蒸汽動力裝置循環(huán)課件

蒸汽動力裝置循環(huán)1蒸汽動力裝置循環(huán)1概述熱機：將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的設備；動力循環(huán)：熱機中，通過工質(zhì)的熱力循環(huán)過程實現(xiàn)熱能連續(xù)地轉(zhuǎn)換為機械能，其工作循環(huán)稱為動力循環(huán)；根據(jù)工質(zhì)的不同，動力循環(huán)可分為：蒸汽動力循環(huán)（蒸汽機、蒸汽輪機）：外燃機（externalcombustionengine）氣體動力循環(huán)（活塞式、葉輪式）：內(nèi)燃機（internalcombustionengine）燃氣輪機2概述熱機：將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的設備；23344556677889910101111研究重點熱能利用的經(jīng)濟性，即循環(huán)熱效率；分析影響循環(huán)熱效率的各種因素，研究提高循環(huán)熱效率的途徑；研究方法簡化：簡化熱機工作流程；理想化：簡單、典型的可逆過程和循環(huán)近似實際復雜的不可逆過程和循環(huán)。12研究重點12分析動力循環(huán)的一般方法分析動力循環(huán)的一般步驟：1、把實際工作循環(huán)簡化為理想循環(huán)，確定表征循環(huán)特性的參數(shù)，并表示在p-v圖和T-s圖上研究目的：分析動力循環(huán)能量轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟性，合理安排循環(huán)，提高熱效率2、進行參數(shù)分析，確定理想循環(huán)中各典型點的狀態(tài)參數(shù)，將其表示為工質(zhì)的初態(tài)參數(shù)和循環(huán)特性參數(shù)的函數(shù)3、進行能量分析，確定各個基本熱力過程的能量關系，計算出相應的熱量、功量及焓的變化4、進行循環(huán)性能的分析，確定表征循環(huán)整體性能的各種指標：吸熱量、放熱量、凈熱、凈功、熱效率等13分析動力循環(huán)的一般方法分析動力循環(huán)的一般步驟：1、把實際工作蒸汽動力循環(huán)水蒸氣：火力發(fā)電、核電低沸點工質(zhì)：氨、氟里昂太陽能、余熱、地熱發(fā)電動力循環(huán)：以獲得功為目的14蒸汽動力循環(huán)水蒸氣：火力發(fā)電、核電低沸點工質(zhì)：氨、氟里昂太陽151516161717蒸汽動力循環(huán)循環(huán)中工質(zhì)偏離液態(tài)較近，時而處于液態(tài)，時而處于氣態(tài)，因而對蒸汽動力循環(huán)的分析必須結(jié)合水蒸氣的性質(zhì)和熱力過程。由于水和水蒸氣均不能燃燒而只能從外界吸熱，必需配備制備蒸汽的鍋爐設備，因而裝置的設備也不同。“外燃動力裝置”。燃燒產(chǎn)物不參與循環(huán)，因此蒸汽動力裝置可以使用各種常規(guī)的固體、液體、氣體燃料及核燃料，可以利用劣質(zhì)煤和工業(yè)廢熱，還可以利用太陽能和地熱等能源，這是這類循環(huán)的一大優(yōu)點。18蒸汽動力循環(huán)循環(huán)中工質(zhì)偏離液態(tài)較近，時而處于液態(tài)，時而處于氣蒸汽動力裝置的基本循環(huán)⑴

朗肯循環(huán)蒸汽動力裝置由以下基本設備:鍋爐、汽輪機、凝汽器、給水泵按圖中所示標號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鍋爐給水泵凝汽器234561聯(lián)接構成蒸汽動力裝置蒸汽動力裝置中水蒸氣經(jīng)歷的基本循環(huán)過程可理想化為：

19蒸汽動力裝置的基本循環(huán)⑴朗肯循環(huán)蒸汽動力裝置由以下sT4321t1P1理想化的蒸汽動力裝置基本循環(huán)是朗肯循環(huán)1(P1,t1)——進入汽輪機時的新蒸汽（過熱汽）狀態(tài)；

2(P2)——從汽輪機排出時的乏汽（濕蒸汽）狀態(tài)；

1-2——蒸汽在汽輪機中絕熱膨脹（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20sT4321t1P1理想化的蒸汽動力裝置基本循環(huán)是朗4-5——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)sT4321t1P1214-5——給水在鍋爐省煤器中定壓加熱成飽和水(P1'ts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)）22給水4(P1,h’2)省煤器飽和水5(P1,ts)飽和汽sP

