汽輪機熱力循環(huán)

1、汽輪機的熱力循環(huán)一、相關定律一、相關定律1、熱力學第一定律（能量守恒定律） 自然界中的一切物質(zhì)都具有能量，能量不能被創(chuàng)造也不會被消滅，但能量可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，且轉(zhuǎn)化過程中能量總量保持不變。 電廠中： 2.1 熱力學回顧化學能熱能動能機械能電能鍋爐靜葉動葉發(fā)電機2、熱力學第二定律（能量轉(zhuǎn)化定律）1）克勞修斯表述（1850，D Clausius）： 熱不可能自發(fā)的不付代價地從低溫物體傳至高溫物體（熱能傳遞的方向性問題）。2）開爾文表述： 1824.Sadi Carnot：凡有溫差的地方都能產(chǎn)生動力（熱能轉(zhuǎn)化機械能的根本條件）。 1851.Lord Kelvin & Max Plant

2、：不可能制造出從單一熱源吸熱使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其它任何變化的熱力發(fā)動機（第二類永動機、水壩高水位無低水位無法做功）。2.1 熱力學回顧熱能與動力工程專業(yè)4/1072.1 熱力學回顧3、卡諾循環(huán) 1）定義：卡諾循環(huán)是由完全氣體（理想氣體）作工質(zhì)，經(jīng)過兩個定溫過程和兩個等熵過程構成的理想循環(huán)。在相同溫度范圍內(nèi)卡諾循環(huán)的熱效率最高。12：定溫吸熱，工質(zhì)由高溫的定溫熱源吸熱；23：絕熱膨脹，工質(zhì)溫度降低，對外做功；34：定溫放熱，工質(zhì)在低溫熱源中定溫放熱（有利于下一步壓縮）；41：絕熱壓縮：對工質(zhì)進行壓縮提供熱量。熱能與動力工程專業(yè)5/107121qqqC2）卡諾循環(huán)效率說明： T1，T2c；

3、cTm，又因為循環(huán)放熱溫度同為Tk，根據(jù)熱工原理，朗肯循環(huán)可等效化為“相當卡諾循環(huán)”。2.3 蒸汽參數(shù)對循環(huán)效率的影響121211TTqqqCmkTT1熱能與動力工程專業(yè)13/107mktTT1其熱效率可表示為：原循環(huán)初溫上升后結論：提高汽輪機初溫可以提高循環(huán)熱效率同時也提高了末級次末級的干度，減少濕氣沖蝕2.3 蒸汽參數(shù)對循環(huán)效率的影響tt1mktTTmmTT t=600cp0t (%)540c480c450c400c050100150200250ata354045abcdeasednmmT熱能與動力工程專業(yè)14/1072、初溫t0的限制條件金屬材料耐高溫性能的限制，目前t0566。（1）高

4、溫引起金屬材料蠕變速度增加；（2）目前高溫材料性能差（導電性能工藝性能）價格高: 普通碳素鋼： 1 珠光體鉻鉬不銹鋼： 1.83.7 奧氏體鎘鎳不銹鋼： 12.818（3）工程實踐表明t0不能太高2.3 蒸汽參數(shù)對循環(huán)效率的影響t=600cp0t (%)540c480c450c400c050100150200250ata354045熱能與動力工程專業(yè)15/107二、蒸汽初壓p0對循環(huán)效率的影響1、假設t0=const，pk=const循環(huán)循環(huán)原循環(huán)原循環(huán)aabcdeap0循環(huán)循環(huán)aabcdea壓力p0p0放熱溫度TkTk吸熱平均溫度TnTn循環(huán)效率t=1-Tk/Tnt=1-Tk/TnTn Tn

5、tTk三、排汽壓力pk對循環(huán)效率的影響1、假設p0=const，t0=const，排汽壓力pk下降到pkabcdeaTSeaaT0,P0TK,PKTK,PK1122.3 蒸汽參數(shù)對循環(huán)效率的影響1-Tn/Tk1-Tn/Tktt放熱溫度Tk Tk熱能與動力工程專業(yè)20/1072、結論 1）降低排汽壓力pk可以提高循環(huán)效率。（采用冷凝式蒸汽動力循環(huán)就是為了降低排汽壓力提高循環(huán)效率） 2）但排汽壓力不能無限降低，受到以下條件限制：pk下降末級濕度增加（要求濕度1214%）pk不能過小2.3 蒸汽參數(shù)對循環(huán)效率的影響abcdeaTSeaaT0,P0TK,PKTK,PK112%5 .30%05.27/%

