第10章-蒸汽动力装置循环
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13
三、提高朗肯循环的热效率途径
T
5
1
6
h1 h2 t h1 h3
4
3
2
影响热效率 的参数？
s
p 1, t1, p 2
14
蒸汽初压对朗肯循环热效率的影响
t1 , p2不变，p1
T 优点：
5'
5
1' 1 6'
6
T1 • v2'
•
t
，汽轮机
4'
4 3
2' 2
s
出口尺寸小 缺点： • 对强度要求高 • x2' 不利于汽轮 机安全。一般要求 出口干度大于0.85~ 0.88
s
9
wnet ws ,12 ws ,34 t q1 q1
h1 h2 t h1 h3
一般很小， 占0.8~1%， 忽略泵功
h
1
4 3
3600 d wnet
2
蒸汽动力装置输出1kw〃h （3600kJ）功量所消耗的蒸汽 量，定义为汽耗率，用d表示。
s
10
朗肯循环与卡诺循环比较
15
蒸汽初温对朗肯循环热效率的影响
p1 , p2不变，t1
T 5 4 3 2 2' s 优点：
•
1'
1 6
•
安全。 缺点： • 对耐热及强度要 求高，目前最高 初温一般在550℃ 左右 • v 汽机出口 2' 尺寸大
T1 x2'
t
，有利于汽机
16
乏汽压力对朗肯循环热效率的影响
p1 , t1不变，p2
热一律
ha 1 h4 1 h5
h5 h4 ha h4
忽略泵功
1kg
h h ha h
' a
' 2 ' 2
36
抽汽回热循环热效率的计算
吸热量：
T 1kg 6 kg 5 (1- )kg 4 3
热效率：
1 a
q1,RG h1 h5 h1 h
1 a
5 4 3
蒸汽再热循环T-s图
T
6
T
5
6
4 2 3 1
b
2
s
双级压缩制冷循环T-s图
s
29
10-3 回热循环（regenerative cycle）
一、抽汽回热循环（regenerative cycle with steam extraction，regenerative cycle with feed-water heater）
27
蒸汽再热循环与双级压缩制冷循环对比
6 5 锅 炉 高压透平 低压透平 1 发电机 a 2 凝汽器 节 流 阀
5
低 压 气 体 冷 却 器
高压气体冷却器 4 高压缩机 低压缩机 电动机
b
3
2 蒸发器
4 给水泵
3
6
1
蒸汽再热循环系统原理图
双级压缩制冷循环系统原理图
28
蒸汽再热循环与双级压缩制冷循环对比
18
四、有摩阻的实际朗肯循环
1. T-s图及h-s图
汽轮机中的不可逆过程
汽轮机做功： 理想情况： 实际情况：
wT ,act h1 h2,act h1 h2 h2,act h2
wT h1 h2
19
2. 不可逆性衡量
a）汽轮机内部相对效率ηT（简称汽机效率）
考虑机械损失 ηm—机械效率
Di di Pi
实际内部功率
21
10-2 再热循环（reheat cycle）
一、设备流程及T-s图
再热循环示意图和T-s图
22
蒸汽再热循环的热效率
T
5 4 3
2
1 a
6 b
再热循环热效率与 再热压力有关 x2降低,给提高初压 创造了条件，选取 再热压力合适，一 般采用一次再热可 使热效率提高2％～ 3.5％。
12 汽轮机 s 膨胀 34 给水泵 s 压缩 T h 23 凝汽器 p 放热 41 锅炉 p 吸热
1
1
4
3 2
4 3
2
s
s
7
二、朗肯循环功和热的计算
汽轮机作功：ws ,12 h1 h2
凝汽器中的定压放热量： h 1
q2 h2 h3
水泵绝热压缩耗功：
4
3
2
s
ws ,34 h4 h3
T
wt,Tact wt,T
h1 h2act h1 h2
近代大功率汽轮机ηT 在0.85-0.92左右。 h2act的确定方法： 运行中，测出 p2 及 x2，按 hx= x2h″+ (1-x2)h′ 设计中，选定ηT 按
h2act h1 T h1 h2 h2 1 T h1 h2
第十章 蒸汽动力装置循环
Vapor power cycles
10-1 简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环 10-2 再热循环 10-3 回热循环 10-4 热电合供
10-5 燃气-蒸汽联合循环
1
10-1 简单蒸汽动力装置循环—朗肯循环
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。
32
蒸汽回热循环 (regenerative)
