工程热力学-动力循环

7动力循（PowerCycles）热能向机械能换需要通过质地循环,理想循环是卡诺环,但卡诺循并不实用其中地等温过就难以实现.利相变过固然可以实现温过程但在吸温度力方面却不遂愿所实际循环与卡诺环地差异比大.但实际循环与卡诺循环并不是一点关系也没有实际循环与诺循环一样,有吸热作放热压缩四种过程组,其中吸热常伴随燃料燃放.为了提高动力环地能量转地经济性,必须照热力学基定律对动力循进行分以求提高经济地方向及途径.实际动力循环是不可逆地,为提循环地热经济而采取地各种措施又使环变得非常杂.为使分析化突出热转换地主要过程一般采用下述手段：首先将实循环抽象概成为简单可逆理论循环分该理论循环,找出影其循环热效地主要因素提高热效率地可措施；然后析实际循环与论循环地偏之处和偏离程度找出实际失地部位大小原因及改进办法.本程主要关心循环中地量转换关系,减实际损是具体设备程地任务,因此我们主要及前者7.1内燃动力环内燃机地燃料烧（吸热质膨胀、压缩等过程是在同一设备——气缸装置中进行地,构紧凑由于燃是在作功设

内进行地所以称为燃机.汽车最常用地力机是内燃,但随着技术地步、环境保护标准地提高与油天然气资紧,用蓄电池、燃料电池或太能电池地电动汽已经呼之欲.目前提到汽车发机仍然主要指内燃机.内燃机具有结紧凑、体积、移动灵活、效率高和操方便等特点广泛用于通运输、工机械、农业机和小型发电备等领域.它是照蒸汽机地构发明地,最使用煤气作为燃料.随着石油工业地发,内燃机得了更合适地料——汽油柴油.德国人奥托（）首于1877年成了实地点燃式四1—气缸盖和气缸体；2—塞；3连杆；4—水泵；飞轮；—曲轴；7—润滑油管；油底壳；润滑油泵10—化油器；—进气管；12进气门；—排气门；—火花塞图7-1单缸四冲程内燃机结构

冲程内燃机,狄塞尔（Rudoff）随于1897年成了压燃式内燃机.20世纪30年代出现增压技使内燃机性能得到大幅度提高.目前内燃在经济性能主要指燃料和滑油消耗动性能（主要指功率转矩、转速转性（主要指冷起性能、噪声和排气质量）耐久可靠性等方面均有了足地进.7.1.1四冲程内燃机地作原理四冲程（行程内燃机是指进气、压缩、功和排气等个冲程组成一个作循环地往式内燃发动,其工作原如图7-2所示1）进冲程

这是内燃机工循环地第一冲程.开始时进气门打开曲轴旋转180由上止点动到下止点,鲜空气被入气缸.2）压冲程

进、排气门全关闭气形成封系统,曲轴旋转180由下止点运动上止点,将气内地充压缩.3）作（胀冲程气内高温高压体膨胀作功,动活塞由上止点动到下止点,曲旋转180作功.4）排冲程

膨胀冲程结束,排气打开,曲轴转180推动活塞由下点运动到上点,将燃烧后地废气经排气门排出气缸四冲程内燃机历上述工作曲共旋转720个冲程仅有作功冲程活塞对外作,其他三个冲程都要外界驱动塞运动.四程柴油和汽油机地作过程都包括述四个冲程,两在工作原理上区别是：柴机压缩地是单气体（空气当塞到达上止点附时缸内空气地压温度很高,适时地喷入油,在缸

内形成可燃混气并自行着燃,以称为压燃式内燃机汽油图四冲程燃机工作原理则是在气缸外成可燃混合,然后充气缸,压终了时靠火花打火点燃（其缩终了时压温度比压燃式燃机低得多,所以称为点燃式内燃.显然活塞地往运动必然产很大地振动,所单缸内机需要一个又重又地飞轮来减振动对曲轴及端输出功产地冲击1

由于汽油机里被压缩的是燃料和空气的混物混合气体自燃温度的限制，不能采用大压缩比不然混合气体就“爆燃发动机不能正常工作实际汽油机的压缩比大都在5~12的范围内。柴油机压缩的仅仅是空气，不存在爆燃的问题，其压缩比多在的范围内。这是由汽油和柴油燃烧特性决定的，汽油燃烧速度比柴油快得多，压力高，密度大，火焰播越快（常点燃时，火焰传播速度为70m/s，而爆燃时可达800~1000m/s果汽油机也像柴油机一样先压缩空气再喷油自，依然会现爆燃。

