工程热力学13---动-力-循-环讲课讲稿

工程热力学13---动-

力-循-环

动 力 循 环

一、动力循环的分析方法

1．热力学第一定律分析方法（以热效率t η为指标）：

热力学第一定律效率=

投入系统的能量

有效利用的能量

动力循环 Q

W t =

η

121212111T T S T S T Q Q Q W t -=??-=-==η （S

TdS T ?≡??

）

理想 1

2

1T T C -=η 循环完善性

充满系数=

ABCDA abcda

面积面积对应卡诺循环功量实际循环功量=

2．热力学第二定律分析方法（以火用效率ex η为指标）： 热力学第二定律效率=

投入系统的可用能

有效利用的可用能

T

动力循环 sup ,x t ex E W =

η 或 sup

,,0sup ,11x i g x i ex E S T E I ∑∑-=-=η

sup ,x E 核算起点不同，可有两种结果：

① 以投入的燃料的化学能为起点 Q E E F x x ==,sup , ② 以释放热量的可用能为起点

???

?

?-==T T Q E E Q x x 0,sup ,1

两种分析法，一个考虑能量的“数量”，一个考虑能量的“质量”。各有侧重，相辅相成，不可偏废。两者的结合才能全面反映能量的经济性。 如书上本章*10-6 对蒸气动力循环的火用分析，

用热一律分析： 乏汽排热能量损耗最大，冷凝器散热损失约占总热量的

54.26%，

但因放热温度低，火用损失并不大，约占总火用的2.22%；

用热二律分析：锅炉的燃烧与传热火用损失最大，约占总火用的58.91%

/35.84%；但其热损失仅为10%。

13 蒸汽动力循环

13.1 朗肯循环

根据热力学第二定律，在一定温度范围内卡诺循环的效率最高。 如果采用

气体作为工质，则很难实现卡诺循环中的等温吸热和等温放热这两个过程。

然而我们已经知道，在湿蒸汽区内，蒸

汽的吸热和放热都是等温过程，同时也是等压过程。因此如果以饱和蒸汽作为工质，可以在蒸汽的湿蒸汽区内实现卡诺循环。图13-1给出了饱和蒸汽卡诺循环的

T －s 图。等温吸热过程4-1为在锅炉中的定压

吸热过程；等温放热过程2-3为在冷凝器中的定压放热过程；定熵膨胀过程1-2为在汽轮机中的可逆绝热膨胀过程；定熵压缩过程3-4为在压缩机中的可逆绝热压缩过程。

但是蒸汽卡诺循环实际上是难以实现的，因为过程3-4中所压缩的工质

是干度很低的湿蒸汽，不仅需要消耗很大的压缩功，而且对压缩机的工作也非常不利；另外, 乏气（汽轮机出口的低压湿蒸汽）的干度

较低，也对汽轮机的工作不利；同时，饱和水蒸气的温度总是在临界温度374℃以下，远远低于金属材料所允许的600℃左右的工作温度，因此，即使在湿蒸汽区实现了卡诺循环，其效率也不会太高。(2006年安徽首台60万千瓦超临界发电机组阜阳华润电厂投产；2011年皖能铜陵电厂百万千瓦超超临界燃煤机组)。

将乏气完全凝结为水后再进行压缩，以改进压缩过程；让蒸汽在锅炉中过热，来提高平均吸热温度，以及提高乏气的干度。通过上述改进后，构成了一个最简单的蒸汽动力循环。这个蒸汽动力循环由锅炉、蒸汽轮机、冷凝器和水泵组成，其系统简图如131-2所示。该循环的工作过程如下：

过程4-1：未饱和水在锅炉中吸热，变为过热蒸汽，工质与外界之间没有技术功交换。忽略工质流动过程中的阻力，并将过程想象为从无数个温度不同的热源吸热的过程，且各热源与工质吸热时的温度相等，则该过程可理想化为可逆定压吸热过程；