抽汽
1 1kg
冷凝水
a α kg 6 5 4
2 3 (1-α )kg
去凝汽器 表面式回热器 给水 抽汽 冷凝水
抽汽式回热
混合式回热器
33
回热循环T-s图如下。抽气口的状态点a为压力pk温度 Ta的过热蒸汽，抽气份额α。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6开始至状态点1。 吸热量为q1=h1-h6，吸热平均温度为：
回热器两种方式 混合式
30
间壁式
31
蒸汽回热循环 (regenerative)
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”。
c）汽轮机轴功ws，轴功率Ps ：
ws m wT ,act mT wT
D h1 h2 Ps mT P0 mT 3600
3.实际内部耗汽率di和耗汽量Di
di d h h 1 1 1 2 0 h1 h2act h1 h2act h1 h2 T
1 锅 炉 4 凝汽器 给水泵 3 2 汽轮机
简化（理想化）： 12 汽轮机 s 膨胀
23 凝汽器 p 放热
发电机
34 给水泵 s 压缩
41 锅炉
p 吸热
5
朗肯循环p-v图
p 12 汽轮机 s 膨胀
4
1
23 凝汽器 p 放热 34 给水泵 s 压缩 2
3
41 锅炉 v
p 吸热
6
朗肯循环T-s和h-s图
锅炉中的定压吸热量：
q1 h1 h4
8
循环净功 循环热效率
w0 q1 q2 wT wP
T １
w0 q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
T1
T2
4 3 2
吸热平均温度 放热平均温度
q1 h1 h4 T1 s1 s4 s1 s4 h h q2 T2 2 3 s2 s3 s1 s4
代蒸汽动力循环朝着高参数方向发展。我国目 前采用的配套机组参数如下：
表1 国内配套机组参数
分类 初压/MPa 初温/℃ 发电功率/MW 低参数 1.3 340 1.5-3 中参数 3.5 435 6-25 高参数 9.0 535 50-100 超高参数 13.5 550, 535 125,200 亚临界参数 16.5 550,535 200,300,600
朗肯循环1-2-3-4-5-6-1与同温限下卡诺循环5-6-7-85和9-10-11-12-9比较，三个循环放热温度相同，能 否采用图示的两个卡诺循环呢？
T 4' 1
9
5 4 3 8 12
10
6 11 7 2 s
12
有两个关键问题: 其一，汽轮机出口位于饱和区，干度不大， 湿度太大使高速运转的汽轮机不能安全运 行，同时不可逆损失增大。因此，实际使 用的汽轮机出口干度一般限制在不小于 0.85-0.88。 其二，这样的卡诺循环，压缩过程将在湿 蒸汽区进行，气液混合，工质的压缩会给 泵的设计与制造带来难以克服的困难。因 此，迄今蒸汽动力循环未采用卡诺循环。
放热量：
' a
q2,RG 1 h2 h
净功：
' 2
2 s
wRG h1 ha
t,RG
h1 ha 1 ha h2
h1 h
' a
1 ha h2
25
600
蒸汽再热循环分析 再热压力 pb=pa0.2~0.3p1
p1<10MPa，一般不采用再热 我国常见机组，10、12.5、20、30万机组， p1>13.5MPa，一次再热
超临界机组， t1>600℃，p1>25MPa，二 次再热
26
蒸汽再热循环的计算
T 5 6 1 a 吸热量：
b
q1 h1 h4 ha hb
放热量： q2 h2 h3
4
3
2
水泵耗功:
wp h4 h3
s 净功（忽略泵功）： net q1 q2 h1 hb ha h2 w 热效率： t,RH
wnet (h1 hb ) (ha h2 ) q1 (h1 h4 ) (ha hb )
朗肯循环1-2-3-4-5-6-1与同温限下卡诺循环1-2-34'-1比较，两循环放热量q2相同，朗肯循环吸热量 q2 q1,R小于卡诺循环吸热量q1,C。 t 1 q1 T 4' 1 卡诺> 朗肯，但相同 9 10 温限下，卡诺循环吸 5 6 热过程在气态下进行， 4 气态物质定温过程十 分困难即4'1难实现， 11 7 2 3 8 12 过热蒸汽卡诺循环至 s 今未被采用。 11
1 T T*m Tm T5 6 C P1 a 2 T0
h1 h6 h1 h4 T s1 s6 s1 s4
* m
Pk
5
4 T0
3
P2
显然，回热循环可以提 高热平均温度，从而提 高锅炉的exergy效率和 循环的效率。
34
s
T