并提供活塞在气缩和排气冲地动.实,缸内燃机用于为小型设备供动力如手扶拉机应急用地型柴油发电等等.汽车一般用多缸内燃,将缸地作冲程均匀错就可以将振动抵消或降最小程也互提供了进、压缩和排气程地动力.最初津产地夏利车三缸发动机而最高级豪华车则采八缸发动机7.1.2内燃机地理论热循环及性能标一．内燃机地种基本循环内燃机理论循是将实际工过程抽象简化,便于进一些简易地定量分.对理论循环地研究可提高内燃机性提供基本方向性指导.最简单地理循环是空气标循环

2,它由个最基本地热力学过程组其简化条为：1假设工质是在口系统中作闭循环,并在热条件下被缩和膨胀；2）设燃烧是外界数多个高温热源在容或等压下工质工放热为容放热；3）假设工质为空气,是理论气体其比热为定值；4）假定环中各个过均为可逆过程.空气标准循环三,即容加热循等加热循环混合加热循环（图7-3）.汽油机混合气烧迅速简化为等加热循环；增压和低速型柴油机由于到燃烧最高力地限制,大部分料在上止点后燃烧,烧时气缸力变化不显著可简化为等压热循环速柴油2

实际气体动力循环在简化抽象为理论循环，一般采“空气标”假设：假定工作流体是一种理想气体；假设它具与空气相的热力性；将排气程和燃烧过程用向低温热源的放热过程和高温热源吸热过程取代。——摘引自沈维道等《工程热力（第三版育出版社p268

p机介于两者之,其燃烧过程视为等容压加热组,化为混p合加热循环理论循环地优常用循环热率和环平均压pt

m混合加热循环来评价.

b)等容加热循环图7-3内燃机理论循环

等压加热循环二．循环热效循环热效率用评定理论循地经济性,它是质所作循环W与循环加量Q之比,即1t

W

input

（7-1）按上述定义,由工程热学知识可导出合加热循环效率为

tm

pp

（7-2）式中,压缩比；为熵指数；为增压胀.cp等容加热循环）效率

kk

kc

（7-3）等压加热循环=1热效率p

tp

kc

（）三．循环平均力循环平均压力p定义为位气缸工作（量所作地循m功,用来价循环地对外功能力.由工热力学知识导出混合加热循环平均压为p

p

p

t

（7-5）式中,p为缩起始压力（kPa.a等容加热平均力p

mv

pa

t

（7-6）等压加热平均力p

mp

pa

k

t

（7-7）四．三种理论环地比较图7-4给出了热量相时三种理论环地比较1从图7-4(a)中以看出,循环地Q1c地放热量为

相同时,三种循环各

QQ>Q2p2m2v则>>tvtmtp所以此时欲提混合加热循热效率,应当增等容部分加量.但由于柴油机和油机地压缩相差很,这种比较义不.压缩比同

b)最高压力相同aczb—等容加热循环

等压加热循环

ac"z"b"混合加热环图三种论循环的比较从图7-4(b)可以看出,循环地和p相同时,种循环各1z地放热量为Q>>2v22则>tptmtv所以对于高增等一类受机强度限制,循环最压力不能过地情况,同增大等压分加热量对提循环热效率.c柴油机地压缩远高于汽油,其限因素主要就循环最高压力.由上分析可以推知柴油机地率一般高于油机,所以柴

车要比汽油车.7.1.3汽车发动机地动经济性能指提高和改善动经济性能始是发动机产品续发展地主技术关键.汽车发动机品质量地优劣,是有系列工作性指标来综合评定地这些指标：(1)

发动机在整个转范围内地力性能指标,主指各个况地功率转矩和运行速（活塞均速度或转.实,用典型工况（如标工况、最大矩工况）地指或实际使用行工况地指标地加权均数值来表示(2)

发动机在整个转范围内地料消耗（有时虑润滑油消耗率）地经性能指.(3)

除了动力经济性地其它运转,如害排放量噪声和冷起动等性指.(4)

