發(fā)電場動力部分 第二章

第二章水蒸氣及其動力循環(huán)§2.2水蒸氣的典型熱力過程

§2.3水蒸氣動力循環(huán)§2.1水蒸氣的定壓形成過程及圖表應(yīng)用2—1水蒸氣的定壓形成過程及圖表應(yīng)用

火電廠鍋爐在正常工作時，大都在定壓或接近定壓的情況下對水加熱，而獲得水蒸氣的。

一水的飽和溫度和飽和壓力1汽化（或蒸發(fā)）指水變成蒸汽的現(xiàn)象。2凝結(jié)（或液化）指蒸汽變成水的現(xiàn)象。2.1

水蒸氣的定壓形成過程及圖表應(yīng)用BACK2.1

水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用

3水的飽和溫度和飽和壓力：當(dāng)水面壓力為ps時，給水加熱到溫度ts時，水發(fā)生“沸騰”，即水內(nèi)部產(chǎn)生大量氣泡，這個對應(yīng)水沸騰的溫度稱為飽和溫度ts，而對應(yīng)的壓力稱為飽和壓力ps。

4實(shí)驗(yàn)表明，ps和ts二者互成單值函數(shù)關(guān)系（參見書上附表1和附表2）2.1

水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用火電廠鍋爐可按照其生產(chǎn)出來的蒸汽的壓力和溫度來劃分類型（見書p77表5—1）

二水蒸汽的定壓形成過程下面將討論的是1kg的水，溫度為0℃，水面壓力為p的水蒸汽形成過程。這與鍋爐中的水蒸汽定壓形成過程相似。圖2—1，將水蒸汽的定壓形成過程分為三個階段：預(yù)熱階段，汽化階段和過熱階段。下面我們將整個過程的五個典型狀態(tài)的狀態(tài)特點(diǎn)，進(jìn)行列表說明。2.1水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用典型狀態(tài)未飽和水飽和水濕蒸汽干蒸汽過熱蒸汽溫度t=0℃t=tst=tst=tst＞ts比容（增大）V0=0.001V′Vxv″v蒸汽干度00＜X＜1X=1熵（增大）0S′SxS″S焓（增大）0h′hxh″h圖2-2PⅠⅠ0Ⅰ′

Ⅰ″Ⅰ2.1水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用2.1水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用表示水蒸氣的定壓形成過程的P-v圖和T-S圖：2.1水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用

在壓力PI下水蒸氣定壓形成過程,可用T-S圖中的I0–I′-I″-I過程線表示，其中I0–I′線表示未飽和水的預(yù)熱過程，對應(yīng)的面積表示1Kg水從0℃定壓加熱到ts所需的熱量，叫做預(yù)熱熱q1；I′-I″線表示飽和水的汽化過程，對應(yīng)的面積表示1Kg飽和水定壓汽化為干蒸汽所需的熱量，叫做汽化潛熱r；I″-I線表示水蒸汽的過熱過程，對應(yīng)的面積表示1Kg干蒸汽定壓加熱到過熱蒸汽所需的熱量，叫做過熱熱qsu。根據(jù)p19(2-2)式可得：

q1=h′-h0；

r=h″-h′；

qsu=h-h″。2.1水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用2.1水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用三水蒸汽圖表及應(yīng)用

