火用分析第八章_蒸汽動力裝置循環(huán)

1、第第8 8章章蒸汽動力裝置循環(huán)蒸汽動力裝置循環(huán)2022-5-1728.1 蒸汽動力裝置的基本循環(huán)蒸汽動力裝置的基本循環(huán) 朗肯循環(huán)朗肯循環(huán) 蒸汽動力裝置由以下基本設(shè)備蒸汽動力裝置由以下基本設(shè)備: :鍋爐鍋爐、汽輪機(jī)、汽輪機(jī)、凝汽器凝汽器、 給水泵給水泵 按圖中所示標(biāo)號按圖中所示標(biāo)號4-5-6-1給水在鍋爐中給水在鍋爐中定壓加熱定壓加熱形成為過熱蒸汽；形成為過熱蒸汽； 1-2過熱蒸汽（新蒸汽）在汽輪機(jī)中過熱蒸汽（新蒸汽）在汽輪機(jī)中絕熱膨脹絕熱膨脹作功；作功； 2-3乏汽在凝汽器中乏汽在凝汽器中定壓凝結(jié)定壓凝結(jié)，成為凝結(jié)水；，成為凝結(jié)水； 3-4凝結(jié)水由給水泵凝結(jié)水由給水泵絕熱壓縮絕熱壓縮成給水，返

2、回到鍋爐中成給水，返回到鍋爐中 冷卻水冷卻水汽輪機(jī)汽輪機(jī)鍋爐鍋爐給水泵給水泵凝汽器凝汽器234561聯(lián)接構(gòu)成聯(lián)接構(gòu)成蒸汽動力裝置蒸汽動力裝置 蒸汽動力裝置中水蒸氣經(jīng)歷的蒸汽動力裝置中水蒸氣經(jīng)歷的基本基本循環(huán)過程可理想化為：循環(huán)過程可理想化為： 2022-5-173sT4321t1P1 理想化的蒸汽動力裝置基本循環(huán)是朗肯理想化的蒸汽動力裝置基本循環(huán)是朗肯循環(huán)循環(huán) 1(P1,t1)進(jìn)入汽輪機(jī)時的進(jìn)入汽輪機(jī)時的新蒸汽新蒸汽（過熱汽）狀態(tài)；（過熱汽）狀態(tài)； 2(P2)從汽輪機(jī)排出時的從汽輪機(jī)排出時的乏汽乏汽（濕蒸汽）狀態(tài)；（濕蒸汽）狀態(tài)； 1-2蒸汽在汽輪機(jī)中蒸汽在汽輪機(jī)中絕熱絕熱膨脹膨脹（定熵定熵）

3、的作功過程；）的作功過程； 2-3乏汽在凝汽器中乏汽在凝汽器中定壓定壓（定溫定溫）凝結(jié)）凝結(jié)放熱放熱過程過程； 3凝結(jié)水凝結(jié)水（飽和水飽和水）狀態(tài)）狀態(tài)(P2) ； 3-4凝結(jié)水在給水泵中凝結(jié)水在給水泵中絕熱絕熱壓縮（壓縮（定熵定熵）成為鍋爐給水；）成為鍋爐給水； 由于水幾乎不可壓縮，垂直線段由于水幾乎不可壓縮，垂直線段3-4幾乎重合成為一點(diǎn)幾乎重合成為一點(diǎn)2022-5-1744-5給水在鍋爐給水在鍋爐省煤器省煤器中中定壓加熱定壓加熱成成飽和水飽和水 (P1 ts) ；5-6水在鍋爐水在鍋爐水冷壁水冷壁中中定壓加熱成為定壓加熱成為飽飽和汽和汽 (P1 ts)；6-1飽和汽在飽和汽在過熱器過熱器

