火用分析第八章蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)

第8章

蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)2023/2/31§8.1蒸汽動(dòng)力裝置的基本循環(huán)⑴

朗肯循環(huán)蒸汽動(dòng)力裝置由以下基本設(shè)備:鍋爐、汽輪機(jī)、凝汽器、給水泵按圖中所示標(biāo)號(hào)4-5-6-1——給水在鍋爐中定壓加熱形成為過熱蒸汽；1-2——過熱蒸汽（新蒸汽）在汽輪機(jī)中絕熱膨脹作功；2-3——乏汽在凝汽器中定壓凝結(jié)，成為凝結(jié)水；

3-4——凝結(jié)水由給水泵絕熱壓縮成給水，返回到鍋爐中冷卻水汽輪機(jī)鍋爐給水泵凝汽器234561聯(lián)接構(gòu)成蒸汽動(dòng)力裝置蒸汽動(dòng)力裝置中水蒸氣經(jīng)歷的基本循環(huán)過程可理想化為：

2023/2/32sT4321t1P1理想化的蒸汽動(dòng)力裝置基本循環(huán)是朗肯循環(huán)1(P1,t1)——進(jìn)入汽輪機(jī)時(shí)的新蒸汽（過熱汽）狀態(tài)；

2(P2)——從汽輪機(jī)排出時(shí)的乏汽（濕蒸汽）狀態(tài)；

1-2——蒸汽在汽輪機(jī)中絕熱膨脹（定熵）的作功過程；

2-3——乏汽在凝汽器中定壓（定溫）凝結(jié)放熱過程；

3——凝結(jié)水（飽和水）狀態(tài)(P2)；

3-4——凝結(jié)水在給水泵中絕熱壓縮（定熵）成為鍋爐給水；由于水幾乎不可壓縮，垂直線段3-4幾乎重合成為一點(diǎn)2023/2/334-5——給水在鍋爐省煤器中定壓加熱成飽和水

(P1'

ts)；5-6——水在鍋爐水冷壁中定壓加熱成為飽和汽

(P1'

ts)；6-1——飽和汽在過熱器中定壓加熱成為新蒸汽

(P1'

t1)。（4-5-6-1——給水在鍋爐中定壓加熱成新蒸汽）65

4——給水（未飽和水）狀態(tài)(P1)

；朗肯循環(huán)sT4321t1P12023/2/34給水4(P1,h’2)省煤器飽和水5(P1,ts)飽和汽6(P1,ts)水冷壁過熱器過熱汽1(P1,t1)（新蒸汽）汽輪機(jī)絕熱膨脹乏汽2(P2,h2)凝汽器定壓放熱凝結(jié)水3(P2,h’2)給水泵絕熱壓縮給水4蒸汽動(dòng)力裝置朗肯循環(huán)的路徑：定壓加熱定壓加熱定壓加熱6sT54321t1P1朗肯循環(huán)（重新循環(huán)）2023/2/35sP4213PPs56hs132456朗肯循環(huán)的P-v圖和h-s圖P-v圖h-s

圖sPPs2023/2/36⑵

朗肯循環(huán)的熱效率朗肯循環(huán)吸熱和放熱過程是定壓的循環(huán)的吸熱量循環(huán)的放熱量朗肯循環(huán)的熱效率汽輪機(jī)輸出的技術(shù)功給水泵消耗的技術(shù)功sT4321t1P1562023/2/37水泵消耗的技術(shù)功遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)作出的技術(shù)功h4=h3=h'2wt,B=h4?h3≈0汽輪機(jī)輸出的技術(shù)功給水泵消耗的技術(shù)功一般占其0.8~1%通常不計(jì)給水泵消耗的技術(shù)功sT4321t1P1562023/2/38⑶

影響朗肯循環(huán)熱效率的因素根據(jù)狀態(tài)參數(shù)關(guān)系不計(jì)給水泵消耗的技術(shù)功時(shí)，朗肯循環(huán)熱效率t,R受P1、P2、t1控制h1=f(P1,t1)h2=f(P2)h'2=f(P2)①

