發(fā)電廠熱力循環(huán)

發(fā)電廠熱力循環(huán)唐志興一、熱力學(xué)定律相關(guān)知識(shí)的了解：<熱力學(xué)第一定律，熱力過程，熱力學(xué)第二定律>(一)自然界是由各種物質(zhì)所組成，一切物質(zhì)都離不開運(yùn)動(dòng)，而能量又是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量度，所以，物質(zhì)，運(yùn)動(dòng)和能量三者都相互依存的，物質(zhì)不滅，運(yùn)動(dòng)不息，能量自然也不滅。也就是說能量不會(huì)不會(huì)被創(chuàng)造，也不會(huì)被消滅，但是物質(zhì)具有多種運(yùn)動(dòng)形式，因此量度物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的能量也就相應(yīng)的具有多種形態(tài)。物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)可以從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，能量也就相應(yīng)地從一種形態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種形態(tài)。如:電流通過導(dǎo)線發(fā)熱就是電能轉(zhuǎn)換為熱能，摩擦生熱就是機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，汽缸內(nèi)的氣體膨脹推動(dòng)活塞就是熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，在能量的轉(zhuǎn)換過程中，能量的總量保持不變，可以根據(jù)能量的轉(zhuǎn)換與守恒，概述為能量從一種形態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種形態(tài)，轉(zhuǎn)換過程中，能量的總量恒定不變，而工程熱力學(xué)中主要研究熱能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換和守恒，故熱力學(xué)第一定律可以表述為“熱可以變?yōu)楣Γσ部梢宰優(yōu)闊?，消失一定量的熱時(shí)，必產(chǎn)生數(shù)量相當(dāng)?shù)墓?，消耗一定量的功時(shí)，亦出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的熱?！备鶕?jù)能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系是指遵守?zé)崃W(xué)第一定律能量守恒的前提下，在熱能動(dòng)力裝置的各個(gè)設(shè)備中，所實(shí)施的不可逆的過程，且工質(zhì)的各個(gè)狀態(tài)狀態(tài)數(shù)都在變化。忽略實(shí)際的一切影響因素，對(duì)各設(shè)備中所發(fā)生的實(shí)際過程進(jìn)行細(xì)致的分析，可以看出這些過程近似為定容過程，定壓過程，定溫過程和絕熱過程。定容過程：工質(zhì)在狀態(tài)變化過程中，其比容始終維持不變的熱力過程稱為定容過程。2.定壓過程：工質(zhì)在狀態(tài)變化過程中，其壓力始終維持不變的熱力過程稱為定壓過程。3.定溫過程：工質(zhì)在狀態(tài)變化過程中，其溫度始終維持不變的熱力過程稱為定溫過程。 4.絕熱過程：工質(zhì)在狀態(tài)變化過程中，其與外界在任一瞬間均無熱量交換的熱力過程稱為絕熱過程。在能量的傳遞和相互轉(zhuǎn)換過程中，熱力學(xué)性第一定律確定了能量的總數(shù)量不會(huì)改變，既不會(huì)增多，也不會(huì)減少，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的過程都必須遵守?zé)崃W(xué)第一定律。但是，符合熱力學(xué)第一定律的熱力過程不一定都能可以自動(dòng)發(fā)生。對(duì)這類問題熱力學(xué)第一定律是無法完成，而熱力學(xué)第二定律正是用來闡明熱力過程進(jìn)行的方向、條件和限度的。