汽轮机原理设备及运行之工程热力学基础

热力发电厂简介热力发电厂的分类分类方法热力发电厂类型一次能源化石燃料电厂，原子能发电厂，地热发电厂，太阳能发电厂，磁流体发电厂能量供应供应电能的凝汽式电厂，供应电能、热能的热电站原动机类型汽轮机发电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂、蒸汽－燃气轮机发电厂电厂总容量小容量发电厂、中容量发电厂、大容量发电厂蒸汽初参数中、低压发电厂，高压发电厂，超高压发电厂，亚临界发电厂，超临界、超超临界发电厂电厂位置坑口、港口、路口电厂，负荷中心电厂，位于煤源与负荷中心间电厂承担负荷带基本负荷、带中间负荷、带尖峰负荷电厂机炉配合非单元机组、单元机组电厂服务范围系统中发电厂，区域性电厂，自备电厂，列车电站，孤立电厂现代汽轮机发电厂的组成及生产过程现代热力发电厂的主要组成部分包括热力和电气两大部分，锅炉、汽轮机和发电机为发电厂的三大核心设备。现代汽轮机发电厂的生产过程从能量的观点看，热力发电厂的基本过程是：燃料的化学能热能机械能电能

（锅炉）（汽轮机）（发电机）火力发电厂生产系统示意图制粉及燃烧系统制粉系统煤皮带运送机原煤仓给煤机磨煤机粗粉分离器旋风分离器煤粉仓给粉机输粉管喷燃器炉膛燃烧系统燃料在炉膛内燃烧，以辐射换热方式将热量传递给炉墙内壁四周的水冷壁内的介质；燃烧产物为高温烟气和灰渣。高温烟气：依次经过过热器、省煤器、空气预热器、除尘器、引风机、烟囱，排入大气。灰渣、飞灰：用水冲入冲渣沟和冲灰沟。汽水系统

锅炉给水由给水箱给水泵高压回热加热器省煤器汽包下降管下联箱水冷壁管汽包过热器主蒸汽管汽轮机凝汽器热井凝结水泵低压回热加热器除氧器给水箱冷却水系统统江河（或冷冷却水池））中的水吸吸水滤网循循环水泵冷却水进水水管凝凝汽器器冷冷却水出出水管江河（或冷冷却水池））工程热力学学基础工程热力学学是研究热热现象的学学科。工程程热力学是是热力学的的一个分支支，主要研研究热能与机械能之间相互转转换时的量与质的关系，着着重研究热能转变为为机械能的基本规律律，并寻求求进行这种种转换的最有有利的条件件。工程热力学学为人们正正确理解发发电厂中的的能量转换换过程，正正确理解热热力设备的的原理等提提供了必要要的基础理理论知识。。工质是指参与热热功转换的的媒介物质质。如：汽轮机机是以水蒸蒸汽作为工工质的。工质及其基基本状态参参数状态参数—描述工质在在某一给定定瞬间的物物理特性的的各个宏观观物理量。。基本状态参参数—可以直接测测量得到的的状态参数数,如温度、压力力、比容。。温度：表示物体冷冷热程度的的物理量。。与物体内内部大量分分子的不规规则运动有有关。温度度越高，分分子热运动动就越剧烈烈，用符号号T或t表示。热力学中，，温度的量量度采用热热力学温标标(T)，单位是开开尔文(K)。温度计：测量温度的的仪表。如：水银玻玻璃杆温度度计；热电偶和热热电阻；光学温度计计等。压力(P)：大量分子对对容器壁面面频繁撞击击的平均结结果。以单单位面积承承受的垂直直作用力的的大小来表表示。物理理中的压强强压力的国际际标准（SI）单位：Pa，kPa，MPa。(1Pa=1N/m2，1MPa=106Pa，1kPa=103Pa)非SI单位：bar、mmHg、mmH2O、kgf/cm2等。1bar=105Pa;1atm(标准大气压压)=760mmHg=1.013*105Pa;1at(工程大气压压)=1kgf/cm2=735.6mmHg=0.98067*105Pa;1mmHg=133.321Pa;1mmH2O=9.8067Pa.绝对压力：：气体的实实际压力P相对压力的的测量：当实际压力力P高于当地大大气压Pb时，压力测测量表的读读数为表压力Pg；当实际压压力低于当当地大气压压时，压力力测量表的的读数为真空度Pv。比容(v)：单位质量的的工质所占占有的容积积。单位：m3/kg密度(ρ)：比容的倒数数。