第十一章蒸汽动力循环

1、第十一章第十一章 蒸汽动力循环蒸汽动力循环热能工程教研室第十一章第十一章 蒸汽动力循环蒸汽动力循环水蒸气：水蒸气：火力发电、核电火力发电、核电低沸点工质：低沸点工质：氨、氟里昂氨、氟里昂太阳能、余热、地热发电太阳能、余热、地热发电动力循环：动力循环：以获得功为目的以获得功为目的热能工程教研室11-1 11-1 郎肯循环郎肯循环郎肯循环郎肯循环简化（理想化）简化（理想化）12 汽轮机汽轮机 s 膨胀膨胀23 凝汽器凝汽器 p 放热放热34 给水泵给水泵 s 压缩压缩41 锅炉锅炉 p 吸热吸热一、朗肯循环一、朗肯循环锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器1234过热器过热器热能

2、工程教研室1342pv郎肯循环郎肯循环p-vp-v图图12 汽轮机汽轮机 s 膨胀膨胀23 凝汽器凝汽器 p 放热放热34 给水泵给水泵 s 压缩压缩41 锅炉锅炉 p 吸热吸热热能工程教研室4321Tshs1324郎肯循环郎肯循环T-sT-s和和h-sh-s图图12 汽轮机汽轮机 s 膨胀膨胀23 凝汽器凝汽器 p 放热放热34 给水泵给水泵 s 压缩压缩41 锅炉锅炉 p 吸热吸热热能工程教研室郎肯循环功和热的计算郎肯循环功和热的计算 hs1324汽轮机作功汽轮机作功2121 ,hhws凝汽器中的定压放热量凝汽器中的定压放热量322hhq水泵绝热压缩耗功水泵绝热压缩耗功3443 ,hhws

3、锅炉中的定压吸热量锅炉中的定压吸热量411hhq热能工程教研室郎肯循环热效率的计算郎肯循环热效率的计算 ,1 2,3 4nett11sswwwqq一般很小，一般很小，占占0.81%，忽略泵功忽略泵功 1213thhhhhs1324热能工程教研室工程上常用工程上常用汽耗率汽耗率, 反映装置经济性，设备尺寸反映装置经济性，设备尺寸汽耗率：汽耗率：蒸汽动力装置每输出蒸汽动力装置每输出1kW.h1kW.h 功量所消耗的蒸汽量功量所消耗的蒸汽量kgkgnet3600dw汽耗率的概念汽耗率的概念netw的单位是的单位是kJ/kg1kW=1 kJ/snet3600360013600kgkgkgkgdkJkJ

4、kWhkJwhhsh热能工程教研室二、郎肯循环二、郎肯循环与卡诺循环比较与卡诺循环比较sT6421 41098753 q2相同相同； q1卡诺卡诺 q1朗肯朗肯 卡诺卡诺 朗肯朗肯； 等温等温吸热吸热41难实现难实现 11点点x太小太小,不利于不利于汽机强度；汽机强度； 12-9两两相区难压缩；相区难压缩； wnet卡诺卡诺小小 卡诺卡诺 朗肯朗肯； wnet卡诺卡诺 wnet 朗肯朗肯1112对比同温限对比同温限1234对比对比5678对比对比9-10-11-12热能工程教研室st1, p1, p2654321三、如何提高三、如何提高郎肯循环郎肯循环的热效率的热效率1213thhhh影 响

5、热 效 率影 响 热 效 率的参数？的参数？T热能工程教研室sT654321 1 21) 1) 蒸汽初温对郎肯循环热效率的影响蒸汽初温对郎肯循环热效率的影响优点：优点： ，有利于汽机安有利于汽机安全。全。1Tt2x缺点：缺点： 对耐热及强度要求对耐热及强度要求高，目前最高初温高，目前最高初温一般在一般在550左右左右 汽机出口尺寸汽机出口尺寸大大2vp1 , p2不变不变，t1热能工程教研室sT654321 1 6 5 4 22) 2) 蒸汽初压对郎肯循环热效率的影响蒸汽初压对郎肯循环热效率的影响t1 , p2不变不变，p1优点：优点： ，汽轮机出口汽轮机出口尺寸小尺寸小1Tt2v缺点：缺点：

