10 第10章 蒸汽动力循环

水泵 控制体积: 水泵。 进入状态: p2，饱和液，3点状态确定； 出口状态: p4。 据第一定律
wP h4 h3 h4 h2'
3-4近似定容过程： wp

4
2'
p4 p2' vdp v2
wP 0.001 01 m3/kg (4 000 10) kPa 4.0 kJ
实际耗汽率
d0,act
4
3 (2’) 2s 2act
d0 D 1 1 Pi h1 h2,act (h1 h2 )T T
h2 h2' x2 (h2" h2' ) 191.8 kJ/kg 0.816 (2 583.72 191.76) kJ/kg 2 144.1 kJ/kg
据第一定律
wt h1 h2
wt h1 h2 3 213.6 kJ/kg 2 144.1 kJ/kg 1 069.5 kJ/kg
s
二、朗肯循环功和热的计算
汽轮机作功： wT h1 h2 凝汽器中的定压放热量：
T
1 4 3 2 s 1 4 2
q2 h2 h3
水泵绝热压缩耗功：
wP h4 h3 v3 ( p4 p3 )
锅炉中的定压吸热量：
h
q1 h1 h4
3 s
朗肯循环热效率的计算
wnet q1 q2 wT wP (h1 h2 ) (h4 h3 ) t q1 q1 q1 h1 h4
q = h2-h1 =3201.4kJ/kg
T h
2
3 1 h2 4 h1
2
3 1
4
h1 = 129.3 kJ/kg s
h2 = 3330.7 kJ/kg s
水蒸气的绝热过程
汽轮机、水泵
T
q=0
wt h h1 h2
可逆过程： 不可逆过程
q h wt
1
p1 p2 2 2’
s
4
1
凝汽器
给水泵 12 汽轮机 s 膨胀 3 2
v 23 凝汽器 p 放热 41 锅炉 p 吸热
34 给水泵 s 压缩
朗肯循环T-s和h-s图
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
水蒸气的定压过程
h1 3 213.6 kJ/kg,
s1 6.769 0 kJ/(kg K)
出口状态2点，p2已知，查表或查图，确定p2对应的饱和液 体及干饱和蒸汽的状态（焓和熵值）：
s2 s1 s2' x2 (s2" s2' )
s2 s2' x2 s2" s2' (6.769 0 0.649 0) kJ/(kg K) 0.816 (8.148 1 0.649 0) kJ/(kg K)
汽轮机作功 wT,act h1 h2,act wT,act T wT T (h1 h2s )
水泵耗功 wP 0
q1 h1 h3
s
t,act
q2 wT,act T wT 1 Tt q1 q1 q1
T
汽轮机不可逆引起的做功能力损失：
1
i T0 sg T0 (s2,act s1 ) T0 (s2,act s2 )
锅炉、换热器
wt = 0 q = h
q h wt
p
例：锅炉中，水从30℃ ，
4MPa, 定压加热到450 ℃ ts(4MPa)=250.33℃
q = h2-h1=cp(T2-T1)=4.2×(450-30)=1764 kJ/kg
1 3
2
4
？
v
水蒸气的定压过程
例：水从30℃ ，4MPa, 定压加热到450 ℃
p1 t1 p2
三、蒸汽参数对热效率的影响
1、初温 t1 对热效率ηt 的影响
p1 , p2不变，t1
T2 t 1 T1 优点：
•
•
T 5 4 3
1'
1 6 2 2' s
T1 x2'
t
，有利于汽轮
机安全。
缺点： • 对耐热要求高， 目前初温一般小 于620℃
2、初压 p1 对热效率ηt 的影响
4 3 (2’) 2s 2act
s2,act s2' (s2" s2' ) x2,act
s12,act s2,act s1 s2,act s2s sg
s
2、循环计算
T
吸热量
q1 h1 h4
1
放热量
q2 h2,act h3
4 3 (2’) 2s 2act
四、有摩阻的实际工作循环
非理想因素：
T
5
4 3 2
1
蒸汽管道摩擦降 压，散热 汽机不可逆
2act
给水泵不可逆
s
1、汽轮机的相对内效率
T
wT,act wT h1 h2,act h1 h2s
T
1
h2,act h1 T (h1 h2s )
x2,act h2,act h2' h2" h2'
大部分来自蒸汽动力循环。
火电厂
火电厂系统图
核电站
太阳能热电系统
美国加州Bastow Solar-1, 10MW
美国南加州SEGS,13-80MW， 西 班 牙 Plataform Solar de Almeria 的 加热有机油到390 蝶式Stirling 机系统 C
吸热器
高温蓄 热器
q2相同； q1卡诺> q1朗肯
卡诺> 朗肯；
等温吸热4’1难实现
7 2 s
对比5678
7点x太小,不利于汽轮机强度；
8-5两相区难压缩； wnet卡诺小 温度上限受临界温度限制 卡诺< 朗肯；
如何提高朗肯循环的热效率
影响热效率的参数？
T 5 4 3 2 s 1 6
h1 h2 t h1 h3
D 1 d0 [kg/J] P0 h1 h2
D:蒸汽消耗量，kg/s
朗肯循环T-s和h-s图
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
朗肯循环与卡诺循环比较
T
4'
5 4 3 8 6
1
对比同温限1234’
热力循环
动力循环 内 燃 机 循 环 燃 气 轮 机 循 环 蒸 汽 动 力 循 环 正循环
T1热源 q1
制冷循环
逆循环
TH环境
w
制 制 冷 热
qH
w
q2
qL
第10章 蒸汽动力循环
10－1 简单蒸汽动力循环
基本内容