单位容容积内工质质的质量。。单位：kg/m3热力学的几几个概念热力系统：工程热力力学中把所所要研究的的，为一定定界面所包包围的物质质系统，称称为热力系系统。外界：热力系统统以外的其其它物体统统称外界。。开口系：与外界有有物质交换换的热力系系。闭口系：与外界无无物质交换换的热力系系。绝热系：与外界无无热量交换换的热力系系。平衡状态：在外界条条件不变的的情况下，，即使经历历较长时间间，系统的的宏观特性性仍不发生生变化，这这种状态称称为平衡状状态。热力系统、、外界和边边界热力系统就是人为分割出出来，作为为热力学研研究对象的的有限物质质系统。热热力系统简称系统、体系。与热力系统统发生质、、能交换的的物系称为为外界。热力系统统与外界的的分界线（（面）称为为边界。为分析问题题方便起见见，把热力力学分析的的对象从周周围物体中中隔离出来来。AB1）热力系统的的分割完全全是“人为”的，因此此对于不同同的问题，，甚至对于于同一问题题可取不同同的系统。。例如研究向向容器充气气，可以取取容器为系系统，也可可取充入容容器的气体体和原在容容器内的气气体一起为为系统。若没有质量量越过边界界，则系统统称为闭口系（又称控制质量，用CM表示）；若通过边界界系统与外外界有质量量交换，则则称为开口系（又称控制体积，用CV表示）；与外界无热热量交换的的系统称为为绝热系；本课程研究究最多的是是由可压缩缩物质组成成的，无化化学反应、、与外界有有能量交换换的有限物物质系统，，称为简单可压缩缩系统。理想气体与实际气体理想气体：：它的分子是是不占有容容积的质点点，分子之之间也不存存在相互作作用的内聚聚力。常见气体，，其性质大大致接近于于理想气体体。那些离离液态不远远的气体（（如：水蒸蒸汽）除外外。实际气体。热力发动机机中用来作作为工质的的水蒸汽和制冷机中中的制冷剂剂距液态不不远，而且且工作过程程中有物质质的集态变变化。因此此，这些工工质一般不不能作为理理想气体看看待。饱和状态是是这类工质质的重要性性质对蒸汽动力循循环、制冷循环环和湿空气气过程的理理解和分析析有重要作作用。理想气体状状态方程物理学告诉诉我们：P——气体的绝对对压力（N/m2orPa）；v——气体的比容容（m3/kg）；T——气体的热力力学温度（（K）；R——气体常数（（N.m/kg.K）。热力学状态态平衡状态：：只要不受外外界环境的的影响，工工质的状态态就不会随随时间而变变化，并且且在工质的的内部各处处都具有相相应相同的的压力、温温度和比容容等状态参参数。第四四节节热热力力学学第第一一定定律律26热力力学学第第一一定定律律表表述述为为：：热可可以以变变为为功功，，功功也也可可以以变变为为热热。。一一定定量量的的热热消消失失时时，，必必产产生生数数量量与与之之相相当当的的功功；；消消耗耗一一定定量量的的功功时时，，必必产产生生数数量量与与之之相相当当的的热热。。热热力力学学第第一一定定律律也也称称为为能量量守守恒恒与与转转换换定定律律工质质的的内内能能内能能是是指指工质质在在某某种种状状态态下下内内部部所所蕴蕴藏藏的的总总能能量量，，包包括括内内动动能能和和内内势势能能。。热力力学学第第一一定定律律解解析析式式1（闭口口系系）：：q=△△u+w上式式表表明明：：加加给给工工质质的的热热量量，，一一部部分分用用来来改改变变工工质质的的内能能，另另一一部部分分则则用用来来使使工工质质膨膨胀胀而而对对外外作作功功。。内动动能能分子子运运动动的的动动能能。。工工质质内内部部分分子子运运动动的的动动能能愈愈大大，，工工质质的的温温度度愈愈高高，，内内动动能能是是温温度度T的单单值值函函数数；内势势能能分子子之之间间由由于于相相互互作作用用力力而而具具有有的的能能量量。。工工质质的的内内势势能能与与工工质质的的比比容容有有关关，，是是比比容容v的函函数数。。理理想想气气体体由由于于不不存存在在内内聚聚力力，，故故内内势势能能为为零零。。