6、)05.27%3 .35(/tt例：某25MW汽輪機，p0=3.43MPa,t0=435c1）當pk=1ata=0.0987MPa時，t=27.05%2）當pk=0.1ata=0.0098MPa時，t=35.3%熱能與動力工程專業(yè)21/1073、說明1）pk與冷卻水溫有關，冷卻水溫取決于環(huán)境溫度（氣溫），同時考慮傳熱端差，即排汽溫度必然高于冷卻水溫，如使排汽壓力低于自然環(huán)境對應的冷卻水溫，則須采用制冷設備，得不償失。2.3 蒸汽參數(shù)對循環(huán)效率的影響2）影響pk的因素： 冷卻水溫tw1；冷卻水量wt； 冷卻方式t機組容量pk盡量??； 末級尺寸比容Pa 大電廠投資費用w 燃料價格熱能與動力工程專業(yè)

7、22/107小結：1. 初溫t0的影響：2. 初壓p0的影響：3. 背壓pk的影響：2.3 蒸汽參數(shù)對循環(huán)效率的影響t0Tm t；末級干度 減輕沖蝕，降低撞擊損失；abcdeasednmmTp0Tn t；末級干度 沖蝕增強，撞擊損失增大；abcdeaTSeabcdp0p0Tkt0TnTn注：一般情況下增大p0的同時要提高t0pk Tk t；末級干度 沖蝕增強，撞擊損失增大；abcdeaTSeaaT0,P0TK,PKTK,PK112mktTT1熱能與動力工程專業(yè)23/107給水泵鍋爐過熱器1過熱器2BTHTLGPkP0 t0Pre trePre t re一、熱力系統(tǒng)及熱力循環(huán)1、熱力過程：由鍋爐

8、過熱器1送出的新汽p0，t0，i0在高壓汽輪機TH中做功后，壓力降到pre，再引回過熱器2加熱至Tre，然后進入低壓汽輪機TL做功直至排汽壓力pk注：再熱過程僅有溫度變化，壓力保持不變2.4 蒸汽中間再熱循環(huán)熱能與動力工程專業(yè)24/107abcdeasenTffm m2、熱力循環(huán)csiffmm加熱加熱放熱放熱i0p0i0-ireire-ik其作用在于：（1）提高吸熱平均溫度Tnt； （2）降低末級蒸汽的濕度t，腐蝕； （3）增加吸熱過程對外輸出功率2.4 蒸汽中間再熱循環(huán)給水泵鍋爐過熱器1過熱器2BTHTLGPkP0 t0Pre trePre t re熱能與動力工程專業(yè)25/107abcdea

9、snTfmi0iaikikireireie二、中間再熱循環(huán)的熱效率（按理想情況）csiirei0p0ikireprepkL0L0q10 按理想情況分析循環(huán)的熱效率，由T-S圖可見，可將中間再熱循環(huán)看做是兩個循環(huán)：（1）基本循環(huán)aabcdea 效率t0（2）附加循環(huán)emnfe 效率t0 (附加循環(huán)吸熱溫度高)2.4 蒸汽中間再熱循環(huán)熱能與動力工程專業(yè)26/107 10rereiiq圖中：中間再熱前的焓降中間再熱后的焓降對基本循環(huán)加入的熱量對附加循環(huán)加入的熱量2.4 蒸汽中間再熱循環(huán)abcdeasnTfmi0iaikikireireie00reiiLkreiiL 0aiiq010熱能與動力工程專業(yè)

10、27/1071010 0101000)()(qqiiiiqqLLkrerere100101000)(qqqiiiitee因此，中間再熱循環(huán)的熱效率為：式中：2.5 蒸汽中間再熱循環(huán)）（將分子eiire1010 0)()()(qqiiiiiiekrereereabcdeasnTfmi0iaikikireireie100101020102010 )()(qqqqqqqiiiitekrere熱能與動力工程專業(yè)28/107分析上式：（1）若t0=t0，則re=t0，無效益；（2）若t0t0；（3）若t0t0，則ret0時，中間再熱循環(huán)效率才能提高。欲使t0t0，就應使附加循環(huán)平均吸熱溫度具有較高數(shù)值，

11、這取決于再熱蒸汽的參數(shù)選擇，一般而言，基本循環(huán)與附加循環(huán)的放熱溫度相同，只要中間再熱參數(shù)pre與tre選取恰當（pre=0.180.26p0，tre與t0相近），附加循環(huán)平均吸熱溫度總是高于基本循環(huán)，因而中間再熱總能提高熱效率。熱能與動力工程專業(yè)29/107三、中間再熱參數(shù)的選擇1、再熱溫度tre 的選取： 由于tre增大可使re升高，應盡量提高tre，但tre受到材料的限制，現(xiàn)一般取tre=t0（在同一鍋爐中再熱），國外機組也有tre略低于t0的情況。2.4 蒸汽中間再熱循環(huán)2、再熱壓力pre的選?。篴bcdeasegTffget0p0prepre1）假設Tre=T0，對于附加循環(huán)fgee（