1kg 6 kg 5 (1- )kg 4
1
a
1 1kg
（h1–h2—理想绝热焓降（ideal enthalpy drop; isentropic enthalpy drop ）
20
b）装置内部热效率（internal thermal efficiency） 忽略水泵功：
i
wnet,act q1
wT,act q1
h1 h2act T h1 h2 Tt h1 h2' h1 h2'
23
s
再热压力对循环热效率大小的影响
T
T1
1
1
1
T 1'
5 4 6 3
2
2'
2
T1
T 1"
T2
s
24
国产再热机组蒸汽参数规范 单机容量 (MW) 125 200 300 初压(MPa) 初温(℃) 13.5/550 13.0/535 16.5/550 16.5/550 再热压力(MPa) 再热温度℃ 2.6/550 2.5/535 3.5/550 3.6/550
2
一、朗肯循环 (Rankine cycle)
1. 水蒸气的卡诺循环
水蒸气卡诺循环有可能实现，但： 1）温限小 实际并不实行 2）膨胀末端x太小 卡诺循环 3）压缩两相物质的困难
3
2.水蒸汽的朗肯循环 汽轮机 锅 炉
四个主要装置： 锅炉 发电机 汽轮机 凝汽器 凝汽器 给水泵
给水泵
4
水蒸气朗肯循环系统的简化
a α kg
2 3 (1-α )kg
3
2
6 5
4
s 由于T-s图上各点质量不 1kg 同，面积不再直接代表 热和功 5
a kg (1- )kg 4
35
抽汽回热循环的抽汽量计算
T
1kg 6 kg 5 (1- )kg 4 3 2 a kg (1- )kg 4 s
1
a
以混合式回热器为例
T
5 4 1
优点：
•
T2
t
6
2
4' 3 3'
2'
s
缺点： •受环境温度限制， 现在大型机组p2为 0.0035~0.005MPa， 相应的饱和温度约为 27~ 33℃ ，已接近事 实上可能达到的最低 限度。冬天热效率高
17
蒸汽参数的影响归纳如下：
提高蒸汽初参数 p1，t1,可以提高循环热效率，现
三、提高朗肯循环的热效率途径
T
5
1
6
h1 h2 t h1 h3
4
3
2
影响热效率 的参数？
s
p 1, t1, p 2
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蒸汽初压对朗肯循环热效率的影响
t1 , p2不变，p1
T 优点：
5'
5
1' 1 6'
6
T1 • v2'
•
t
，汽轮机
4'
4 3
2' 2
s
出口尺寸小 缺点： • 对强度要求高 • x2' 不利于汽轮 机安全。一般要求 出口干度大于0.85~ 0.88
s
9
wnet ws ,12 ws ,34 t q1 q1
h1 h2 t h1 h3
一般很小， 占0.8~1%， 忽略泵功
h
1
4 3
3600 d wnet
2
蒸汽动力装置输出1kw〃h （3600kJ）功量所消耗的蒸汽 量，定义为汽耗率，用d表示。
s
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朗肯循环与卡诺循环比较
15
蒸汽初温对朗肯循环热效率的影响
p1 , p2不变，t1
T 5 4 3 2 2' s 优点：
•
1'
1 6
•
安全。 缺点： • 对耐热及强度要 求高，目前最高 初温一般在550℃ 左右 • v 汽机出口 2' 尺寸大
T1 x2'
t
，有利于汽机
16
乏汽压力对朗肯循环热效率的影响
p1 , t1不变，p2
热一律
ha 1 h4 1 h5
h5 h4 ha h4
忽略泵功
1kg
h h ha h
' a
' 2 ' 2
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抽汽回热循环热效率的计算
吸热量：
T 1kg 6 kg 5 (1- )kg 4 3
热效率：
1 a
q1,RG h1 h5 h1 h
1 a
5 4 3
蒸汽再热循环T-s图
T
6
T
5
6
4 2 3 1
b
2
s
双级压缩制冷循环T-s图
s
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10-3 回热循环（regenerative cycle）
一、抽汽回热循环（regenerative cycle with steam extraction，regenerative cycle with feed-water heater）
27
蒸汽再热循环与双级压缩制冷循环对比
