水蒸汽及其动力循环ppt课件

1、第二章第二章水蒸汽及其动力循环水蒸汽及其动力循环问题：为什么用水蒸气而不用别的工质？n 水蒸气是热力工程中运用最早、运用最广的工质，第一热机就是用水蒸气做工质的。n长期以来，人们对水和水蒸气的性质做过很多专门研讨。但迄令为止尚不能用一个代数方程同时很准确地描画它们的性质，较多的是按照它们所处形状分段，每段都有各自很复杂的形状方程。n水蒸气的计算主要靠用公式算出的数据配合实验验证而编制成的图表进展。第一节 水蒸气的定压构成过程及图表运用n一、水蒸气的根本概念和有关术语一、水蒸气的根本概念和有关术语n二、水蒸汽定压构成过程二、水蒸汽定压构成过程汽化：水变成蒸汽的景象。汽化：水变成蒸汽的景象。n汽化

2、：从微观上讲，液体中的分子抑制周围液体分子的引力和液体外表张力而逸出液面的景象称为汽化。n蒸发：在液面进展的汽化过程；n沸腾：在液体容积空间内的汽化过程。n部分沸腾：当液体整体温度较低时，假设存在部分温度较高，产生小汽泡，而这些小汽泡不能上升到液面就被淹灭。此时液体的温度上升速率很大。n整体沸腾：当液体温度上升到与压力相应确定的温度时，整个水空间产生汽泡，汽泡不再淹灭而集汇上升到液面逸出。液化：蒸汽变成水的景象。液化：蒸汽变成水的景象。n从微观上讲，处于容器汽空间的汽态分子进入容器液体空间的景象称为液化。n液面上空间的压力越大密度大，撞回液面的水分子也越多液化速度取决于蒸汽空间的压力。n对于汽

3、、液共存系统，汽化、液化同时存在，汽化速度大于液化的速度就是汽化，反之液化的速度大于汽化的速度就是液化。假设汽化和液化速度相等，就是我们马上讲的饱和形状饱和形状 n对于一个汽液共存系统，微观意义上的汽化速度等于液化速度相等时，系统内的液体量和汽体量到达平衡的形状。即汽化和液化还在同时进展，但汽液两相分子数量都不再添加或减少。n此时系统的压力、温度就称之为饱和压力、饱和温度。饱和压力与饱和温度不是彼此独立的，它们有一定的函数关系。由于液体的汽化速度取决于液体的温度，而汽体的液化速度取决于蒸汽的压力。 Ts = f(ps)4.常用术语及表示参数n过冷水：在定压下，未到达饱和形状的水。过冷水：在定压

4、下，未到达饱和形状的水。 n饱和水：在定压下，到达饱和形状的水饱和水：在定压下，到达饱和形状的水 n湿饱和蒸汽：在定压下，饱和水与饱和蒸汽的机械混湿饱和蒸汽：在定压下，饱和水与饱和蒸汽的机械混合物。合物。 n干饱和蒸汽：在定压下，纯饱和水蒸汽。干饱和蒸汽：在定压下，纯饱和水蒸汽。 n过热蒸汽：在定压下，对干饱和蒸汽进一步加热。过热蒸汽：在定压下，对干饱和蒸汽进一步加热。 n过冷度：过冷水的温度低于同压力下饱和温度的差。过冷度：过冷水的温度低于同压力下饱和温度的差。用用“D D表示。表示。 D= ts -t D= ts -t n过热度：过热蒸汽温度高于同压力下饱和温度的差。过热度：过热蒸汽温度高

5、于同压力下饱和温度的差。用用“D D表示。表示。 D=t- ts D=t- ts 二、水蒸汽定压构成过程二、水蒸汽定压构成过程n在火电厂中，做功的工质是流动性好、易于膨胀、极易获得、价钱低廉、无毒副作用的水蒸汽，它是近似看作水在锅炉中定压力下产生的。n为了对水蒸汽的定压构成过程规律性有一个全面的了解，我们取1kg，0的过冷水，置于一个带有活塞的封锁汽缸内，进展定压力p下加热，察看一个近似可逆的定压水蒸汽构成过程表示图在p-v图与T-s图上表示 A B C A B C pC pCTCTCn饱和水线或下界限饱和水线或下界限n干饱和蒸汽线或上界限干饱和蒸汽线或上界限n当压力添加到某一临界值时，饱和水

