第十章 蒸汽动力循环及汽轮机基础知识

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第十章 蒸汽动力循环及汽轮机基础知识

10.1 蒸汽动力循环

核电站二回路系统的功能是将一回路系统产生的热能（高温、高压饱和蒸汽）通过汽轮机安全、经济地转换为汽轮机转子的动能（机械能），并带动发电机将动能转换为电能，最终经电网输送给用户。

热能转换为机械能是通过蒸汽动力循环完成的。蒸汽动力循环是指以蒸汽作为工质的动力循环，它由若干个热力过程组成。而热力过程是指热力系统状态连续发生变化的过程。工质则是指实现热能和机械能相互转换的媒介物质，其在某一瞬间所表现出来的宏观物理状态称为该工质的热力状态。工质从一个热力状态开始，经历若干个热力过程（吸热过程、膨胀过程、放热过程、压缩过程）后又恢复到其初始状态就构成了一个动力循环，如此周而复始实现连续的能量转换。核电厂二回路基本的工作原理如图10.1所示。

节约能源、实现持续发展是当今世界的主流。如何提高能源的转换率也是当今工程热力学所研究的重要课题。电厂蒸汽动力循环也发展出如卡诺循环、朗肯循环、再热循环、回热循环等几种循环形式。 10.1.1 蒸汽动力循环形式简介

1.卡诺循环

卡诺循环是由二个等温过程和二个绝热过程组成的可逆循环，表示在温熵（T －S ）图中，如图10.2所示。图中，

A-B 代表工质绝热压缩过程，过程中工质的温度由T 2升到T 1，以便于从热源实现等温传热；

B-C 代表工质等温吸热过程，工质在温度

凝 结 水

水 蒸 汽

蒸汽推动汽轮机做功，将蒸汽热能转换成汽轮机动能；继而汽轮机带动发电机发电

。

凝结水从蒸汽发生器内吸收一回路冷却剂的热量变成蒸汽

热力循环

图10.1核电厂二回路基本的工作原理

T 1

S

T 2

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T 1下从同温度热源吸收热量；

C-D 代表工质绝热膨胀过程，过程中工质的温度由T 1降到T 2，以便于向冷源实现等温传热

D-A 代表工质等温放热过程，工质在温度T 2下向等温度冷源放出热量，同时工质恢复到其初始状态，并开始下一个循环。

根据热力学第二定律，在同样的热源温度和冷源温度下，卡诺循环的效率最高，其循环效率可表示为：

η=1-T 2/T 1

从该式中可得出如下结论：

（1）卡诺循环的效率只决定于热源和冷源的温度，所以若要提高热力循环的效率，就应尽可能提高工质吸热温度T 1（受金属材料限制），以及尽可能使工质膨胀至低的冷源温度T 2（受环境等条件限制）。但是，热源温度T 1不可能增至无限大，冷源温度T 2也不可能减小至零，所以η不可能等于1，且永远小于1，即在任何循环中不可能把从热源吸取的热量全部转换为机械能。

（2）当T 1=T 2时η=0 ，表明系统没有温差存在时（即只有一个恒温热源），利用单一热源循环作功是不可能的。

目前，卡诺循环还是一种为人类追求的理想循环，迄今为止还未实际实现。对水蒸汽为工质的循环，若在其湿饱和蒸汽区建立卡诺循环，等温吸热和放热原则上可以克服，如图10.3所示。但对压缩过程而言，由于工质处于汽水混合物状态，一是要求容积较大压缩机，其次耗费压缩功，同时在湿汽状态下，对压缩机工作不利，因此实际上很难实现饱和蒸汽卡诺循环，而是采用朗肯蒸汽循环。

2.朗肯循环

朗肯循环的组成及其设备工作流程如图10.4所示，它是研究各种复杂蒸汽动力装置的基本循环。它的工作过程如下：

ABCD 为等压（不等温）加热过程，水在锅炉（或蒸汽发生器）中吸热，由过冷水变为过热蒸汽，这时工质与外界没有功的交换。

F

E

D

A

图10.4 朗肯循环

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DE 为过热蒸汽在汽轮机中绝热膨胀过程，将热能转换为机械能，对外作功。汽轮机出口的工质达到低压下湿蒸汽状态，称为乏汽。

EF 为乏汽在冷凝器中的凝结放热过程，变成该压力下的饱和水，称为凝结水。 FA 为凝结水在水泵中绝热压缩过程，提高凝结水压力将其送到锅炉（或蒸汽发生器）继续吸热进行下一个循环。对水进行升压要消耗外功。

由上述4个热力过程组成了一个蒸汽动力循环。由图10.4温熵图可知，朗肯循环的效率为：

η＝面积ABCDEF A /面积aABCDEFea

根据卡诺循环的结论，不难发现朗肯循环中吸热过程中的AB 段是整个吸热过程中温度最低的部分，从而降低了朗肯循环的平均吸热温度，使循环效率下降。若能改善低温吸热段过程就可大大地提高蒸汽朗肯循环的效率，由此发展出了回热循环。

3.回热循环

回热循环是现代蒸汽动力循环所普遍采用的循环，它是在朗肯循环的基础上对AB 段吸热过程加以改进而得到的。所谓回热是指利用一部分在汽轮机内作过功的蒸汽来加热给水，使进入锅炉（或蒸汽发生器）的给水温度较高，以提高循环的平均吸热温度，从而提高循环效率。图10.5所示为抽汽回热循环示意图。

和朗肯循环比较，回热循环增加了给水加热器H 和相应的抽汽管道及疏水管道。蒸汽在汽轮机中膨胀做功到M 点，从中抽出一部分蒸汽送到给水加热器H 中加热给水使给水温度由A 点升高，其余蒸汽则继续做功直到排出汽轮机并被冷凝成凝结水。抽汽放热后凝结成疏水，用疏水泵打入系统中与给水相混合使给水温度最后升高至N 点进入锅炉或蒸汽发生器，混合后工质质量没有损失。这时，在锅炉或蒸汽发生器内给水从N 点开始吸热，给水的低温吸热段由AB 段变为NB 段，提高了平均吸热温度，从而提高了循环效率。

应该指出：虽然低温段AB 的过程也是吸热过程，但与朗肯循环不同，因为有回热时吸入的热量已经不是外部热源（来自锅炉或蒸汽发生器）的热量，而是循环内部的换热。除了提高平均吸热温度使循环效率升高外，还可以从减少冷源放热损失来说明，即抽出来

图10.5 抽汽回热循环示意图

F

E

D

H

A

N

M

L

S