第九章蒸汽动力装置循环

1、 分析循环的目的方法步骤 1 朗肯循环 2 蒸汽参数对循环热效率的影响 3 再热循环 4 回热循环 动力装置循环动力装置循环首页 分析动力循环的目的： 在于揭示循环中能量利用的完善程度，分析影响循环热力性能的主要因素, 探讨评价循环性能的方法，寻求提高循环经济性的途径。 方法： 1.热平衡法:以热力学第一定律为依据,从能量的数量关系 分析，用热效率来评价循环的经济性。 2.熵分析法和分析法：以热力学第一、第二定律为依据， 从能量的数量和质量两方面来分析，用作功能力损失和 效率来全面地评价循环的经济性。 步骤（以热平衡法为例）： 1.将实际循环合理地抽象简化为理想循环。 2.将简化好的理想可逆循

2、环画在p-v图、T-s图上。 3.对理想循环进行分析计算。 4.定性分析影响循环性能的主要因素，寻求提高循环经济性 的途径。 5.分析实际循环与理想循环的偏离程度，对理想循环的计算 结果引入必要的修正，提出相应的改善措施。 章节1 朗肯循环朗肯循环一、卡诺循环的局限性： ？热力学第二定律证明了在相同的温度限之间，卡诺循环的热效率是最高的，为什么在蒸汽动力装置中不采用卡诺循环呢？ （这是因为在实际采用卡诺循环时有很多困难。其定温吸、放热过程以气体为工质难以实现。以水蒸汽作为工质利用工质的集态变化可以实现，但仅局限于饱和蒸汽区）。如图： 下一页章节上一页4123p1vpO(a)p2 1243TOs

3、（b） 饱和蒸汽卡诺循环的局限性：局限性：1) 湿蒸汽的绝热压缩过程难以实现。因为湿汽的比容比水 的比容大得多，压缩湿汽耗功很大，且压缩机工作极不稳定。2) 卡诺循环局限在饱和区内。工质吸热的上限温度受临界温度的限制，工质放热的下限温度受环境温度的限制，所以热效率也不很高。上限温度较高的其它循环的热效率完全有可能高于卡诺循环的效率。3) 饱和蒸汽膨胀终态的湿度很大，影响汽轮机工作的安全性。 分析卡诺循环存在的问题，为改进实际循环指明了方向。实际蒸汽动力循环均以朗肯循环为基础。下一页章节上一页二、朗肯循环:1概念： 朗肯循环系统的组成： 锅炉、汽轮机、凝汽器和水泵四大主要设备用管道连接。 针对饱

4、和蒸汽卡诺循环的局限性进行的改进：1）使放热过程一直延至蒸汽全部凝结成饱和水，用水泵取代压缩机，水泵耗功比压缩机少得多且工作稳定。2）使工质的吸热过程沿等压线延至过热蒸汽区，提高了循环的平均吸热温度，既提高了循环热效率又增大了乏汽的干度。 朗肯循环是切实可行的蒸汽动力装置基本循环，现在各种较复杂的蒸汽动力循环都是在朗肯循环的基础上予以改进而得到的。下一页章节上一页2分析简化： 工质的工作流程简图如图： 方法：根据每一设备的工作 特点将其中的实际工作过程用近 似的或等效的可逆过程代替。 循环由下列过程组成： 吸热过程（4-5-6-1）：可 看作可逆定压吸热过程。 膨胀过程（1-2）：可看作可逆绝

5、热（定熵）膨胀过程。 放热过程（2-3）：可看作可逆定压放热过程同时也是定温过程。 压缩过程（3-4）：可看作可逆绝热（定熵）压缩过程。 压力升高后的水再次进入锅炉完成一次循环。 忽略了一切不可逆因素之后,便得到了相应的反映该实际动力装置循环基本特征的可逆循环。 下一页章节上一页12462q1q2TSBCP下一页章节上一页416523ef(2)vpO(a)3p-v图、T-s图： ！各图中的相应点标注符号要对应。65241(2)3TOmn（b）s4.计算： 对1kg工质而言：1）热量和功： 吸热量： 即T-s 图中面积m4561nm 放热量： 即T-s 图中面积m32nm 作技术功： 即p-v图