12、Pre較高）和fgee（Pre較低），由于ret0的情況。熱能與動力工程專業(yè)30/1072）隨著Pre：附加循環(huán)平均吸熱溫度T1mret0；附加循環(huán)功率增量，直至接近0，因此導致附加 循環(huán)設備未起作用2.4 蒸汽中間再熱循環(huán)abcdeasegTffget0p0prepre3）隨著Pre：功率,但附加循環(huán)效率，若T1mPrPk），抽出部分蒸汽加熱將要送入鍋爐的給水，使給水得到加熱，這種循環(huán)稱為“給水回熱循環(huán)”或“給水預熱循環(huán)”或“回熱抽氣循環(huán)”，簡稱“回熱循環(huán)”。2.5 給水回熱循環(huán) 基本思路：1）減少換熱溫差換熱損失2）抽汽流循環(huán)效率100%（無效熱損失）熱能與動力工程專業(yè)33/1072.5

13、給水回熱循環(huán)1）鍋爐供新汽 D（P0,t0,i0）進入汽輪機做功P0下降至Pr，抽出部分汽體 Dr 到加熱器加熱給水,余下Dk 在汽輪機中繼續(xù)膨脹做功。)(rkDDD 做功結束的蒸汽在排氣壓力Pk下在冷凝器中凝結成水，由凝結水泵打入加熱器，自抽汽吸熱，溫度由tk增加到,tfw再由給水泵打入鍋爐，完成一個循環(huán)。熱能與動力工程專業(yè)34/1072.5 給水回熱循環(huán)2）回熱循環(huán)可分為以下兩個循環(huán)：循環(huán)1：由凝結汽流Dk=D-Dr構成；這部分汽流一直由P0膨脹至Pk做功，是純冷凝循環(huán)，即朗肯循環(huán)，效率為t。循環(huán)2：由回熱抽汽Dr構成；該部分蒸汽抽出前在汽輪機中做功壓力由P0下降至Pr，做功（i0-ir）

14、，抽出后對給水加熱，其熱量傳給水，設有冷源損失（凝汽器中凝結放熱），循環(huán)效率理論上可以達到t=100%。熱能與動力工程專業(yè)35/1072.5 給水回熱循環(huán)3）結論：以上兩個循環(huán)總循環(huán)效率高于原始郎肯循環(huán)效率:4）實際應用中，一般為多級回熱（29）級，效率較純冷凝機組提高610%（相對），小功率機組35級，大機組69級。5）優(yōu)點：提高循環(huán)熱效率（減少冷源損失）；對排氣溫度沒有影響；tt 熱能與動力工程專業(yè)36/1072.5 給水回熱循環(huán)二、給水回熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性二、給水回熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性1）單級給水回熱循環(huán)效率：蒸汽總流量 ：D抽氣量：Dr凝汽量：Dk給水焓 （進入鍋爐）凝結水焓 （冷凝器后）1kr

15、DDDDkkrrfwtkt熱能與動力工程專業(yè)37/1072.5 給水回熱循環(huán)2）每1kg蒸汽做功：（對汽輪機）凝汽流：抽汽流：總做功：3）每1kg蒸汽吸熱：根據(jù)加熱器熱平衡方程確定給水焓tfw)()()()(0000rrkkrrikrkrrrrrikkkkiiiihHlllhiilHiilkkti fw0tiq0rrkkkrrrkkfwkrrrkkfwitittitt1熱能與動力工程專業(yè)38/1072.5 給水回熱循環(huán)rri，fwkrtkkktt，)()()()()(00k0kr0rrrkk0krrrkk0fw0tiiiqitiititiq吸熱量：熱能與動力工程專業(yè)39/1072.5 給水回熱

16、循環(huán)4）絕對效率：比較純冷凝機組效率:)()()()(0000rrkkrrkk0hiiitiiiiiql循環(huán)吸熱量汽輪機作功）越大，效率越高。凝汽機組高，（即單級回熱循環(huán)效率較）Hh，相對內(nèi)效率qh（絕對內(nèi)效率)()()()()(，則0只要0)(r00i0ii00r0r0kr0r0kr0000iitiiiiitiiiiiiititiiiiiikkkkkkkki熱能與動力工程專業(yè)40/1072.6 給水回熱循環(huán)三、多級回熱循環(huán)裝置三、多級回熱循環(huán)裝置 循環(huán)示意圖總進汽量：冷凝器進汽量： 第r級抽汽量0DDrrkD0D0DDkkrD熱能與動力工程專業(yè)41/1072.5 給水回熱循環(huán)每每1kg蒸汽做

