第十一章 蒸汽动力循环装置第十章 蒸汽动力循环装置

Steam Power Plant

第十一章 蒸汽动力循环装置第十章 蒸汽动力循环装置

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 76% 电力来自火电厂 （ 6.03 亿 kW ），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

蒸汽及蒸汽动力装置 (steam power plant)

电厂鸟览图

汽轮机车间图

火力发电厂示意图

蒸汽动力循环流程图

水蒸气卡诺循环有可能实现，但 1 ）温限小 2 ）膨胀末端 x 太小 3 ）压缩两相物质很困难

11-1 简单蒸汽动力装置循环 10-1 — 朗肯循环 (Rankine cycle)

一、水蒸气的卡诺循环

所以，实际并不实行卡诺循环

二、朗肯循环及其热效率

b ） p-v ， T-s 及 h-s 图

a ）流程图

1. 朗肯循环（设为可逆循环）

6565

4

3(2’)

2

1h

s

2. 朗肯循环的热效率net 2

1 1

1t

w q

q q

411 hhq

(11-1)(10-1)

1 2tw h h 4

3(2’)

2

1h

s4 3Pw h h

1 2 4 3( ) ( )net t Pw w w h h h h

输出功

泵 功输出净功

1 2 1 4 2 3 1 2 4 3( ) ( ) ( ) ( )q q h h h h h h h h 2 2 3q h h

于 是 1 2 4 31 2

1 1 1 4

( ) ( )nett

w h h h hq q

q q h h

netw

若忽略水泵功，同时近似取 h4h3 ，则

'21

21

31

21

hh

hh

hh

hht

3. 耗汽率 (steam rate) 及耗汽量

kg/J, kg/ kW h 工程上用

式中 D--- 耗汽量 , kg/s

(11-3)(10-3)

(11-8) (10-4)

理想耗汽率 (ideal steam rate) d0 ， kg/J — 蒸汽动力装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量

设 理想输出功率

00 1 2

1 1

t

Dd

P h h w

0 1 2( )P D h h

于是

， W

4

3(2’)

2

1h

s

三、蒸汽初参数对朗肯循环热效率的影响

1 2T T 不变

or 循环 1'2'3561' = 循环 123561+ 循环 11'2'21

t

t

t t

1t

1. 初温 t1

1 1( )t T 或

采用平均温度法分析

1 1( )t T 或

x 2 增大对汽轮机运行有利！

图 11-3 10-5

2x又对应的 h-s 图？

2. 初压力 p1

1 2,T T 不变

但 x2↓ 且 p 太高会造成强度问题

t 1 1p p

图 11-4 10-6

对应的 h-s 图？

3. 背压 p2

但受制于环境温度，不能任意降低，通常有：

2 26kPa, 36.17 C; 4kPa, 28.95 Cs sp t p t

同时， x2↓t 1 2T T 不变，2 2p T

讨论：我国幅员辽阔，四季温差大，对蒸汽发电 机组有什么影响？图 11-5 10-7

1. T-s 图及 h-s 图

忽略水泵功：

'222

311

hhq

hhq

act

不变t

四、有摩阻的实际朗肯循环（不可逆循环）

不可逆因素主要考虑饱和水压缩过程 3--4

汽轮机膨胀作功过程 1--2

3—4’

1—2act

图 11-6 10-8

2. 循环内部热效率— internal thermal efficiency

, 1 2,

1 2

t act actT

t

w h h

w h h

定义 汽轮机相对内效率：

(11-6)(10-7)

(11-4)(10-5)

忽略水泵功：

则 循环内部热效率：

, , 1 2,net act t act actw w h h

, , 1 2, 1 2

1 1 1 2 1 2

( )net act t act act Ti T t

w w h h h h

q q h h h h

设 汽轮机轴承等处有机械损失，汽轮机的轴功：

,s m t act m T tw w w (11-7)(10-8)机械效率

轴功率1 2 0( )s s m T t m T m TP Dw D w D h h P (11-7a)

(10-9)