6、中面积e12fe 耗技术功： 即p-v图中面积e43fe 循环净热： 循环净功: 或： 2）热效率: or 下一页章节上一页411hhq322hhq34hhwp210qqqpTwww02100qqqw10qwt121qqt211TTort21hhwT3）汽耗率: 若循环的汽耗量为D(kg/h),循环净功为w0（kJ/kg） 则循环净功率为: kW 汽耗率：产生1kWh(3600kJ)功所需消耗的蒸汽量。是循环的另一 经济性指标。 kg/（kWh） ！注意式中各量的单位。4各点参数的确定： 利用“水和水蒸气的热力性质图表”或计算程序确定。 ！注意各点工质所处的状态。 状态1：p1，t1 的过热汽

7、 状态2：p2，s2=s1的湿蒸汽 状态3：p2下的饱和水 状态4：p1, t4t3 的未饱和水 下一页章节上一页003600wDP 003600wPDd5说明：1） wP 与wT相比可略,认为T-s图中的状态点4与点3相重合,则h4h3 大为简化了计算，而对计算精度的影响很小。2） 以上讨论的是理想化的可逆循环，故其热效率也称理想热效率。对有摩阻的实际不可逆循环，常以汽机相对内效率和泵效率来修正。 ？在蒸汽动力循环中，乏汽凝结对外放出大量热量而使循环热效率不高，是否可以取消凝汽器而用压缩机将乏汽升压后送回锅炉再加热成新蒸汽呢？下一页章节上一页 蒸汽参数：指汽轮机的进汽参数(初温、初压)和排汽

8、参数（终压）。 由公式 可见减少循环中温差传热的外不可逆性提高 ，降低 ，即可提高循环热效率（此处不考虑汽轮机中工质膨胀时摩擦引起的内部不可逆性）。为方便采用平均吸热温度和平均放热温度，由T-s图分析。121TTt1T2T一、进汽温度的影响： 在p1，p2保持不变的情下，t1t，且 x2 如图：进汽温度由t1提高到 ，则 ，而 不变，所以： 增大，由图可见，同时x2。有利于汽轮机的安全工作。但t1的提高受到了过热器金属材料耐高温性能的限制,一般t1在550右。6524123TOmn（b）s11t1T2T121TTt二、进汽压力的影响： 在t1, p2保持不变的情况下，p1 t，且 x2 如图：

9、进汽压力从p1提高到 ， 则 ，而 不变。所以， 增大，由图可见，同时x2 ，对汽轮机的安全工作不利，且随压力的增大，相应的饱和温度增加较慢，当进汽压力已经较高时，继续提高进汽压力，则循环热效率提高甚微，所以提高p1的同时应提高t1才能取得理想的效果。6524123TOmns1465121TTt1p1T2T三、排汽压力p2的影响： 在p1，t1 不变的情况下，p2 t，且 x2 如图示:排气压力由p2降至 时，相应的循环平均放热温度（饱和温度） 降低 ， 而循环平均吸热温度 略有降低但影响甚微。所以， 增大，由图可见p2时x2也减小了,对汽机的安全工作不利,且排汽温度t2的降低受到了大气环境温

10、度的限制, 一般设计值为p2 =0.0040.005MPa 。相应的t2=28.9832.90 。6524123TOmns34121TTt1T2T2pv三个蒸汽参数同时改变，可以三个蒸汽参数同时改变，可以大幅度地提高朗肯循环的热效大幅度地提高朗肯循环的热效率，但是，同时必须满足排汽率，但是，同时必须满足排汽干度达到规定值的要求。可以干度达到规定值的要求。可以采用再热循环、回热循环的方采用再热循环、回热循环的方法。法。 再热循环：新蒸汽在汽轮机高压部膨胀到一定压力时，将其全部抽出送回锅炉的再热器中，进行再次过热，然后在引入汽轮机低压部继续膨胀做功，最终膨胀成为乏汽，排出汽轮机。这样既可提高汽轮机

11、的排汽干度，又可适当提高循环热效率。sA1223456BT012463AB 吸热过程增加了A-B过程,膨胀过程为1-A和B-2过程，显然x2增大了,再热压力pzr适当时,热效率)1(12TTt 二、计算：1.计算表达式:v工质在锅炉内的总吸热量为工质在省煤器、蒸发面和过热器内的吸热量与在再热器内的吸热量之和： q1=(h1-h4)+(hB-hA)v工质在汽轮机内所作的轴功为工质在汽轮机高、低压缸内所作的轴功之和： wTs=(h1-hA)+(hB-h2)v工质在凝汽器内的放热量为： q2=h2-h3v工质在水泵内消耗的轴功为：wPs=h4-h3v循环净功为： w0=wTs-wPs=(h1-hA)