P2、t1不變，將初壓P1提高t,R會(huì)有較顯著的提高乏汽干度x2會(huì)降低乏汽干度x2不得小于0.86P1'sT112342t1P1P1提高初壓力的影響平均吸熱溫度明顯提高對(duì)機(jī)器的強(qiáng)度要求提高56562023/2/39P1、P2不變，將初溫

t1提高t,R會(huì)有較顯著的提高乏汽干度x2會(huì)提高同時(shí)提高P1、t1是方向提高初溫的影響P11432t1sTt112t1'②平均吸熱溫度明顯提高金屬耐熱要求提高對(duì)機(jī)器的強(qiáng)度要求提高目前可應(yīng)用的t1約為550℃56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)1234561基礎(chǔ)上附加循環(huán)112212023/2/310P1、t1不變，將終壓P2降低wt,T增大

P2目前實(shí)際采用至3.5~5kPa，水的對(duì)應(yīng)飽和溫度為27~33℃sT12'342t1P1降低終壓力的影響3'4'③P2'對(duì)t,R總是有利略有下降；56冬天循環(huán)水溫較低，循環(huán)熱效率較高下降明顯限于循環(huán)水的溫度（環(huán)境溫度），已基本達(dá)到極限低值2023/2/311⑷

汽輪機(jī)的相對(duì)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①汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率（定熵效率）②汽耗率(d)單位kg/J，kg/kJ，也使用kg/(kWh)不計(jì)給水泵耗功時(shí)，若理想汽輪機(jī)的輸出功率為P0

kW，耗汽量為D

kg/s，兩者有以下關(guān)系：理想汽耗率

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)2023/2/312相對(duì)于汽輪機(jī)實(shí)際輸出功率P的汽耗率為實(shí)際汽耗率實(shí)際汽耗率

從整體上講，實(shí)際蒸汽動(dòng)力裝置尚需考慮：鍋爐的熱損失——鍋爐效率B管道的熱損失——管道效率tu

實(shí)際蒸汽動(dòng)力裝置的熱效率t=t,RBtuT⑸

實(shí)際蒸汽動(dòng)力裝置的熱效率2023/2/313例8-1(習(xí)題11-1)一簡(jiǎn)單蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)(即朗肯循環(huán))，蒸汽的初壓P1=3MPa，終壓P2=6kPa，初溫分別為300℃和500℃

。試求不同初溫時(shí)循環(huán)的熱效率t、耗汽率d及蒸汽的終干度x2，并將所求得的各值填入下表內(nèi)，以比較所求得的結(jié)果。

解：P1=3MPa（過熱汽） t1=300℃

h1=2992.4

kJ/kgs1=6.5371

kJ/(kg·K)t1'=500℃h1=3454.9kJ/kgs1'=7.2314kJ/(kg·K)P2=6kPa的飽和參數(shù)

：s=0.5209kJ/(kg·K)，s=8.3305kJ/(kg·K)h=151.50kJ/kg，h=2567.1kJ/kgP11432t1sTt112忽略水泵功耗。查水蒸氣表得：s>s1>s乏汽為濕蒸汽2023/2/314具體計(jì)算如下：P11432t1sTt1122023/2/315計(jì)算結(jié)果匯總：t1，℃300500t0.34460.3716d，kg/J1.02151060.8146106x20.77080.85932023/2/316§8.2蒸汽動(dòng)力裝置再熱循環(huán)⑴

帶再熱的蒸汽動(dòng)力裝置再熱——蒸汽在汽輪機(jī)中工作至某一中間壓力后重新送回到鍋爐的再熱器中加熱，然后再引回汽輪機(jī)中繼續(xù)作功，或稱重?zé)?/p>

一次汽——再熱前的蒸汽二次汽——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1~2次再熱冷卻水汽輪機(jī)鍋爐給水泵凝汽器帶再熱的蒸汽動(dòng)力裝置234561(再熱器)(過熱器)二次汽一次汽ab以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)2023/2/317⑵

蒸汽動(dòng)力裝置再熱循環(huán)設(shè)一次汽的參數(shù)為P、t，中間再熱壓力為Pb，再熱至初溫t工質(zhì)循環(huán)路徑：一次汽1(P,t)……再熱器過熱汽1(P,t)（新蒸汽）凝結(jié)水3(P2,h’2)給水泵絕熱壓縮給水4定壓加熱（新蒸汽）汽輪機(jī)前缸絕熱膨脹前缸排汽a(Pa)1-a——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