6、 对强度要求高对强度要求高 不利于汽不利于汽轮机安全。一般轮机安全。一般要求出口干度大要求出口干度大于于0.85 0.882x热能工程教研室sT654321 23) 3) 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优点：优点： 2Tt缺点：缺点：受环境温度限制，受环境温度限制，现在大型机组现在大型机组p2为为0.00350.005MPa，相应的饱和温度约为相应的饱和温度约为27 33 ，已接近事，已接近事实上可能达到的最低实上可能达到的最低限度。冬天热效率高限度。冬天热效率高p1 , t1不变不变，p2 4 3热能工程教研室四、有摩阻的实际循环四、有摩阻的实际循环sT532

7、241114非理想因素：非理想因素：给水泵不可逆给水泵不可逆( 3 4 )汽机不可逆汽机不可逆( 1 2 )汽机汽门节流汽机汽门节流( 1 1 ) 蒸汽管道摩擦降蒸汽管道摩擦降压，散热压，散热(11) 热能工程教研室四、有摩阻的实际循环四、有摩阻的实际循环本课程仅分析一个代表性的不可逆因素：本课程仅分析一个代表性的不可逆因素：汽机不可逆汽机不可逆sT532 214可逆绝热过程可逆绝热过程1-2代之以代之以不可逆绝热过程不可逆绝热过程1-2热能工程教研室实际蒸汽动力循环分析方法实际蒸汽动力循环分析方法热一律：热一律：热效率分析法热效率分析法热二律：热二律：熵分析法熵分析法 Ex分析法分析法热能工

8、程教研室实际蒸汽动力循环实际蒸汽动力循环热效率法热效率法忽略泵功忽略泵功可逆循环效率可逆循环效率12t13hhhh汽机相对内效率汽机相对内效率34hh21 21hhhhT汽轮机理论做功汽轮机实际做功sT532 214热能工程教研室实际蒸汽动力循环实际蒸汽动力循环热效率法热效率法21 21hhhhT02212 211hhhhhhTT理想绝热焓降理想绝热焓降 T: 0.85 0.92实际循环内部功：实际循环内部功： 21hhwwwwtPtnet循环内部热效率：循环内部热效率：tTTihhhhhhhhqwnet312131211热能工程教研室实际蒸汽动力循环实际蒸汽动力循环热效率法热效率法考虑轴承等

9、机械损失：考虑轴承等机械损失：21hhwwwTmtTmtms机械效率机械效率210hhDPPTmTms汽轮机理想输出功率汽轮机理想输出功率忽略水泵功时汽轮机循环输出静功率：忽略水泵功时汽轮机循环输出静功率：D: D: 蒸气耗量蒸气耗量 kg/skg/s热能工程教研室实际蒸汽动力循环实际蒸汽动力循环热效率法热效率法210hhDPPTmTms耗汽率：耗汽率：21001hhPDd内部功耗汽率：内部功耗汽率：TiidhhPDd0211有效功耗汽率：有效功耗汽率：TmTmsedPPDd001热能工程教研室提高循环热效率的途径提高循环热效率的途径改变循环参数改变循环参数提高初温度提高初温度提高初压力提高初

10、压力降低乏汽压力降低乏汽压力改变循环形式改变循环形式回热循环回热循环再热循环再热循环改变循环形式改变循环形式热电联产热电联产燃气燃气-蒸汽联合循环蒸汽联合循环新型动力循环新型动力循环IGCCPFBC-CC.热能工程教研室Ts65431ba211-2 11-2 蒸汽再热循环的热效率蒸汽再热循环的热效率 再热循环本身再热循环本身不一不一定定提高循环热效率提高循环热效率 与再热压力有关与再热压力有关 x2降低降低,给提高初给提高初压创造了条件，选压创造了条件，选取再热压力合适，取再热压力合适，一般采用一般采用一次再热一次再热可使热效率提高可使热效率提高2 23.53.5。热能工程教研室蒸汽再热循环的

11、实践蒸汽再热循环的实践 再热压力再热压力 pb=pa 0.20.3p1 p113.5MPa，一次，一次再热再热 超临界机组，超临界机组， t1600，p125MPa，二，二次次再热再热 超优点：通过提高初临界机组，超优点：通过提高初临界机组， t1600，p125MPa，二次，二次再热再热热能工程教研室Ts65431ba2蒸汽再热循环的蒸汽再热循环的定量计算定量计算吸热量吸热量 114abqhhhh放热量放热量223qhh净功（忽略泵功）净功（忽略泵功） net12bawhhhh热效率热效率net12t,RH114()()()()baabwhhhhqhhhh热能工程教研室11-3 11-3 蒸