4、中中定壓加熱成為定壓加熱成為新新蒸汽蒸汽 (P1 t1)。（ 4-5-6-1給水在鍋爐中定壓加熱成給水在鍋爐中定壓加熱成新蒸汽）新蒸汽）65 4給水給水（未飽和水）（未飽和水）狀態(tài)狀態(tài)(P1) ；朗肯循環(huán)朗肯循環(huán)sT4321t1P12022-5-175給水給水4(P1, h2)省煤器省煤器飽和水飽和水5(P1, ts)飽和汽飽和汽6(P1, ts)水冷壁水冷壁過熱器過熱器過熱汽過熱汽1(P1, t1)（新蒸汽）（新蒸汽）汽輪機(jī)汽輪機(jī)絕熱膨脹絕熱膨脹乏汽乏汽2(P2, h2)凝汽器凝汽器定壓放熱定壓放熱凝結(jié)水凝結(jié)水3(P2, h2)給水泵給水泵絕熱壓縮絕熱壓縮給水給水4蒸汽動力裝置朗肯循環(huán)的路徑

5、：蒸汽動力裝置朗肯循環(huán)的路徑：定壓加熱定壓加熱定壓加熱定壓加熱定壓加熱定壓加熱6sT54321t1P1朗肯循環(huán)朗肯循環(huán)（重新循環(huán)）（重新循環(huán)）2022-5-176sP 4213PPs56hs132456朗肯循環(huán)的朗肯循環(huán)的P-v圖和圖和h-s圖圖P-v圖圖h-s 圖圖sPPs2022-5-177 朗肯循環(huán)的熱效率朗肯循環(huán)的熱效率 朗肯循環(huán)朗肯循環(huán)吸熱吸熱和和放熱放熱過程是過程是定壓定壓的的循環(huán)的循環(huán)的吸熱量吸熱量4145611hhqq32232hhqq循環(huán)的循環(huán)的放熱量放熱量朗肯循環(huán)的朗肯循環(huán)的熱效率熱效率)()()()()()(413421413241121Rt,hhhhhhhhhhhhqq

6、q汽輪機(jī)輸出的汽輪機(jī)輸出的技術(shù)功技術(shù)功給水泵消耗的給水泵消耗的技術(shù)功技術(shù)功sT4321t1P1562022-5-178 水泵消耗的技術(shù)功遠(yuǎn)小于汽輪水泵消耗的技術(shù)功遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)作出的技術(shù)功機(jī)作出的技術(shù)功h4=h3=h2wt,B=h4h30)()()(413421Rt,hhhhhh汽輪機(jī)輸出的汽輪機(jī)輸出的技術(shù)功技術(shù)功給水泵消耗的給水泵消耗的技術(shù)功技術(shù)功 一般占其一般占其0.81%通常不計(jì)給水泵消耗的技術(shù)功通常不計(jì)給水泵消耗的技術(shù)功2121Rt,hhhhsT4321t1P1562022-5-179 影響朗肯循環(huán)熱效率的因素影響朗肯循環(huán)熱效率的因素根據(jù)狀態(tài)參數(shù)關(guān)系根據(jù)狀態(tài)參數(shù)關(guān)系 不計(jì)給水泵消耗的技術(shù)

7、功時，朗肯循環(huán)熱不計(jì)給水泵消耗的技術(shù)功時，朗肯循環(huán)熱效率效率t,R受受P1、P2、t1控制控制h1= f (P1,t1)h2= f (P2)h2= f (P2) P2、t1不變不變，將，將初壓初壓P1提高提高 t,R會有較顯著的提高會有較顯著的提高乏汽干度乏汽干度x2會降低會降低乏汽干度乏汽干度x2不得小于不得小于0.86P1sT1 12 342t1P1P1提高初壓力的影響提高初壓力的影響 平均吸熱溫度平均吸熱溫度明顯提高明顯提高1T對機(jī)器的強(qiáng)度要求提高對機(jī)器的強(qiáng)度要求提高2121Rt,hhhh5 6 562022-5-1710P1、P2不變，將不變，將初溫初溫 t1提高提高 t,R會有較顯著