17、功：蒸汽做功：（每1kg蒸汽中含有 kg凝汽流， kg抽汽流）z1.zrrrikrkzrrrzrr0rz0zr0r101rrrr0rrikk0kkhHLLLkghi -ii -ii -ii -iLhi -iLrHi -iL1111.21蒸汽做功：故每）（）（）（）（）（級：）抽汽流：第）（）凝汽流：k熱能與動力工程專業(yè)42/1072.5 給水回熱循環(huán)3.每每1kg蒸汽的吸熱量：蒸汽的吸熱量：1）給水焓 為：如右圖所示可得能量守恒方程：wf0t -iq 0wft為凝汽流的吸熱量）（）（計算公式）代入）（kzrrrkkrzr0rk0kzrrrkk0zrrkfw0zrrrkkfw11rrzzkkfw

18、zrrkqhqqiitiititiqqittiiitt101110011)()()(.熱能與動力工程專業(yè)43/1072.5 給水回熱循環(huán)2）多級回熱循環(huán)的絕對內(nèi)效率：）多級回熱循環(huán)的絕對內(nèi)效率：抽汽吸熱：凝氣吸熱；：抽汽做功；：凝氣做功；zrrkzrrkzrrkzrrkzrrrkkzrrrkkhHHiitiiiiiqL1rk1ri1rk1ri1001000ihqhhqh)()()()(）（率）（無回熱機組絕對內(nèi)效又kiki0k0iiqHqHtiikkkikhihiqH越高越大，且可以證明：z1rrrhi,熱能與動力工程專業(yè)44/1072.6 給水回熱循環(huán)也可以寫成另一種形式：（1）假設全部汽流

19、冷凝做功：（2）抽汽部分做功，余熱加熱給水少做功為（3）全部蒸汽的實際吸熱量：fwzrkrrkhitiiiiiqL0100)()(kii 0zrkrrii1)(fwti 0回顧：熱力學定律卡諾朗肯實際再熱回熱再熱+回熱？熱能與動力工程專業(yè)45/1072.6 具有中間再熱的給水回熱循環(huán)的經(jīng)濟性一、循環(huán)特點一、循環(huán)特點1.參數(shù)定義：i0：初焓 P0： 初壓ire：再熱前蒸汽焓ire：再熱后蒸汽焓Pre：再熱前壓力Pre：再熱后壓力Pre= Pre-Pre中間再熱后的壓力ik：排氣焓（兩相） Pk：排氣壓力 ：高壓缸抽汽焓 ：低壓缸抽汽焓 ：凝結水焓 ：給水焓srixriktfwt熱能與動力工程專業(yè)

20、46/1072.6 具有中間再熱的給水回熱循環(huán)的經(jīng)濟性2.預先規(guī)定：1） ：中間再熱加給1kg蒸汽的熱量 2）凝汽流總焓降：3）抽汽做功焓降：（1）對高壓缸（抽汽前）（2）對中低壓缸（再熱后） rererei -iqrekrerekkrereqiiiiiiiiiiiH)()()()()(000sr0sriihre*r0*rrere0rqi -ii -ii -ih）（）（）（*熱能與動力工程專業(yè)47/1072.6 具有中間再熱的給水回熱循環(huán)的經(jīng)濟性4）設 分別為高壓缸和中低壓缸抽汽份額，則5）中間再熱蒸汽份額：顯然：6）凝汽流吸熱量：xrsrr總抽汽量xrsr和xrksrre1srrexrsrk

21、1rekkqtiq0熱能與動力工程專業(yè)48/1072.6 具有中間再熱的給水回熱循環(huán)的經(jīng)濟性二、相關效率：二、相關效率：1.凝汽流做功：2.高壓缸抽汽做功：3.中低壓缸抽汽做功：4.每1kg蒸汽總功：ikrekkkHqiiL)(0srsrsrsrsrhiiL)(0 xrxrxrrerexrxrhiiiiL)()(0rrikxrxrsrsrikxrsrkhHhhHLLLL熱能與動力工程專業(yè)49/1072.6 具有中間再熱的給水回熱循環(huán)的經(jīng)濟性5.每1kg蒸汽吸熱量：降：中低壓缸抽汽做功焓；：高壓缸抽汽做功焓降：抽汽流吸熱凝汽流吸熱；統(tǒng)的熱平衡方程確定為給水焓，由熱力學系汽量：凝汽流與中低壓缸抽全

