热力学第七章-R1

1、第七章第七章 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章第七章 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元宝山火电厂元宝山火电厂大型坑口电站大型坑口电站( (陕西韩城电厂陕西韩城电厂) )德国德国1.35MW1.35MW核电站核电站首台国产首台国产2020万千瓦机组万千瓦机组( (辽宁朝阳电厂辽宁朝阳电厂) )660MW660MW发电机内部（邯郸发电厂发电机内部（邯郸发电厂) )石横发电厂石横发电厂3030万千瓦机组集控室万千瓦机组集控室扬州第

2、二发电厂扬州第二发电厂600MW600MW监控系统监控系统火电厂系统图火电厂系统图 四个主要装置：四个主要装置： 锅炉锅炉 汽轮机汽轮机 凝汽器凝汽器 给水泵给水泵7-1 郎肯循环郎肯循环水蒸气动力循环系统水蒸气动力循环系统 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锅炉设备图锅炉设备图锅炉内部结构图锅炉内部结构图凝汽器和冷却塔系统图凝汽器和冷却塔系统图冷却塔实体图冷却塔实体图水蒸气动力循环系统的简化水蒸气动力循环系统的简化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郎肯循环郎肯循环1234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

3、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1342pv郎肯循环郎肯循环pvpv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4321Tshs1324郎肯循环郎肯循环TsTs和和hshs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hs1324郎肯循环功和热的郎肯循环功和热的计算计算 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

4、：水泵绝热压缩耗功：3443 ,hhws锅炉中的定压吸热量：锅炉中的定压吸热量：411hhqhs1324郎肯循环热效率的郎肯循环热效率的计算计算 ,1 2,3 4nett11sswwwqq一般很小，一般很小，占占0.81%，忽略泵功忽略泵功 1213thhhh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.h 功量所消耗的蒸汽量功量所消耗的蒸汽量kgnet3600dw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/snet3600360013600kgkgkgkgdkJk

5、JkWhkJwhhsh郎肯循环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1112对比同温限对比同温限1234对比对比5678或者或者9-10-11-12sp1, t1, p2654321如何提高如何提高郎肯循环郎肯循环的热效率的热效率1213thhhh影 响 热 效 率影 响 热 效 率的参数？的参数？TsT654321 1 6 5 4 2蒸汽初压对蒸汽初压

6、对郎肯循环郎肯循环热效率的影响热效率的影响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： 对强度要求高对强度要求高 不不利于汽利于汽轮机安全。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 0.882xsT654321 1 2蒸汽初温对蒸汽初温对郎肯循环郎肯循环热效率的影响热效率的影响优点：优点： ，有利于汽机有利于汽机安全。安全。1Tt2x缺点：缺点： 对耐热及强度要对耐热及强度要求高，目前最高求高，目前最高初温一般在初温一般在550左右左右 汽机出口汽机出口尺寸大尺寸大2vp1 , p2不变不变，t1sT654321 2乏汽压

7、力乏汽压力对对郎肯循环郎肯循环热效率的影响热效率的影响优点：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蒸汽动力循环冷却水系统蒸汽动力循环冷却水系统蒸汽动力循环冷却水系统实体蒸汽动力循环冷却水系统实体国产锅炉、汽轮机发电机组的国产锅炉、汽轮机发电机组的初参数简表初参数简表低参数中参数 高参数 超高参数 亚临界参数汽轮机进汽压力MPa1.33.59

8、.013.516.5汽轮机进汽温度340435535550, 535550, 535发电机功率 P/ kW15003000600025000510万 12.5万,20万20万,30万,60万7-2 实际蒸汽动力循环分析实际蒸汽动力循环分析sT532 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) 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分析法分析法实际蒸汽动

9、力循环实际蒸汽动力循环热效率法热效率法sT532 241114忽略泵功忽略泵功43hh可逆循环可逆循环效率效率12t13hhhh汽机相对汽机相对内效率内效率12oi12hhhh管道和节管道和节流，管流，管道效率道效率13tu13hhhh锅炉散热锅炉散热和排烟，和排烟，锅炉效率锅炉效率13Bfhhq整个整个实际蒸汽实际蒸汽动力循环动力循环热效率热效率sT532 241114netfwq收益循环净功代价燃料热量12fhhq13tu13hhhh13Bfhhq12oi13B()()/hhhh12oi12hhhh12Boi13tu()()/hhhh12t13hhhh12Boitu13()()hhhhtB

