汽轮机的热力循环

1、汽轮机的热力循环一、相关定律一、相关定律1、热力学第一定律（能量守恒定律） 自然界中的一切物质都具有能量，能量不能被创造也不会被消灭，但能量可以从一种形态转变为另一种形态，且转化过程中能量总量保持不变。 电厂中： 2.1 热力学回顾化学能热能动能机械能电能锅炉静叶动叶发电机2、热力学第二定律（能量转化定律）1）克劳修斯表述（1850，D Clausius）： 热不可能自发的不付代价地从低温物体传至高温物体（热能传递的方向性问题）。2）开尔文表述： 1824.Sadi Carnot：凡有温差的地方都能产生动力（热能转化机械能的根本条件）。 1851.Lord Kelvin & Max P

2、lant：不可能制造出从单一热源吸热使之全部转化为功而不留下其它任何变化的热力发动机（第二类永动机、水坝高水位无低水位无法做功）。2.1 热力学回顾热能与动力工程专业4/1072.1 热力学回顾3、卡诺循环 1）定义：卡诺循环是由完全气体（理想气体）作工质，经过两个定温过程和两个等熵过程构成的理想循环。在相同温度范围内卡诺循环的热效率最高。12：定温吸热，工质由高温的定温热源吸热；23：绝热膨胀，工质温度降低，对外做功；34：定温放热，工质在低温热源中定温放热（有利于下一步压缩）；41：绝热压缩：对工质进行压缩提供热量。热能与动力工程专业5/107121qqqC2）卡诺循环效率说明： T1，T

3、2c； cTm，又因为循环放热温度同为Tk，根据热工原理，朗肯循环可等效化为“相当卡诺循环”。2.3 蒸汽参数对循环效率的影响121211TTqqqCmkTT1热能与动力工程专业13/107mktTT1其热效率可表示为：原循环初温上升后结论：提高汽轮机初温可以提高循环热效率同时也提高了末级次末级的干度，减少湿气冲蚀2.3 蒸汽参数对循环效率的影响tt1mktTTmmTT t=600cp0t (%)540c480c450c400c050100150200250ata354045abcdeasednmmT热能与动力工程专业14/1072、初温t0的限制条件金属材料耐高温性能的限制，目前t0566。

4、（1）高温引起金属材料蠕变速度增加；（2）目前高温材料性能差（导电性能工艺性能）价格高: 普通碳素钢： 1 珠光体铬钼不锈钢： 1.83.7 奥氏体镉镍不锈钢： 12.818（3）工程实践表明t0不能太高2.3 蒸汽参数对循环效率的影响t=600cp0t (%)540c480c450c400c050100150200250ata354045热能与动力工程专业15/107二、蒸汽初压p0对循环效率的影响1、假设t0=const，pk=const循环循环原循环原循环aabcdeap0循环循环aabcdea压力p0p0放热温度TkTk吸热平均温度TnTn循环效率t=1-Tk/Tnt=1-Tk/TnT

5、n TntTk三、排汽压力pk对循环效率的影响1、假设p0=const，t0=const，排汽压力pk下降到pkabcdeaTSeaaT0,P0TK,PKTK,PK1122.3 蒸汽参数对循环效率的影响1-Tn/Tk1-Tn/Tktt放热温度Tk Tk热能与动力工程专业20/1072、结论 1）降低排汽压力pk可以提高循环效率。（采用冷凝式蒸汽动力循环就是为了降低排汽压力提高循环效率） 2）但排汽压力不能无限降低，受到以下条件限制：pk下降末级湿度增加（要求湿度1214%）pk不能过小2.3 蒸汽参数对循环效率的影响abcdeaTSeaaT0,P0TK,PKTK,PK112%5 .30%05.

