10蒸汽动力装置循环

1 d0 h1 h2
kg/J,工程上用kg/ kW h
耗汽量
D0 d0 P0
P0 功率,W
汽耗率：蒸汽动力装置每输出1kW.h 功量所消耗的蒸汽量kg
kJ 1(k W h) 1( ) 3600 ( s ) 3600 (k J) s kJ d wnet ( ) 3600 (k J) kg 3600 (k J) 3600 d (k g) kJ wnet 3600 wnet ( ) d kg
q1 h1 h4
4 3
2
s
循环净功：
wnet wT wP (h1 h2 ) (h4 h3 )
循环净热量： qnet q1 q2 (h1 h4 ) (h2 h3 ) (h1 h2 ) (h4 h3 )
wnet wT ,1 2 wP ,3 4 (h1 h2 ) 0 t q1 q1 h1 h4 h
图11-4汽轮机高压缸
图11-6汽轮机低压缸
蒸汽电厂示意图
动力循环研究目的和分类
动力循环：以获得功为目的
——工质连续不断地将从高温热源取得的热 量的一部分转换成对外的净功
——正向循环
实际循环与卡诺循环
卡诺热机只有理论意义，最高理想 实际上 T s 很难实现 内燃机 t1=2000oC，t2=300oC tC =74.7% 实际t =30~40% 火力发电 t1=600oC，t2=25oC
tC =65.9% 实际t =40%
回热和联合循环t 可达50%
研究动力循环的目的：
合理安排循环、提高热效率
按工质
气体动力循环：内燃机、燃气轮机 空气为主的燃气 按理想气体处理
蒸汽动力循环：外燃机 水蒸气等
实际气体
§10-1 简单蒸汽动力装置循环 —郎肯循环(Rankine cycle)
朗肯循环
q1 h1 h4 3426kJ/kg 154.78kJ/kg 3271.22kJ/kg
wnet h1 h2 wp t q1 q1 3426kJ/kg 1963.5kJ/kg 17.06kJ/kg 0.4419 3271.22kJ/kg
若略去水泵功，则
水蒸气动力循环系统 汽轮机 四个主要装置： 锅炉 汽轮机 发电机 凝汽器 给水泵 凝汽器
锅 炉
给水泵
一、水蒸气动力循环系统的简化
简化（理想化）：
1 锅 炉
4
汽轮机
12 汽轮机 s 膨胀 23 凝汽器 p 放热
发电机 34 给水泵 s 压缩 2
41 锅炉 凝汽器 3
p 吸热
朗肯循环
给水泵
朗肯循环pv图
p1 , t1不变，p2
T 5 4
优点：
•
T2
t
1 6
4' 3 3'
2
2'
s
缺点： •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
五、有摩阻的实际朗肯循环 1.T-s图及h-s图
q1 h1 h3 忽略水泵功： q 2 h2 act h2 '
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）目前世界75%电力，国内78%电力来自火电厂，绝 大部分来自蒸汽动力。
3）蒸汽动力装置可利用各种燃料。
4）蒸汽是无污染、价廉、易得的工质。
图11-1电厂鸟览图 图11-3汽轮机车间等图 图11-5汽轮机中压缸 图11-2锅炉
h1 h2 act T h1 h2 Tt h1 h2' h1 h2'
考虑机械损失
c）装置有效热效率ηe
Pe e T mt q1
Pe—有效轴功率 ηm—机械效率
3.实际内部耗汽率di和耗汽量Di d0 h1 h2 1 1 di h1 h2 act h1 h2 act h1 h2 T
2.蒸汽初压对朗肯循环热效率的影响
t1 , p2不变，p1
T
优点：
• •
5'
5
1' 1 6' 6
T1 v2'
t
，汽轮机出口
4' 4 3
2' 2
s
尺寸小 缺点： • 对强度要求高 • x2' 不利于汽 轮机安全。一般 要求出口干度大 于0.85~ 0.88
3.乏汽压力（背压）对朗肯循环热效率的影响
v3 v ' 0.00101m3 / kg
状态4： s3 s4 h4 h3 v3 ( p4 p3 ) 168.65 0.00101 (891.8 7.5) 169.54kJ / kg
汽轮机输出功：
wT h1 h2 2773.23 2063.95 709.28kJ / kg
h2 1 T h1 h2
（h1–h2—理想绝热焓降—ideal enthalpy drop; isentropic enthalpy drop ）
b）装置内部热效率—internal thermal efficiency 忽略水泵功：
i
wnet,act q1

wt ,Tact q1
x2
s2 s 6.6253 0.5760 0.788 '' ' s s 8.2493 0.5760
h2 h ' x2 (h '' h ' ) 168.65 0.788 (2573.85 168.65) 2063.95kJ / kg
状态3： h3 h' 168.65kJ / kg ,
h2,act h2 (1 T )(h1 h2 ) 1963.5kJ/kg (1 0.9)(3426kJ/kg 1963.5kJ/kg) 2109.8kJ/kg
解：状态1：由175 ℃，查饱和水蒸气表ps=0.8918MPa、h1=2773.23kJ/kg、
s1=6.6253kJ/(kg.K) 由7.5kPa，查饱和水蒸气表，h’=168.65kJ/kg、h’’=2573.85kJ/kg； s’=0.5760kJ/(kg.K)、s’’=8.2493kJ/(kg.K)；v’=0.00101m3/kg 据s1=s2、s’ <s2<s’’，所以状态2为饱和湿蒸汽状 态 '