6、与干饱和蒸汽不当压力添加到某一临界值时，饱和水与干饱和蒸汽不仅具有一样的压力和比体积，而且还具有一样的温度仅具有一样的压力和比体积，而且还具有一样的温度和熵，这时的饱和水与干饱和蒸汽之间的差别已完全和熵，这时的饱和水与干饱和蒸汽之间的差别已完全消逝，在图中由同一点消逝，在图中由同一点C表示，这个点称为临界点，这表示，这个点称为临界点，这样一种特殊的形状称为临界形状。样一种特殊的形状称为临界形状。A B C A B C pC pCTCTCn综上所述，在表示水的汽化过程的p,v图与T,s图上有n1点临界点n2线上、下界限n3区液相区，汽液两相区，汽相区n5态未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干蒸汽、过热蒸

7、汽。三、水蒸气图、表运用n饱和水与干饱和蒸汽表压力陈列P218、223页。n饱和水与干饱和蒸汽表温度陈列P219、224页。n未饱和水与过热蒸汽表P220、225页。n水蒸气图。P18、26页n右上角半图。压力线簇、比容线簇、温度线簇、干度线簇。n用图做热力过程。几点阐明n中间形状用内插法求n内能n湿蒸汽pvhuvvxvvxvxvx 1hhxhhxhxhx 1ssxssxsxsx 1T-s图 n它用于分析蒸汽的热力过程较为直观。图上每条过程线下的面积都代表了1kg工质在此过程中所吸收(或放出)的热量。 h-s图 ABC第二节第二节水蒸气典型热力过水蒸气典型热力过程程n一、换热器内的定压流动过程

8、一、换热器内的定压流动过程n二、汽轮机及水泵内绝热流动过程二、汽轮机及水泵内绝热流动过程n三、经过喷管的绝热流动三、经过喷管的绝热流动n四、绝热节流四、绝热节流2s12qhcg zw 一、换热器内的定压流动过程一、换热器内的定压流动过程 n能量分析n与外界无功量交换Ws=0;n动能变量忽略不计 c20 n宏观势能忽略不计 gZ0n于是有q =h2- h1n每公斤工质在换热器内所吸收(或放出)的热量等于工质焓的升高(或减少)。 h1h2q图 2-4 换热器表示图汽轮机内的绝热流动过程 n能量分析q=0 c20 gZ0n记为：Wi=h1-h2 kJ/kg 对外做出正功n该式阐明了蒸汽在汽轮机内的绝

9、热流动过程中，对外所作的内功等于工质的焓降。 n上式也适用于水泵等紧缩耗功设备，但式中的wi为外界所耗费的紧缩功，以wP表示，此功转变为工质的焓升，即wP = h2 - h1。 图 2-5 汽轮机表示图h2h1w经过喷管的绝热流动 n能量分析n绝热q0 gZ0 Ws=021212221hhcc21212)(2chhc2121272.44)(2000hhhhc工质在喷管中的流动n当Ma1,即流速大于当地音速，称超音速流动。p1、v1、T1p2、v2、T2c2c1Acp1、v1、T1p2、v2、T2c2c1p1、v1、T1p2、v2、T2c2c1渐缩喷管Ma1Ma1Ma1缩放喷管拉伐尔喷管渐扩喷管

10、acMa kRTkpva喷管中的稳定流动根本方程式喷管中的稳定流动根本方程式 n延续性方程式延续性方程式 n能量方程式能量方程式 n过程方程式过程方程式 n可逆过程可逆过程常数vAcqmf0fvAcddqm0ffvdvcdcAdA常数2f21ch0)(212fch0ffdccdh常数pv0vdvpdpvdphwhqtvdpdh n压力与流速的关系：n比容与速度的关系：n截面积与流速的关系： cdckMpdppdpvpdccca22cdcMvdvpdpkcvdva21cdcMAdAvdvcdcAdAa) 1(02n进入喷管的工质速度c a时，Ma 1那么，Ma2-1 0，故dA a而dc0，故d

11、A0。即当工质流动从亚音速流动过渡到超音速时，喷管截面必需是先逐渐减少，一旦到达音速，喷管截面便减少到最小值喉部，之后再逐渐增大，这样的喷管称为渐缩渐扩管简称缩放喷管，也称拉伐尔喷管。 cdcMAdAa) 1(2喷管的压力比 n喷管的压力比：工质进口压力P1与工质在喷管出口外的背压力即环境压力Pb之比。n在喷管的最小截面临界截面上，有临界压力比 n工程热力学推导知，临界压力比：n n对于过热蒸汽 k=1.3 n c=0.546 1PPcc1PPb11)12(kkcckPP喷管的选择 绝热节流 nq0 c20 gZ0 Ws=0nh1= h2 110220n绝热节流是典型的不可逆过程，是不等焓过程