10、oitu 整个电厂整个电厂热效率热效率sT532 241114gfwq电厂收益电功代价燃料热量机械效率机械效率Mnetww机械电机效率电机效率gMww电机tBoitu netfwqMfwq电机netfwq机械电机tBoitu 机械电机实际蒸汽动力装置的实际蒸汽动力装置的Ex分析法分析法对于稳定流动对于稳定流动inoutiExEx进入设备的进入设备的Ex总和总和离开设备的离开设备的Ex总和总和Ex损失之和损失之和焓焓Ex锅炉的锅炉的Ex分析分析sT532 241114排烟排烟过热汽过热汽1 1水水4 4（3 3）渣渣燃料燃料空气空气锅炉的锅炉的Ex分析（燃烧）分析（燃烧）排烟排烟过热汽过热汽1

11、1水水4 4（3 3）渣渣燃料燃料空气空气空气空气0Ex 燃料燃料fqfexq设燃料完全是设燃料完全是Ex（1 1）燃烧，烟气热量燃烧，烟气热量0fB1TexqT燃烧以环境为基准以环境为基准平均燃烧温度平均燃烧温度0ffB1TqqT燃烧锅炉的锅炉的Ex分析（散热）分析（散热）排烟排烟过热汽过热汽1 1水水4 4（3 3）渣渣燃料燃料空气空气（2 2）排烟，渣，散热后，可传给水的排烟，渣，散热后，可传给水的ex0fBB1TexqT散热后0fB0fBB11TqTTqT散热锅炉的锅炉的Ex分析（传热）分析（传热）排烟排烟过热汽过热汽1 1水水4 4（3 3）渣渣燃料燃料空气空气（3 3）传热，水的温

12、度远比燃气低，温差传热传热，水的温度远比燃气低，温差传热13hh13013()()exexhhT ss0fBB130131()()TqThhT ss传热水得到的水得到的ex锅炉燃烧散热传热管道和汽机主汽门节流的管道和汽机主汽门节流的Ex分析分析sT532 2411141 11 1管道和汽机主汽门节流的管道和汽机主汽门节流的Ex分析分析1 11 1汽机入口汽机入口ex1h10010()()exhhT ss管道和主汽门的管道和主汽门的ex损失损失11011()()hhT ss管道汽轮机的汽轮机的Ex分析分析sT532 2411141 12wnet绝热绝热汽轮机的汽轮机的Ex分析分析汽轮机最大可能作

13、功汽轮机最大可能作功汽轮机的汽轮机的ex损失损失1212012()()hhwexexhhT ssnet1 12wnet汽轮机实际输出功汽轮机实际输出功12whhnetnet021()wwT ssnet汽机冷凝器的冷凝器的Ex分析分析sT532 24111432冷凝器的冷凝器的Ex分析分析汽轮机最大可能作功汽轮机最大可能作功汽轮机的汽轮机的ex损失损失1212012()()hhwexexhhT ssnet1 12wnet汽轮机实际输出功汽轮机实际输出功12whhnetnet021()wwT ssnet汽机两种分析方法的比较两种分析方法的比较锅炉锅炉 qB/qf=10% B/ex,qf=56.7%

14、 (燃烧燃烧14.1%排烟及散热排烟及散热 8.6%传热传热34%)管道管道 qtu/qf= 0.6% tu/ex,qf= 0.5%汽轮机汽轮机 qt/qf= 0 t/ex,qf= 5.6%凝汽器凝汽器 qc/qf= 55.7% c/ex,qf= 3.5% Ex Ex 经济学分析方法经济学分析方法 热效率法热效率法 ExEx分析法分析法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回热循环回热循环再热循环再热循环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

15、-CC.Ts65431ba27-3 蒸汽再热循环蒸汽再热循环(reheat)1234再热baTs65431ba2蒸汽再热循环的蒸汽再热循环的热效率热效率 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。蒸汽再热循环的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，p125MP

16、a，二，二次次再热再热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蒸汽再热蒸汽再热循环实体照片循环实体照片7-4 蒸汽回热循环蒸汽回热循环(regenerative)12361kga45kg(1-)kg抽汽抽汽去凝汽器去凝汽器冷凝水冷凝水表面式回热器表面式回热器抽汽抽汽冷凝水冷凝水给水给水混合式回热器混合式回热器抽汽式回热抽汽式回热蒸汽蒸汽抽汽抽汽回热循环回热循环(

17、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，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抽汽抽汽回热循环的抽汽量回热循环的抽汽量计算计算(1- )kg kg65as43211kgTa 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抽汽抽汽回热循环热效率的回热循环热效率的计算计算(1- )kg kg65as43211kgT吸热量：吸热量：放热量：放热量：1,RG151aqhhhh2,RG

