第十章 蒸汽动力装置循环,Vapor power cycles,蒸汽及蒸汽动力装置(steam power plant) 1）蒸汽是历史上最早广泛使用的工质，19世纪后期 蒸汽动力装置的大量使用，促使生产力飞速发展， 促使资本主义诞生。 2）目前世界约75%电力、国内78%电力来自火电厂，绝 大部分来自蒸汽动力。 3）蒸汽动力装置可利用各种燃料。 4）蒸汽是无污染、价廉、易得的工质。,10-1 简单蒸汽动力装置循环朗肯循环,一、概述,适应于“朗肯循环”的蒸汽动力装置示意图和T-S图。,为什么实际的蒸汽动力装置中不采用“卡诺循环”,注意：1) 8-5为压缩过程，但点8处于湿饱和蒸汽区，其工质状态是汽水混合物，这就要求一个很大的压缩机，且亦造成压缩机工作不稳定；2) 点7为6-7膨胀过程的末期，湿蒸汽干度过小，即含水过多，不利于动力机的安全；3) 循环局限于饱和区，其上限温度受制于临界温度，故即使实现了卡诺循环，其效率也不高。(所以),“朗肯循环”和“卡诺循环” 的主要不同点,二、朗肯循环的热效率,若忽略水泵功，同时近似取h4h3，则,耗汽率(steam rate)及耗汽量 理想耗汽率(ideal steam rate) d0 装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量,耗汽量,三、 蒸汽参数对“朗肯循环”热效率的影响 （1）初温,好处： 1. 循环效率提高； 2. 终态干度增大(可提高汽轮 机相对内效率、减少末级 叶片腐蚀)。,不利： 提高新蒸汽温度受材料的耐 热性能的限制。,结论： 在初压和背压不变的情况下： 新蒸汽温度提高，循环热效率提高。 原因：初温 提高到 ，增加了循 环的高温加热段1-1a，使得平均吸热温度 由 增加到 ，循环温差增大， 效率提高。,2、初压对“朗肯循环”热效率的影响,结论： 在初温和背压不变的情况下：,新蒸汽压力 循环热效率,原因：初压提高，使得平均温度由 增加到 ，循环温差增大，效率提高。,好处： 循环效率提高。,不利：1. 提高新蒸汽初压，材料的强 度要受到考验； 2. 引起乏汽干度的迅速下降， (汽轮机内效率降低；增加 汽轮机末级叶片的侵蚀；易引起汽轮 机的危险震动；缩短使用寿命),3. 背压对“朗肯循环”热效率的影响,结论： 在初温和初压不变的情况下：,原因：背压降低，循环温差增大， 所以效率提高。,好处：循环效率提高。,不利：1. 降低P2，意味着冷凝器内 饱和温度T2降低，而T2要高于外界环 境温度，故T2降低受环境温度的限制。 2. 引起乏汽干度的迅速下降。 (汽轮机内效率降低；增加汽轮机末级 叶片的侵蚀；易引起汽轮机的危险震动 ；缩短使用寿命),降低背压P2 循环热效率,朗肯循环中离开锅炉进入蒸汽轮机的蒸气是4 MPa 、 400 ，冷凝器内压力为 10 kPa。试确定循环热效率 。,分析：为确定热效率，需计算水泵耗功、汽轮机作功和锅炉内蒸汽吸热量。分别依次取这些设备为控制体积，蒸汽作稳态流动，且可忽略动能和位能变化。,解：,控制体积: 水泵。 进入状态: p2，饱和液； 出口状态: p4。,水泵,据第一定律,锅炉,控制体积: 锅炉。 进入状态: p4，h4已知；状态确定。 出口状态: 状态1确定。,由第一定律,代入已得数据,控制体积: 蒸汽轮机。 进入状态: p1、T1已知；状态确定 出口状态: p2已知。, 蒸汽轮机,据第一定律,据第二定律,代入由蒸汽表查取的数据：,循环净功也可从冷凝器中乏汽放热量qL确定。,15,四、有摩阻的实际朗肯循环 1. T-s图及h-s图,汽轮机做功：,汽轮机中的不可逆过程,理想情况：,实际情况：,2. 不可逆性衡量 a）汽轮机内部相对效率T（简称汽机效率）,近代大功率汽轮机T 在0.85-0.92左右。