12、汽抽汽回热循环蒸汽抽汽回热循环朗肯循环热效率不高的主要原因是加热过朗肯循环热效率不高的主要原因是加热过程不是在等温下进行的，致使加热平均温程不是在等温下进行的，致使加热平均温度不高。度不高。回热循环是利用蒸气回热来加热给水，消回热循环是利用蒸气回热来加热给水，消除或降低加热过程的不可逆程度，以提高除或降低加热过程的不可逆程度，以提高效率效率回热蒸气来自于汽轮机的适当部位回热蒸气来自于汽轮机的适当部位热能工程教研室蒸汽蒸汽抽汽抽汽回热循环回热循环(1- )kg kg65as43211kgT12361kga45kg(1-)kga kg4(1- )kg51kg由于由于T-s图上各点质图上各点质量不同

13、，面积不再量不同，面积不再直接代表热和功直接代表热和功热能工程教研室抽汽抽汽回热循环的抽汽量回热循环的抽汽量计算计算a kg4(1- )kg51kg以混合式回热器为例以混合式回热器为例热一律热一律a4511hhh 忽略泵功忽略泵功54a4hhhha2a2hhhh(1- )kg kg65as43211kgT热能工程教研室抽汽抽汽回热循环热效率的回热循环热效率的计算计算吸热量吸热量放热量放热量1,RG151aqhhhh2,RG221qhhRG1aa21whhhh净功净功热效率热效率 1aa2t,RG1a1hhhhhh(1- )kg kg65as43211kgT热能工程教研室为什么抽汽为什么抽汽回热

14、热效率提高？回热热效率提高？22t,RG121a11hhhhhh 22t121hhhh 简单朗肯循环：简单朗肯循环：1a01hht,RGt物理意义物理意义： kg kg工质工质100%100%利用利用 1- 1- kg kg工质效率未变工质效率未变可以证明：可以证明：(1- )kg kg65as43211kgT热能工程教研室蒸汽蒸汽抽汽抽汽回热循环的特点回热循环的特点小型火力发电厂回热级数一般为小型火力发电厂回热级数一般为1 13 3级，级，中大型火力发电厂一般为中大型火力发电厂一般为 4 48 8级。级。优点优点l 提高热效率提高热效率l 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短减小汽轮机低压缸尺

15、寸，末级叶片变短l 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面l 可兼作除氧器可兼作除氧器缺点缺点l 循环比功减小，汽耗率增加循环比功减小，汽耗率增加l 增加设备复杂性增加设备复杂性l 回热器投资回热器投资缺点缺点热能工程教研室提高循环热效率的途径提高循环热效率的途径改变循环参数改变循环参数提高初温度提高初温度提高初压力提高初压力降低乏汽压力降低乏汽压力改变循环形式改变循环形式回热循环回热循环再热循环再热循环改变循环形式改变循环形式热电联产热电联产燃气燃气-蒸汽联合循环蒸汽联合循环新型动力循环新型动力循环IGCCPFBC-CC.热能工程教研室11-4 11-4 热电联产热电联

16、产( (供供) )循环循环1234给水泵热用户汽轮机过热器锅炉用发电厂作了功用发电厂作了功的蒸汽的余热来的蒸汽的余热来满足热用户的需满足热用户的需要，这种作法称要，这种作法称为为热电联热电联( (产产) )供供。背压式机组背压式机组( (背压背压0.1MPa0.1MPa) )热用户为什么要热用户为什么要用换热器而不直用换热器而不直接用热力循环的接用热力循环的水？水？热能工程教研室抽汽调节式热电联产抽汽调节式热电联产( (供供) )循环循环过热器汽轮机发电机锅炉冷却水冷凝器加热器水泵 1水泵 2调节阀 抽汽式热电联抽汽式热电联供循环供循环, , 可以自动可以自动调节热、电供应比调节热、电供应比例