6、27/%)05.27%3 .35(/tt例：某25MW汽轮机，p0=3.43MPa,t0=435c1）当pk=1ata=0.0987MPa时，t=27.05%2）当pk=0.1ata=0.0098MPa时，t=35.3%热能与动力工程专业21/1073、说明1）pk与冷却水温有关，冷却水温取决于环境温度（气温），同时考虑传热端差，即排汽温度必然高于冷却水温，如使排汽压力低于自然环境对应的冷却水温，则须采用制冷设备，得不偿失。2.3 蒸汽参数对循环效率的影响2）影响pk的因素： 冷却水温tw1；冷却水量wt； 冷却方式t机组容量pk尽量小； 末级尺寸比容Pa 大电厂投资费用w 燃料价格热能与动力

7、工程专业22/107小结：1. 初温t0的影响：2. 初压p0的影响：3. 背压pk的影响：2.3 蒸汽参数对循环效率的影响t0Tm t；末级干度 减轻冲蚀，降低撞击损失；abcdeasednmmTp0Tn t；末级干度 冲蚀增强，撞击损失增大；abcdeaTSeabcdp0p0Tkt0TnTn注：一般情况下增大p0的同时要提高t0pk Tk t；末级干度 冲蚀增强，撞击损失增大；abcdeaTSeaaT0,P0TK,PKTK,PK112mktTT1热能与动力工程专业23/107给水泵锅炉过热器1过热器2BTHTLGPkP0 t0Pre trePre t re一、热力系统及热力循环1、热力过程

8、：由锅炉过热器1送出的新汽p0，t0，i0在高压汽轮机TH中做功后，压力降到pre，再引回过热器2加热至Tre，然后进入低压汽轮机TL做功直至排汽压力pk注：再热过程仅有温度变化，压力保持不变2.4 蒸汽中间再热循环热能与动力工程专业24/107abcdeasenTffm m2、热力循环csiffmm加热加热放热放热i0p0i0-ireire-ik其作用在于：（1）提高吸热平均温度Tnt； （2）降低末级蒸汽的湿度t，腐蚀； （3）增加吸热过程对外输出功率2.4 蒸汽中间再热循环给水泵锅炉过热器1过热器2BTHTLGPkP0 t0Pre trePre t re热能与动力工程专业25/107ab

9、cdeasnTfmi0iaikikireireie二、中间再热循环的热效率（按理想情况）csiirei0p0ikireprepkL0L0q10 按理想情况分析循环的热效率，由T-S图可见，可将中间再热循环看做是两个循环：（1）基本循环aabcdea 效率t0（2）附加循环emnfe 效率t0 (附加循环吸热温度高)2.4 蒸汽中间再热循环热能与动力工程专业26/107 10rereiiq图中：中间再热前的焓降中间再热后的焓降对基本循环加入的热量对附加循环加入的热量2.4 蒸汽中间再热循环abcdeasnTfmi0iaikikireireie00reiiLkreiiL 0aiiq010热能与动力

10、工程专业27/1071010 0101000)()(qqiiiiqqLLkrerere100101000)(qqqiiiitee因此，中间再热循环的热效率为：式中：2.5 蒸汽中间再热循环）（将分子eiire1010 0)()()(qqiiiiiiekrereereabcdeasnTfmi0iaikikireireie100101020102010 )()(qqqqqqqiiiitekrere热能与动力工程专业28/107分析上式：（1）若t0=t0，则re=t0，无效益；（2）若t0t0；（3）若t0t0，则ret0时，中间再热循环效率才能提高。欲使t0t0，就应使附加循环平均吸热温度具有较

11、高数值，这取决于再热蒸汽的参数选择，一般而言，基本循环与附加循环的放热温度相同，只要中间再热参数pre与tre选取恰当（pre=0.180.26p0，tre与t0相近），附加循环平均吸热温度总是高于基本循环，因而中间再热总能提高热效率。热能与动力工程专业29/107三、中间再热参数的选择1、再热温度tre 的选取： 由于tre增大可使re升高，应尽量提高tre，但tre受到材料的限制，现一般取tre=t0（在同一锅炉中再热），国外机组也有tre略低于t0的情况。2.4 蒸汽中间再热循环2、再热压力pre的选取：abcdeasegTffget0p0prepre1）假设Tre=T0，对于附加循环f