一般很小，占0.8~1%，忽略泵功
1
h1 h2 h1 h2 t h1 h3 h1 h2'
4 3
2 s
三、耗汽率(steam rate)及耗汽量
工程上常用汽耗率：反映装置经济性，设备尺寸 理想耗汽率(ideal steam rate) d0 —装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量
按照上题参数，假设锅炉中传热过程是从 831.45K的热源向水传热，冷凝器中乏汽向 298K的环境介质放热，且汽轮机相对内效率 为ηT=0.90。求： （1）水泵功wP、汽轮机产生的功wT,act和循环 净功wnet；（2）循环内部热效率ηi和实际耗汽 率di；(3)各过程及循环的不可逆损失。
解：(1)蒸气在汽轮机膨胀过程为1-2act
所产生的功；(2)水泵功；(3)循环热效率和理论耗汽率。
解： h1=3426kJ/kg
h2=1963.5kJ/kg
查饱和水和饱和水蒸气表
p=5kPa时，v′=0.0010053m3/kg、 h′=137.22kJ/kg。
wT h1 h2 3426kJ/kg 1963.5kJ/kg 1462.5kJ/kg
wnet
四、如何提高朗肯循环的热效率
h1 h2 t h1 h3
T 5 4 3 2 s 1 6
影响热效率的 参数？
p1
t1
p2
1.蒸汽初温对朗肯循环热效率的影响
p1 , p2不变，t1
T 5 4 3 2 2' s 优点：
•
1'
1 6
•
T1 x2'
t
，有利于汽机
安全。 缺点： • 对耐热及强度要 求高，目前初温 一般在550℃左右 • v2' 汽机出口 尺寸大
T
T
1
1 4 3 4
2
s
3
2 s
核电厂二回路蒸汽循环T－S图
火电厂水蒸气(朗肯)循环T－S图
朗肯循环与卡诺循环的比较
二、朗肯循环功和热的计算
汽轮机作功： wT ,1 2 h1 h2
凝汽器中的定压放热量：
q2 h2 h3
h
水泵绝热压缩耗功：
wP ,3 4 h4 h3
1
锅炉中的定压吸热量：
wP h4 h3 ( p4 p3 )v2 ( p1 p2 )v2 (17 106 Pa 5 103 Pa) 0.0010053m 3 /kg 17.06 103 kJ/kg
h4 h3 wp h2 wp 137.72kJ/kg 17.06kJ/kg 154.78kJ/kg
循环热效率：
t
wnet wT wP 709.28 0.89 0.272 q1 q1 2603.69
q2 1895.3 t 1 1 0.273 q1 2609.69
【例题2】
H-s图
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
12 汽轮机 s 膨胀 23 凝汽器 p 放热 4 1 34 给水泵 s 压缩
p
41 锅炉
3 2
p 吸热
v
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
压水堆核电厂蒸汽循环装置
火电厂、核电厂蒸汽循环T-S图比较
Di d i Pi
Pi 实际内部功率
【例题1】
某太阳能动力装置利用水为工质，从太阳能集热器出来的是175℃的饱和 水蒸气，在汽轮机内等熵膨胀后排向7.5kPa的冷凝器，求循环的热效率。
t(℃)/ P(MPa) 175 /0.8918 - /0.0075
h‘ (kJ/kg)
h’’ (kJ/kg) 2773.23
wnet h1 h2 3426kJ/kg 1963.5kJ/kg t 0.4448 q1 h1 h2 3426kJ/kg 137.72kJ/kg
来自百度文库
1 1 d0 6.84 107 kg/J h1 h2 3426kJ/kg-1963.5kJ/kg
【例】
第十章 蒸汽动力装置循环
本章内容要求
掌握蒸汽动力装置的基本循环-朗肯循环及其热效 率分析；
学会分析蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响；
理解朗肯循环的构成、热效率计算式，以及利用 T-s图分析循环； 理解再热循环、抽汽回热循环和抽汽量；
了解其它循环方式。
蒸汽及蒸汽动力装置(steam power plant) ：
不变
t
2.不可逆性衡量 a）汽轮机内部相对效率ηT（简称汽机效率）
T
wt ,Tact wt ,T
h1 h2 act h1 h2
近代大功率汽轮机ηT在0.85～0.92左右
h2act的确定方法： 运行中，测出p2及x2，按hx=x2h″+(1-x2)h′ 设计中，选定ηT按 h2 act h1 T h1 h2
水泵耗功：
wP h4 h3 169.54 168.65 0.89kJ / kg
从集热器吸热量： q1 h1 h4 2773.23 169.54 2603.69kJ / kg 冷凝器中放热量： q2 h2 h3 2063.95 168.65 1895.3kJ / kg
s’ (kJ/(kg.K))
s’’ (kJ/(kg.K)) 6.6253
v’ (m3/kg)
168.65
2573.85
0.5760
8.2493
0.00101
解：状态1：由175 ℃，查饱和水蒸气表ps=0.8918MPa、h1=2773.23kJ/kg、
s1=6.6253kJ/(kg.K)
由7.5kPa，查饱和水蒸气表，h’=168.65kJ/kg、h’’=2573.85kJ/kg； s’=0.5760kJ/(kg.K)、s’’=8.2493kJ/(kg.K)；v’=0.00101m3/kg