蒸汽动力循环及其参数

再热循环冷源损失变化
qcrg{＝αc(hc－hwc)}<= qcrk{＝ hc－hwc}
再热循环提高排汽干度
再热可以提高排汽干度，允许使用更高的初压力
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2.4.4再热循环的参数优化
对再热效率产生影响的参数
再热蒸汽温度trh、再热蒸汽压力prh
最佳再热温度
效率是trhop的递增函数 受到金属材料耐温性能的限制， trhop＝t0
提高主蒸汽压力的影响
提高平均吸热温度，改善循环效率
减小汽轮机进口蒸汽容积流量，降低通流效率
降低排汽干度，有害于低压缸的安全和经济性
循环效率与主蒸汽压力的关系见p.41 图2－4
提高主蒸汽压力的制约因素
主蒸汽管道材料耐压性能的限制，上升空间大
受蒸汽膨胀终了时湿度的限制，再热可有效改善该影响
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2.3.3回热循环效率分析
回热循环效率分析
回热循环效率ηtrg=[α1(h0-h1)+αc(h0-hc)]/ q0rg 由工质流量平衡：h0＝ (α1＋αc)h0 由加热器热平衡：hw1＝α1h1＋αchwc 则：q0rg＝h0－hw1＝ α1(h0－h1)＋αc(h0－hwc) ηtrg分子：αc(h0-hc) [1+α1(h0-h1) / αc(h0-hc)] ηtrg分母：αc(h0-hwc) [1+α1(h0-h1) / αc(h0-hwc)] 注意到：ηtrk＝(h0-hC) /(h0-hwc) 整理得：ηtrg＝ηtrk(1＋Ar)/(1＋Ar*ηtrk)
水在锅炉内等压吸收热量 经过预热、汽化及过热阶段
高温高压的蒸汽在汽轮机级内膨胀输出轴功
在凝汽器中的等压放热过程等价于等温放热
给水泵对（不可压缩）水工质加压耗功极低
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朗肯循环过程
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朗肯循环效率
朗肯循环的能量平衡
能量平衡：qb－qc＝wn＝wt－wp
循环效率
最佳再热压力
再热压力高虽然可以提高平均吸热温度，但作用有限 再热压力低会因附加循环温度低而无法提高吸热温度 最佳再热压力：prhop＝(0.1~0.2)×p0→ (0.15~0.25)×p0
再热回热循环
与非再热机组比 采用回热时提高热经济性的幅度要小（削弱回热） 再热机组采用回热的热经济性仍高于无再热的回热机组(合理设计)
回热加热器是实现回热换热的设备 作用：提高给水温度改善循环效率
原则性热力系统
表示热力循环本质联系的热力系统 回热循环在朗肯循环加回热加热器
回热过程的T－s图
回热抽汽来自汽机膨胀过程线p1t1 加热器中抽汽定压放热并凝结为水 给水（或凝水）被加热后送往锅炉
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2.3.2回热循环效率计算
第四讲
第二章、蒸汽动力循环及其参数 2.1 蒸汽动力循环及其效率的改善 2.2 朗肯循环及其蒸汽参数 2.3 给水回热循环 2.4 蒸汽再热循环 小结
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2.1 蒸汽动力循环及其效率的改善
2.1.1热与功的转化与守恒 2.1.2热变功的途径与极限 2.1.3水蒸汽及其性质 2.1.4基本蒸汽动力循环
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2.4.2再热循环效率计算
循环效率
定义：ηt＝Wt/Q0＝wt/q0 式中：Wt为循环理想功，Q0为循环吸热量
再热循环效率
单位工质循环理想功：wtrh＝h0-hc+αrh(hr-hr’) 其中：αrh为再热汽份额，高压缸无回热αrh＝1 单位工质循环吸热量：q0rh＝h0-hwc +αrh(hr-hr’) 单位工质的冷源损失：qcrh＝αc(hc－hwc) 其中：αc为凝汽份额，若汽机无回热αc＝1 再热循环效率：ηtrh＝wtrh/q0rh＝1－qcrh/q0rh
式中：Ar＝wr/wc＝α1(h0-h1) / αc(h0-hc)动力系数
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2.3.4回热循环的主要特征
回热可以提高效率
由ηtrg＝ηtrk(1＋Ar)/(1＋Ar*ηtrk)，∴ηtrg >ηtrk
回热循环吸热量变化
q0rg{＝h0－hw1}< q0rk{＝h0－hwc}