12、gee（Pre较高）和fgee（Pre较低），由于ret0的情况。热能与动力工程专业30/1072）随着Pre：附加循环平均吸热温度T1mret0；附加循环功率增量，直至接近0，因此导致附加 循环设备未起作用2.4 蒸汽中间再热循环abcdeasegTffget0p0prepre3）随着Pre：功率,但附加循环效率，若T1mPrPk），抽出部分蒸汽加热将要送入锅炉的给水，使给水得到加热，这种循环称为“给水回热循环”或“给水预热循环”或“回热抽气循环”，简称“回热循环”。2.5 给水回热循环 基本思路：1）减少换热温差换热损失2）抽汽流循环效率100%（无效热损失）热能与动力工程专业33/107

13、2.5 给水回热循环1）锅炉供新汽 D（P0,t0,i0）进入汽轮机做功P0下降至Pr，抽出部分汽体 Dr 到加热器加热给水,余下Dk 在汽轮机中继续膨胀做功。)(rkDDD 做功结束的蒸汽在排气压力Pk下在冷凝器中凝结成水，由凝结水泵打入加热器，自抽汽吸热，温度由tk增加到,tfw再由给水泵打入锅炉，完成一个循环。热能与动力工程专业34/1072.5 给水回热循环2）回热循环可分为以下两个循环：循环1：由凝结汽流Dk=D-Dr构成；这部分汽流一直由P0膨胀至Pk做功，是纯冷凝循环，即朗肯循环，效率为t。循环2：由回热抽汽Dr构成；该部分蒸汽抽出前在汽轮机中做功压力由P0下降至Pr，做功（i0

14、-ir），抽出后对给水加热，其热量传给水，设有冷源损失（凝汽器中凝结放热），循环效率理论上可以达到t=100%。热能与动力工程专业35/1072.5 给水回热循环3）结论：以上两个循环总循环效率高于原始郎肯循环效率:4）实际应用中，一般为多级回热（29）级，效率较纯冷凝机组提高610%（相对），小功率机组35级，大机组69级。5）优点：提高循环热效率（减少冷源损失）；对排气温度没有影响；tt 热能与动力工程专业36/1072.5 给水回热循环二、给水回热系统的经济性二、给水回热系统的经济性1）单级给水回热循环效率：蒸汽总流量 ：D抽气量：Dr凝汽量：Dk给水焓 （进入锅炉）凝结水焓 （冷凝器后

15、）1krDDDDkkrrfwtkt热能与动力工程专业37/1072.5 给水回热循环2）每1kg蒸汽做功：（对汽轮机）凝汽流：抽汽流：总做功：3）每1kg蒸汽吸热：根据加热器热平衡方程确定给水焓tfw)()()()(0000rrkkrrikrkrrrrrikkkkiiiihHlllhiilHiilkkti fw0tiq0rrkkkrrrkkfwkrrrkkfwitittitt1热能与动力工程专业38/1072.5 给水回热循环rri，fwkrtkkktt，)()()()()(00k0kr0rrrkk0krrrkk0fw0tiiiqitiititiq吸热量：热能与动力工程专业39/1072.5

16、给水回热循环4）绝对效率：比较纯冷凝机组效率:)()()()(0000rrkkrrkk0hiiitiiiiiql循环吸热量汽轮机作功）越大，效率越高。凝汽机组高，（即单级回热循环效率较）Hh，相对内效率qh（绝对内效率)()()()()(，则0只要0)(r00i0ii00r0r0kr0r0kr0000iitiiiiitiiiiiiititiiiiiikkkkkkkki热能与动力工程专业40/1072.6 给水回热循环三、多级回热循环装置三、多级回热循环装置 循环示意图总进汽量：冷凝器进汽量： 第r级抽汽量0DDrrkD0D0DDkkrD热能与动力工程专业41/1072.5 给水回热循环每每1k

