发电场动力部分 第二章

第二章水蒸气及其动力循环§2.2水蒸气的典型热力过程

§2.3水蒸气动力循环§2.1水蒸气的定压形成过程及图表应用2—1水蒸气的定压形成过程及图表应用

火电厂锅炉在正常工作时，大都在定压或接近定压的情况下对水加热，而获得水蒸气的。

一水的饱和温度和饱和压力1汽化（或蒸发）指水变成蒸汽的现象。2凝结（或液化）指蒸汽变成水的现象。2.1

水蒸气的定压形成过程及图表应用BACK2.1

水蒸汽的定压形成过程及图表应用

3水的饱和温度和饱和压力：当水面压力为ps时，给水加热到温度ts时，水发生“沸腾”，即水内部产生大量气泡，这个对应水沸腾的温度称为饱和温度ts，而对应的压力称为饱和压力ps。

4实验表明，ps和ts二者互成单值函数关系（参见书上附表1和附表2）2.1

水蒸汽的定压形成过程及图表应用火电厂锅炉可按照其生产出来的蒸汽的压力和温度来划分类型（见书p77表5—1）

二水蒸汽的定压形成过程下面将讨论的是1kg的水，温度为0℃，水面压力为p的水蒸汽形成过程。这与锅炉中的水蒸汽定压形成过程相似。图2—1，将水蒸汽的定压形成过程分为三个阶段：预热阶段，汽化阶段和过热阶段。下面我们将整个过程的五个典型状态的状态特点，进行列表说明。2.1水蒸汽的定压形成过程及图表应用典型状态未饱和水饱和水湿蒸汽干蒸汽过热蒸汽温度t=0℃t=tst=tst=tst＞ts比容（增大）V0=0.001V′Vxv″v蒸汽干度00＜X＜1X=1熵（增大）0S′SxS″S焓（增大）0h′hxh″h图2-2PⅠⅠ0Ⅰ′

Ⅰ″Ⅰ2.1水蒸汽的定压形成过程及图表应用2.1水蒸汽的定压形成过程及图表应用表示水蒸气的定压形成过程的P-v图和T-S图：2.1水蒸汽的定压形成过程及图表应用

在压力PI下水蒸气定压形成过程,可用T-S图中的I0–I′-I″-I过程线表示，其中I0–I′线表示未饱和水的预热过程，对应的面积表示1Kg水从0℃定压加热到ts所需的热量，叫做预热热q1；I′-I″线表示饱和水的汽化过程，对应的面积表示1Kg饱和水定压汽化为干蒸汽所需的热量，叫做汽化潜热r；I″-I线表示水蒸汽的过热过程，对应的面积表示1Kg干蒸汽定压加热到过热蒸汽所需的热量，叫做过热热qsu。根据p19(2-2)式可得：