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水蒸汽的相图（定压）
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2.1.4基本蒸汽动力循环
朗肯循环的组成 朗肯循环过程 朗肯循环效率 朗肯循环效率分析
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朗肯循环的组成
朗肯循环：两等压过程与两等熵过程组成
吸热过程：工质从高温热源等压吸热qb 作功过程：高温工质经等熵膨胀作功wt 放热过程：工质向低温热源等压放热qc 压缩过程：低温工质经等熵过程升压wp 朗肯循环的特点：
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小结1
朗肯循环
朗肯循环是蒸汽动力循环基础，包含高低温双热源 高温热源主要存在烟气与平均吸热温度的传热温差 锅炉热损失以及燃烧过程也存在作功不可逆损失 低温热源损失的热量约占一半，但其温度水平很低 汽轮机通流过程中的损失造成其作功不可逆损失 给水泵通流过程中的损失造成其作功不可逆损失
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2.1.1热与功的转化与守恒
热力学第一定律的本质
能量转换与守恒定律在工程热力学中表现为热功守恒 没有一种机器可以不消耗能量而连续作功
热力系与工质状态参数
热力系是热力学研究的对象，有封闭系、流动系等 描述工质状态的物理量是状态参数如p,t,v,u,h,s等
封闭系热力学第一定律的数学表达式
定义：ηt＝wn / qb＝1－ qc / qb
朗肯循环效率
单位工质循环吸热量：qb＝h0－h3 单位工质循环放热量：qc＝h1－h2 单位工质循环净功量：wn＝(h0－h1)－(h3－h2) 循环效率：ηt＝1－ qc / qb＝f（ h0 ,h1 , h2 ,h3 ）
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能量平衡：q＝△e＋Aw 对微小变化：đq＝du＋pdv
流动系热力学第一定律的数学表达式
稳定流动方程：q＝△e＋△pv＋wi 对微小变化：đq＝dh－vdp
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2.1.2热变功的途径与极限
热力学第二定律的本质
实现连续热变功需要借助工质（水蒸汽）在动力循环 过程中实现
热变功的极限效率是卡诺循环的效率
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2.2 朗肯循环及其蒸汽参数
2.2.1 提高初温 2.2.2 提高初压力 2.2.3 降低终参数
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2.2.1 提高初温
提高主蒸汽温度的影响
提高平均吸热温度，改善循环效率 提高汽轮机进口蒸汽容积流量，改善通流效率（叶高、部分进汽） 提高排汽干度，有利于低压缸的安全和经济性 循环效率与主蒸汽温度的关系见P.39 图2－2
循环效率
定义：ηt＝Wt/Q0＝wt/q0 式中：Wt为循环理想功，Q0为循环吸热量
回热循环效率
单位工质循环理想功：wtrg＝h0－hc－α1(h1－hc) 或者：wtrg＝α1(h0－h1)＋αc(h0－hc) 其中：αc＝1－α1是凝汽份额，而α1抽汽份额 单位工质循环吸热量：q0rg＝h0－hw1 单位工质的冷源损失：qcrg＝αc(hc－hwc) 回热循环效率：ηtrg＝wtrg/q0rg＝1－qcrg/q0rg
降低排汽压力的制约因素
汽轮机的排汽压力由凝汽器、汽轮机低压缸及供水系统决定 进水温度(环境)、循环水温升(循环水量)和传热端差(传热面积)
最佳排汽压力的确定
在合理的投资水平下，选择较低的排汽压力 当汽机微增出力与循泵耗功的差值最大时可以确定最佳循环水量，
进而确定与该循环水量对应的最佳排汽压力 常见的排汽压力在4~7kPa之间
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2.3 给水回热循环
2.3.1回热循环的组成 2.3.2回热循环效率计算 2.3.3回热循环效率分析 2.3.4回热循环的主要特征 2.3.5回热循环的参数优化
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2.3.1回热循环的组成
回热过程及其作用
在朗肯循环基础上利用汽轮机抽汽加热凝水 （或给水）的过程为回热
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2.4.1再热循环的组成
再热过程及其作用