10－2 再热循环
10－ 3 回热循环
10－4 热电合共循环 10－5 蒸汽-燃气联合循环
h4 h2' wP 191.8 kJ/kg+4.0 kJ/kg =195.8 kJ/kg
s4 s3 s2'
锅炉
控制体积: 锅炉。 进入状态: p1，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
q1 h1 h4
q1 h1 h4 3 213.6 kJ/kg 195.8 kJ/kg 3 017.8 kJ/kg
wnet wt wP 1 069.5 kJ/kg 4.0 kJ/kg 1 065.5 kJ/kg
例题2：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= 17MPa、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。 h
q1 h1 h4 3 426 kJ/kg 154.78 kJ/kg 3 271.22 kJ/kg
wnet h1 h2 wP t q1 q1 3 426 kJ/kg 1 963.5 kJ/kg 17.06 kJ/kg 0.441 9 3 271.22 kJ/kg
10-1、简单蒸汽动力循环——朗肯循环
一、蒸汽动力循环简化
1
12 汽轮机 23 凝汽器
s 膨胀 p 放热
汽轮机
锅 炉
2 4
34 给水泵
s 压缩
p 吸热
发电机 凝汽器
3
41 锅炉
工质：水蒸气 实际气体
给水泵
水和水蒸气性质
p-v图
T-s图
h -s 图
1点2线3区5态
朗肯循环pv图
汽轮机 锅 炉 发电机 p
wnet 1 065.5 kJ/kg t 35.3% qH 3 017.8 kJ/kg
循环净功也可从冷凝器中乏汽放热量q2确定。
q2 h2 h2' 2 144.1 kJ/kg 191.8 kJ/kg 1 952.3 kJ/kg
wnet q1 q2 3 017.8 kJ/kg 1 952.3 kJ/kg 1 065.5 kJ/kg
若略去水泵功，则
wnet h1 h2 3 426 kJ/kg 1 963.5 kJ/kg t 0.444 8 q1 h1 h2 3 426 kJ/kg 137.72 kJ/kg
1 1 d0 6.84 107 kg/J h1 h2 3 426 kJ/kg 1 963.5 kJ/kg
蒸汽发 生器
低温蓄 热器 定日镜 场
汽轮机发 电机组
冷凝器
蒸汽动力循环的示意图 四个主要装置： 汽轮机 锅炉 汽轮机 发电机 凝汽器（冷凝器） 给水泵 凝汽器 给水泵
锅 炉
锅炉Boiler设备图
汽轮机（透平Turbine）机组刨面图
凝汽器Condenser和冷却塔系统图
冷却塔实体图 Natural-drift Cooling Tower
提高循环热效率的途径
改变循环参数 其它方式？ 提高初温 提高初压 降低背压
例题1：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（放热量） 和锅炉内蒸汽吸热量。
解： 蒸汽轮机 控制体积: 蒸汽轮机。 进口状态1点: p1、T1已知；查水蒸气热力性质表或图，确定 1点状态参数：
一般很小，占汽轮 机做功的2%，忽略 泵功，取h3=h4 h
1
h1 h2 t h1 h3
4
2 3
s
汽轮机出口2 点参数的确定
T
1
s2 s1
背压，p2给定
s2 s2' x2 s2" s2'
4
3 2
h2 h2' (h2" h2' ) x2
s
耗汽率(Steam Rate)的概念 耗汽率：蒸汽动力装置每输出单位功量所消耗的 蒸汽量kg，用d来表示 理想可逆条件下的耗汽率：
t1 , p2不变，p1
T 5 4
优点：
•
T1
缺点：
t
5'
1 1' 6'
6
• 对强度要求高
4'
3
•
2' 2
s
安全。一般要求出口干 度大于0.88。
x2'
不利于汽轮机
3、背压 p２ 对热效率ηt 的影响
p1 , t1不变，p2
T 5 4 1 6
优点：ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•
T2
t
缺点：
4' 3 3'
2
2'
s
•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
wP h4 h3 ( p4 p3 )v2 ( p1 p2 )v2 (17 106 Pa 5 103 Pa) 0.001 005 3 m3 /kg 17.06 kJ/kg
h4 h3 wP h2 wP 137.72 kJ/kg 17.06 kJ/kg 154.78 kJ/kg
1
解：由已知1点状态参数及p2，查h-s图（表） h1=3 426 kJ/kg h2=1 963.5 kJ/kg
查饱和水和饱和水蒸气表
4 3
2 s
p2= 5 kPa，v2′=0.001 005 3 m3/kg、 h2′=137.22 kJ/kg。
wT h1 h2 3 426 kJ/kg 1 963.5 kJ/kg 1 448 kJ/kg
动力循环：以获得功为目的
气体动力循环 工质：燃气 理想气体
应用：内燃机和燃气轮机
蒸汽动力循环 工质：水蒸气 实际气体 应用： 火电、 核电、 太阳能热发电
汽轮机
锅 炉
发电机 凝汽器 给水泵
蒸汽动力循环
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）蒸汽动力装置可利用各种燃料。 3）蒸汽是无污染、价廉、易得的工质。 4 ） 目 前 世 界 约 75% 电 力 、 国 内 78% 电 力 来 自 火 电 厂 ， 绝