蒸汽动力循环

锅炉的Ex分析（散热） 锅炉的Ex分析（散热） 分析
（2）排烟，渣，散热后，可传给水的ex 排烟， 散热后，可传给水的ex
T0 ex散热后 = qf 1 ηB TB
T0 π散热 = qf 1 TB T0 qf 1 ηB TB
燃料 空气 渣 水 排烟 1’’ 过热汽 4’（3）
πB/ex,qf=56.7%
Ex 经济学分析方法
Ex损失的表示
T 5 4’ 4 3
1’’ 1’ 1
T0
2 2’ s
提高循环热效率的途径
改变循环参数 改变循环形式 联合循环 提高初温度 提高初压力 降低乏汽压力 再热循环 Reheat 回热循环 Regenerative 热电联产 Cogeneration 燃气-蒸汽联合循环 燃气 蒸汽联合循环 IGCC 新型动力循环 PFBC-CC
锅炉的Ex分析（传热） 锅炉的Ex分析（传热） 分析
（3）传热，水的温度远比燃气低，温差传热 传热，水的温度远比燃气低， 水得到的ex
exh1'' exh3 = (h1'' h3 ) T0 (s1'' s3 )
T0 π传热 = qf 1 ηB TB [ (h h3 ) T0 (s1'' s3 )] 1''
整个电厂热效率 整个电厂热效率
wg η电机wM 收 益 电 功 η电厂 = ＝ ＝ = qf 代价 燃料 热量 qf η机械wnet 1’’ = η电机 1’ T qf 1 5 =ηt ηB ηoi ηtu η机械 η电机
4’ 4 wnet 2 2’ η＝ 3 =ηt ηB ηoi ηtu qf
wM 机械效率 η机械 = w net wg 电机效率 η电机 = wM s
4' 3 3'
2'
s
缺点： 缺点： 受环境温度限制，现 受环境温度限制， 受环境温度限制 在大型机组p 在大型机组 2为 0.0035~0.005MPa，相 ， 应的饱和温度约为27~ 应的饱和温度约为 33℃ ，已接近事实上 ℃ 可能达到的最低限度。 可能达到的最低限度。 冬天热效率高
国产锅炉、 国产锅炉、汽轮机发电机组的初 参数简表
v2'
，汽轮机出口
T
5'
5
1' 1 6'
6
4'
4 3
2' 2
s
尺寸小 缺点： 缺点： 对强度要求高 x 不利于汽 2' 轮机安全。 轮机安全。一般 要求出口干度大 于0.85~ 0.88
蒸汽初温对郎肯循环 蒸汽初温对郎肯循环热效率的影响 郎肯循环热效率的影响
p1 , p2不变，t1
T 5 4 3 2 2' s 优点： 优点：
p
郎肯循环T 郎肯循环T-s和h-s图
1→2 汽轮机 s 膨胀 → 3→4 给水泵 s 压缩 → T 1 h 1 2→3 凝汽器 p 放热 → 4→1 锅炉 p 吸热 →
4 3 2 s
4 3
2 s
郎肯循环功和热的计算 郎肯循环功和热的计算
汽轮机作功： 汽轮机作功： ws,12 = h1 h2 凝汽器中的定压放热量： 凝汽器中的定压放热量：
q2 = h2 h3
水泵绝热压缩耗功： 水泵绝热压缩耗功：
h 1
ws,34 = h4 h3
锅炉中的定压吸热量： 锅炉中的定压吸热量： 4 3 s 2
q1 = h h4 1
郎肯循环热效率的计算 郎肯循环热效率的计算
wnet ws,12 ws,34 ηt = = q1 q1
h 一般很小， 一般很小， 占0.8~1%， ， 忽略泵功 1
给水泵
水蒸气动力循环系统的简化
简化（理想化）： 简化（理想化）： 1 锅 炉 4 2 汽轮机 1→2 汽轮机 s 膨胀 → 2→3 凝汽器 p 放热 → → 发电机 3→4 给水泵 s 压缩 4→1 锅炉 → 凝汽器 3 p 吸热
郎肯循环
给水泵
郎肯循环p-v图
1→2 汽轮机 s 膨胀 → 2→3 凝汽器 p 放热 → 4 1 3→4 给水泵 s 压缩 → 4→1 锅炉 → 3 2 v p 吸热
第七章 蒸汽动力循环
第七章
蒸汽动力循环
水蒸气：火力发电、 水蒸气：火力发电、核电 低沸点工质： 低沸点工质：氨、氟里昂 太阳能、余热、 太阳能、余热、地热发电 动力循环： 动力循环：以获得功为目的