6 5 锅 炉 高压透平 低压透平 1 发电机 a 2 凝汽器 节 流 阀
5
低 压 气 体 冷 却 器
高压气体冷却器 4 高压缩机 低压缩机 电动机
b
3
2 蒸发器
4 给水泵
3
6
1
蒸汽再热循环系统原理图
双级压缩制冷循环系统原理图
28
蒸汽再热循环与双级压缩制冷循环对比
18
四、有摩阻的实际朗肯循环
1. T-s图及h-s图
汽轮机中的不可逆过程
汽轮机做功： 理想情况： 实际情况：
wT ,act h1 h2,act h1 h2 h2,act h2
wT h1 h2
19
2. 不可逆性衡量
a）汽轮机内部相对效率ηT（简称汽机效率）
考虑机械损失 ηm—机械效率
Di di Pi
实际内部功率
21
10-2 再热循环（reheat cycle）
一、设备流程及T-s图
再热循环示意图和T-s图
22
蒸汽再热循环的热效率
T
5 4 3
2
1 a
6 b
再热循环热效率与 再热压力有关 x2降低,给提高初压 创造了条件，选取 再热压力合适，一 般采用一次再热可 使热效率提高2％～ 3.5％。
12 汽轮机 s 膨胀 34 给水泵 s 压缩 T h 23 凝汽器 p 放热 41 锅炉 p 吸热
1
1
4
3 2
4 3
2
s
s
7
二、朗肯循环功和热的计算
汽轮机作功：ws ,12 h1 h2
凝汽器中的定压放热量： h 1
q2 h2 h3
水泵绝热压缩耗功：
4
3
2
s
ws ,34 h4 h3
T
wt,Tact wt,T
h1 h2act h1 h2
近代大功率汽轮机ηT 在0.85-0.92左右。 h2act的确定方法： 运行中，测出 p2 及 x2，按 hx= x2h″+ (1-x2)h′ 设计中，选定ηT 按
h2act h1 T h1 h2 h2 1 T h1 h2
第十章 蒸汽动力装置循环
Vapor power cycles
10-1 简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环 10-2 再热循环 10-3 回热循环 10-4 热电合供
10-5 燃气-蒸汽联合循环
1
10-1 简单蒸汽动力装置循环—朗肯循环
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。
32
蒸汽回热循环 (regenerative)
抽汽
1 1kg
冷凝水
a α kg 6 5 4
2 3 (1-α )kg
去凝汽器 表面式回热器 给水 抽汽 冷凝水
抽汽式回热
混合式回热器
33
回热循环T-s图如下。抽气口的状态点a为压力pk温度 Ta的过热蒸汽，抽气份额α。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6开始至状态点1。 吸热量为q1=h1-h6，吸热平均温度为：
回热器两种方式 混合式
30
间壁式
31
蒸汽回热循环 (regenerative)
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”。
c）汽轮机轴功ws，轴功率Ps ：
ws m wT ,act mT wT
D h1 h2 Ps mT P0 mT 3600
3.实际内部耗汽率di和耗汽量Di
di d h h 1 1 1 2 0 h1 h2act h1 h2act h1 h2 T
1 锅 炉 4 凝汽器 给水泵 3 2 汽轮机
简化（理想化）： 12 汽轮机 s 膨胀
23 凝汽器 p 放热
发电机
34 给水泵 s 压缩
41 锅炉
p 吸热
5
朗肯循环p-v图
p 12 汽轮机 s 膨胀
4
1
23 凝汽器 p 放热 34 给水泵 s 压缩 2
3
41 锅炉 v
p 吸热
6
朗肯循环T-s和h-s图
锅炉中的定压吸热量：
q1 h1 h4
8
循环净功 循环热效率
w0 q1 q2 wT wP
T １
w0 q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
T1
T2
4 3 2
吸热平均温度 放热平均温度
q1 h1 h4 T1 s1 s4 s1 s4 h h q2 T2 2 3 s2 s3 s1 s4
代蒸汽动力循环朝着高参数方向发展。我国目 前采用的配套机组参数如下：
表1 国内配套机组参数
分类 初压/MPa 初温/℃ 发电功率/MW 低参数 1.3 340 1.5-3 中参数 3.5 435 6-25 高参数 9.0 535 50-100 超高参数 13.5 550, 535 125,200 亚临界参数 16.5 550,535 200,300,600