為便于理解這些問題，比如：1.熱量由高溫物體自動(dòng)向低溫物體傳遞。2.氣體由高壓區(qū)自動(dòng)向低壓區(qū)膨脹。自發(fā)過程的表現(xiàn)形式是多種多樣的，但它們本質(zhì)的共同點(diǎn)都是單方向的，都是不可逆的，熱力學(xué)第二定律正是揭示這一共同點(diǎn)和表述這一共同點(diǎn)的基本客觀規(guī)律的，但是對(duì)某一具體的自發(fā)過程進(jìn)行研究，可以針對(duì)該過程作出一種熱力學(xué)第二定律的表述。溫度傳遞：克勞修斯:不可能將熱由低溫物體向高溫物體傳遞而不留下其他任何變化。主要說明熱量由高溫物體向低溫物體傳遞的自發(fā)過程是不可逆的。能量轉(zhuǎn)換：開爾文：不可能從單一熱源取熱并使轉(zhuǎn)變?yōu)楣?，而不留下其它任何變化。指明功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬淖园l(fā)過程是不可逆的，“第二類永動(dòng)機(jī)是永遠(yuǎn)不能成立的”。二、卡諾循環(huán)熱機(jī)的循環(huán)熱效率的極限值必在理想的情況下確定。有了熱力學(xué)第一、第二定律的導(dǎo)出，法國(guó)工程師卡諾是最早研究了熱機(jī)理論。他設(shè)想了一種理想的熱機(jī)循環(huán)。這種熱機(jī)循環(huán)是由定溫吸熱，絕熱膨脹，定溫放熱和絕熱壓縮的四個(gè)過程組成一個(gè)可逆循環(huán)。 卡諾循環(huán)再蒸汽動(dòng)力設(shè)備中的應(yīng)用飽和水在鍋爐內(nèi)的吸熱汽化過程5—1飽和蒸汽在排汽裝置內(nèi)的放熱凝結(jié)過程2—ｃ即為定壓過程又是定溫過程。因此，在飽和蒸汽卡諾循環(huán)中，定溫吸熱過程５—１，定溫放熱過程２—ｃ和蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)的絕熱膨脹過程１—２均可近似實(shí)現(xiàn)，但濕蒸汽在壓縮機(jī)內(nèi)的絕熱壓縮過程ｃ－５卻難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閴嚎s濕蒸汽時(shí)壓縮機(jī)所消耗的功很大，更何況壓縮汽水混合物時(shí)壓縮機(jī)的工作極不穩(wěn)定。因此，卡諾循環(huán)只能局限于飽和區(qū)內(nèi)，因?yàn)槌鲲柡蛥^(qū)工質(zhì)的定壓吸熱過程就不在是定溫過程。因而，工質(zhì)吸熱的上限溫度受臨界溫度374.15℃的限制，工質(zhì)的放熱的下限溫度又受大氣環(huán)境溫度的限制。這樣的循環(huán)中的溫差不大，即使在飽和區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了卡諾循環(huán)，其熱效率也是不高。朗肯循環(huán)針對(duì)飽和蒸汽卡諾循環(huán)存在的問題，進(jìn)行改進(jìn)就出現(xiàn)朗肯循環(huán)，同時(shí)廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠熱力循環(huán)中，作為工質(zhì)的水和蒸汽在蒸汽動(dòng)力裝置中流經(jīng)各個(gè)設(shè)備，分別進(jìn)行吸熱，膨脹，放熱和升壓的過程，從而完成整個(gè)循環(huán)。1.吸熱過程1-4在鍋爐內(nèi)，未飽和水由狀態(tài)4經(jīng)省煤器被加熱到飽和水狀態(tài)5，4-5過程定壓不定溫。狀態(tài)5的飽和水經(jīng)蒸發(fā)器被加熱汽化為狀態(tài)6的干飽和蒸汽，5-6過程定壓又定溫。狀態(tài)6的干飽和蒸汽經(jīng)過熱器被加熱到所需狀態(tài)1的過熱蒸汽，6-1定壓不定溫。由此可知，工質(zhì)在鍋爐內(nèi)的吸熱過程4-1是由未飽和水的預(yù)熱過程4-5、飽和水的汽化過程5-6和飽和蒸汽的過熱過程6-1串聯(lián)而成。膨脹過程1-2在汽輪機(jī)內(nèi)狀態(tài)1的過熱蒸汽經(jīng)膨脹做功后變成狀態(tài)2的濕蒸汽。