应用背景
热电厂
蒸汽机车
泰坦尼克
§7-1 郎肯循环
水蒸气动力循环系统 汽轮机 锅 炉 四个主要装置： 四个主要装置： 锅炉 汽轮机 发电机 凝汽器 给水泵 凝汽器
T 5 4’ 4 3
管道和节流， 管道和节流， h h3 ηtu = 1 管道效率 h h3 1'' 锅炉散热 h h3 1'' 和排烟， 和排烟， ηB = qf 锅炉效率 s
2 2’
整个实际蒸汽动力循环热效率 整个实际蒸汽动力循环热效率 实际蒸汽动力循环
h h3 ηtu = 1 hh3h3 1'' 1'' h ηB = qf T 5
3600kg 3600 kg kg kg = d = kJ = kJ = w kW ×h ×h kJ net ×h s 1 h 3600
郎肯循环与卡诺循环比较 郎肯循环与卡诺循环比较
对比同温限1234’ 对比同温限 相同； q2相同； q1卡诺> q1朗肯 卡诺 朗肯 η卡诺> η 朗肯； 等温 吸热4’1难实现 吸热 难实现 对比5678 对比 η卡诺< η 朗肯； wnet卡诺< wnet 朗肯 卡诺 对比9-10-11-12 对比 太小,不利于 11点x太小 不利于 点 太小 汽机强度； 汽机强度； 12-9两 两 相区难压缩； 相区难压缩； s wnet卡诺小 卡诺
实际蒸汽动力装置的Ex分析法 实际蒸汽动力装置的Ex分析法
对于稳定流动
in
焓Ex
out
∑Ex = ∑Ex
进入设备的 Ex总和 Ex总和
+ ∑Πi
Ex损失之和 Ex损失之和
离开设备的 Ex总和 Ex总和
锅炉的Ex分析 锅炉的Ex分析
排烟 T 5 4’ 4 3 1’’ 1’ 1 燃料 空气 渣 2 2’ s 水 过热汽 4’（3） 1’’
T 5 4’ 4 3 1’’ 1’ 1 2’ 2 2’ s 3
两种分析方法的比较
热效率法 锅炉 管道 汽轮机 凝汽器 qB/qf=10% qtu/qf= 0.6% qt/qf= 0 qc/qf= 55.7%
Ex分析法
(燃烧 燃烧14.1%排烟及散热 燃烧 排烟及散热 8.6%传热 传热34%) 传热 πtu/ex,qf= 0.5% πt/ex,qf= 5.6% πc/ex,qf= 3.5%
…...
§7-3 蒸汽再热循环(reheat) 蒸汽再热循环(reheat)
蒸汽再热循环的热效率 蒸汽再热循环的热效率
T 5 4 3
2
1 a 6 b
再热循环本身不一 再热循环本身不一 定提高循环热效率 与再热压力有关 降低,给提高初 x2降低 给提高初 压创造了条件， 压创造了条件，选 取再热压力合适， 取再热压力合适， 一般采用一次再热 一般采用一次再热 可使热效率提高2 可使热效率提高2 s ％～3.5％。 ％～3.5 3.5％
锅炉的Ex分析（燃烧） 锅炉的Ex分析（燃烧） 分析
空气 Ex = 0 燃料 exqf = qf 以环境为基准 设燃料完全是Ex 设燃料完全是Ex 排烟 燃料 空气 渣 水 1’’ 过热汽 4’（3）
（1）燃烧，烟气热量 燃烧，
T0 ex燃烧 = qf 1 TB
平均燃烧温度
T0 π燃烧 = qf qf 1 TB
管道和主汽门的ex损失 管道和主汽门的 损失
π管道 = (h1'' h1) T0 (s1'' s1)
1’’ 1
汽轮机的Ex分析 汽轮机的Ex分析
1
T 5 4’ 4 3
1’’ 1’ 1 绝热 2 2’ s
wnet’
2’
汽轮机的Ex分析 汽轮机的Ex分析
汽轮机最大可能作功
wnet = exh1 exh2' = (h1 h2' ) T0 (s1 s2' )
燃料 空气
排烟 1’’ 过热汽 4’（3）
π锅炉＝π燃烧＋π散热＋π传热 渣
水
管道和汽机主汽门节流的Ex分析 管道和汽机主汽门节流的Ex分析
T 5 4’ 4 3
1’’ 1’ 1 1’’ 1
2 2’ s
管道和汽机主汽门节流的Ex分析 管道和汽机主汽门节流的Ex分析
汽机入口ex 汽机入口
