环及其热效率(Rankinecycle)■流程图1锅炉汽轮机发电机给水泵冷凝器过热器1q2q2643■工作过程●4561：过冷水在锅炉中定压吸热，依次变为饱和水、干饱和蒸汽（定温过程）和过热蒸汽。●12：高温高压的过热蒸汽（新蒸汽）在汽轮机中绝热膨胀，对外作功。●23（22′）：低温低压的湿饱和蒸汽（乏汽）在冷凝器中定压放热（定温过程），变为饱和水。●34：饱和水在水泵中绝热压缩，变为过冷水，供给锅炉循环使用。说明：利用原子能、太阳能作热源时，蒸汽发生器代替锅炉，产生的新蒸汽为饱和蒸汽或稍稍过热的蒸汽■在p-v图和T-s图上的表示■朗肯循环与卡诺循环的区别●乏汽在冷凝器中全部变为饱和水，压缩过程用水泵易于实现。但也多了一段水的加热过程（45），降低了平均吸热温度，对热效率不利。●水的定压吸热过程最终变为过热蒸汽，循环不再局限于湿蒸汽区，提高了平均吸热温度，对热效率有利，并且提高了乏汽的干度。■热效率●锅炉吸热量：●冷凝器放热量：●汽轮机作功：●水泵耗功：12Twhh114qhh223qhh43Pwhh1243()()netTP1/tnetwq●循环净功：●热效率：水的压缩性很小，可以近似认为压缩过程中比体积保持不变，343212()()Pwvppvpp●热效率的近似计算式通常水泵耗功很小（占汽轮机作功的2%左右），可以忽略不计（即3、4点重合），1243121412()()thhhhhhhhhh3、蒸汽参数对热效率的影响■初温的影响●提高初温，可以提高平均吸热温度，提高热效率。●提高初温，可以提高乏汽的干度。●初温受到材料耐热性能的限制，很少超过620℃。1t■初压的影响●提高初压，可以提高平均吸热温度，提高热效率。●提高初压，会产生设备的强度问题。●提高初压，乏汽的干度降低。1p■背压的影响●降低背压，可以降低平均放热温度，提高热效率。●降低背压，乏汽的干度降低。●背压对应的饱和温度必须高于环境温度，因此背压不能任意降低。目前为4～5kPa。●冬天的环境温度比夏天低，因此背压和对应的饱和温度可以比夏天低，热效率比夏天高。2p4、有摩阻的实际循环实际循环中，汽轮机中为不可逆绝热膨胀过程。■热效率●吸热量（不变）：●放热量（增大）：●循环净功（减小）：☆注意：少作的功正好等于多放出的热量，但大于作功能力损失。,,12actnetactTactwwhh222actqhh114qhh●热效率（降低）：,1/inetactwq■汽轮机的相对内部效率实际作功与理论作功之比，一般为0.85～0.92。1212actThhhhT■耗汽率(steamrate)输出单位功量的耗汽量称为耗汽率，单位为工程上常用。●理想耗汽率：●实际耗汽率：0012/1/1/()TdDPwhhkg/Jkg/(kWh)—耗汽量，kg/s。—理想功率，kW。—实际功率，kW。D0P,12/1/1/()actiiTactdDPwhhiP解：根据、，在h-s图上定出新蒸汽状态点1，查得：。过点1作定熵线，与的定压线的交点即为乏汽状态点2。查得：。查饱和水和饱和蒸汽表，当时，，。117MPapo1550Ct13426kJ/kgh25kPap21963.5kJ/kgh25kPap2137.72kJ/kgh320.0010053m/kgv例10-2：我国生产的300MW汽轮发电机组，其新蒸汽压力和温度分别为、，汽轮机排汽压力。若按朗肯循环运行，求：汽轮机所产生的功、水泵功、循环热效率和理论耗汽率。117MPapo1550Ct25kPap汽轮机产生的功：水泵功：循环净功：吸热量：121462.5kJ/kgTwhh43212()17.06kJ/kgPwhhvpp1141312()()3271.22kJ/kgppqhhhhwhhw10.4419nettwq701216.8410kg/Jdhh1445.44kJ/kgnetTP热效率：理论耗汽率：若忽略水泵功，12120.4448thhhh解：汽轮机中为不可逆绝热膨胀，乏汽的状态点为（1）水泵功（不变）：汽轮机产生的功：循环净功：2act2212(1)()2109.8kJ/kgactThhhh17.06kJ/kgPw,121316.3kJ/kgactTactwhh,,1299.24kJ/kgnetactTactP例10-3：按照上例参数，假设锅炉中的传热过程是从831.45K的热源向水传热，冷凝器中乏汽向298K的环境介质放热，且汽轮机相对内效率为0.9，试求：（1）水泵功、汽轮机产生的功和循环净功；（2）循环内部热效率和实际耗汽率；（3）各过程及循环的不可逆损失。