1水蒸汽表（1）對于飽和水（x=0)和干蒸汽（x=1)，可根據(jù)給出的飽和壓力或飽和溫度從附表Ⅰ或附表Ⅱ查到v,h,s狀態(tài)參數(shù)和汽化潛熱r。（2）對于未飽和水和過熱蒸汽，可根據(jù)給出的壓力和溫度或壓力和另一已知狀態(tài)參數(shù)從附表Ⅲ查到其余狀態(tài)參數(shù)（例子見p19例2-1和p22例2-2）（3）對于濕蒸汽可根據(jù)給出的飽和壓力（或飽和溫度）和干度x，按下列公式計(jì)算：比容：vx=(1–x)v′+xv″焓：hx=(1–x)h′+xh″=h′+xr熵：sx=(1–x)s′+xs″（4）各狀態(tài)點(diǎn)的內(nèi)能可用u=h–pv求得。2.1水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用例：今側(cè)得某容器內(nèi)每10kg水蒸汽中含有0.5kg同溫度的水，并已知容器內(nèi)的絕對壓力為1.6MPa，試確定此水蒸氣所處的狀態(tài)，并求出它的干度、溫度、比容、焓和熵。解：依題意，水蒸氣的干度為：x=m″/m=(10–0.5)/10=0.95由0<x<1可知水蒸氣處于濕蒸汽狀態(tài)，根據(jù)p=1.6MPa，從附表Ⅰ查得該濕蒸汽對應(yīng)的其它狀態(tài)參數(shù)：2.1水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用ts=201.37℃；r=1933.6kJ/kgv′=0.0011586m3/kg；v″=0.12368m3/kg；h′=858.6kJ/kg；h″=2792.2kJ/kg；s′=2.3436kJ/kg·k；s″=6.4187kJ/kg·k那么所求蒸汽的比容：vx=(1–x)v′+xv″=0.117（m3/kg）焓：h=h′+xr=2696(kJ/kg)熵：sx=(1–x)s′+xs″=6.2149（kJ/kg·k）2.1水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用2.1水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用2水蒸氣圖（1）T-S圖用途：可直觀地分析蒸汽的熱力過程例：P30習(xí)題2解：一在T-S圖上定性描繪：根據(jù)已知的高壓鍋爐的過熱蒸汽壓力pⅠ=10MPa和亞臨界壓力鍋爐的過熱蒸汽壓力pⅡ=17MPa，在同一個T-S圖上分別用I0–I′-I″-I過程線和Ⅱ0–Ⅱ′-Ⅱ″-Ⅱ過程線表示它們的水蒸氣定壓形成過程，然后逐個比較對應(yīng)的過程線下代表預(yù)熱熱、汽化潛熱和過熱熱的面積的大小，可知亞臨界壓力鍋爐的預(yù)熱熱和過熱熱比高壓鍋爐的預(yù)熱熱和過熱熱大，但汽化潛熱卻比高壓鍋爐的小。2.1水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用二定量計(jì)算：1高壓鍋爐由pⅠ=10MPa查附表I得：h′=1408.6kJ/kg；h″=2724.4kJ/kg；r=1315.8kJ/kg。由pⅠ和t2查附表Ⅲ得：h0=946.0kJ/kg由pⅠ和t1查附表Ⅲ得：h=3475.4kJ/kg。預(yù)熱熱：ql=h′-h0=462.6（kJ/kg）；汽化潛熱：r=h″-h′=1315.8（kJ/kg）；過熱熱：qsu=h-h″=751.0（kJ/kg）2.1水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用2亞臨界壓力鍋爐同理查表得：h′=1692.45kJ/kg；h″=2548.55kJ/kg；h0=1134kJ/kg；h=3399.05kJ/kg預(yù)熱熱：ql=h′-h0=558.45（kJ/kg）；汽化潛熱：r=h″-h′=856.1（kJ/kg）；過熱熱：qsu=h-h″=850.5（kJ/kg）（高壓鍋爐：ql=462.6；r=1315.8；qsu=751.0）2.1水蒸汽的定壓形成過程及圖表應(yīng)用（2）h–S圖（p18）用途：可用來查取水蒸氣各種狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。（參見p19例2-1和p24例2-3），而且可先根據(jù)已知的p,t,s,x,參數(shù)在h-s圖中查到各個焓值，然后利用書p19（2-2）,（2-3）,(2-4)公式計(jì)算蒸汽的吸熱量、作功量和熱效率。（參見p24例2-3）在h-s圖上有如下曲線：定干度線，定壓線，定溫線和定容線。2.2水蒸氣的典型熱力過程2—2水蒸氣的典型熱力過程一換熱器內(nèi)的定壓流動過程火電廠中，每kg工質(zhì)在鍋爐、過熱器、回?zé)峒訜崞鞯燃訜嵩O(shè)備中的吸熱量等于工質(zhì)焓的升高，而工質(zhì)在凝汽器中放出的熱量等于工質(zhì)焓的減少。即q=ΔhBACK二汽輪機(jī)內(nèi)的絕熱流動過程每kg工質(zhì)在汽輪機(jī)的作功量wi等于工質(zhì)的焓降：Wi=h1-h2。(注意：符號wi,wt,ws)每kg水流過水泵消耗的功wp等于工質(zhì)的焓升：Wp=h2-h1=(p1-p2)v2′（例子見p24例2-3）