在朗肯循环基础上利用高温烟气加热汽轮机 高压缸排汽的过程为再热
烟气再热器是实现再热换热的设备 作用：提高排汽干度改善循环效率
原则性热力系统
再热循环在朗肯循环加烟气再热器
再热过程的T－s图
冷再热汽来自汽机高压缸排汽pr’tr’ 高排汽在再热器中吸热提高过热度 热再热汽进入中压缸继续膨胀作功
回热级数Z、给水焓升τj、给水焓hfw
最佳回热级数Zop
Z∞
ηt≈1－1/[1+M/(Z+1)Z+1]→1－1/eM 效率是Z的递增函数；但增长率逐步下降
高效段曲线较平坦；一般取Zop＝7－9级
P.67(2-16)
最佳给水焓升
ηt≈1－[qc/(qb0+τb0)]∏[q /(q+τ)] P.63(2-10) 因优化假设不同有平均分配、焓降分配和几何分配
平均分配法：τjop＝(hb’－hc’)/(Z+1)
P.65(2-14)
最佳给水焓升的本质是汽轮机抽汽压力的优化
最佳给水焓
hfwop＝ hc’＋∑Zτjop
P.67(2-17)
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2.4 蒸汽再热循环
2.4.1再热循环的组成 2.4.2再热循环效率计算 2.4.3再热循环的主要特征 2.4.4再热循环的参数优化
热力学第二定律的表述
只冷却单一热源不可能实现连续循环作功
热能不可能自发或无代价地由低温传向高温
热力学第二定律的意义
热变功是有条件和有限度的，两者不等价
热转变为功的条件是使用高低温两个热源
2021/4/29 热转变为功的极限是卡诺循环（理想）的效率
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2.1.3水蒸汽及其性质
水蒸汽是实际工质
提高主蒸汽温度的制约因素
承受高温部件材料耐温性能的限制，上升空间小
最佳主蒸汽温度的确定
在合理的投资水平下，选择较高的主蒸汽温度 主蒸汽温度取决于钢煤比价 耐热合金钢价格低、燃料价格高 常见的主蒸汽温度在535－600℃之间 我国超超临界机组600
℃
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2.2.2 提高初压力
回热循环作功量变化
wtrg{＝h0－hc－α1(h1－hc)}< wtrk{＝h0－hc}
回热循环冷源损失变化
qcrg{＝αc(hc－hwc)}< qcrk{＝ hc－hwc}
回热循环汽耗率变化
因单位工质作功量低，则单位功率耗汽量增加
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2.3.5回热循环的参数优化
对回热效率产生影响的参数
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朗肯循环效率分析
单位工质循环净功的分析
由于水不可压缩，水的比容很小且几乎不变
给水泵耗功：wp＝h3－h2＝v*(p3－p2)≈0 循环净功：wn＝wt－wp≈wt＝h0－h1
单位工质循环吸放热量
循环吸热量：qb＝h0－h3≈h0－h2 循环放热量：qc＝h1－h2
循环效率分析
因为：h0＝f(p0,t0)；h1=f(s0,pc) =f(p0,t0,pc) ； h2=fs(pc)；h3=f(p0,s2) =f(p0, pc )
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2.4.3再热循环的主要特征
再热可以提高循环效率
再热可增加高温段吸热比例，提高平均吸热温度
再热循环吸热量变化
q0rh{＝h0-hwc +αrh(hr-hr’)}>q0rk{＝h0－hwc}
再热循环作功量变化
wtrg{＝h0-hc+αrh(hr-hr’)}> wtrk{＝h0－hc}
水蒸汽热力学性质需要借助热力试验和数学方法获得
水蒸汽的相变过程与相图
水定压加热中经历了水/饱和水/湿蒸汽/饱和汽/和过热汽态 可以使用p－v图和T－s图表示定压吸热相变过程 相图的特点是一点两线三区和五态 上述状态可分为单相区（水和汽）饱和区与两相区 对于单相区：水蒸汽的性质由任意两个独立的参数确定 对于饱和区：水蒸汽的性质由压力或者温度单参数确定 对于湿蒸汽：需要在饱和区性质的基础上利用干度确定 常用的性质包括压力、温度、比容、焓和熵
最佳主蒸汽压力的确定
在合理的投资水平下，选择较高的主蒸汽压力
主蒸汽压力取决于wenku.baidu.com煤比价
常见的主蒸汽压力在17.5~26MPa之间 我国超超临界机组
26MPa
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2.2.3 降低终参数
降低排汽压力的影响
降低平均放热温度，改善循环效率 降低排汽干度，有害于低压缸的安全和经济性