过程1-2：过热蒸汽在汽轮机中膨胀，对外做功，若忽略工质的摩擦与散热，则该过程可以简化为可逆绝热膨胀过程（即定熵膨胀过程）；

过程2-3：从汽轮机中出来的乏气在冷凝器中对冷却水放热，凝结为饱和水。如不计传热的外部不可逆因素，该过程可简化为可逆的定压放热过程，并且温度保持不变；

过程3-4：水泵将凝结水的压力提高，送回锅炉，该过程要消耗外功。忽略摩擦与散热之后，这个实际的不可逆压缩过程可理想化为可逆等熵压缩过程。

经过上述理想化之后，不可逆的蒸汽动力循环简化为可逆循环，称为朗肯循环。朗肯循环的T -s 图、p -v 图和h -s 图分别示于图13-3、13-4和13-5。

通过各设备和整个循环的能量衡算，可以计算出循环的吸热量、放热量，以及循环对外输出的功量，并由此得出整个循环的热效率。

工质在锅炉中吸热量：

41h h q H -=

工质在汽轮机中膨胀做功（轴功）：

21h h w T -=

工质在冷凝器中的放热量：

32h h q L -=

冷凝水在水泵中所消耗的功（轴功）：

34h h w P -=

整个循环对外所输出的净功：

()()()()L

H P T q q h h h h h h h h w w w -=---=---=-=32413421

因此，循环的热效率可表示为：

()()H

L H

L

H H

t q q q q q h h h h h h q w -

=-=----=

=

14

13421η （13-1）

由于水的不可压缩性，压缩过程中容积变化很小，泵功通常可按下式来近似计算，

()p v p p v p v w p ?-=--≈-=?344

3d

（13-2）

由于水泵所消耗的功远远小于汽轮机所输出的功，在近似计算中，泵功通常也可以忽略不计，则循环的热效率表达式（13-1）可以近似表示如下， 4

121h h h h t --=

η

（13-3）

当机组功率一定时，机组的尺寸是由其所消耗的蒸汽量决定的。因此，除

动力装置每输出1kW.h(3600kJ)的功所消耗的蒸汽量，用d 表示为

w

d 3600=

kg/（kW.h ）

（13-4）

朗肯循环是最基本的动力循环，它结构简单，但是效率较低。现代大、

中型蒸汽动力装置中所采用的循环都是在朗肯循环的基础上改进得到的。

【例13-1】在朗肯循环中，蒸汽轮机入口的蒸汽状态为MPa 5.161=p ，

5501=t ℃，蒸汽轮机乏气的压力MPa 004.02=p ，求循环热效率和汽耗率。

解：朗肯循环如图13-3所示。由给定参数，自水蒸汽图表查得，

由MPa 5.161=p ，5501=t ℃，查得：kJ/kg 6.34321=h ，kJ/kg.K 4625.61=s 由MPa 004.02=p ，12s s =，查得: kJ/kg 2.19462=h

由23p p =，查饱和水的焓与熵分别为：kJ/kg 4.1213=h ，kJ/kg.K 4224.03=s 由14p p =，34s s =，查得：kJ/kg 1.1394=h

根据上述参数，计算得出水蒸汽在汽轮机中定熵膨胀所作的功为

kJ/kg 4.14862.19466.343221=-=-=h h w T

水泵定熵压缩所消耗的功

kJ/kg 7.174.1211.13934=-=-=h h w p

因此汽轮机所输出的净功为

kJ/kg 7.1468=-=p T w w w

工质在锅炉中所吸收的热量

kJ/kg 5.32931.1396.343241=-=-=h h q H

循环的热效率

446.05

.32937.1468==

=

H

t q w η

汽耗率

kg/(kW.h)451.27

.146836003600===

w

d

在上述计算中可以发现，水泵耗功只占汽轮机所做功的1.1%左右，因此在很多计算中，水泵的耗功通常可以忽略不计。

13.2 蒸汽参数对循环的影响

从锅炉中出来的水蒸汽称为新气，膨胀做功后从汽轮机中排出的水蒸汽

称为乏气。如果确定了新气的温度（初温T 1）和压力（初压p 1），以及乏气的压力（背压p 2），那么整个朗肯循环也就确定下来了。因此，所谓蒸汽参数对循环的影响也就是初温T 1、初压p 1和背压p 2对循环的影响。研究蒸汽参数对循环的影响，运用T －s 图最方便。 （1）蒸汽初压力的影响

假定初温T 1和背压p 2保持不变，把初

压由p 1提高到1

p '，如图13-6所示。由于背压不变，则平均放热温度保持不变，而

平均吸热温度提高，因此循环效率也随之提高。

但是，单纯地提高初压力会导致乏气

干度的下降，而乏气干度过低会危及汽轮机运行的安全性，并降低汽轮机的

工作效率。一般要求乏气的干度不低于85%。

（2）蒸汽初温度的影响

如果维持初压力p 1和背压p 2保持不

变，将新气初温从T 1提高到1T '，如图13-7

所示，循环的平均吸热温度也必然提高，即循环的效率也随着提高。从图中还可以

看出，初温提高还可以带来另外两个明显

的好处：单位工质循环的功量将增加，并由此减小循环的汽耗率（在功率一定的条件下，汽耗率反映了设备尺寸的大小，汽耗率越小，设备的尺寸也越小，设备的投资也越小）；乏气的干度将增大，从而改善汽轮机的工

作条件。

尽管从热力学的角度来看，提高初温总是有利的；但是由于受到

金属材料耐热性能的限制，一般初温取在600℃以下。

（3）乏气参数的影响

背压对热效率的影响也是十分明显

的。当初参数p 1和T 1不变时，降低背压

p 2，则蒸汽动力循环的平均放热温度明显下降，而平均吸热温度的变化很小，这样使得循环的热效率得以提高。但是背压必然受到环境温度的制

约，即对应于背压条件下的蒸汽饱和温度不能低于环境温度。现代蒸汽动力装

置的背压可设计在0.003MPa ～0.004MPa 左右，其对应的饱和温度为28℃左右，略高于冷却水的温度。

通过前面的分析可知，单纯地调整蒸汽参数，可以提高循环效率，但同时也受到各种制约，如蒸汽干度、材料以及环境温度等等。为了更好地解决这些矛盾，还可以通过改进循环结构来提高热效率。比较常用的方法有再热循环和抽气回热循环。