4213PPs56hs132456⑵

朗肯循環(huán)的P-v圖和h-s圖P-v圖h-s圖sPPs23sP4213PPs56hs132456⑵朗肯循環(huán)的P-v6sT54321t1P1⑶

蒸汽動力裝置為什么不采用卡諾循環(huán)平均吸熱溫度朗肯循環(huán)1234561平均放熱溫度朗肯循環(huán)1234561的熱效率同溫限的卡諾循環(huán)1234

14

q4

1>q41

12341>

1234561定溫吸熱過程4

1難于實現(xiàn)過熱蒸汽不采用卡諾循環(huán)246sT54321t1P1⑶蒸汽動力裝置為什么不采用卡諾循環(huán)兩相壓縮過程35難于實現(xiàn)6sT54321t1P12

3

2

濕度太大對汽輪機工作不利wnet小若以飽和汽為工質(zhì)實行卡諾循環(huán)62

3

56若P1較低熱效率反而不如朗肯循環(huán)蒸汽動力裝置不采用卡諾循環(huán)25兩相壓縮過程35難于實現(xiàn)6sT54321t1P1232⑵

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)的熱效率汽輪機輸出的技術功給水泵消耗的技術功sT4321t1P15626⑵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水泵消耗的技術功遠小于汽輪機作出的技術功h4=h3=h'2wt,B=h4?h3≈0汽輪機輸出的技術功給水泵消耗的技術功一般占0.8~1%不計給水泵消耗的技術功sT4321t1P15627水泵消耗的技術功遠小于汽輪機作出的技術功h4=h3=⑷

影響朗肯循環(huán)熱效率的因素根據(jù)狀態(tài)參數(shù)關系不計給水泵消耗的技術功時，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會有較顯著的提高乏汽干度x2會降低乏汽干度x2不得小于0.86P1'sT1

12

342t1P1P1

提高初壓力的影響平均吸熱溫度明顯提高對機器的強度要求提高5

6

5628⑷影響朗肯循環(huán)熱效率的因素根據(jù)狀態(tài)參數(shù)關系不計給水P1、P2不變，將初溫

t1提高

t,R會有較顯著的提高乏汽干度x2會提高同時提高P1、t1是方向提高初溫的影響P11432t1sTt1

1

2

t1'②平均吸熱溫度明顯提高金屬耐熱要求提高對機器的強度要求提高目前可應用的t1為550℃56汽機出口尺寸增大提高初溫的結(jié)果相當于在原循環(huán)1234561基礎上附加循環(huán)11

2

2129P1、P2不變，將初溫t1提高t,R會有較顯著的提高乏汽P1、t1不變，將終壓P2降低wt,T增大

P2目前實際已采用至3.5~4kPa，對應的飽和溫度為27~33℃限于循環(huán)水的溫度，已基本達到極限低值sT12'342t1P1降低終壓力的影響3'4'③P2'對

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30P1、t1不變，將終壓P2降低wt,T增大P2目前實⑸

汽輪機的相對內(nèi)效率和汽耗率實際的汽輪機內(nèi)部過程是不可逆的①汽輪機的相對內(nèi)效率（定熵效率）②汽耗率(d)單位為kg/J,kg/kJ,也使用kg/(kW

h)為單位不計給水泵耗功時，若理想汽輪機的輸出功率為P0kW，耗汽率為Dkg/s，兩者有以下關系：理想汽耗率

裝置每輸出單位功量所消耗的蒸汽量P11432s2t1sT實際的基本循環(huán)31⑸汽輪機的相對內(nèi)效率和汽耗率實際的汽輪機內(nèi)部過程是不可逆的相對于汽輪機的實際輸出功率實際汽耗率

因此實際蒸汽動力裝置整體上講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

——實際蒸汽動力裝置循環(huán)的熱效率

t=

t,R

B

tu

T32相對于汽輪機的實際輸出功率實際汽耗率因此實際蒸汽動一簡單蒸汽動力裝置循環(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/kgP11432t1sTt1