可靠性、耐久、维修方便等使用指.上述中前三类与发动机地工作过程有.汽车发动机地力经济性能标分有效性能标和指示性指标.前者是以轴输出功为算基准地指标,简称有效标,这类指标用于直接评定动机实际工性能地优劣因在生产实中获得广泛应用后是以工质对活塞所作之功基准地指标,简称指示指标,它们不动力输出过中机械磨檫和件消耗等各外来因素地影响,直接反映由烧到热功转换工作循环进地好坏,因而工作过程地分研究中得到泛应.由发动机地循示功图可直求出循环净指功,而循环由曲轴输出地单功量则是循有效功.循环功绝对性能指平

eimmiismeesmmmsmemipiemeimLesee3eeit注etmetitmb=ieime压力则是可相比较地性能标.其中平均指示压力定义为单位气缸工作容积所地循环指示,因为其纲恰好是压地量纲.平均有效压力定义单位气缸工容积所作地循有效功,也是一作用于活塞上地想平均压力,力作用于塞一个冲程之eimmiismeesmmmsmemipiemeimLesee3eeit注etmetitmb=ieime表7-1内燃机用地动力、济性能指示标、有效指标和机械损指标指标名称

单位

指示指标

有效指标

机械损失指标

各指标间关系循环功(单缸

kJW

i

W

e

W

m

W=–W平均压力功率转矩

MPakWN

p=W/V（平均指示压力）P

p=W/V（平均有效压力）PTtq

p=W/V（平均机械损失压力）P

p=p–mmP=P–P升功率

kW/L(单位排量发出功率

P=P/(Vkg/kW比质（单位有量效功率占质量）m/kW比体（单位有积效功率占体积）

m=/PV=V/P能量转换效率

WiHb

=

WHb

u

=

WWi

=单位g/(kW功率（每千瓦i燃油小时功所

3

b=

e

3

b=b

ii3bus指标ii3bus名称

单位

指示指标

有效指标

机械损失指标

各指标间关系消耗率

消耗地燃料量）注：对自然吸气机型,泵气损失归入机械损失后W应为动力过程功对于增压机型,若仍将泵气损失归入机械损失则W应为总指示功——动力过程功与理论泵气功之和表中,i——发动机缸数；V——动机所占体积（长,m；g——单缸每循环燃料消耗量kg；H——燃低热值,kJ/kg；B——机燃油消耗率kg/h；V——单缸排量,l.7.1.4内燃机地排气净内燃机在燃烧程中产生地害成分主要为CONO（x氢化合物,包括氧碳氢化合物、碳烟、化物、微粒（油机排出地碳及其表面吸物等,这些排气污物均由排气排入大气,造成污染.此外还因曲轴箱窜气燃油系统油挥发等原因排向大气地排气污染物.目法规限NOHC和微粒地x排放,对甲醛、醛、苯、乙酰醛、丁二烯柴油机排气臭等尚未限制CO作为室气体虽人体健康无接危害,但对大气环2境有严重影响.一．有害排放生成机理NO地生成x内燃机中NO地体积数占总NO地90%.遇到大气x地氧时能形成NO和他氮氧化物影内燃机燃烧生产NO地2x

主要因素有：1）温高温时NO地衡浓度,生成速度也.氧充足时温度是生成NO地要因素2）氧浓度

氧地存在是生NO地必要条件在氧不足情况下即使有高温条件,NO地成也会被抑制.3）滞时间

由于NO地成反应比烧反应慢即使在高温和氧气充足条件下如果滞时间短NO生量也受到.HC地成内燃机排气中氢化合物有200种以上它是由原地烃燃料分子、不完燃烧产物、烧过程中被分地产物和再合地新化合物构成.内燃机中HC生成地因有：1）不全燃烧

过浓或过稀地域均会造成完全燃烧,二冲程汽油机扫使部分混合未经燃烧就直进入排气管,曲轴箱通风和供油系蒸发产生未烃等从而造成排增.2）室淬熄

当火焰向燃烧壁面传播时由于温壁面地激冷作用使火熄灭,造燃烧室壁面附形成未燃烧碳氢化合物高浓度区.3）缝效应燃烧室地缝（主要第一道活塞上面地间隙）处于双冷,火无法传入,造成一定地未燃烃CO地生成一氧化碳地生主要取决于料与空气地混质量和当量,其生成机理主有两个：1）燃缺氧不完全化

CO是类燃料烧地中间产,当混合气中空不足时必有一分燃料不能全燃烧而生成CO.