朗肯循环1-2-3-4-5-6-1与同温限下卡诺循环5-6-7-85和9-10-11-12-9比较，三个循环放热温度相同，能 否采用图示的两个卡诺循环呢？
T 4' 1
9
5 4 3 8 12
10
6 11 7 2 s
12
有两个关键问题: 其一，汽轮机出口位于饱和区，干度不大， 湿度太大使高速运转的汽轮机不能安全运 行，同时不可逆损失增大。因此，实际使 用的汽轮机出口干度一般限制在不小于 0.85-0.88。 其二，这样的卡诺循环，压缩过程将在湿 蒸汽区进行，气液混合，工质的压缩会给 泵的设计与制造带来难以克服的困难。因 此，迄今蒸汽动力循环未采用卡诺循环。
放热量：
' a
q2,RG 1 h2 h
净功：
' 2
2 s
wRG h1 ha
t,RG
h1 ha 1 ha h2
h1 h
' a
1 ha h2
25
600
蒸汽再热循环分析 再热压力 pb=pa0.2~0.3p1
p1<10MPa，一般不采用再热 我国常见机组，10、12.5、20、30万机组， p1>13.5MPa，一次再热
超临界机组， t1>600℃，p1>25MPa，二 次再热
26
蒸汽再热循环的计算
T 5 6 1 a 吸热量：
b
q1 h1 h4 ha hb
放热量： q2 h2 h3
4
3
2
水泵耗功:
wp h4 h3
s 净功（忽略泵功）： net q1 q2 h1 hb ha h2 w 热效率： t,RH
wnet (h1 hb ) (ha h2 ) q1 (h1 h4 ) (ha hb )
朗肯循环1-2-3-4-5-6-1与同温限下卡诺循环1-2-34'-1比较，两循环放热量q2相同，朗肯循环吸热量 q2 q1,R小于卡诺循环吸热量q1,C。 t 1 q1 T 4' 1 卡诺> 朗肯，但相同 9 10 温限下，卡诺循环吸 5 6 热过程在气态下进行， 4 气态物质定温过程十 分困难即4'1难实现， 11 7 2 3 8 12 过热蒸汽卡诺循环至 s 今未被采用。 11
1 T T*m Tm T5 6 C P1 a 2 T0
h1 h6 h1 h4 T s1 s6 s1 s4
* m
Pk
5
4 T0
3
P2
显然，回热循环可以提 高热平均温度，从而提 高锅炉的exergy效率和 循环的效率。
34
s
T
1kg 6 kg 5 (1- )kg 4
1
a
1 1kg
（h1–h2—理想绝热焓降（ideal enthalpy drop; isentropic enthalpy drop ）
20
b）装置内部热效率（internal thermal efficiency） 忽略水泵功：
i
wnet,act q1
wT,act q1
h1 h2act T h1 h2 Tt h1 h2' h1 h2'
23
s
再热压力对循环热效率大小的影响
T
T1
1
1
1
T 1'
5 4 6 3
2
2'
2
T1
T 1"
T2
s
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国产再热机组蒸汽参数规范 单机容量 (MW) 125 200 300 初压(MPa) 初温(℃) 13.5/550 13.0/535 16.5/550 16.5/550 再热压力(MPa) 再热温度℃ 2.6/550 2.5/535 3.5/550 3.6/550
2
一、朗肯循环 (Rankine cycle)
1. 水蒸气的卡诺循环
水蒸气卡诺循环有可能实现，但： 1）温限小 实际并不实行 2）膨胀末端x太小 卡诺循环 3）压缩两相物质的困难
3
2.水蒸汽的朗肯循环 汽轮机 锅 炉
四个主要装置： 锅炉 发电机 汽轮机 凝汽器 凝汽器 给水泵
给水泵
4
水蒸气朗肯循环系统的简化
a α kg
2 3 (1-α )kg
3
2
6 5
4
s 由于T-s图上各点质量不 1kg 同，面积不再直接代表 热和功 5
a kg (1- )kg 4
35
抽汽回热循环的抽汽量计算
T
1kg 6 kg 5 (1- )kg 4 3 2 a kg (1- )kg 4 s
1
a
以混合式回热器为例
T
5 4 1
优点：
•
T2
t
6
2
4' 3 3'
2'
s
缺点： •受环境温度限制， 现在大型机组p2为 0.0035~0.005MPa， 相应的饱和温度约为 27~ 33℃ ，已接近事 实上可能达到的最低 限度。冬天热效率高
17
蒸汽参数的影响归纳如下：
提高蒸汽初参数 p1，t1,可以提高循环热效率，现