12、。n节流前后，h=0，流速略有上升，压力明显下降，熵值明显增大。n节流使工质做功才干降低 n节流的工程运用：制定流量节流孔板；获得流量控制阀门。 hsx=10P2P1Pbhhs0第三节第三节 蒸汽动力循环蒸汽动力循环水蒸气：火力发电、核电水蒸气：火力发电、核电低沸点工质：氨、氟里昂低沸点工质：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：以获得功为目的动力循环：以获得功为目的卡诺循环卡诺循环sT4213sT4213卡诺循环改造卡诺循环改造sT42131231 郎肯循环郎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郎肯循环郎肯循环1234简化理想化：简化理想化

13、：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 紧缩紧缩41 锅炉锅炉 p 吸热吸热1342pv郎肯循环郎肯循环pv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 紧缩紧缩41 锅炉锅炉 p 吸热吸热图2-10 朗肯循环aT-s图；b设备衔接系统 4321Tshs1324郎肯循环郎肯循环Ts和和hs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 紧缩紧缩41 锅炉锅炉 p 吸热吸热hs1324郎肯循环功和热的计算郎肯循环功和热的计算汽轮机作功：汽轮机作功：2121

14、 ,hhws凝汽器中的定压放热量：凝汽器中的定压放热量：322hhq水泵绝热紧缩耗功：水泵绝热紧缩耗功：3443 ,hhws锅炉中的定压吸热量：锅炉中的定压吸热量：411hhqhs1324郎肯循环热效率的计算郎肯循环热效率的计算,1 2,3 4nett11sswwwqq普通很小，普通很小，占占0.81%，忽略泵功忽略泵功 1213thhhh工程上常用汽耗率工程上常用汽耗率, 反映安装经济性，设备尺寸反映安装经济性，设备尺寸汽耗率：蒸汽动力安装每输出汽耗率：蒸汽动力安装每输出1kW.h 功量所耗费的蒸汽量功量所耗费的蒸汽量kgnet3600dw汽耗率的概念汽耗率的概念netw的单位是的单位是kJ

15、/kg1kW=1 kJ/snet3600360013600kgkgkgkgdkJkJkWhkJwhhsh郎肯循环与卡诺循环比较郎肯循环与卡诺循环比较sT6421 41098753 q2一样；一样； q1卡诺卡诺 q1朗肯朗肯 卡诺卡诺 朗肯；朗肯； 等温吸热等温吸热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； 12-9两两相区难紧缩；相区难紧缩； wnet卡诺小卡诺小 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9-10-11-12sp1, t1, p2654321如何提高郎肯循环的热效率如何

16、提高郎肯循环的热效率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缺陷：缺陷： 对强度要求高对强度要求高 不利于汽不利于汽轮机平安。普通轮机平安。普通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，有利于汽机平安。平安。1Tt2x缺陷：缺陷： 对耐热及强度要对耐热及强度

17、要求高，目前最高求高，目前最高初温普通在初温普通在550左右左右 汽机出口尺汽机出口尺寸大寸大2vp1 , p2不变，不变，t1sT654321 2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缺陷：缺陷：受环境温度限制，如受环境温度限制，如今大型机组今大型机组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 ，已接近现，已接近现实上能够到达的最低实上能够到达的最低限制。冬天热效率高限制。冬天热效率高p1 , t1不变，不变，p2 4 32 实践蒸汽动力循环分析实践蒸汽动力循环分析sT532 241114非理想要素：非理想要

18、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) 提高循环热效率的途径提高循环热效率的途径改动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动循环方式回热循环回热循环再热循环再热循环改动循环方式热电联产热电联产燃气燃气-蒸汽结合循环蒸汽结合循环新型动力循环新型动力循环IGCCPFBC-CC.Ts65431ba23蒸汽再热循环的热效率蒸汽再热循环的热效率 再热循环本身不一再热循环本身不一定提高循环热效率定提高循环热效率 与再热压力有关与再热压力有关

19、x2降低降低,给提高初给提高初压发明了条件，选压发明了条件，选取再热压力适宜，取再热压力适宜，普通采用一次再热普通采用一次再热可使热效率提高可使热效率提高23.5。图2-11 再热循环aT-s图；b设备衔接系统 蒸汽再热循环的实际蒸汽再热循环的实际 再热压力再热压力 pb=pa 0.20.3p1 p112.5MPa，一次再热，一次再热 超临界机组，超临界机组， t1600，p125MPa，二次再热二次再热 超优点：经过提高初临界机组，超优点：经过提高初临界机组， t1600，p125MPa，二次再热，二次再热Ts65431ba2蒸汽再热循环的定量计算蒸汽再热循环的定量计算吸热量：吸热量： 11