8、的提高會有較顯著的提高乏汽干度乏汽干度x2會提高會提高同時提高同時提高P1、 t1是方向是方向提高初溫的影響提高初溫的影響P11432t1sTt11 2 t1 平均吸熱溫度平均吸熱溫度明顯提高明顯提高1T金屬耐熱要求提高金屬耐熱要求提高對機(jī)器的強(qiáng)度要求提高對機(jī)器的強(qiáng)度要求提高目前可應(yīng)用的目前可應(yīng)用的t1約為約為55056汽機(jī)出口尺寸增大汽機(jī)出口尺寸增大 提高初溫的結(jié)果相當(dāng)于在原循環(huán)提高初溫的結(jié)果相當(dāng)于在原循環(huán)1234561基礎(chǔ)上附加循環(huán)基礎(chǔ)上附加循環(huán)11 2 212022-5-1711P1、t1不變，將終壓不變，將終壓P2降低降低wt,T增大增大 P2目前實(shí)際采用至目前實(shí)際采用至3.5 5kP

9、a，水的對應(yīng)，水的對應(yīng)飽和溫度為飽和溫度為27 33sT12342t1P1降低終壓力的影響降低終壓力的影響34P2對對 t,R總是總是有利有利略有下降；略有下降；56 冬天循環(huán)水溫較低，循環(huán)熱效率較高冬天循環(huán)水溫較低，循環(huán)熱效率較高1T下降明顯下降明顯2T 限于循環(huán)水的溫度（環(huán)境溫度），已基限于循環(huán)水的溫度（環(huán)境溫度），已基本達(dá)到極限低值本達(dá)到極限低值2022-5-1712 汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率和汽耗率汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率和汽耗率 實(shí)際的汽輪機(jī)內(nèi)部過程是不可逆的實(shí)際的汽輪機(jī)內(nèi)部過程是不可逆的汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率（定熵效率）汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率（定熵效率）s2121Thhhh汽耗率汽耗率(d) 單位單位

10、kg/J，kg/kJ，也使用，也使用kg/(kW h) 不計(jì)給水泵耗功時，若不計(jì)給水泵耗功時，若理想理想汽輪機(jī)的輸出功率為汽輪機(jī)的輸出功率為P0 kW，耗汽量為耗汽量為D kg/s，兩者有以下關(guān)系：，兩者有以下關(guān)系：)(2s10hhDP理想汽耗率理想汽耗率 hkg/kW 3600kg/kJ 12s12s100hhhhPDd裝置輸出每單位功量所消耗的蒸汽量裝置輸出每單位功量所消耗的蒸汽量P11432s2t1sT實(shí)際的基本循環(huán)實(shí)際的基本循環(huán)2022-5-1713相對于汽輪機(jī)實(shí)際輸出功率相對于汽輪機(jī)實(shí)際輸出功率P 的汽耗率為實(shí)際汽耗率的汽耗率為實(shí)際汽耗率實(shí)際汽耗率實(shí)際汽耗率 hkg/kW 36002

11、1hhPDd 從整體上講，實(shí)際蒸汽動力裝置尚需考慮：從整體上講，實(shí)際蒸汽動力裝置尚需考慮：鍋爐的熱損失鍋爐的熱損失鍋爐效率鍋爐效率 B管道的熱損失管道的熱損失管道效率管道效率 tu 實(shí)際蒸汽動力裝置的熱效率實(shí)際蒸汽動力裝置的熱效率 t= t,R B tu T燃料的發(fā)熱量裝置輸出的功效率實(shí)際蒸汽動力裝置的熱 實(shí)際蒸汽動力裝置的熱效率實(shí)際蒸汽動力裝置的熱效率2022-5-1714例例8-1(習(xí)題習(xí)題11-1) 一簡單蒸汽動力裝置循環(huán)一簡單蒸汽動力裝置循環(huán)(即朗肯循環(huán)即朗肯循環(huán))，蒸汽的初壓，蒸汽的初壓P1 = 3 MPa，終，終壓壓P2 = 6 kPa，初溫分別為，初溫分別為300和和500 。試