工质质的的内内能能，，决决定定于于工工质质的的热热力力学学温温度度和和比比容容，，即即：：u=f(T,v)。这这表表明明：：工工质质内内能能的的大大小小完完全全取取决决于于它它所所处处的的热热力力学学状状态态。。内能能u是工工质质的的一一个个状态态参参数数。理想想气气体体的的内内能能，，是是温温度度的的单单值值函函数数。。膨胀功是气体体积变化而与外界交换的功。功与与压压容容图图功被定定义义为为力力及及沿沿力力方方向向所所产产生生位位移移的的乘乘积积。。气缸缸中中有有1kg气体体，，压压力力为为p，内内装装一一无无摩摩擦擦可可移移动动活活塞塞，，截截面面积积为为f，作作用用于于活活塞塞里里侧侧的的力力pf稍大大于于作作用用于于活活塞塞外外侧侧的的力力Fout，则则气气体体将将发发生生膨膨胀胀而而使使活活塞塞向向右右移移动动dx的距距离离,则缸缸内内气气体体对对活活塞塞所所作作的的微微元元功功为为：：当此此1kg气体体从从状状态态1变化化到到状状态态2时，，所所作作的的膨膨胀胀功功为为：：（J/kg）功在p-v图上可用过程线与v轴包围的面积表示。功与热量量在热热力力学学研研究究工工质质的的热热功功转转换换规规律律时时：：功是过过程程的的函函数数；；热量量也是如此此。作功与传热是能量传传递的两两种基本本方式“功”是是由压力力差的作作用而传传递的能能量；“热量””是由温温差的作作用而传传递的能能量。二者都是是能量在在传递过过程中的的度量，，且可相相互转换换。热量与温温熵图热量是由由温度差差的作用用而产生生的能量量。可逆逆过程（（工质与与热源无无温差换换热，可可理解为为有温差差但是温温差无穷穷小，T工质温度度）中，，过程中中的微元元传热量量可表示示如下：：过程总传传热量可可表示如如下：由此得到到熵的定义义式：p-v图和T-s图功可用p-v图上过程程线与v轴包围的的面积表表示；热热量可用用T-s图上过程程线与s轴包围的的面积表表示，所所以p-v图和T-s图是分析析气体热热力过程程的能量量变化的的有力工工具。在p-v图能够确确定过程程功的正正或负；；在T-s图上能够够确定过过程热量量的正或或负，对对过程能能量转换换分析带带来极大大的方便便。第六节稳定流动动能量方方程式稳定流动动：工质的流流动情况况不随时时间而变变化，即即工质在在设备任任何截面面上的所所有状态参数数和流速速的平均均值不随时间间而改变变，而且且在同一一时刻流流经任何何截面的的流量均均相同。。稳定流动动能量方方程式如图所示示，1kg工质从1-1截面进入入系统，，从2-2截面流出出系统。。当该工工质从1-1截面进入入系统时时，带入入系统中中的总能能量为：：该工质从从2-2截面流出出系统时时，传出出系统的的总能量量为：考虑到和和，，根根据能量量守恒与与转换定定律可得得出下列列方程式式：可写成：：令：，，则：适用于开开口系焓(h)：h=u+pv(J/kg)；因为u、p、v都是状态态参数，，所以焓也是状态参参数。代表每kg工质沿流流动方向向往前传传递的总总能量中中直接取取决于热热力状态态的部分分。技术功（（wt）：从热热力设备备中流出出来的技技术上可可资利用用的功量量。在p-v图上可用用过程线线与p轴包围的的面积表表示。技术功又又等于工工质膨胀胀功与流流动功的的代数和和：流动功是开口系系输出和和输入的的推动功功的差，，等于p2v2-p1v1，是开口口系维持持流动必必须付出出的代价价。流动动功<0,可以用于于输出机机械功，，比如汽机机；流动动功>0,需要消耗耗机械功功，比如如泵。因此蒸汽汽流过汽汽轮机时时，输出出轴功由由实质两两部分组组成：1、工质本本身降压压膨胀时时的膨胀胀功；2、出口压压力很低低，所需需推动功功p2v2远小于带带入推动动功p1v1，多余的的推动功功即流动动功可以以转化为为轴功。。因此蒸汽汽在汽轮轮机中开开始膨胀胀做功时时的压力力越高，，流出汽汽轮机时时压力越低低，则膨膨胀功和和流动功功越大，，输出轴轴功越多多。