13.3 再热循环

由前可知， 提高1p ↑可使↑t η，但如不相应提高↑1t ，则将使↓2x ，对汽轮机运行安全不利。

解决的办法：中间再热——对朗肯循环加以改进，在新汽膨胀到某一中间压力，撤出（高压）汽轮机，导入换热器再加热，然后再导入（低压）汽轮机，继续膨胀到背压2p ，此称为再热循环。

再热循环的主要目的是在提高1p ↑的情况下，提高汽轮机出口干度↑2x ，但能否使热效率进一步提高↑↑t η，取决于中间再热的压力。

())

()()(41211B A A B t h h h h h h h h q w -+--+-==

η

再热循环可视为：基本循环+附加循环

中间再热的压力取得高，附加部分效率就高，总↑t η，但x 的改善小，这与再热循环的初衷相违，故需权衡，一般取中间压力1%30%20p p -≈，可是干度在允许范围内而使热效率略有提高。

13.4 回热循环

朗肯循环效率不高的一个主要原因：水泵加压后的未饱和水温很低，使得平均加热温度不高，传热的不可逆损失较大。

T

s

解决的办法：蒸汽回热——用汽轮机中做过功的蒸汽来加热锅炉给水。因乏汽温度仅略高于未饱和水温度，故不可用。目前常用的是抽汽回热，即从汽轮机的适当部位抽出尚未完全膨胀，压力温度较高的少量蒸汽，去加热低温冷凝水，称为抽汽回热循环。

为便于回热循环分析，定义 抽汽系数 m

m i

i &&=

α 其中 m &为汽轮机新汽流量，i m &某处所抽汽的流量 则对任一所抽气与水混合的接点，有

()()∑∑=j

out j i

in i αα 质量平衡

()

()∑∑=j

out j j i

in

i i h h αα 能量平衡

抽汽回热的优点：

1．减轻了锅炉的热负荷，可使锅炉的换热面积减小； 2．减少了进入冷凝器的乏汽，可使冷凝器的换热面积减小；

3．汽轮机低压段因抽汽流量减小，叶片长度可缩短，使高低压的结构更均衡。

由质量与能量平衡式，有

T

()()()62111h h h h A B B B A αααα-=+---，

()861h h h A A A =+-αα

故 ()()()()()8111211

,1h h h h h h h h q w B B A A B A R t --+-+---==

ααααη

()()()()()()()()()()t

B B A A B A B B A A B A h h h h h h h h h h h h h h h h ηαααααααα=-->-+-+----+-+---=41211141112111

蒸汽轮机的实际循环

为不使系统过于复杂，现代蒸汽电厂一般采用一级再热多级（<8）回热

对于汽轮机中因有摩阻的不可逆引入汽轮机的相对内效率 2

121h h h h w w T --='=

'

η 进行修正。通常T η在0.85-0.92之间。

T η已知，则实际的2'h 可定。)(B A h ''类似。 蒸汽轮机循环内效率 t T i ηηη=

若考虑外部轴承摩擦的机械损失效率m η，

蒸汽轮机循环实际效率 t T m t ηηηη='。

13.5 热电循环

尽管采用了各种提高热效率的方法，但是现代蒸汽动力循环的热效率

一般仍然小于50%，也就是说还有50%左右的热能在冷凝器中传递给冷却

水而散失于环境之中。这部分热量虽然数量很大，但是它是在接近环境

温度T 0下被释放的，因此不能更进一步地转化为机械能，但是这部分

热量可以以热能的形式而直接加以利用，来满足生活与生产需求。热电循环

一方面生产电能，一方面将作过功的蒸汽的一部分或全部引出，为热用户直接提供热能。

图13-9是采用背压式汽轮机（排汽压力大于0.1MPa ，约120℃）的简单热电循环。和凝汽式动力循环不同，循环放热不是通过冷凝器排入环境，而是通过换热器直接供给热用户；为了保证热用户对气温或水温的要求，背压一般都要求大于0.1MPa （约120℃）。这种循环的缺点在于供热和供电捆绑，

相互影响，不灵活，并且不能同时满足不同的热用户对热力参数的不同要

求。为了克服上述缺点，热电站多采用如图13-10所示的抽汽供热式汽轮机

（可任意温度、流量）。

热电循环的效率可以用能量利用系数K 来表示： 热源供给的总能量

已利用的能量

K

（13-5）

理论上，热电循环的能量利用系数K 可以达到1，但是由于各种损失和热、电之间不匹配等因素的影响，一般K 值在0.7左右。