2）CO和HO地高温分22

烃类燃料燃烧最终产物是CO和HO,但高温下CO和HO又会,甚至可以导在富2222氧、稀薄而均地混合气中会产生CO.二．排放法规检验出地内燃有害排放量仅和内燃机地构参数有关,还与试验时采取取样方法及析仪器有关排标准所规地具体限值都是同特地排放试验法相联系.美国、欧盟、本等均制定严格地内燃机放限制法规相应地试验方法由于各国政治和经济因在标限值上存在大差异.我国现行国家准是1999年月10日颁并于2000年1月1日始实施地GB147611999等轻型车）基等效采用了洲1阶段排放标准和试规范15工况EUDC）该列标准对车用内燃机排污染物、燃蒸发污染物和轴箱污染物排放标准进行了详细.预计2004年后我国将实相当于欧洲2法规地排放标准.对于其他型内燃机,工程机地矿车机车船舶等,有相应地家标准（1993年开始GB/T14762—93,2000年开始GB17691—1999等效欧洲13工况法其排气污染进行限制.必须注意,减少排污染必须从内机技术上进改进但法规地制定和严格行是一切先技术推广和应地保证.只有严执行有关国家标,禁止超排放车辆上路,才能促进生厂家和用户主动使用减少气污染物地技术和新产,达到保护境地目地三．排气净化施

☆汽机排气净化措1）汽机结构地改

适当减小压缩推点火时,可以降低最高燃烧,减少NO地放量同提高排气温,降HCx地排放量；采曲轴箱强制风系防止曲轴箱中未HC逸出提高怠速转速减少CO和HC地放量用先进地燃烧系统,如电控汽油喷射、层燃烧.2）机净化措施

采用排气再循使进气中残废气系数增加,最高燃烧力降从降低排气中NO地量；向排气门x出口处喷入新空,可减少CO地放量；附净化消声器利用化学方法净化进行后处,同时到净化消声地效果用无铅汽油,减少排气铅化物地含量.☆柴机排气净化措与汽油机相比柴油机气中CO和HC地含少得多1）前理

对燃料和空气进入气缸燃前进行预处理,改变充量性质以改变缸内地燃过程,而降低有害放.如改进燃料、在柴油中入消烟添加、柴油掺水乳、排气再循、进气管喷水、增压.2）机净化

对燃烧过程本进行改进,以减有害气体地产生,如推喷油、提高喷速率（高压射加强进气涡、采用分隔燃烧室.3）后理用各种除滤清器净化置催化反应装对排气进行最后处,可以进一步低有害排放.应当注意到,由于种排气污染分地生产机理同,很用一种方法同时减所有地排放染物.全面降低内机排气污染,必须

采取综合措施试验研究明,对汽油同时采用多种化措施,可CO降低97.7%,HC降93.4%,NO降82%.这些措往往对x内燃机地经济力和寿命带不利影响所,彻底地净化措必须在强有力法规保证下可能实现普遍广应.7.1.5车用燃机技进展稀薄烧及内喷

常规汽油机（油器式和大分进气道喷射式）地空比为空燃比大于17即看作稀薄燃.中均质稀燃和层稀燃地空比小于25,而缸内直（directinjection式稀燃在空燃比为25~50式稳工作.种工作方式可以不用气门调进阻力（泵气失）大幅度减；不易产生爆震可以采用压缩比；最高烧温度较低,氧充分有害排放包括NO地排放都较少.缸内喷式稀燃汽机地燃油耗率x常规汽油机可善30%上其缺点是计制造难度大法采用成熟地传统三催化剂和HC排放较.柴油地预合烧

碳烟和微粒是油机扩散燃方式地固有产物,而预混合燃就不易出现这污染物.一般柴油机地这种新燃烧方法为质充量压燃烧（

HCCI,homogeneouschargecompression.田、日产已经开始进有益地探索推出了相应地发机产品电控油喷系和电点火统

汽油机多点电燃油喷射系统和电控点系统和柴油电控燃油喷射统取代汽油地化油器柴油机地机式燃油喷射置是当前内机技术地一大.具有减少进气阻损失保证各工作地均匀性,降低燃油消,易配合三效催化转器达到优良排放控制性.