,设计中，选定T 按,（h1h2理想绝热焓降（ideal enthalpy drop; isentropic enthalpy drop ）,h2act的确定方法：,运行中，测出 p2 及 x2，按 hx= x2h+ (1-x2)h,17,c）汽轮机轴功ws，轴功率Ps ：,m机械效率,3.实际内部耗汽率di和耗汽量Di,b）装置内部热效率（internal thermal efficiency） 忽略水泵功：,考虑机械损失,实际内部功率,例,我国生产的30万kW汽轮发电机组，其新蒸气压力和温度分别为p1= 17 MPa、t1= 550，汽轮机排汽压力p2= 5kPa。若按朗肯循环运行，求：(1) 汽轮机所产生的功；(2) 水泵功；(3) 循环热效率和理论耗汽率。,解：,h1=3 426 kJ/kg,h2=1 963.5 kJ/kg,查饱和水和饱和水蒸气表,p= 5 kPa，v=0.001 005 3 m3/kg、 h=137.22 kJ/kg。,查h-s图,若略去水泵功，则,二、“再热循环”的定义,新汽膨胀到某一中间压力后撤出汽轮机，倒入锅炉中的再热器R，使之再加热，然后再导入汽轮机继续膨胀到背压P2，该循环称为再热循环。,10-2 再热循环（reheat cycle）,三、再热对循环效率的影响 忽略泵功：,t,？,四、如何确定中间压力，保证再热循环的效率提高？,再热循环的目：一是提高汽轮机排汽的干度，二是增加工质的焓降和提高循环效率(45%)。由效率公式中如何无法判断再热循环的效率比朗肯循环的效率是大还是小？怎么办？ 基本循环：1-2-3-4-1 附加循环：5-6-7-2-5 所 以：比较上述两个循环的效率！ 如果：附加循环较基本循环效率高，则能够使循环的总效率提高，反之则降低。 这也就决定了中间压力的选取？ 根据已有经验，中间压力一般在 (1/51/4)初始压力p1范围内时对提高效率的作用最大。,23,由吸热平均温度知，如果蒸汽的压力和温度一定，提高进入锅炉的给水温度，同样可提高吸热平均温度，从而提高锅炉exergy效率。 回热循环：就是从汽轮机的中部抽出一部分作过功、但仍具有某一中间压力pk的蒸汽，供至回热器（给水加热器）中，用来加热来自冷凝器的冷凝水，然后再经泵加压后一起供至锅炉。蒸汽的焓增来自锅炉，经回热器后部分热（焓）又返回到锅炉，所以称之“回热循环”。,10-3 抽汽回热循环（regenerative cycle）,24,一、抽汽回热循环（regenerative cycle with steam extraction，regenerative cycle with feed-water heater）,回热器两种方式,混合式,25,间壁式,回热循环T-s图如下。抽气口的状态点a为压力pa温度Ta的过热蒸汽，抽气份额。在回热器中定压放热，冷凝成状态点5的水，将锅炉的给水从状态4加热至状态5，使锅炉的吸热过程从水泵压缩后的状态点5开始至状态点1。吸热量为q1=h1-h6，吸热平均温度上升。,显然，回热循环可以提高热平均温度，从而提高锅炉的热效率和循环的效率。,27,由于T-s图上各点质量不同，面积不再直接代表热和功,28,抽汽回热循环的抽汽量计算,以混合式回热器为例,热一律,忽略泵功,29,抽汽回热循环热效率的计算,吸热量：,放热量：,净功：,30,为什么抽汽回热热效率提高？,简单朗肯循环：,物理意义： kg工质100%利用； 1- kg工质效率未变,某再热回热循环，初压p1=10MPa，初温t1=500。第一次抽汽压力pa=1.5MPa，抽汽量1kg，余(1-1)kg，再热到500 。第二次抽汽压力pb=0.13MPa，若最终压力为0.005MPa，试求循环理论热效率。,解： 查h-s图及水和水蒸气热力性质表,忽略水泵功：,类似：,