1

2

忽略水泵功耗。查水蒸氣表得：33一簡單蒸汽動力裝置循環(huán)(即朗肯循環(huán))，蒸汽的初壓P1=3具體計算如下：P11432t1sTt1

1

2

34具體計算如下：P11432t1sTt11234計算結(jié)果匯總：t1，℃300500

t0.34460.3716d，kg/J1.0215

10

60.8146

10

6x20.77080.859335計算結(jié)果匯總：t1，℃300500t0.34460.37蒸汽動力裝置再熱循環(huán)⑴帶再熱的蒸汽動力裝置

再熱——蒸汽在汽輪機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，然后再引回汽輪機中繼續(xù)作功，或稱重熱

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；理論上可進行多次再熱，但實際只有1~2次再熱冷卻水汽輪機鍋爐給水泵凝汽器帶再熱的蒸汽動力裝置234561(再熱器)(過熱器)二次汽一次汽ab以朗肯循環(huán)為基礎36蒸汽動力裝置再熱循環(huán)⑴帶再熱的蒸汽動力裝置再熱——蒸汽⑵蒸汽動力裝置再熱循環(huán)設一次汽的參數(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）汽輪機前缸絕熱膨脹前缸排汽a(Pa)1-a——一次汽在汽輪機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——二次汽在汽輪機后缸中絕熱膨脹作功(hb?

h2)

；sTb1atP2c34蒸汽動力裝置再熱循環(huán)二次汽b(Pa,t)汽輪機后缸絕熱膨脹乏汽2(P2,h2)凝汽器定壓放熱（循環(huán)）37⑵蒸汽動力裝置再熱循環(huán)設一次汽的參數(shù)為P、t，中間⑶再熱循環(huán)的熱效率忽略給水泵的功耗時，再熱循環(huán)輸出的功為一次汽和二次汽在汽輪機中所作的技術功之和對于具有1次再熱的蒸汽動力循環(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sTb1atP2c3438⑶再熱循環(huán)的熱效率忽略給水泵的功耗時，再熱循環(huán)輸出①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)的熱效率無再熱時乏汽的狀態(tài)為c；有再熱時乏汽的狀態(tài)為2x2>xc——與Pa有關再熱的目的更重要地還在于它能提高汽輪機乏汽的干度，從而為提高初壓力創(chuàng)造條件

③此外，乏汽干度提高對汽輪機的內(nèi)部效率有利sTb1atP2c34精心設計的再熱循環(huán)有望直接提高循環(huán)熱效率4%~5%(2~3.5%)39①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

蒸汽再熱循環(huán)的實踐P1<10MPa一般不采用再熱我國常見再熱機組t1>600℃，P1>25MPa(超臨界機組)系統(tǒng)復雜，初投資增加再熱也帶來一些負面影響鍋爐、汽輪機結(jié)構復雜化100、125、200、300MW，P1>13.5MPa——一次再熱——二次再熱40蒸汽再熱循環(huán)的實踐P1<10MPa一般不采用再熱蒸汽動力裝置再熱循環(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/(kg

K)s

,kJ/(kg

K)0.004121.412554.10.42248.47470.5640.12748.51.86046.8215過熱水蒸氣表

t,℃0.5，MPa12MPah,kJ/kgs,kJ/(kg

K)h,kJ/kgs,kJ/(kg

K)4003271.87.79443053.36.07874503377.07.94523209.96.303241蒸汽動力裝置再熱循環(huán)，蒸汽的初參數(shù)為P1=12MPa、t1sT1234解：由水蒸氣表查得：P2=4kPa時s

=0.4224kJ/(kg

K)s

=8.4747kJ/(kg

K)h

=121.41kJ/kgh

=2554.1kJ/kg,P1=12MPat1=450℃h1=3209.9kJ/kgs1=6.3032kJ/(kg

K)題給再熱后（設為b，過熱汽）Pb=0.5MPatb=400℃hb=3271.8kJ/kgsb=7.7944kJ/(kg

K)42sT1234解：由水蒸氣表查得：P2=4kPa時ssT1234bcaP=0.5MPa時s

=1.8604

kJ/(kg

K)s

=6.8215kJ/(kg

K)h

=640.1

kJ/kgh

=2748.5kJ/kg,已知再熱時的狀態(tài)（設為a）Pa=0.5MPasa值在s

與s

之間，故知a點為濕蒸汽狀態(tài)sa=s1=6.3032kJ/(kg

K)并且

43sT1234bcaP=0.5MPa時s=1.8604由此ha=xah

+(1-xa)h

=0.8955

2748.5+(1

0.8955)