（0.85-0.88干度）放熱過程2-3在排汽裝置內(nèi)，狀態(tài)2的濕蒸汽向循環(huán)冷卻水（或空氣)中放熱，凝結(jié)成狀態(tài)3的凝結(jié)水（飽和水）。升壓過程3-4在水泵內(nèi)，狀態(tài)3的凝結(jié)水經(jīng)水泵升壓成狀態(tài)4的未飽和水。蒸汽參數(shù)對(duì)朗肯循環(huán)熱效率的影響：1.排氣壓力的影響在進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣溫度保持不變的情況下，降低排氣壓力，可以提高循環(huán)熱效率，排汽是飽和蒸汽，排汽壓力改變，其對(duì)應(yīng)的飽和溫度必然隨之而改變。在朗肯循環(huán)的排氣壓力為中，其對(duì)應(yīng)的飽和溫度即為循環(huán)的平均放熱溫度,若將循環(huán)的排氣壓力由降為,則其平均放熱溫度必由降至,因而出現(xiàn)另一新的朗肯循環(huán)，新循環(huán)的排汽壓力為,其平均放熱溫度是，由于排汽壓力的降低，熱效率顯著升高。而在新的循環(huán)中，排汽壓力降低要在設(shè)計(jì)的限額之內(nèi)，若過分的降低會(huì)導(dǎo)致排汽干度的降低，排汽干度低于限定值，則有可能影響汽輪機(jī)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。平均吸熱溫度循環(huán)熱效率平均放熱溫度/平均吸熱溫度熵增量2.進(jìn)汽溫度的影響在進(jìn)汽壓力和排汽壓力保持不變的情況下，提高進(jìn)汽溫度，可以提高循環(huán)熱效率。在朗肯循環(huán)中，其進(jìn)汽溫度為（即為循環(huán)上限溫度）。平均放熱溫度為,平均吸熱溫度為,若進(jìn)汽溫度由提高到，則形成另一個(gè)朗肯循環(huán)，該循環(huán)的進(jìn)汽溫度為，平均放熱溫度為,平均吸熱溫度為,由于吸熱的上限溫度提高（>），平均吸熱溫度提高（>），平均放熱溫度未改變（=），所以新的循環(huán)比原循環(huán)具有更高的熱效率。由此可見，提高進(jìn)汽溫度，定能提高朗肯循環(huán)的熱效率。例外，提高進(jìn)汽溫度，還可以提高排汽的干度。3.進(jìn)汽壓力的影響在進(jìn)汽溫度和排汽壓力保持不變的情況下，提高進(jìn)汽壓力，可以提高循環(huán)熱效率。在朗肯循環(huán)中，其進(jìn)汽壓力為，平均吸熱溫度為，平均放熱溫度為，若該循環(huán)壓力由提高到，則形成另一種朗肯循環(huán)。進(jìn)汽壓力提高后的循環(huán)的壓力為，其平均吸熱溫度為，平均放熱溫度為，由于進(jìn)汽壓力由提高到，平均吸熱溫度提高（>），平均放熱溫度未改變（=），所以新循環(huán)比原循環(huán)的熱效率高，由此可見，提高進(jìn)汽壓力，可以提高朗肯循環(huán)的熱效率。實(shí)質(zhì)上，進(jìn)汽壓力的提高，循環(huán)的上限溫度和下限溫度并未改變，主要是蒸發(fā)段5-6的蒸發(fā)溫度（即飽和溫度）提高了，使得平均吸熱溫度上升，因而循環(huán)熱效率提高。由圖可以看出，提高進(jìn)汽壓力會(huì)導(dǎo)致排汽干度降低，所以在提高進(jìn)汽壓力的同時(shí)應(yīng)提高進(jìn)汽溫度，這樣能取得較理想的效果。四、再熱循環(huán)為了提高汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力，而引起排汽干度的下降的不良后果，可以再朗肯循環(huán)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，即出現(xiàn)了再熱循環(huán)。再熱是在汽輪機(jī)高壓部分工作的蒸汽膨脹到一定壓力時(shí)，將其全部抽出引入鍋爐再熱器中，進(jìn)行再次吸熱，然后再進(jìn)入汽輪機(jī)低壓部分繼續(xù)做功，最終膨脹成為乏汽，排出汽輪機(jī)。這樣可以提高汽輪機(jī)排汽干度，還又適當(dāng)提高循環(huán)熱效率。

則再熱循環(huán)的平均吸熱溫度將高于原朗肯循環(huán)的平均吸熱溫度，從而提高了再熱循環(huán)的熱效率，若中間再熱壓力選擇的過低，則會(huì)造成附加循環(huán)的平均吸熱溫度低于原朗肯循環(huán)的平均吸熱溫度，從而降低再熱循環(huán)的熱效率。如果壓力