12、求不同初溫時循環(huán)的熱效率試求不同初溫時循環(huán)的熱效率 t、耗汽率、耗汽率d及蒸汽的終干度及蒸汽的終干度x2，并將所求得的各值填，并將所求得的各值填入下表內(nèi)，以比較所求得的結(jié)果。入下表內(nèi)，以比較所求得的結(jié)果。 解：解：P1=3 MPa（過熱汽）（過熱汽）t1=300 h1=2992.4 kJ/kg s1=6.5371 kJ/(kgK)t1=500 h1=3454.9 kJ/kg s1 =7.2314 kJ/(kgK)P2=6 kPa的飽和參數(shù)的飽和參數(shù)：s =0.5209 kJ/(kgK)，s =8.3305 kJ/(kgK)h =151.50 kJ/kg， h =2567.1 kJ/kg P11

13、432t1sTt112忽略水泵功耗。忽略水泵功耗。查水蒸氣表得：查水蒸氣表得：s s1 s 乏汽為濕蒸汽乏汽為濕蒸汽2022-5-1715 8593. 05209. 03305. 85209. 02314. 71)500( 2ssssx具體計(jì)算如下：具體計(jì)算如下： 7708. 05209. 03305. 85209. 05371. 61)300(2ssssxkJ/kg 44.20135 .151)7708. 01 (1 .25677708. 01 )300(2)300(2)300(2hxhxhkJ/kg 23.22275 .151)8593. 01 (1 .25678593. 01 )500(

14、 2)500( 2)500( 2hxhxh3446. 05 .1514 .299244.20134 .29922121)300(hhhhtP11432t1sTt1122022-5-17163716. 05 .1519 .345423.22279 .34542121)500(hhhhtkg/J 100215. 11044.20134 .29921101633)300(21)300(0hhdkg/J 108146. 01023.22279 .34541101633)500(21)500(0hhd計(jì)算結(jié)果匯總：計(jì)算結(jié)果匯總： t1，300500t0.34460.3716d，kg/J1.0215106

15、0.8146106x20.77080.85932022-5-17178.2 蒸汽動力裝置再熱循環(huán)蒸汽動力裝置再熱循環(huán) 帶再熱的蒸汽動力裝置帶再熱的蒸汽動力裝置 再熱再熱蒸汽在汽輪機(jī)中工蒸汽在汽輪機(jī)中工作至某一中間壓力后重新送回作至某一中間壓力后重新送回到鍋爐的再熱器中加熱，然后到鍋爐的再熱器中加熱，然后再引回汽輪機(jī)中繼續(xù)作功，或再引回汽輪機(jī)中繼續(xù)作功，或稱重?zé)岱Q重?zé)?一次汽一次汽再熱前的蒸汽再熱前的蒸汽二次汽二次汽再熱后的蒸汽再熱后的蒸汽一般都再熱至初溫；理論上可進(jìn)行多次再熱，但實(shí)際只有一般都再熱至初溫；理論上可進(jìn)行多次再熱，但實(shí)際只有12次再次再熱熱冷卻水冷卻水汽輪機(jī)汽輪機(jī)鍋爐鍋爐給水泵給水

16、泵凝汽器凝汽器帶再熱的蒸汽動力裝置帶再熱的蒸汽動力裝置234561(再熱器再熱器)(過熱器過熱器)二次汽二次汽一次汽一次汽ab 以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)2022-5-1718 蒸汽動力裝置再熱循環(huán)蒸汽動力裝置再熱循環(huán) 設(shè)一次汽的參數(shù)為設(shè)一次汽的參數(shù)為P、t，中間再熱，中間再熱壓力為壓力為Pb，再熱至初溫，再熱至初溫 t工質(zhì)循環(huán)路徑：工質(zhì)循環(huán)路徑：一次汽一次汽1(P, t)再熱器再熱器過熱汽過熱汽1(P, t)（新蒸汽）（新蒸汽）凝結(jié)水凝結(jié)水3(P2, h2)給水泵給水泵絕熱壓縮絕熱壓縮給水給水4定壓加熱定壓加熱（新蒸汽）（新蒸汽）汽輪機(jī)前缸汽輪機(jī)前缸絕熱膨脹絕熱膨脹前缸排汽前缸排汽a(