640.1=2528.17kJ/kg由于h2=x2h2

+(1-x2)h2

=0.7303

2554.1+(1

0.7303)

121.41=1898.00kJ/kg以及hc=xch

+(1

xc)h

=0.9155

2554.1+(1

0.9155)

121.41=2348.54kJ/kgsT1234bca44由此ha=xah+(1-xa)h由于h2=x2h2+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

45該再熱循環(huán)的終濕度(1xc)=0.0845循環(huán)的熱效回熱循環(huán)現(xiàn)代大型蒸汽動力裝置采用多至7~9級抽汽回熱朗肯循環(huán)中放熱過程溫度為最低，不可能進行回熱抽汽回熱：作功過程中抽出一部分蒸汽來完成回熱任務回熱——將循環(huán)中某一放熱過程放出的熱量用于滿足另一吸熱過程的需要46回熱循環(huán)現(xiàn)代大型蒸汽動力裝置采用多至7~9級抽汽回熱鍋爐23561給水泵氣輪機1kg

1kg(1–

1)kg1kg010

1混合式給水回熱器凝汽器（冷卻水）凝結(jié)水泵41kg⑴帶抽汽回熱的蒸汽動力裝置對于只有1級抽汽回熱的裝置（按耗汽1kg考慮）：回熱抽汽量為

1kg，狀態(tài)01；凝汽量為(1?

1)kg，狀態(tài)2回熱抽汽在回熱器中定壓凝結(jié)放出熱量

1(h01-h0

1)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)水在回熱器中吸熱(1?

1)(h0

1?h

2)回熱抽汽本身亦凝結(jié)成為0

1狀態(tài)的飽和水(1–

1)kg凝結(jié)水3用凝結(jié)水泵壓送至回熱器（不計水泵耗功）=回熱式蒸汽動力裝置加熱至狀態(tài)0

1——01壓力下的飽和水(1–

1)kg4

47鍋爐23561給水泵氣輪機1kg1kg(1–1)kg1k

T-s圖上示出帶1級回熱抽汽的蒸汽動力裝置循環(huán)過程

01——回熱抽汽的狀態(tài)

01-0

1——

1kg回熱抽汽在回熱加熱器中的定壓凝結(jié)放熱過程4

-0

1——

(1?

1)kg生水在回熱器中定壓加熱過程

4——進入鍋爐時的給水(1kg)

狀態(tài)1432t1sT0

11kg

1kgP1(1?

1)kg011kg(1?

1)kg蒸汽動力裝置回熱循環(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)水升壓至回熱抽汽壓力P01(未飽和水4

)

0

1——回熱抽汽壓力下的飽和水

0

1-4——給水泵中的絕熱壓縮過程4

448T-s圖上示出帶1級回熱抽汽的蒸汽動力裝置循環(huán)過程⑵

回熱循環(huán)的熱效率以1級抽汽回熱為例：循環(huán)的吸熱量1432t1sT0

11kg

1kgP1(1?

1)kg011kg(1?

1)kg蒸汽動力裝置回熱循環(huán)4

4忽略水泵功耗時，循環(huán)輸出的凈功為凝汽和回熱抽汽在汽輪機中所作兩部分技術功之和具有1級抽汽回熱的循環(huán)熱效率為49⑵回熱循環(huán)的熱效率以1級抽汽回熱為例：循環(huán)的吸回熱抽汽量的確定1432t1sT0

11kg

1kgP1(1?

1)kg011kg(1?

1)kg蒸汽動力裝置回熱循環(huán)4

4使用混合式加熱器時，由能量平衡=ηRt回熱使循環(huán)的熱效率得到了提高回熱之所以能夠提高循環(huán)熱效率其熱力學實質(zhì)在于抽汽部分所完成的循環(huán)熱效率為100%它們是不能獨立存在的！50回熱抽汽量的確定1432t1sT011kg1kg不計給水泵耗功時，循環(huán)輸出凈功為

循環(huán)放熱量循環(huán)吸熱量對于n級抽汽回熱抽汽

1、

2、

3、……

n，凝汽份額

c

51不計給水泵耗功時，循環(huán)輸出凈功為循環(huán)放熱量有n級抽汽回熱的循環(huán)