q1=h′-h0；

r=h″-h′；

qsu=h-h″。2.1水蒸汽的定压形成过程及图表应用2.1水蒸汽的定压形成过程及图表应用三水蒸汽图表及应用

1水蒸汽表（1）对于饱和水（x=0)和干蒸汽（x=1)，可根据给出的饱和压力或饱和温度从附表Ⅰ或附表Ⅱ查到v,h,s状态参数和汽化潜热r。（2）对于未饱和水和过热蒸汽，可根据给出的压力和温度或压力和另一已知状态参数从附表Ⅲ查到其余状态参数（例子见p19例2-1和p22例2-2）（3）对于湿蒸汽可根据给出的饱和压力（或饱和温度）和干度x，按下列公式计算：比容：vx=(1–x)v′+xv″焓：hx=(1–x)h′+xh″=h′+xr熵：sx=(1–x)s′+xs″（4）各状态点的内能可用u=h–pv求得。2.1水蒸汽的定压形成过程及图表应用例：今侧得某容器内每10kg水蒸汽中含有0.5kg同温度的水，并已知容器内的绝对压力为1.6MPa，试确定此水蒸气所处的状态，并求出它的干度、温度、比容、焓和熵。解：依题意，水蒸气的干度为：x=m″/m=(10–0.5)/10=0.95由0<x<1可知水蒸气处于湿蒸汽状态，根据p=1.6MPa，从附表Ⅰ查得该湿蒸汽对应的其它状态参数：2.1水蒸汽的定压形成过程及图表应用ts=201.37℃；r=1933.6kJ/kgv′=0.0011586m3/kg；v″=0.12368m3/kg；h′=858.6kJ/kg；h″=2792.2kJ/kg；s′=2.3436kJ/kg·k；s″=6.4187kJ/kg·k那么所求蒸汽的比容：vx=(1–x)v′+xv″=0.117（m3/kg）焓：h=h′+xr=2696(kJ/kg)熵：sx=(1–x)s′+xs″=6.2149（kJ/kg·k）2.1水蒸汽的定压形成过程及图表应用2.1水蒸汽的定压形成过程及图表应用2水蒸气图（1）T-S图用途：可直观地分析蒸汽的热力过程例：P30习题2解：一在T-S图上定性描绘：根据已知的高压锅炉的过热蒸汽压力pⅠ=10MPa和亚临界压力锅炉的过热蒸汽压力pⅡ=17MPa，在同一个T-S图上分别用I0–I′-I″-I过程线和Ⅱ0–Ⅱ′-Ⅱ″-Ⅱ过程线表示它们的水蒸气定压形成过程，然后逐个比较对应的过程线下代表预热热、汽化潜热和过热热的面积的大小，可知亚临界压力锅炉的预热热和过热热比高压锅炉的预热热和过热热大，但汽化潜热却比高压锅炉的小。2.1水蒸汽的定压形成过程及图表应用二定量计算：1高压锅炉由pⅠ=10MPa查附表I得：h′=1408.6kJ/kg；h″=2724.4kJ/kg；r=1315.8kJ/kg。由pⅠ和t2查附表Ⅲ得：h0=946.0kJ/kg由pⅠ和t1查附表Ⅲ得：h=3475.4kJ/kg。预热热：ql=h′-h0=462.6（kJ/kg）；汽化潜热：r=h″-h′=1315.8（kJ/kg）；过热热：qsu=h-h″=751.0（kJ/kg）2.1水蒸汽的定压形成过程及图表应用2亚临界压力锅炉同理查表得：h′=1692.45kJ/kg；h″=2548.55kJ/kg；h0=1134kJ/kg；h=3399.05kJ/kg预热热：ql=h′-h0=558.45（kJ/kg）；汽化潜热：r=h″-h′=856.1（kJ/kg）；过热热：qsu=h-h″=850.5（kJ/kg）（高压锅炉：ql=462.6；r=1315.8；qsu=751.0）2.1水蒸汽的定压形成过程及图表应用（2）h–S图（p18）用途：可用来查取水蒸气各种状态点的状态参数。（参见p19例2-1和p24例2-3），而且可先根据已知的p,t,s,x,参数在h-s图中查到各个焓值，然后利用书p19（2-2）,（2-3）,(2-4)公式计算蒸汽的吸热量、作功量和热效率。（参见p24例2-3）在h-s图上有如下曲线：定干度线，定压线，定温线和定容线。2.2水蒸气的典型热力过程2—2水蒸气的典型热力过程一换热器内的定压流动过程火电厂中，每kg工质在锅炉、过热器、回热加热器等加热设备中的吸热量等于工质焓的升高，而工质在凝汽器中放出的热量等于工质焓的减少。即q=ΔhBACK二汽轮机内的绝热流动过程每kg工质在汽轮机的作功量wi等于工质的焓降：Wi=h1-h2。(注意：符号wi,wt,ws)每kg水流过水泵消耗的功wp等于工质的焓升：Wp=h2-h1=(p1-p2)v2′（例子见p24例2-3）

三通过喷管的绝热流动喷管的作用：将工质的热能转变为汽流的动能。2.2水蒸气的典型热力过程喷管出口的工质流速：

(m/s)

(例子见P22例2-2)通过喷管的质量流量：qm=S2c2/v2（kg/s）根据工质在喷管进出口的压力比选择喷管。

四绝热节流p21工质节流前后的状态参数：h1=h2，p1＞p2，s1＜s2工质节流前后，虽然热能的数量不变，但其品位降低了。即作功的能力减少了Δh。2.2水蒸气的典型热力过程如p22图2-8所示，设节流前的工质和节流后的工质都分别膨胀作功,压力降到pb，那么两者作功量差别为：Δh=（h1-h1b)–(h2-h2b)。2.2水蒸气的典型热力过程8