17、Pa) 1-a一次汽在汽輪機(jī)前缸中絕熱膨脹作功一次汽在汽輪機(jī)前缸中絕熱膨脹作功 (h1 ha) ； a-b蒸汽在鍋爐再熱器中蒸汽在鍋爐再熱器中定壓再熱，吸熱定壓再熱，吸熱 (hb ha)； b-2二次汽在汽輪機(jī)后缸中絕熱膨脹作功二次汽在汽輪機(jī)后缸中絕熱膨脹作功 (hb h2) ；sTb1atP2c34蒸汽動力裝置再熱循環(huán)蒸汽動力裝置再熱循環(huán)二次汽二次汽b(Pa, t)汽輪機(jī)后缸汽輪機(jī)后缸絕熱膨脹絕熱膨脹乏汽乏汽2(P2, h2)凝汽器凝汽器定壓放熱定壓放熱（循環(huán)）（循環(huán)）2022-5-1719 再熱循環(huán)的熱效率再熱循環(huán)的熱效率 忽略給水泵的功耗時，再熱循環(huán)忽略給水泵的功耗時，再熱循環(huán)輸出的功輸

18、出的功為一次汽和二次汽在汽輪機(jī)中所作的技術(shù)功為一次汽和二次汽在汽輪機(jī)中所作的技術(shù)功之和之和 對于具有對于具有1次再熱的蒸汽動力循環(huán)次再熱的蒸汽動力循環(huán))()(2ba1nethhhhw 循環(huán)的循環(huán)的吸熱量吸熱量為蒸汽分別在鍋爐的過熱為蒸汽分別在鍋爐的過熱器和再熱器中所吸熱量之和器和再熱器中所吸熱量之和 )()(ab211hhhhq再熱循環(huán)的再熱循環(huán)的熱效率熱效率為為 )()()()()()()()(ab21ab21ab212ba11netreh.t,hhhhhhhhhhhhhhhhqw一次汽作的功一次汽作的功二次汽作的功二次汽作的功一次汽吸的熱量一次汽吸的熱量二次汽吸的熱量二次汽吸的熱量sTb1

19、atP2c342022-5-1720再熱措施能否提高循環(huán)的熱效率取決于中間壓力再熱措施能否提高循環(huán)的熱效率取決于中間壓力 存在著一個存在著一個最佳最佳的中間再熱壓力的中間再熱壓力1opta,) 3 . 02 . 0(PP再熱的目的不全在于靠其直接提高再熱的目的不全在于靠其直接提高循環(huán)的熱效率循環(huán)的熱效率 無再熱時乏汽的狀態(tài)為無再熱時乏汽的狀態(tài)為c；有再熱時；有再熱時乏汽的狀態(tài)為乏汽的狀態(tài)為2x2xc 與與Pa有關(guān)有關(guān) 再熱的目的更重要地還在于它能提高汽輪機(jī)乏汽的干度，從再熱的目的更重要地還在于它能提高汽輪機(jī)乏汽的干度，從而為提高初壓力創(chuàng)造條件而為提高初壓力創(chuàng)造條件 此外，此外，乏汽干度提高對汽