三通過噴管的絕熱流動噴管的作用：將工質(zhì)的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)槠鞯膭幽堋?.2水蒸氣的典型熱力過程噴管出口的工質(zhì)流速：

(m/s)

(例子見P22例2-2)通過噴管的質(zhì)量流量：qm=S2c2/v2（kg/s）根據(jù)工質(zhì)在噴管進(jìn)出口的壓力比選擇噴管。

四絕熱節(jié)流p21工質(zhì)節(jié)流前后的狀態(tài)參數(shù)：h1=h2，p1＞p2，s1＜s2工質(zhì)節(jié)流前后，雖然熱能的數(shù)量不變，但其品位降低了。即作功的能力減少了Δh。2.2水蒸氣的典型熱力過程如p22圖2-8所示，設(shè)節(jié)流前的工質(zhì)和節(jié)流后的工質(zhì)都分別膨脹作功,壓力降到pb，那么兩者作功量差別為：Δh=（h1-h1b)–(h2-h2b)。2.2水蒸氣的典型熱力過程8

例如，在火電廠中，蒸汽流經(jīng)管道和閥門的節(jié)流，會使其作功能力減少；煙氣和空氣在煙道和風(fēng)道內(nèi)的節(jié)流，會使廠用電增加。另外，在火電廠中，利用節(jié)流原理設(shè)計(jì)的測量表計(jì)有：1節(jié)流式測量計(jì)，用于測定工質(zhì)的流量；2節(jié)流式干度計(jì)，用于測定濕蒸汽干度。2.2水蒸氣的典型熱力過程2.3水蒸氣動力循環(huán)2—3水蒸氣動力循環(huán)朗肯循環(huán)

1

水蒸氣卡諾循環(huán)由于卡諾循環(huán)的吸熱和放熱過程都是定溫的，因此只能使用飽和蒸汽作質(zhì)，而不能用過熱蒸汽作工質(zhì)。BACK2.3水蒸氣動力循環(huán)卡諾循環(huán)的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：比同溫差的其它動力循環(huán)熱效率高。

缺點(diǎn)：1>因只能使用飽和蒸汽作工質(zhì)，所以循環(huán)的上限溫度受限于臨界溫度，下限溫度受限于環(huán)境溫度，使循環(huán)可利用的溫差范圍不大，熱效率不高。2>水蒸氣膨脹終了狀態(tài)的濕度太大，不利于汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。2.3水蒸氣動力循環(huán)3>定溫放熱終了狀態(tài)仍為濕汽，由于比容大，必須采用十分龐大的壓縮機(jī)，耗功大；另外要實(shí)現(xiàn)汽水兩相混合物的絕熱壓縮，技術(shù)上困難大。2水蒸氣的朗肯循環(huán)2.3水蒸氣動力循環(huán)（1）朗肯循環(huán)由如下四個過程組成：1→2過程(在汽輪機(jī)膨脹作功wt），2→3過程（在凝汽器放熱q2），3→4過程（由水泵壓縮，消耗功wp），4→5→6→1過程（在鍋爐預(yù)熱、汽化、過熱q1）。（2）朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)的不同之處（p23)10(3)朗肯循環(huán)的熱效率ηt工質(zhì)向外輸出的靜功：wo=wt–wp