当工质在在进出口口处的流流速变化化不大、、进出口口高度差差也可不不考虑时时，则动动能变化化及位能能变化均均可忽略略不计，，比如蒸蒸汽轮机机。此时时，轴功功就等于于技术功功稳定流动动能量方方程式的的应用工质流过过汽轮机机时:上式表明明,工质在流流过汽轮轮机时输输出到外外界的轴轴功等于于工质焓焓的减小小。第七节水蒸汽在在定压下下的形成成过程水蒸汽在在定压下下的形成成过程未饱和水水饱饱和水水湿湿蒸汽干干蒸蒸汽过过热蒸蒸汽水蒸汽的的形成过过程在T-s图上的表表示Mc—饱和水线线；Nc—干饱和蒸蒸汽线；；—液体热；；r—汽化潜热热；—过热热量量；c—临界点过热度：：过热蒸汽汽温度t超过蒸汽压压力对应的的饱和温度度ts的数值。水的临界点点参数：tc=374.15℃；pc=22.129MPa；vc=0.00326m3/kg干度：湿蒸汽中所所含干蒸汽汽的质量百百分数。设零度水的的焓为0，液体热：：ql=h′，汽化潜热：：r=h″-h′，过热热量：：qsu=h-h″。所以：h′=ql；h″=ql+r；h=ql+r+qsu。温熵图上上任一点的的焓值都可可以用通过过该点的定定压线、垂垂直线、纵纵坐标轴和和横坐标轴轴这样四条条线为界线线的一块面面积来表示示为什么用图图表？1、工程中需需要这些数数据：h,v,s等已知：汽轮轮机蒸汽进进出口参数数，怎样求求作功？可由图表根根据p1t1p2t2求出焓降，，从而得出出作功的大大小2、水蒸汽不不同于理想想气体，其其状态方程程极其复杂杂。所以一般按按温度和压压力编排成成类似于数数据库的表表格，以便便查取不同同热力状态态下水蒸汽汽的多种热热力参数(焓、熵、比比容)水和水蒸汽汽表(离散的点)或将这些数数据拟合成成曲线焓熵图(离散与连续续的结合)来源：实验验数据整整理水蒸汽表目的：tphrtspsv查取方法:插值法饱和水、干干蒸汽、未未饱和水、、过热蒸汽汽可通过水水蒸汽表直直接查出。。湿蒸汽参数数可按下式式计算：温熵图焓熵图线算图、莫莫里尔(德)来源：水蒸蒸汽表目的：直接接查取Δha定压加热b绝热流动定压线群、、定温线群群定容线群、、干度线工程中只需需计算水蒸蒸汽u、h、s的变化量，，因此可任任选一个基基准点。国国际会议规规定，水蒸蒸汽热力性性质表和图图以三相点点状态的液液相水为基基准点编制制。水的三三相点的参参数为p＝611.2Pa，v＝＝0.00100022m3/kgT＝273.16Kt=0.01℃此状态下液液相水的热热力学能和和熵被规定定为零，而而其焓值工工程上近似似为零。定压线—在在h-s图上呈发散散分布。定定压线任一一点的斜率率等于该点点的热力学学温度，饱饱和区内，，定压线为为一簇斜率率不同的直直线。在过过热区，随随着温度的的增高，定定压线趋于于陡峭。h-s图：C—临界点，，干度x＝0线，x＝1线；定压线线、定温线线和定容线线，在饱和和区内还有有定干度线线。定温线—饱饱和区内与与定压线重重合；在过过热区与定定压线自上上界线处分分开后逐渐渐趋于平坦坦。定容线—走走向与定压压线相同，，但比定压压线稍陡。。定干度线——一组干度度等于常数数的曲线。。x<0.5的区区域图线过过密，工程程中也不经经常使用这这部分数据据，所以通通常所用的的h-s图线中不包包括这一区区域。焓熵图（h-s图）第九节水蒸汽的典典型热力过过程定压流动过过程工质在设备备中进行定定压流动时时所吸入（（或放出））的热量等等于其焓的的增加（或或减小）。。绝热流动的的作功过程程水蒸汽在绝绝热情况下下流经汽轮轮机时乃是是依靠它的的焓降转变变为技术功功。通过喷管的的绝热流动动喷管就是通通过流道截截面积的变变化，使流体的速速度和压力力产生相应应变化的设设备。一般喷管可可分为渐缩缩喷管、渐渐扩喷管和缩放喷管管等。能量方程式式：工质流经喷喷管时，如如果发生绝绝热膨胀，，则其动能能必将增大大。