(hb?

h2)

；sTb1atP2c34蒸汽動(dòng)力裝置再熱循環(huán)二次汽b(Pa,t)汽輪機(jī)后缸絕熱膨脹乏汽2(P2,h2)凝汽器定壓放熱（循環(huán)）2023/2/318⑶再熱循環(huán)的熱效率忽略給水泵的功耗時(shí)，再熱循環(huán)輸出的功為一次汽和二次汽在汽輪機(jī)中所作的技術(shù)功之和對(duì)于具有1次再熱的蒸汽動(dòng)力循環(huán)循環(huán)的吸熱量為蒸汽分別在鍋爐的過熱器和再熱器中所吸熱量之和再熱循環(huán)的熱效率為

一次汽作的功二次汽作的功一次汽吸的熱量二次汽吸的熱量sTb1atP2c342023/2/319①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(gè)最佳的中間再熱壓力②再熱的目的不全在于靠其直接提高循環(huán)的熱效率無再熱時(shí)乏汽的狀態(tài)為c；有再熱時(shí)乏汽的狀態(tài)為2x2>xc

——與Pa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，從而為提高初壓力創(chuàng)造條件

③此外，乏汽干度提高對(duì)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)熱效率4%~5%

(2~3.5%)2023/2/320

蒸汽再熱循環(huán)的實(shí)踐P1<10MPa一般不采用再熱我國(guó)常見再熱機(jī)組t1>600℃，P1>25MPa(超臨界機(jī)組)系統(tǒng)復(fù)雜，初投資增加再熱也帶來一些負(fù)面影響鍋爐、汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化100、125、200、300MW，P1>13.5MPa——

一次再熱——

二次再熱2023/2/321例8-2(習(xí)題11-3部分)蒸汽動(dòng)力裝置再熱循環(huán)，蒸汽的初參數(shù)為P1=12MPa、t1=450℃，終壓為P2=0.004MPa。再熱時(shí)蒸汽的壓力為0.5MPa，再熱后蒸汽的溫度為400℃。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，并在T-s圖上畫出該再熱循環(huán)。附水蒸氣表（節(jié)錄）

飽和水蒸氣表

P,MPah,kJ/kg,h,kJ/kgs,kJ/(kgK)s,kJ/(kgK)0.004121.412554.10.42248.47470.5640.12748.51.86046.8215過熱水蒸氣表

t,℃0.5，

MPa12MPah,kJ/kgs,kJ/(kgK)h,kJ/kgs,kJ/(kgK)4003271.87.79443053.36.07874503377.07.94523209.96.30322023/2/322sT1234解：由水蒸氣表查得：P2=4kPa

時(shí)s=0.4224kJ/(kgK)s=8.4747kJ/(kgK)h=121.41kJ/kgh=2554.1kJ/kg,P1=12MPa

t1=450℃h1=3209.9kJ/kgs1=6.3032kJ/(kgK)題給再熱后的蒸汽狀態(tài)（設(shè)為b，過熱汽）Pb=0.5MPa

tb=400℃hb=3271.8kJ/kgsb=7.7944kJ/(kgK)2023/2/323sT1234bcaP=0.5MPa時(shí)s=1.8604

kJ/(kgK)s=6.8215kJ/(kgK)h=640.1

kJ/kgh=2748.5kJ/kg,已知再熱時(shí)的蒸汽狀態(tài)（設(shè)為a）Pa=0.5MPasa值在s與s之間，故知a點(diǎn)為濕蒸汽狀態(tài)sa=s1=6.3032kJ/(kgK)并且

2023/2/324由此由于以及sT1234bca2023/2/325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）

sT1234bca同樣初參數(shù)，不帶再熱的朗肯循環(huán)熱效率為

兩種情況相比較，知

t,R

>t,re

以及x2<

xc

2023/2/326§8.3回?zé)嵫h(huán)現(xiàn)代大型蒸汽動(dòng)力裝置采用多至7~9級(jí)抽汽回?zé)崂士涎h(huán)中放熱過程溫度為最低，不可能進(jìn)行回?zé)岢槠責(zé)峄責(zé)帷獙⒀h(huán)放熱過程放出的熱量用于滿足吸熱過程的需要——作功過程中抽出一部分蒸汽來完成回?zé)崛蝿?wù)2023/2/327鍋爐23561給水泵氣輪機(jī)1kg1kg(1–1)kg1kg01混合式給水回?zé)崞髂鳎ɡ鋮s水）凝結(jié)水泵41kg⑴