22、部蒸汽；xrsrrrkkrrkkxrxrsrsrkkrexr0 xrsr0srrek0krexrkxrxrsrsrkkxrsrk0 xrxrsrsrkkrrkkfwfwrerefw0rerefw0hhhqhqqhhqqiiiiqtiqiitiqiititttqtiqtiq:)()()()()()(1:000熱能與動力工程專業(yè)50/1072.6 具有中間再熱的給水回熱循環(huán)的經(jīng)濟性6.絕對內(nèi)效率：注：該式形式上與無再熱的回熱循環(huán)相同，但符號的含義中包括了中間再熱循環(huán)的吸熱量。（Hi，qk）rrkkrrikhreihqhHqL0)(熱能與動力工程專業(yè)51/1072.7 給水回熱循環(huán)的主要參數(shù)選擇一、

23、概述一、概述1.給水回熱循環(huán)可以提高 ，但其增量 的幅度依賴系統(tǒng)各參數(shù)的合理選擇。2.在 的條件下，影響回熱循環(huán)經(jīng)濟性的 參數(shù)為：1）給水的最后溫度（或給水焓） （本節(jié)用in代替）2）各級加熱器之間給水焓升r的分配3）回熱級數(shù)：z二、簡化理論模型：二、簡化理論模型：有n個抽汽點，n個混合式加熱的回熱系統(tǒng)。1.假設條件：1）凝氣流量為1， 為對應1kg該凝汽流的抽氣量2）各水泵耗功不計：constPtPk，00fwt0.21pnpplll熱能與動力工程專業(yè)52/1072.7 給水回熱循環(huán)的主要參數(shù)選擇3）管道流阻忽略不計，即壓損P=04）各加熱器給水焓升按“等焓升”分配原則。即：5）各抽汽點抽出

24、蒸汽等壓凝結放熱，且放熱量相等：級數(shù)（回熱）總焓升；n:nRn itn i inRrkfwknn0,1，,1，.const（o-iiirr熱能與動力工程專業(yè)53/1072.7 給水回熱循環(huán)的主要參數(shù)選擇2.平衡方程1）對1號加熱器：inRinRiriiiiiiiiiiinnkkk11) (1)1 (1111111111111熱能與動力工程專業(yè)54/1072.7 給水回熱循環(huán)的主要參數(shù)選擇2）對于2號加熱器：1)1 (.1)1 ()1 (1121)1 ()1 () )(1 ()1 ()1 (2122112212121122221nnnnnnnnninRinRinRinRinRinRinRirii

25、iiiii同理：號加熱器得出口流量：，綜合熱能與動力工程專業(yè)55/1072.7 給水回熱循環(huán)的主要參數(shù)選擇三、最佳給水加熱范圍（給水總焓升）三、最佳給水加熱范圍（給水總焓升）Rn方法：通過求解最小熱耗率來得出最佳給水加熱范圍。1.由熱耗率：kfwknnttiiR（排汽抽汽的吸熱量）（排汽的放熱量）其中，) i -(i)1 (ii -in01kk2QQQQQ1QQQQQQQQq21221221211，時，q當Qconstiiiiiiiiiiiqnkknkkminmax) )(1 (1) () )(1 (1100，顯然，熱能與動力工程專業(yè)56/1072.7 給水回熱循環(huán)的主要參數(shù)選擇所以，0101

26、000100000001)1 ()1 ()(1 () () () ()1 (:例系數(shù)最大可能,) () ()1 () )(1 (RxiQRRiQiiiiiiQRRxiiRiiiiiiQnknknknn故可得：則焓升的比為最佳焓升與令：為給水最大可能焓升設：由熱能與動力工程專業(yè)57/1072.8 給水回熱循環(huán)的主要參數(shù)選擇這樣， Q1成為給水預熱成都系數(shù)的函數(shù)，只需確定Q1取最大值時的Rn值便為最佳給水點焓升。由其中 是x的指數(shù)函數(shù)，且系數(shù)(3416-2843.3)/3600=13521 KW調(diào)節(jié)級至第1抽汽點：365283 (3284.3-3122.3)/3600=16438 KW第1至第2抽汽點：343553 (3122.3-2962.7)/3600=15231 KW第2至第3抽汽點：320581 (2962.7-2784.8)/3600=15842 KW第3至第4抽汽點：)(3600級有用焓降第ihhDNiiii熱能與動力工程專業(yè)87/1072.8 回熱抽汽系統(tǒng)的熱平衡計算302041 (2784.8-2630)/3