满足可压缩缩流体一元元定常流动动的连续性性方程(质量守恒)：G=Ac/v气体介质中中的音速马赫数Ma<1亚音速=1音速>1超音速⑴渐缩喷管管：dA＜０,渐缩喷管只只能在Ma≤1范围内加速速流体。⑵渐扩喷管管：dA＞０渐扩喷管只只能在Ma＞1范围内加速速流体。⑶缩放喷管管（Laval喷管）：dA＜０→dA＞０缩放喷管能能将亚音速速(Ma＜1)流动加速到到超音速(Ma>1)流动。喷管型式的的选取：喷管压比p2/p1，p2喷管后压力力，P1喷管前压力力当p2/p1≥εc时，采用渐渐缩喷管，，喷管出口口（称为喉喉部）能获获得亚音速速或音速流流动；当p2/p1＜εc时，采用缩缩放喷管，，喷管出口口能获得超超音速流动动，在最小小界面（喉喉部）处的的流速理论论上等于当当地音速。。注：εc=pc/p1,喷管出口恰恰好达到音速流动时时的喷管压压比，称临临界压比，此时喷喷管后的压压力Pc称为临界压力扩压管使流体压力力升高，流流速降低的的管道称为为扩压管。。参数数变变化化规规律律（（与与喷喷管管相相反反））dc<０，，dp>０，，dv<０，，dT>０，，dh>０，，ds＝００种类类渐缩缩扩扩压压管管：：Ma＞1；渐扩扩扩扩压压管管：：Ma≤1；渐缩缩渐渐扩扩扩扩压压管管：：Ma＞1→→Ma＜1。不能能以以截截面面变变化化趋趋势势来来判判断断通通道道是是喷喷管管还还是是扩扩压压管管！！！！！！绝热热节节流流气体体在在管管道道中中流流过过突突然然缩缩小小的的截截面面，，如阀阀门门、、孔孔板板、、节节流流圈圈等等部部件件流体体则则产产生生涡涡流流和和摩摩擦擦，，即即产产生生局局部部阻阻力力损损失失，，因因而而引引起起压压力力显显著著下下降降，，这这种种现现象象，，称称为为节节流流。。又未未及及与与外外界界进进行行热热量量交交换换的的过过程程称称为为绝绝热热节节流流。。电站站中中用用到到的的流流量量变变送送器器就就是是利利用用节节流流孔孔板板产产生生的的压压力力差差来来进进行行流流量量测测量量的的。。流动动特特性性绝热热节节流流是是一一个个典典型型不不可可逆逆过过程程。。其其特特点点是是：：绝绝热热节节流流前前后后焓焓不不变变。。h2=h1p2＜p1s2＞s1对理理想想气气体体：：焓焓不不变变、、温温度度不不变变、、压压力力下下降降、、比比容容增增加加、、熵熵增增加加。。注:理想想气气体体的的焓焓是是温温度度的的单单值值函函数数。。对实实际际气气体体：：节节流流前前后后焓焓不不变变，，温温度度不不一一定定不不变变。。绝热热节节流流后后，，工工质质的的作作功功能能力力将将下下降降。。绝热热节节流流在在h-s图上上表表示示第十十节节热力力学学第第二二定定律律热力力学学第第二二定定律律的的表表述述克劳劳修修斯斯说说法法：：热不不可可能能自自发发地地、、不不付付代代价价地地从从低低温温物物体体传传到到高高温温物物体体。。开尔尔文文-浦朗朗克克说说法法：：任何发动机都都不可能只从从单一的热源源吸热，并把把它连续不断断地转变为功功。热力学第二定定律实质：““客观世界发发生的一切过过程都具有方方向性和不可可逆性”。层次一：方向向性。实际过过程总是朝着着一个方向（（趋向平衡的的方向）自发发地进行而不不能自发地反反向进行。层次二：不可可逆性。自发发过程的反向向过程即非自自发过程不能能自发进行。。注意：非自发发过程不能自自发进行，并并不意味着不不能够进行，，而是它的发发生必须以某某种条件(另一个自发过过程)为补偿。层次三：能质质衰贬原理（（The

Principle

of

Degradation

of

Energy）正是由于上述述过程的方向向性和不可逆逆性说明能量量有“品位””即作功能力力或转换能力力高低之分循环及其热效效率循环：工质从某一状状态出发，经经过一连串的的状态变化，，而重新回到到原来的状态态，工质所经经历的这些热热力过程的综综合，称为热热力循环，简简称循环。若循环的膨胀胀功大于压缩缩功，则循环环的效果是使使热能在一定定的条件下连连续不断地转转