帶抽汽回?zé)岬恼羝麆?dòng)力裝置對(duì)于只有1級(jí)抽汽回?zé)岬难b置（按耗汽1kg考慮）：回?zé)岢槠繛?kg，狀態(tài)01；凝汽量為(1?1)kg，狀態(tài)2回?zé)岢槠诨責(zé)崞髦卸▔耗Y(jié)成為01狀態(tài)的飽和水兩部分水合在一起(1kg)，經(jīng)給水泵升壓成為鍋爐給水

(1?1)kg的凝結(jié)水在回?zé)崞髦形鼰?1?1)(h01?h2)放出熱量1(h01h01)(1–1)kg凝結(jié)水3用凝結(jié)水泵壓送至回?zé)崞鳎ú挥?jì)水泵耗功）=回?zé)崾秸羝麆?dòng)力裝置加熱至狀態(tài)01——01壓力下的飽和水(1–1)kg42023/2/328

T-s圖上示出帶1級(jí)回?zé)岢槠恼羝麆?dòng)力裝置循環(huán)過程01——回?zé)岢槠臓顟B(tài)01-01——

1kg回?zé)岢槠诨責(zé)峒訜崞髦械亩▔耗Y(jié)放熱過程4-01——

(1?1)kg凝結(jié)水在回?zé)崞髦卸▔夯責(zé)徇^程4——進(jìn)入鍋爐時(shí)的給水(1kg)

狀態(tài)1432t1sT011kg1kgP1(1?1)kg011kg(1?1)kg蒸汽動(dòng)力裝置回?zé)嵫h(huán)剩余的蒸汽繼續(xù)膨脹至乏汽狀態(tài)2并冷凝成凝結(jié)水3加壓泵將凝結(jié)水升壓至回?zé)岢槠麎毫01(未飽和水4)

01——回?zé)岢槠麎毫ο碌娘柡退?1-4——給水泵中的絕熱壓縮過程442023/2/329⑵

回?zé)嵫h(huán)的熱效率以1級(jí)抽汽回?zé)釣槔貉h(huán)的吸熱量1432t1sT011kg1kgP1(1?1)kg011kg(1?1)kg蒸汽動(dòng)力裝置回?zé)嵫h(huán)44忽略水泵功耗時(shí)，循環(huán)輸出的凈功為凝汽和回?zé)岢槠谄啓C(jī)中所作兩部分技術(shù)功之和具有1級(jí)抽汽回?zé)岬难h(huán)熱效率為2023/2/330回?zé)岢槠浚ㄏ禂?shù)）的確定1432t1sT011kg1kgP1(1?1)kg011kg(1?1)kg蒸汽動(dòng)力裝置回?zé)嵫h(huán)44使用混合式加熱器時(shí)，由能量平衡=tR回?zé)崾寡h(huán)的熱效率得到了提高回?zé)嶂阅軌蛱岣哐h(huán)熱效率其熱力學(xué)實(shí)質(zhì)在于抽汽部分所完成的循環(huán)熱效率為100%但是，它們是不可能獨(dú)立存在！2023/2/331不計(jì)給水泵耗功時(shí)，循環(huán)輸出凈功為

循環(huán)放熱量循環(huán)吸熱量對(duì)于n級(jí)抽汽回?zé)岢槠禂?shù)1、2、3、……n，凝汽份額c

2023/2/332有n級(jí)抽汽回?zé)岬难h(huán)熱效率⑶

給水回?zé)釒淼暮锰帰?/p>

給水回?zé)峥梢燥@著提高循環(huán)的熱效率回?zé)岢槠鞯哪遣糠止κ菦]有冷源損失的(q2=0)在滿足回?zé)崮芰科胶獾臈l件下：回?zé)岢槠吭酱笤胶没責(zé)岢槠麎毫υ降驮胶芒?/p>