（2）吸热量不变，热效率：实际耗汽率：（3）作功能力损失查水和水蒸汽图表，得到：新蒸汽状态点1：，乏汽状态点：，饱和水：，，a)汽轮机中的作功能力损失（不可逆绝热膨胀）,1/0.3972inetactwq7121/()7.59710kg/Jactidhh26.92kJ/(kgK)acts2act220.4761kJ/(kgK)s2137.72kJ/kgh00,,021()()142.44kJ/kgactTgfQfmITsTsssTss16.442kJ/(kgK)s22109.8kJ/kgactho232.88Ct13426kJ/kghb)冷凝器中的作功能力损失（温差传热）放热量：2221972.08kJ/kgactqhh00,,02022()(/)51.8kJ/kgactCgfQfmITsTssTqTssc）锅炉中的作功能力损失（温差传热）水泵中为可逆绝热压缩，d）总作功能力损失或者：工质、热源和环境组成孤立系统，00,,0114()(/)605.4kJ/kgBgfQfmHITsTssTqTss42ss142.4451.8605.4799.68kJ/kgTCBIIII0000120()(//)799.64kJ/kgisoHHITsTsssTqTqT热量损失和作功能力损失分析：锅炉中，热量损失很小（一般在10%以内），但热源温度（831.45K）远远高于平均吸热温度（）因此作功能力损失很大，占总作功能力损失的75.71%。冷凝器中，热量损失很大，但乏汽的温度（32.88℃）非常接近于环境温度（25℃），因此作功能力损失很小，仅占总作功能力损失的6.48%。汽轮机中，为不可逆绝热膨胀过程，没有热量损失，但作功能力损失占总作功能力损失的17.81%。1141/548KmTqs10-2再热循环■问题的提出提高初压，可以提高热效率，但同时乏汽的干度降低。再热循环(reheatcycle)可以在提高初压的同时提高乏汽的干度。■流程图及在T-s图上的表示新蒸汽在汽轮机中膨胀到中间压力以后，进入再热器加热到（或接近）新蒸汽温度，然后再回到汽轮机继续膨胀到背压。（1ab2）■热效率忽略水泵功，●吸热量（增大）：●放热量（增大）：●循环净功（增大）：●热效率（提高或降低）：●理想耗汽率（减小）：12()()netTabwwhhhh112()()baqhhhh1/tnetwq01/Tdw222qhh■热效率的分析再热循环4561ba24=朗肯循环4561c4+附加循环ba2cb●如果中间压力较高，则附加循环的热效率比朗肯循环高，再热循环的热效率提高。反之，如果中间压力较低，则再热循环的热效率降低。●中间压力越高，提高乏汽干度的作用越小，且附加循环占的比例越小，提高热效率的作用越小。●再热循环应以提高乏汽干度为根本目的。●中间压力一般取初压的20%～30%。■优缺点●优点可以在提高初压的同时提高乏汽的干度，从而提高热效率（大约为3%）；耗汽率减小。●缺点投资和运行费用增加。10-3回热循环1、抽汽回热■问题的提出朗肯循环中，进入锅炉的水温度较低，导致平均吸热温度不高、热效率较低。且水的加热过程和水蒸汽的过热过程是有限温差传热，不可逆损失较大。回热循环(regenerativecycle)从汽轮机中抽出尚未完全膨胀的、压力和温度相对较高的少量水蒸汽，来加热锅炉给水，可以提高平均吸热温度和热效率，减小不可逆损失。■流程图及在T-s图上的表示1kg的新蒸汽进入汽轮机，绝热膨胀到状态后，抽出kg进入回热器。剩下的（）kg继续绝热膨胀到状态2，然后进入冷凝器，定压放热变为饱和水再经水泵绝热压缩变为过冷水4，也进入回热器。在回热器中，kg的水蒸汽和（）kg的过冷水4混合，变为1kg的饱和水。然后经水泵绝热压缩进入锅炉，定压吸热变为过热蒸汽，开始新的循环。1011102102、回热循环分析■抽汽量能量方程（吸热量=放热量）：忽略水泵功，1110400(1)()()hhhh42hh110202hhhh■热效率忽略水泵功，●吸热量（减小）：●放热量（减小）：1110qhh222(1)()qhh●循环净功（减小）：11110021210()(1)()(1)()()netwhhhhhhhh说明：质量不同，因此不能直接从T-s图上判断热量的变化。●热效率（提高）：锅炉给水的起始加热温度由提高到，平均吸热温度提高，平均放热温度不变，热效率提高。1/tnetwq102●理想耗汽率（增大）：01/Tdw■优缺点●优点可以提高热效率；吸热量减小，锅炉的热负荷减小；放热量减小，冷凝器的热负荷减小。●缺点投资和运行费用增加；耗汽率增大。目前，广泛采用的是一次再热+多级抽汽回热的循环，抽汽级数不超过8级。＊10-4热电合供循环■问题的提出采用再热、回热后，蒸汽动力循环的热效率仍然很低（40%左右），燃料放出的热量有60%左右散发到环境中（主要是乏汽在冷凝器中排出的），引起“热岛效应”，造成热污染。蒸汽膨胀到一定的压力后（0.3MPa左右，对应的饱和温度为133℃左右），就排出汽轮机来供热，这种同时供电和供热的循环称为热电合供循环（热电循环）(power-and-heatingplantcycle)。■流程图●背压式蒸汽膨胀到一定的压力后，就全部排出汽轮机来供热。这种循环热效率较低，供电量随热用户负荷的变化而变化，适用于热用户稳定的场合。●撤汽式（分汽供热冷凝式）蒸汽膨胀到一定压力后，抽出一部分供热，剩下的继续膨胀，再进入冷凝器。这种循环热效率较高，热用户负荷的变化对供电量的影响较小。可以调节供电和供热的比例，改变抽汽压力和数量，以满足不同热用户的需求。■在T-s图上的表示热电合供循环：（相当于提高背压）123561aa■经济性指标●热效率比朗肯循环要低，但同时利用了热量。●热量利用系数已利用的热量工质从热源所吸收的热量利用的热量燃料的总释热量理想情况可以等于1，一般为70%左右。可见，热电合供循环虽然热效率降低，但能量利用率提高，