exh1 = (h1 h0 ) T0 (s1 s0 )
汽轮机实际输出功Biblioteka Baidu
1
wnet ' = h h2' 1
汽轮机的ex损失 汽轮机的 损失 π汽机 = wnet wnet ' = T0 (s2' s1)
2’
wnet’
冷凝器的Ex分析 冷凝器的Ex分析
冷凝器的ex损失 冷凝器的 损失 π冷凝器 = ex2' ex3 = ( h2' h3 ) T0 ( s2' s3 )
收 益 循 净 环 功 wnet η= ＝ ＝ 代 价 燃 热 料 量 qf h h2' (h h2 )ηoi 1’’ = 1 = 1 1’ qf (h h3 )/ηB 1'' 1 (h h2 ) 1 = ηB ηoi (h h3 )/ηtu h h2' 1 4’ η = 1 oi (h h2 ) h h2 4 1 = 1 ηB ηoi ηtu 3 2 2’ (h h3 ) 1 h h2 1 ηt = =ηt ηB ηoi ηtu h h3 1 s
热一律： 热一律：热效率分析法 热二律：熵分析法 热二律： Ex分析法 Ex分析法
√
√
实际蒸汽动力循环热效率法 实际蒸汽动力循环热效率法
忽略泵功 h4' ≈ h3 1’’ 1’ 1
1 可逆循环 η = h h2 t h h3 效率 1 汽机相对 η = h h2' 1 oi 内效率 h h2 1
T
4'
9 5 4 3 8 12 10 6
1
11 7 2
如何提高郎肯循环 如何提高郎肯循环的热效率 郎肯循环的热效率
T 5 4 3
1 6 2
h h2 ηt ≈ 1 h h3 1
影响热效率的参数？ 影响热效率的参数 ？
p1
s
t1
p2
蒸汽初压对郎肯循环 蒸汽初压对郎肯循环热效率的影响 郎肯循环热效率的影响 优点： 优点： t1 , p2不变，p1 ηt T 1
蒸汽再热循环的实践
再热压力 pb=pa≈0.2~0.3p1 p1<10MPa，一般不采用再热 ，一般不采用再热 我国常见机组，10、12.5、20、30万机 我国常见机组， 、 、 、 万机 组，p1>13.5MPa，一次再热 ，一次再热 超临界机组， 超临界机组， t1>600℃，p1>25MPa， ℃ ， 二次再热 二次再热
低参数 中参数 高参数 超高参数 亚临界参 数 1.3 3.5 9.0 13.5 16.5 汽轮机进 汽压力 MPa 340 435 535 550, 535 550, 535 汽轮机进 汽温度℃ 发电机功 1500～ 6000～ 5~10万 12.5万,20 20万,30 率 P/ kW 3000 25000 万 万,60万
1'
1 6
T 1 x2'
ηt
，有利于汽机
安全。 安全。 缺点： 缺点： 对耐热及强度要 求高， 求高，目前初温 一般在550℃左右 一般在 ℃ v2' 汽机出口 尺寸大
乏汽压力对郎肯循环热效率的影响 乏汽压力对郎肯循环热效率的影响
p1 , t1不变，p2
T 5 4 优点： 优点：
T2
ηt
1 6 2
h h2 ηt ≈ 1 h h3 1
4 3
2 s
汽耗率(Steam Rate)的概念 汽耗率(Steam Rate)的概念
工程上常用汽耗率 反映装置经济性， 工程上常用汽耗率, 反映装置经济性，设备尺寸 汽耗率 汽耗率：蒸汽动力装置每输出1kW.h d = 3600 汽耗率：蒸汽动力装置每输出 功量所消耗的蒸汽量kg 功量所消耗的蒸汽量 wnet wnet的单位是kJ/kg 的单位是kJ/kg 1kW=1 kJ/s
蒸汽再热循环的定量计算 蒸汽再热循环的定量计算
吸热量： 吸热量： T 5 4 3
§7-2 实际蒸汽动力循环分析
非理想因素： 非理想因素：
T 5 4’ 4 3 1’’ 1’ 1 蒸汽管道摩擦降 散热(1’’1’) 压，散热 汽机汽门节流( 1’ 1 ) 汽机汽门节流 汽机不可逆( 汽机不可逆 1 2 ’) 给水泵不可逆( 给水泵不可逆 3 4 ’) 2 2’ s
实际蒸汽动力循环分析方法