18、221qhhRG1aa21whhhh净功：净功：热效率：热效率： 1aa2t,RG1a1hhhhhh为什么抽汽为什么抽汽回热热效率提高？回热热效率提高？(1- )kg kg65as43211kgT22t,RG121a11hhhhhh 教材教材P.256P.256推导推导22t121hhhh 简单朗肯循环：简单朗肯循环：1a01hht,RGt物理意义物理意义： kgkg工质工质100%利用利用 1- 1- kg kg工质效率未变工质效率未变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13级，级，中大型火力发电厂一般为中大型火力发电厂一般为

19、48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回热循环回热循环再热循环再热循环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

20、.7-5 热电联产热电联产(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0.1MPa) )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？北京市电厂分布示意图北京市电厂分布示意图背压式背压式热电联产热电联产(供供)循环循环1234给水泵热用户汽轮机过热器锅炉背压式背压式缺点缺点： 热电互相影响热电互相影响 供热参数单一供热参数单一清华北门外清华北门外2 2台台背压

21、式背压式，5000kW5000kW电负荷电负荷抽汽调节式抽汽调节式热电联产热电联产(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，以满足不同用例，以满足不同用户的需要。户的需要。热电联产热电联产(供供)循环循环的经济性评价的经济性评价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

22、中供热是发展方向，经济环保热电联产、集中供热是发展方向，经济环保7-6 现代现代新型动力循环新型动力循环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：l 提高初参数，向亚临界和超临界发展；提高初参数，向亚临界和超临界发展；l 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；l 采用热电联供。采用热电联供。火电厂发展现状火电厂发展现状l 占总装机容量的占总装机容量的80%左右，效率左右，效率3740%；l 耗煤占总产量耗煤占总产量30%，油占，油占10%左右；左右；l 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。燃气燃气- -蒸汽联合循环蒸汽

23、联合循环燃气轮机的发展燃气轮机的发展l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，热效率热效率3541%；l可靠性可靠性9598.5%，可作为基本负荷电站；，可作为基本负荷电站；联合循环的现实可行性联合循环的现实可行性l燃气轮机排气温度燃气轮机排气温度t4=400600 ；l大功率机组排气量大功率机组排气量300kg/s以上；以上；l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) )，大大提高供电效率，极限效率大大提高供电效率，极限效率( (烧气烧气) )约约58%。燃燃气气蒸蒸汽汽联联合合循循环环空气压气机燃气轮机燃烧室发电机发

24、电机凝汽器给水泵蒸汽轮机余热锅炉排气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燃气蒸汽联合循环燃气蒸汽联合循环法国法国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 MW燃料：天然气燃料：天然气热效率：热效率：54.5%注蒸汽燃气循环注蒸汽燃气循环( (陈式循环陈式循环) )气化炉煤气净化装置 煤空气蒸汽渣粗煤气洁净煤气去气化炉压气机燃气轮机燃烧室发电机发电机去电网蒸汽轮机水水凝汽器蒸汽去气化炉余热锅炉烟道整体煤气化联合循环整体煤气化联合循环(IGCC-Integrated

25、Gasification Combined Cycle)整体煤气化联合循环整体煤气化联合循环(IGCC)工作流程工作流程l气化炉中煤气化炉中煤 煤气；煤气；l煤气的净化；煤气的净化；l燃气轮机循环；燃气轮机循环；l余热锅炉回收排气热量；余热锅炉回收排气热量；l蒸汽轮机循环蒸汽轮机循环整体煤气化联合循环整体煤气化联合循环(IGCC)优点优点l热效率高，目前热效率高，目前4046%，预计可，预计可52%；l环保性能好，环保性能好，SO2, NOx, CO2, 粉尘排放低，粉尘排放低，可燃用高硫煤；可燃用高硫煤；l可实现煤化工综合利用，生产硫、硫酸、甲可实现煤化工综合利用，生产硫、硫酸、甲醇、尿素等

26、；醇、尿素等；l单机功率可达单机功率可达300400MW缺点缺点l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；l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)应用应用l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，余座，美国预测，美国预测，2030年年IGCC市场份额达市场份额达35%左右左右l如美国加州有一个电站，如美国加州有一个电站，“世界上最世界上最洁净的燃煤火电站，脱硫洁净的燃煤火电站，脱硫98-99%，产，产生元素硫，排渣中主要是生元素硫，排渣中主要是Al、Si、Fe、Ca等无害元素，用于绝缘材料和筑路等无害元素，用于绝缘材料和筑路材料材料其它新型煤气化联合循环其它新型煤气