17、g蒸汽做功：蒸汽做功：（每1kg蒸汽中含有 kg凝汽流， kg抽汽流）z1.zrrrikrkzrrrzrr0rz0zr0r101rrrr0rrikk0kkhHLLLkghi -ii -ii -ii -iLhi -iLrHi -iL1111.21蒸汽做功：故每）（）（）（）（）（级：）抽汽流：第）（）凝汽流：k热能与动力工程专业42/1072.5 给水回热循环3.每每1kg蒸汽的吸热量：蒸汽的吸热量：1）给水焓 为：如右图所示可得能量守恒方程：wf0t -iq 0wft为凝汽流的吸热量）（）（计算公式）代入）（kzrrrkkrzr0rk0kzrrrkk0zrrkfw0zrrrkkfw11rrzz

18、kkfwzrrkqhqqiitiititiqqittiiitt101110011)()()(.热能与动力工程专业43/1072.5 给水回热循环2）多级回热循环的绝对内效率：）多级回热循环的绝对内效率：抽汽吸热：凝气吸热；：抽汽做功；：凝气做功；zrrkzrrkzrrkzrrkzrrrkkzrrrkkhHHiitiiiiiqL1rk1ri1rk1ri1001000ihqhhqh)()()()(）（率）（无回热机组绝对内效又kiki0k0iiqHqHtiikkkikhihiqH越高越大，且可以证明：z1rrrhi,热能与动力工程专业44/1072.6 给水回热循环也可以写成另一种形式：（1）假设

19、全部汽流冷凝做功：（2）抽汽部分做功，余热加热给水少做功为（3）全部蒸汽的实际吸热量：fwzrkrrkhitiiiiiqL0100)()(kii 0zrkrrii1)(fwti 0回顾：热力学定律卡诺朗肯实际再热回热再热+回热？热能与动力工程专业45/1072.6 具有中间再热的给水回热循环的经济性一、循环特点一、循环特点1.参数定义：i0：初焓 P0： 初压ire：再热前蒸汽焓ire：再热后蒸汽焓Pre：再热前压力Pre：再热后压力Pre= Pre-Pre中间再热后的压力ik：排气焓（两相） Pk：排气压力 ：高压缸抽汽焓 ：低压缸抽汽焓 ：凝结水焓 ：给水焓srixriktfwt热能与动力

20、工程专业46/1072.6 具有中间再热的给水回热循环的经济性2.预先规定：1） ：中间再热加给1kg蒸汽的热量 2）凝汽流总焓降：3）抽汽做功焓降：（1）对高压缸（抽汽前）（2）对中低压缸（再热后） rererei -iqrekrerekkrereqiiiiiiiiiiiH)()()()()(000sr0sriihre*r0*rrere0rqi -ii -ii -ih）（）（）（*热能与动力工程专业47/1072.6 具有中间再热的给水回热循环的经济性4）设 分别为高压缸和中低压缸抽汽份额，则5）中间再热蒸汽份额：显然：6）凝汽流吸热量：xrsrr总抽汽量xrsr和xrksrre1srrex

21、rsrk1rekkqtiq0热能与动力工程专业48/1072.6 具有中间再热的给水回热循环的经济性二、相关效率：二、相关效率：1.凝汽流做功：2.高压缸抽汽做功：3.中低压缸抽汽做功：4.每1kg蒸汽总功：ikrekkkHqiiL)(0srsrsrsrsrhiiL)(0 xrxrxrrerexrxrhiiiiL)()(0rrikxrxrsrsrikxrsrkhHhhHLLLL热能与动力工程专业49/1072.6 具有中间再热的给水回热循环的经济性5.每1kg蒸汽吸热量：降：中低压缸抽汽做功焓；：高压缸抽汽做功焓降：抽汽流吸热凝汽流吸热；统的热平衡方程确定为给水焓，由热力学系汽量：凝汽流与中低