=(h1–h2)–wp

或wo=q1–q2工質(zhì)吸收的總熱量：q1=h1–h4=(h1–h3)–（h4–h3)=(h1–h2′)-wp2.3水蒸氣動力循環(huán)熱效率:式中：h1—汽輪機(jī)進(jìn)汽的焓h2—汽輪機(jī)排汽的焓h2′—汽輪機(jī)排汽壓力p2下的飽和水焓2.3水蒸氣動力循環(huán)再熱循環(huán)

再熱循環(huán)與朗肯循環(huán)的不同之處是：在鍋爐內(nèi)增加一個再熱器。其優(yōu)點(diǎn)是：

1>可解決，因過熱蒸汽壓力提高后，使排汽干度過低，而造成汽輪機(jī)末級蒸汽濕度過大的困難。因此，壓力在超高壓以上的大中型鍋爐均采用再熱循環(huán)。

2>可提高循環(huán)熱效率。2.3水蒸氣動力循環(huán)三回?zé)嵫h(huán)回?zé)嵫h(huán)與朗肯循環(huán)的不同之處是：在循環(huán)中增加回?zé)峒訜嵩O(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)有：1>可提高鍋爐入口水的水溫，從而提高工質(zhì)在鍋爐內(nèi)的平均吸熱溫度，使其更接近最高吸熱溫度T1,以達(dá)到提高循環(huán)熱效率之目的。2>由于回?zé)峒訜嵩O(shè)備所用的抽汽不排到凝汽器里，因此減少了工質(zhì)在凝汽器的熱量損失(q2)。2.3水蒸氣動力循環(huán)一般超高壓以上的機(jī)組采用7~9級回?zé)幔ɡ齪155圖9-5）2.3水蒸氣動力循環(huán)

以下內(nèi)容是對提高郎肯循環(huán)效率的補(bǔ)充和小結(jié)第四節(jié)

提高朗肯循環(huán)熱效率的途徑提高朗肯循環(huán)熱效率的途徑：

改變蒸汽參數(shù)途徑

改變熱力循環(huán)提高初參數(shù)降低終參數(shù)ts1(p2)提高初溫t1提高初壓p1再熱循環(huán)回?zé)峒訜釤犭娐?lián)產(chǎn)第四節(jié)

提高朗肯循環(huán)熱效率的途徑一、提高初參數(shù)P125所謂初參數(shù)就是汽輪機(jī)進(jìn)口的過熱蒸汽參數(shù)，也稱新蒸汽參數(shù)。1.提高初溫

見圖6-14。優(yōu)點(diǎn)：乏汽中的水珠含量減少，水珠對葉片的腐蝕減輕，水珠對葉片背面的撞擊阻力減小，有利于汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。受限條件：金屬材料熱性能的限制循環(huán)熱效率效果不明顯第四節(jié)

提高朗肯循環(huán)熱效率的途徑一、提高初參數(shù)P1252.提高初壓

見圖6-15。缺點(diǎn)：水珠對葉片的腐蝕加重，對葉片背面的撞擊阻力也增大，不利于汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。受限條件：金屬材料強(qiáng)度性能的限制結(jié)論：提高初壓的同時，往往提高初溫，提高初溫的主要目的是提高汽輪機(jī)排汽干度x。循環(huán)熱效率效果明顯第四節(jié)

提高朗肯循環(huán)熱效率的途徑二、降低終參數(shù)P125終參數(shù)是指汽輪機(jī)排汽口的乏汽參數(shù)。降低終壓的T-s圖見圖6-16。缺點(diǎn)：乏汽干度x減小，不利于汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。受限條件：冷卻水的溫度；排氣壓力下降，乏汽比容增大，汽輪機(jī)末級葉片長度尺寸增大，使汽輪機(jī)尾部尺寸加大。循環(huán)熱效率效果明顯第四節(jié)

提高朗肯循環(huán)熱效率的途徑三、再熱循環(huán)P126再