20、輪機(jī)的內(nèi)部效率有利乏汽干度提高對汽輪機(jī)的內(nèi)部效率有利sTb1atP2c34 精心設(shè)計(jì)的再熱循環(huán)有望直接提高循環(huán)精心設(shè)計(jì)的再熱循環(huán)有望直接提高循環(huán)熱效率熱效率4% 5% (23.5%)2022-5-1721 蒸汽再熱循環(huán)的實(shí)踐蒸汽再熱循環(huán)的實(shí)踐P1600，P125MPa (超臨界機(jī)組超臨界機(jī)組)系統(tǒng)復(fù)雜，初投資增加系統(tǒng)復(fù)雜，初投資增加 再熱也帶來一些負(fù)面影響再熱也帶來一些負(fù)面影響鍋爐、汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化鍋爐、汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化100、125、200、300 MW，P113.5MPa 一次一次再熱再熱 二次二次再熱再熱2022-5-1722例例8-2(習(xí)題習(xí)題11-3部分部分)蒸汽動力裝置再熱循環(huán)，蒸

21、汽的初參數(shù)為蒸汽動力裝置再熱循環(huán)，蒸汽的初參數(shù)為P1=12 MPa、t1=450，終壓為，終壓為P2=0.004 MPa。再熱時蒸汽的壓力。再熱時蒸汽的壓力為為0.5 MPa，再熱后蒸汽的溫度為，再熱后蒸汽的溫度為400。試確定該再熱循環(huán)的熱。試確定該再熱循環(huán)的熱效率和終濕度，將所得的熱效率、終濕度和朗肯循環(huán)作比較，并效率和終濕度，將所得的熱效率、終濕度和朗肯循環(huán)作比較，并在在 T-s圖上畫出該再熱循環(huán)。附水蒸氣表（節(jié)錄）圖上畫出該再熱循環(huán)。附水蒸氣表（節(jié)錄） 飽和水蒸氣表飽和水蒸氣表 P, MPah , kJ/kg,h , kJ/kgs , kJ/(kg K)s , kJ/(kg K)0.0

22、04121.412554.10.42248.47470.5640.12748.51.86046.8215過熱水蒸氣表過熱水蒸氣表 t, 0.5， MPa12MPah, kJ/kgs, kJ/(kg K)h, kJ/kgs, kJ/(kg K)4003271.87.79443053.36.07874503377.07.94523209.96.30322022-5-1723sT1234解：解： 由水蒸氣表查得：由水蒸氣表查得： P2=4 kPa 時時 s =0.4224 kJ/(kg K) s =8.4747 kJ/(kg K) h =121.41 kJ/kg h =2554.1 kJ/kg, P

23、1=12 MPa t1=450 h1=3209.9 kJ/kg s1=6.3032 kJ/(kg K) 題給再熱后的蒸汽狀態(tài)（題給再熱后的蒸汽狀態(tài)（設(shè)為設(shè)為b，過熱汽）過熱汽）Pb=0.5 MPa tb=400 hb=3271.8 kJ/kg sb=7.7944 kJ/(kg K) 2022-5-1724sT1234bcaP=0.5MPa 時時 s =1.8604 kJ/(kg K) s =6.8215 kJ/(kg K) h =640.1 kJ/kg h =2748.5 kJ/kg, 已知再熱時的蒸汽狀態(tài)（設(shè)為已知再熱時的蒸汽狀態(tài)（設(shè)為a）Pa = 0.5 MPasa值在值在s 與與s 之間

24、之間，故知故知a點(diǎn)為點(diǎn)為濕蒸汽濕蒸汽狀態(tài)狀態(tài)8955. 08604. 18215. 68604. 13032. 6aassssxsa = s1 = 6.3032 kJ/(kg K) 并且并且 2022-5-1725由此由此由于由于3730. 02244 . 04747. 84224. 03032. 622212ssssx9155. 04224. 04747. 84224. 07944. 7bcssssx以及以及sT1234bcakJ/kg 54.234841.121)9155. 01 (1 .25549155. 0)1 (ccchxhxhkJ/kg 00.189841.121)7303. 01 (1 .25547303. 0)1 (22222hxhxhkJ/kg 17.25281 .640)8955. 01 (5 .27488955. 0)1 (aaahxhxh2022-5-1726該再熱循環(huán)的終濕度該再熱循環(huán)的終濕度(1 xc)=0.0845 循環(huán)的熱效率（忽略水泵耗功）循環(huán)的熱