蒸汽动力装置循环

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（externalcombustionengine）气体动力循环（活塞式、叶轮式）：内燃机（internalcombustionengine）燃气轮机3456789101112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、地热发电动力循环：以获得功为目的15161718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：20sT4321t1P1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214-5——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sT4321t1P122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）23sP4213PPs56hs132456⑵朗肯循环的P-v图和h-s图P-v图h-s图sPPs246sT54321t1P11T2T⑶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25两相压缩过程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26⑵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sT4321t1P15627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sT4321t1P15628⑷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5629P1、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2130P1、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2T31⑸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(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P11432s2t1sT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33一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：348593.05209.03305.85209.02314.7''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353716.05.1519.345423.22279.3454'2121)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6x20.77080.859336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37⑵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）38⑶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)()(2ba1nethhhhw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)()(ab'211hhhhq再热循环的热效率为)()()()()()()()(ab'21ab21ab'212ba11netreh.t,hhhhhhhhhhhhhhhhqw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sTb1atP2c3439①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1opta,)3.0~2.0(PP②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2x2xc——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③此外，乏汽干度提高对汽轮机的内部效率有利sTb1atP2c34精心设计的再热循环有望直接提高循环热效率4%~5%(2~3.5%)40蒸汽再热循环的实践P110MPa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、300MW，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=12MPa、t1=450℃，