简称 汽轮机效率

例题 11-1 10-2 按照466155参数，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η T=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η i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

kgkJkgkJkgkJkgkJ

hhhh Tact

/8.2109)/5.1963/3426)(9.01(/5.1963

))(1( 212,2

kgkJkgkJkgkJhhw actactT /3.1316/8.2109/3426,21,

wp同上题，仍为17.06kJ /kg kgkJkgkJkgkJwww PactTactnet /24.1299/06.17/3.1316,,

3. 实际内部功耗汽率 di 和耗汽量 Di

01 2

1 2 1 2 1 2

1 1i

act act T

i i i i

dh hd

h h h h h h

D d P P

实际内部功率

(11-8a)(10-10)

例题 11-2 10-3

自学：例 11-1 （例 10-2 ） 重要！ 习题： 11-6 (1)(3)(5)+ 耗汽率 d0

10-12(1)(3)(5)+ 耗汽率 d0

20

1. 新蒸汽进入汽轮机高压缸作功后，全部抽出2. 重新回到锅炉中的再热器再次加热3. 然后全部进入汽轮机低压缸继续作功

11-2 10-2 再热循环— reheat cycle

12

34

ab

一、原理

12

34

a

b

1 1 4 1 2q h h h h

1 1 bw h h

1 a bq h h

2 2aw h h

2 2 2q h h

二、循环过程（忽略泵功）4-1 蒸汽在锅炉内定压吸热1- b 高压缸内膨胀作功b- a 再热器内加热a- 2 低压缸内膨胀作功2- 3(4) 凝汽器内定压放热

a

b

动画

四、再热对循环热效率的影响

（ 1 ） x2 上升（ 2 ） d0 下降，结构紧凑（ 3 ）结构复杂，投资上升

)()(

)()(

' 41

21

11 ba

abnett hhhh

hhhh

qq

w

1 1, 1

,

rh rh t

t rh t

T T T T

(11-9) (10-12)

三、再热循环热效率（忽略泵功）

若再热压力为（ 20%--30% ） p1 ，则

其他影响：效率提高 4 % ~ 5%

a

b1,rhT

1T

rhT

2

11-3 10-3 回热循环 --regenerative cycle

一、抽汽回热循环— regenerative cycle with steam extraction; （ regenerative cycle with feed-water heater ）

•从汽轮机已作过功的蒸汽中抽取一部分•加热给水•余下的蒸汽继续作功

1. 过程原理

混合式加热器

非混合式加热器

T

s

1

5

2

01

4

6

R

01

01’

1

2

4

01’ α1kg

图 11-10 10-13 图 11-11 10-14

(1-α1)kg

1kg

1kg

α1kg

(1-α1)kg

•没有对外放热，

•加热起点温度提高，

热效率提高，输出净功稍有下降

1 tT

t

2. 提高热效率的原理分析

•抽气量

二、回热循环计算

01 '01014 hhh

忽略泵功'24 hh

01' 2'

01 2'

h h

h h

能量方程：

(11-10) (10-13)

1. 抽汽量（一级抽汽）

2. 循环热效率

net 1 01 01 21w h h h h

011211 hhhhwor net

'0111 hhq

'222 1 hhq

图 11-11 10-14

图 11-12 10-15

'011

201011

1

1

hh

hhhh

q

wnett

• 抽汽级数越多 ηt 越高

'011

'22

1

2 111

hh

hh

q

qt

(11-11) (10-14)

讨论：

• 抽汽回热 ηt 上升

• 一般采用 3～ 8级，级数太多则系统太复杂

图 11-14 两级回热抽汽循环

11-4 10-4 热电合供循环 （简介） —power-and-heating plant cycle

既发电又供热的循环称为热电合供循环

从热源所吸收的热量已利用热量

1. 背压式：把乏汽压力提高到大气压以上，乏汽温度可达 100oC以上，从而对外供热

2.分汽供热式：从气轮机中抽出一部分蒸汽供热

评价指标：

热电循环方式：

背压式

抽汽凝汽式

§11-5 10-5 燃气 - 蒸汽联合循环（简介）一、燃气 - 蒸汽联合循环 (gas-steam combined cycle)

燃气 - 蒸汽联合循环型式之一 燃气 - 蒸汽联合循环型式之二

燃气 - 蒸汽联合循环型式之三——热电合供

图 11-19 燃气 / 蒸汽联合循环

21

习题 11-3 10-7

求：两个再热循环的 ηt 和 x2 ，并比较。