12、+(hB-h2)-(h4-h3)v再热循环的热效率为：v循环的汽耗率：(h1-hA)+(hB-h2)-(h4-h3)(h1-h4)+(hB-hA)q1w0t003600wPDdkg/(kwh)2.2.各点参数的确定各点参数的确定: : 利用“水和水蒸气的热力性质图表”或计算程序确定。 ！注意各点工质所处的状态。 状态1： p1，t1 的过热汽 状态A：pzr， sA=s1 的过热汽 状态B： pzr，tB 的过热汽 状态2： p2，s2=sB的湿蒸汽 状态3： p2下的饱和水 状态4： p1, t4t3 的未饱和水 三、讨论：三、讨论： 1. 与朗肯循环比较的其它影响与朗肯循环比较的其它影响:

13、 在相同的初终参数下，采用再热以后在相同的初终参数下，采用再热以后，由于对于每千克工质循环净功增大了，汽耗率就可以降低，所以通过凝汽器和水泵的工质流量减小，这些设备的重量和尺寸就可以减小，设备的投资费用随之减小，但增加了再热器、连接管道和阀门等，又会使设备的投资费用增加，且运行管理更为复杂。2.再热压力的合理选择再热压力的合理选择: 由由T-sT-s图可见：若图可见：若p pzrzr太低，则太低，则x x2 2增大明增大明显但可能降低显但可能降低t t, ,若若p pzrzr太高，则太高，则t t提高了，提高了，但但x x2 2增大很少，达不到再热的目的，综合增大很少，达不到再热的目的，综合考

14、虑考虑p pzrzr对对x x2 2和和t t的影响，存在一个最佳的的影响，存在一个最佳的p pzrzr既使既使x x2 2满足规定的技术要求又能提高满足规定的技术要求又能提高t ，经过技术经济比较后，一般选经过技术经济比较后，一般选 p pzrzr= =（20203030） p p1 1范围，范围，t 可提高（可提高（4 45 5） 。v采用回热循环的目的采用回热循环的目的:朗肯循环热效率不高的主要原因是经水泵升压后的未饱水温度较低，导致循环的平均吸热温度较低，采用回热的方法可以提高循环的平均吸热温度，从而提高循环热效率 。v回热循环：在一定压力下从汽机适当部位抽出部分作了一定功的蒸汽，将其

15、引入回热加热器内加热给水，使循环中水的吸热温度提高，以使 提高而达到提高循环热效率的目的。也称为抽汽回热循环。121TTt1TsA2F （A）34561T0Akg（1-A）kg1kg12F63A4Akg（1-A）kg1kg A 二、计算：1.计算表达式:v注意：回热循环中，工质经历的各个过程中，质流量可能不相等，故T-s图上的面积不能直接代表热量。v抽汽率： 由回热器热平衡方程： 得： 忽略泵功则：h4=h3=h2AAAAhhh4144hhhhAAAv工质在锅炉内的吸热量为 q1=h1-hF=h1-hAv工质在汽轮机内所做的轴功为 wTs=(h1-hA)+(1-A)(hA-h2)v工质在凝汽器

16、内的放热量为 q2=(1-A)(h2-h3)v工质在水泵内消耗的总轴功为 wPs=(1-A)(h4-h3)+(hF-hA)v忽略泵功，回热循环的热效率和汽耗率分别为 1qwTstTswd36002.2.各点参数的确定各点参数的确定: : 利用“水和水蒸气的热力性质图表”或计算程序确定。 ！注意各点工质所处的状态。 状态1： p1，t1 的过热汽 状态A：pA， sA=s1 的过热汽 状态A：PA下的饱和水 状态2： p2，s2=s1的湿蒸汽 状态3： p2下的饱和水 状态4： p1, t4t3 的未饱和水 状态F： pA, tFt A 的未饱和水三、讨论：三、讨论： 1.与朗肯循环比较的其它影响与朗肯循环比较的其它影响: 在相同的初终参数下，采用回热以后在相同的初终参数下，采用回热以后，由于抽汽使得q1，q2，w0, t,dvq1减小,可使锅炉换热面积减小,节省金属材料。vd又抽汽使汽机的蒸汽流量高压部分增大，而低压部分减小，利于汽机的结构设计，不至使首级叶片太短而末级叶片太长。v排汽少了，q2，所需凝汽器面积减少，可节省金属材料，但增加了回热器、水泵、管道、阀门等使系统复杂，投资增大。经技术经济比较采用回热利大于弊，故现代大型蒸汽动力装置广泛采用多级回热循环。2 .回热抽汽级数的合理选择回热抽汽级数的合理选择: 抽汽级数抽汽级数越多越接近于理想回热循环，不可逆越