例如，在火电厂中，蒸汽流经管道和阀门的节流，会使其作功能力减少；烟气和空气在烟道和风道内的节流，会使厂用电增加。另外，在火电厂中，利用节流原理设计的测量表计有：1节流式测量计，用于测定工质的流量；2节流式干度计，用于测定湿蒸汽干度。2.2水蒸气的典型热力过程2.3水蒸气动力循环2—3水蒸气动力循环朗肯循环

1

水蒸气卡诺循环由于卡诺循环的吸热和放热过程都是定温的，因此只能使用饱和蒸汽作质，而不能用过热蒸汽作工质。BACK2.3水蒸气动力循环卡诺循环的优缺点：

优点：比同温差的其它动力循环热效率高。

缺点：1>因只能使用饱和蒸汽作工质，所以循环的上限温度受限于临界温度，下限温度受限于环境温度，使循环可利用的温差范围不大，热效率不高。2>水蒸气膨胀终了状态的湿度太大，不利于汽轮机的安全运行。2.3水蒸气动力循环3>定温放热终了状态仍为湿汽，由于比容大，必须采用十分庞大的压缩机，耗功大；另外要实现汽水两相混合物的绝热压缩，技术上困难大。2水蒸气的朗肯循环2.3水蒸气动力循环（1）朗肯循环由如下四个过程组成：1→2过程(在汽轮机膨胀作功wt），2→3过程（在凝汽器放热q2），3→4过程（由水泵压缩，消耗功wp），4→5→6→1过程（在锅炉预热、汽化、过热q1）。（2）朗肯循环与卡诺循环的不同之处（p23)10(3)朗肯循环的热效率ηt工质向外输出的静功：wo=wt–wp

=(h1–h2)–wp

或wo=q1–q2工质吸收的总热量：q1=h1–h4=(h1–h3)–（h4–h3)=(h1–h2′)-wp2.3水蒸气动力循环热效率:式中：h1—汽轮机进汽的焓h2—汽轮机排汽的焓h2′—汽轮机排汽压力p2下的饱和水焓2.3水蒸气动力循环再热循环

再热循环与朗肯循环的不同之处是：在锅炉内增加一个再热器。其优点是：

1>可解决，因过热蒸汽压力提高后，使排汽干度过低，而造成汽轮机末级蒸汽湿度过大的困难。因此，压力在超高压以上的大中型锅炉均采用再热循环。

2>可提高循环热效率。2.3水蒸气动力循环三回热循环回热循环与朗肯循环的不同之处是：在循环中增加回热加热设备。其优点有：1>可提高锅炉入口水的水温，从而提高工质在锅炉内的平均吸热温度，使其更接近最高吸热温度T1,以达到提高循环热效率之目的。2>由于回热加热设备所用的抽汽不排到凝汽器里，因此减少了工质在凝汽器的热量损失(q2)。2.3水蒸气动力循环一般超高压以上的机组采用7~9级回热（例p155图9-5）2.3水蒸气动力循环

以下内容是对提高郎肯循环效率的补充和小结第四节

提高朗肯循环热效率的途径提高朗肯循环热效率的途径：

改变蒸汽参数途径

改变热力循环提高初参数降低终参数ts1(p2)提高初温t1提高初压p1再热循环回热加热热电联产第四节

提高朗肯循环热效率的途径一、提高初参数P125所谓初参数就是汽轮机进口的过热蒸汽参数，也称新蒸汽参数。1.提高初温

见图6-14。优点：乏汽中的水珠含量减少，水珠对叶片的腐蚀减轻，水珠对叶片背面的撞击阻力减小，有利于汽轮机的安全运行。受限条件：金属材料热性能的限制循环热效率效果不明显第四节

提高朗肯循环热效率的途径一、提高初参数P1252.提高初压

见图6-15。缺点：水珠对叶片的腐蚀加重，对叶片背面的撞击阻力也增大，不利于汽轮机的安全运行。受限条件：金属材料强度性能的限制结论：提高初压的同时，往往提高初温，提高初温的主要目的是提高汽轮机排汽干度x。循环热效率效果明显第四节

提高朗肯循环热效率的途径二、降低终参数P125终参数是指汽轮机排汽口的乏汽参数。降低终压的T-s图见图6-16。缺点：乏汽干度x减小，不利于汽轮机的安全运行。受限条件：冷却水的温度；排气压力下降，乏汽比容增大，汽轮机末级叶片长度尺寸增大，使汽轮机尾部尺寸加大。循环热效率效果明显第四节

提高朗肯循环热效率的途径三、再热循环P126再