22、压缸抽全部蒸汽；xrsrrrkkrrkkxrxrsrsrkkrexr0 xrsr0srrek0krexrkxrxrsrsrkkxrsrk0 xrxrsrsrkkrrkkfwfwrerefw0rerefw0hhhqhqqhhqqiiiiqtiqiitiqiititttqtiqtiq:)()()()()()(1:000热能与动力工程专业50/1072.6 具有中间再热的给水回热循环的经济性6.绝对内效率：注：该式形式上与无再热的回热循环相同，但符号的含义中包括了中间再热循环的吸热量。（Hi，qk）rrkkrrikhreihqhHqL0)(热能与动力工程专业51/1072.7 给水回热循环的主要参数

23、选择一、概述一、概述1.给水回热循环可以提高 ，但其增量 的幅度依赖系统各参数的合理选择。2.在 的条件下，影响回热循环经济性的 参数为：1）给水的最后温度（或给水焓） （本节用in代替）2）各级加热器之间给水焓升r的分配3）回热级数：z二、简化理论模型：二、简化理论模型：有n个抽汽点，n个混合式加热的回热系统。1.假设条件：1）凝气流量为1， 为对应1kg该凝汽流的抽气量2）各水泵耗功不计：constPtPk，00fwt0.21pnpplll热能与动力工程专业52/1072.7 给水回热循环的主要参数选择3）管道流阻忽略不计，即压损P=04）各加热器给水焓升按“等焓升”分配原则。即：5）各抽

24、汽点抽出蒸汽等压凝结放热，且放热量相等：级数（回热）总焓升；n:nRn itn i inRrkfwknn0,1，,1，.const（o-iiirr热能与动力工程专业53/1072.7 给水回热循环的主要参数选择2.平衡方程1）对1号加热器：inRinRiriiiiiiiiiiinnkkk11) (1)1 (1111111111111热能与动力工程专业54/1072.7 给水回热循环的主要参数选择2）对于2号加热器：1)1 (.1)1 ()1 (1121)1 ()1 () )(1 ()1 ()1 (2122112212121122221nnnnnnnnninRinRinRinRinRinRinR

25、iriiiiiii同理：号加热器得出口流量：，综合热能与动力工程专业55/1072.7 给水回热循环的主要参数选择三、最佳给水加热范围（给水总焓升）三、最佳给水加热范围（给水总焓升）Rn方法：通过求解最小热耗率来得出最佳给水加热范围。1.由热耗率：kfwknnttiiR（排汽抽汽的吸热量）（排汽的放热量）其中，) i -(i)1 (ii -in01kk2QQQQQ1QQQQQQQQq21221221211，时，q当Qconstiiiiiiiiiiiqnkknkkminmax) )(1 (1) () )(1 (1100，显然，热能与动力工程专业56/1072.7 给水回热循环的主要参数选择所以，

26、0101000100000001)1 ()1 ()(1 () () () ()1 (:例系数最大可能,) () ()1 () )(1 (RxiQRRiQiiiiiiQRRxiiRiiiiiiQnknknknn故可得：则焓升的比为最佳焓升与令：为给水最大可能焓升设：由热能与动力工程专业57/1072.8 给水回热循环的主要参数选择这样， Q1成为给水预热成都系数的函数，只需确定Q1取最大值时的Rn值便为最佳给水点焓升。由其中 是x的指数函数，且系数(3416-2843.3)/3600=13521 KW调节级至第1抽汽点：365283 (3284.3-3122.3)/3600=16438 KW第1至第2抽汽点：343553 (3122.3-2962.7)/3600=15231 KW第2至第3抽汽点：320581 (2962.7-2784.8)/3600=15842 KW第3至第4抽汽点：)(3600级有用焓降第ihhDNiiii热能与动力工程专业87/1072.8 回热抽汽系统的热平衡计算302041 (2784.8-2630)/3