20、4abqhhhh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()()()()baabwhhhhqhhhh4 蒸汽抽汽回热循环蒸汽抽汽回热循环(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，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图2-13 两级回热循环a设备衔接系统；bT-s图 抽汽回热循环的抽汽量计算抽汽回热循环的抽汽量计算(1- )kg kg65as43211kgTa kg4(1- )kg51kg

21、以混合式回热器为例以混合式回热器为例热一概热一概a4511hhh 忽略泵功忽略泵功54a4hhhha2a2hhhh抽汽回热循环热效率的计算抽汽回热循环热效率的计算(1- )kg kg65as43211kgT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为什么抽汽回热热效率提高？为什么抽汽回热热效率提高？(1- )kg kg65as43211kgT22t,RG121a11hhhhhh 22t121hhhh 简单朗肯循环：简单朗肯循环：1a01hht,RGt物理意义：物理意义：

22、kg kg工质工质100%100%利用利用 1- 1- kg kg工质效率未工质效率未变变蒸汽抽汽回热循环的特点蒸汽抽汽回热循环的特点小型火力发电厂回热级数普通为小型火力发电厂回热级数普通为13级，级，中大型火力发电厂普通为中大型火力发电厂普通为 48级。级。优点优点 提高热效率提高热效率 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 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 可兼作除氧器可兼作除氧器缺陷缺陷 循环比功减小，汽耗率添加循环比功减小，汽耗率添加 添加设备复杂性添加设备复杂性 回热器投资回热器投资缺陷缺陷5 热电联产热电联产(供供)循环循

23、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求，这种作法称求，这种作法称为热电联为热电联( (产产) )供。供。背压式机组背压式机组( (背压背压0.1MPa)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？抽汽调理式热电联产抽汽调理式热电联产( (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 抽汽式热电联供循环, 可以自动调理热、电供应比例，以满足不同用户的需求。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ne

24、t1qwKq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，但未思索热和电的档次不同，但未思索热和电的档次不同 Ex Ex经济学评价经济学评价 热电联产、集中供热是开展方向，经济环保热电联产、集中供热是开展方向，经济环保6 现代新型动力循环现代新型动力循环n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：n提高初参数，向亚临界和超临界开展；提高初参数，向亚临界和超临界开展；n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；n采用热电联供。采用热电联供。n火电厂开展现状火电厂开展现状n

25、占总装机容量的占总装机容量的80%左右，效率左右，效率3740%；n耗煤占总产量耗煤占总产量30%，油占，油占10%左右；左右；n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- -蒸汽结合循环蒸汽结合循环n燃气轮机的开展燃气轮机的开展n热力参数与单机容量逐渐提高，达热力参数与单机容量逐渐提高，达W200MW，热效率，热效率3541%；n可靠性可靠性9598.5%，可作为根本负荷电站；，可作为根本负荷电站；n结合循环的现实可行性结合循环的现实可行性n燃气轮机排气温度燃气轮机排气温度t4=400600；n大功率机组排气量大功率机组排气量300kg/s以上；以上；n利

26、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(取代锅取代锅炉炉)，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%。燃气蒸汽结合循环燃气蒸汽结合循环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结合循环燃气蒸汽结合循环法国法国GEC Alsthom公司的结合循环电站公司的结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%整体煤气化结合循环整体煤气化结合循环(IGCC)n任务流程任务流程n气化炉中煤气化炉中煤煤气；煤气；n煤气的净化；煤气的净化；n燃气轮机循环；

27、燃气轮机循环；n余热锅炉回收排气热量；余热锅炉回收排气热量；n蒸汽轮机循环蒸汽轮机循环整体煤气化结合循环整体煤气化结合循环(IGCC)n优点优点n热效率高，目前热效率高，目前4046%，估计可，估计可52%；n环保性能好，环保性能好，SO2,NOx,CO2,粉尘排粉尘排放低，可燃用高硫煤；放低，可燃用高硫煤；n可实现煤化工综合利用，消费硫、硫酸、可实现煤化工综合利用，消费硫、硫酸、甲醇、尿素等；甲醇、尿素等；n单机功率可达单机功率可达300400MWn缺陷缺陷n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；n初期投资大。初期投资大。整体煤气化结合循环整体煤气化结合循环(IGCC)运用运用目前已建成或拟建的目前已建成或拟建的IGCC电站电站10余余座，美国预测，座，美国预测，2030