第11章

蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)2024/5/91第十一章蒸汽動(dòng)力循環(huán)水蒸氣：火力發(fā)電、核電低沸點(diǎn)工質(zhì)：氨、氟里昂太陽能、余熱、地?zé)岚l(fā)電動(dòng)力循環(huán)：以獲得功為目的2024/5/922024/5/932024/5/942024/5/95蒸汽動(dòng)力循環(huán)循環(huán)中工質(zhì)偏離液態(tài)較近，時(shí)而處于液態(tài)，時(shí)而處于氣態(tài)，因而對蒸汽動(dòng)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(shè)備，因而裝置的設(shè)備也不同?！巴馊紕?dòng)力裝置”。燃燒產(chǎn)物不參與循環(huán)，因此蒸汽動(dòng)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?zé)岬饶茉矗@是這類循環(huán)的一大優(yōu)點(diǎn)。2024/5/96§11.1

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：

2024/5/97sT4321t1P1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)2024/5/984-5——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)sT4321t1P12024/5/99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)）2024/5/910sP

4213PPs56hs132456⑵

朗肯循環(huán)的P-v圖和h-s圖P-v圖h-s

圖sPPs2024/5/9116sT54321t1P1⑶

蒸汽動(dòng)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(shí)現(xiàn)過熱蒸汽不采用卡諾循環(huán)2024/5/912兩相壓縮過程35難于實(shí)現(xiàn)6sT54321t1P12

3

2

濕度太大對汽輪機(jī)工作不利wnet小若以飽和汽為工質(zhì)實(shí)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(dòng)力裝置不采用卡諾循環(huán)2024/5/913⑵

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sT4321t1P1562024/5/914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0.8~1%不計(jì)給水泵消耗的技術(shù)功sT4321t1P1562024/5/915⑷

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'sT1

12

342t1P1P1

提高初壓力的影響平均吸熱溫度明顯提高對機(jī)器的強(qiáng)度要求提高5

6

562024/5/916P1、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(jī)器的強(qiáng)度要求提高目前可應(yīng)用的t1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)11

2

212024/5/917P1、t1不變，將終壓P2降低wt,T增大

P2目前實(shí)際已采用至3.5~4kPa，對應(yīng)的飽和溫度為27~33℃限于循環(huán)水的溫度，已基本達(dá)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2024/5/918⑸

汽輪機(jī)的相對內(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(jì)給水泵耗功時(shí)，若理想汽輪機(jī)的輸出功率為P0kW，耗汽率為Dkg/s，兩者有以下關(guān)系：理想汽耗率

裝置每輸出單位功量所消耗的蒸汽量P11432s2t1sT實(shí)際的基本循環(huán)2024/5/919相對于汽輪機(jī)的實(shí)際輸出功率實(shí)際汽耗率

因此實(shí)際蒸汽動(dòng)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(shí)際蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)的熱效率

t=

t,R

B

tu

T2024/5/920例11-1(習(xí)題11-1)一簡單蒸汽動(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/kgP11432t1sTt1

1

2

忽略水泵功耗。查水蒸氣表得：2024/5/921具體計(jì)算如下：P11432t1sTt1

1

2

2024/5/922計(jì)算結(jié)果匯總：t1，℃300500

t0.34460.3716d，kg/J1.0215

10

60.8146

10

6x20.77080.85932024/5/923§11.2

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)2024/5/924⑵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)）2024/5/925⑶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sTb1atP2c342024/5/926①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%)2024/5/927

蒸汽再熱循環(huán)的實(shí)踐P1<10MPa一般不采用再熱我國常見再熱機(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2024/5/928例11-2(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/(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)4003271.87.79443053.36.07874503377.07.94523209.96.30322024/5/929sT1234解：由水蒸氣表查得：P2=4kPa

時(shí)s

=0.4224kJ/(kg

K)s

=8.4747kJ/(kg

K)h

=121.41kJ/kgh

=2554.1kJ/kg,P1=12MPa

t1=450℃h1=3209.9kJ/kgs1=6.3032kJ/(kg

K)題給再熱后（設(shè)為b，過熱汽）Pb=0.5MPa

tb=400℃hb=3271.8kJ/kgsb=7.7944kJ/(kg

K)2024/5/930sT1234bcaP=0.5MPa時(shí)s

=1.8604

kJ/(kg

K)s

=6.8215kJ/(kg

K)h

=640.1

kJ/kgh

=2748.5kJ/kg,已知再熱時(shí)的狀態(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/(kg

K)并且

2024/5/931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/kgsT1234bca2024/5/932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

第6次作業(yè)：11-32024/5/933§11.3

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)幔鹤鞴^程中抽出一部分蒸汽來完成回?zé)崛蝿?wù)回?zé)帷獙⒀h(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2024/5/934鍋爐23561給水泵氣輪機(jī)1kg

1kg(1–

1)kg1kg010

1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)力裝置對于只有1級抽汽回?zé)岬难b置（按耗汽1kg考慮）：回?zé)岢槠繛?/p>

1kg，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)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?zé)崞髦形鼰?1?

1)(h0

1?h

2)回?zé)岢槠旧硪嗄Y(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?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)0

1——01壓力下的飽和水(1–

1)kg4

2024/5/935

T-s圖上示出帶1級回?zé)岢槠恼羝麆?dòng)力裝置循環(huán)過程

01——回?zé)岢槠臓顟B(tài)

01-0

1——

1kg回?zé)岢槠诨責(zé)峒訜崞髦械亩▔耗Y(jié)放熱過程4

-0

1——

(1?

1)kg生水在回?zé)崞髦卸▔杭訜徇^程

4——進(jìn)入鍋爐時(shí)的給水(1kg)

狀態(tài)1432t1sT0

11kg

1kgP1(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

)

0

1——回?zé)岢槠麎毫ο碌娘柡退?/p>

0

1-4——給水泵中的絕熱壓縮過程4

42024/5/936⑵

回?zé)嵫h(huán)的熱效率以1級抽汽回?zé)釣槔貉h(huán)的吸熱量1432t1sT0

11kg

1kgP1(1?

1)kg011kg(1?

1)kg蒸汽動(dòng)力裝置回?zé)嵫h(huán)4

4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級抽汽回?zé)岬难h(huán)熱效率為2024/5/937回?zé)岢槠康拇_定1432t1sT0

11kg

1kgP1(1?

1)kg011kg(1?

1)kg蒸汽動(dòng)力裝置回?zé)嵫h(huán)4

4使用混合式加熱器時(shí)，由能量平衡=ηRt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%它們是不能獨(dú)立存在的！2024/5/938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)吸熱量對于n級抽汽回?zé)岢槠?/p>

1、

2、

3、……

n，凝汽份額

c

2024/5/939有n級抽汽回?zé)岬难h(huán)熱效率⑶

給水回?zé)釒淼暮锰帰?/p>