17、，以满足不同用例，以满足不同用户的需要。户的需要。热能工程教研室热电联产热电联产( (供供) )循环的经济性评价循环的经济性评价net1qwKq供热已被利用的能量工质从热源得到的能量nett1wq 只采用热效率只采用热效率 显然不够全面显然不够全面 能量利用系数能量利用系数，但未考虑热和电的品位不同，但未考虑热和电的品位不同 Ex经济学评价经济学评价 热电联产、集中供热是发展方向，经济环热电联产、集中供热是发展方向，经济环保保热能工程教研室11-5 11-5 现代新型动力循环现代新型动力循环q蒸汽电站提高电厂供电效率的措施：蒸汽电站提高电厂供电效率的措施：q 提高初参数，向亚临界和超临界发展；

18、提高初参数，向亚临界和超临界发展；q 采用大功率机组，降低厂用电率；采用大功率机组，降低厂用电率；q 采用热电联供。采用热电联供。q火电厂发展现状火电厂发展现状q 占总装机容量的占总装机容量的80%左右，效率左右，效率3740%；q 耗煤占总产量耗煤占总产量30%，油占，油占10%左右；左右；q 提高供电效率和改善环境有重要意义。提高供电效率和改善环境有重要意义。热能工程教研室燃气燃气- -蒸汽联合循环蒸汽联合循环q燃气轮机的发展燃气轮机的发展q热力参数与单机容量逐步提高，达热力参数与单机容量逐步提高，达W200MW，热效，热效率率3541%；q可靠性可靠性9598.5%，可作为基本负荷电站；

19、，可作为基本负荷电站；q联合循环的现实可行性联合循环的现实可行性q燃气轮机排气温度燃气轮机排气温度t4=400600 ；q大功率机组排气量大功率机组排气量300kg/s以上；以上；q利用排气能量加热蒸汽轮机给水利用排气能量加热蒸汽轮机给水( (取代锅炉取代锅炉) )，大大提，大大提高供电效率，极限效率高供电效率，极限效率( (烧气烧气) )约约58%。热能工程教研室燃气蒸汽联合循环燃气蒸汽联合循环Ts燃气轮机循环燃气轮机循环蒸汽轮机循环蒸汽轮机循环热能工程教研室法国法国GEC Alsthom公司的联合循环电站公司的联合循环电站燃气轮机：燃气轮机：227.2 MW蒸汽轮机：蒸汽轮机：128.3

20、MW燃料：天然气燃料：天然气热效率：热效率：54.5%燃气蒸汽联合循环燃气蒸汽联合循环热能工程教研室整体煤气化联合循环整体煤气化联合循环(IGCC)(IGCC)q工作流程q气化炉中煤 煤气；q煤气的净化；q燃气轮机循环；q余热锅炉回收排气热量；q蒸汽轮机循环热能工程教研室q优点优点q热效率高，目前热效率高，目前4046%，预计可，预计可52%；q环保性能好，环保性能好，SO2, NOx, CO2, 粉尘排放低，可燃粉尘排放低，可燃用高硫煤；用高硫煤；q可实现煤化工综合利用，生产硫、硫酸、甲醇、尿可实现煤化工综合利用，生产硫、硫酸、甲醇、尿素等；素等；q单机功率可达单机功率可达300400MWq

21、缺点缺点q目前煤气化和净化的热损失还偏大；目前煤气化和净化的热损失还偏大；q初期投资大。初期投资大。整体煤气化联合循环整体煤气化联合循环(IGCC)热能工程教研室应用应用q目前已建成或拟建的目前已建成或拟建的IGCC电站电站10余座，美余座，美国预测，国预测，2030年年IGCC市场份额达市场份额达35%左右左右q如美国加州有一个电站，如美国加州有一个电站，“世界上最洁净世界上最洁净的燃煤火电站，脱硫的燃煤火电站，脱硫98-99%，产生元素硫，产生元素硫，排渣中主要是排渣中主要是Al、Si、Fe、Ca等无害元素，等无害元素，用于绝缘材料和筑路材料用于绝缘材料和筑路材料整体煤气化联合循环整体煤气化联合循环(IGCC)热能工程教研室其它新型煤气化联合循环其它新型煤气化联合循环q注蒸汽燃气轮机循环（注蒸汽燃气轮机循环（STIG）程式循环）程式循环 (Steam Injected Gas Turbine Cycle)q增压流化床燃烧联合循环（增压流化床燃烧联合循环（PFBC-CC） (Fluidized Bed Combustion Cycle)q外燃式燃煤联