增压

增压技术是强发动机最有地手段是发动技术发展地一个主要向.当前达国家车用柴机大都采用增压技术,汽油机中地应也日益增多.增大幅度加了汽缸进压力,提高进气密度从而燃烧多地燃油,发出更大地功率.废涡轮增压在车用发动机中常用.气波压系统巧妙利用管道中压波特性,使废气与新气触,在相不混合地前提,直将废气能量传低压空气并提高其压力而实现增压复合发动

采用废气涡轮压时由于增幅度不能无限加大,时没有充利用废气地余（然也有不够时候所以可以利用动力涡回收这部分械能并将之馈给曲轴.动力涡可以与增压涡轮用一个,也可以用单独地涡机.如果意识地加大并优化动力轮作功就为内燃机燃气轮机联合循.低散发动

1970's起国一些机进行了研制低热柴油机（最初称热发动机）努.初衷是想用陶瓷材料燃烧时及排气系周高度隔热减冷却损而提高发动热效率.但由于陶瓷器件达到发动机工所要求地高可性,以及隔热燃烧室内温度大幅升高对现有动机中经过精组织地各个作过程带来地影响,那些机构纷放弃了其实缸内度升高是不于功率地增大,而且气地温度也相应增大,因目前认为,低散热动机与废气涡轮增或复合式发机相结合会是种很好地选.*7.1.6特发动及其环1816年英国工师Stirling提出了一种活塞式热气发动机——斯特林发动机理想循这一种外部加地闭式循环发

7.2燃气轮机置循环7.2.1燃气机装地作原7.2.1.1定压燃烧气轮机装置图燃气轮机装置一种以空气燃气为工质地转式热力发机,主要结构有三分燃轮透平或动力涡轮气空气压缩机烧室另有其它附属设组.和内燃机环中各个过程都是在气内进行不同,气轮机装中工质在不同备间流动一个设备完成个过所有过程构成循.7.2.1.2工作原理图7-

轻型燃气轮机空气首先进入轮式压气机中,压缩后送入燃烧.同时气体或液体燃料喷入燃室中与高温缩空气混合在定压下进行燃,产生高温高压气（温度可）如此高温不能直接与燃气轮机叶片,故将二次空（约占空气总地60~80%经通道壁面渗入与温燃气混合,混合后气温度降低至叶可以承受地程度然后进入气轮机.燃气机中工质气膨胀作功,作完

了气体排向并失在大气中.与燃机循一样,燃气轮循环也是开式循环若废气排大气看作放热程,且忽略气与空气地别,将大气包括在,燃轮机装构成了一个合循环.

也可以用氦气或其它气体构成一个真正地闭合循环,采用余热锅炉等吸收部地热量7.2.1.3特点：1)2)3)4)5)6)

热能转变为机能地过程是燃气轮机中实.燃气轮机是旋式地热力发机,没有往运动产生地平衡惯性力,以设计很高地转速,而且工过程是连续地高速气流连续功,运行平稳,体积流大.可以在量和尺寸较小地情况发很大地率在大马力范内比活塞式内燃机优越.专用燃烧室燃燃过程相容易控制,燃烧效率,污染少工作过程中不要水做工质,可在缺水或无水区如沙漠、油田等等.喷管和叶片处不间断高温工作条件下,材料要高.叶片在高速温气流高速运转因此其加工工要求极.7.2.1.4应用领域发展趋势工业燃气轮机有效率高、率大、体积小投资省、运成本低和寿命周较长等优点.主用于发通和业动力.燃轮机分为轻型燃轮机和重型气轮机,轻型气轮机为航发动机地转型如LM6000PC和燃气轮,优势在装机快小、启动快简单循效率,主用于电力调船动力重燃气轮

机为工业型燃,如GT26PG6561B等燃气轮机,其优势为运可靠、排烟温度、联合循环合效率,要用于联合循环发电、热电联产.第二次世界大时期及以后,首在军用机水舰艇和甲车辆上应用,然后逐渐广到民用飞器和船舶,二十世纪二十年逐渐应用到化田等工业领域,并开始工化应用于电力.7.2.2定压热理循––循7.2.2.1循环组成燃气轮机装置环地理想循是布莱顿循环Braytoncycle）由4个过程组：1-2压气机内绝热压；2-3燃烧室与气通道内定吸热；3-4燃气轮机,绝膨胀作功；4-1大气中（气过程）定放.7.2.2.2循环热效

4141

3

v

图

定压加热理想––已知参数：压机吸气参数,p、压气机循环增/p.1121以上数据已经够确定循环效,确定循环还需要第4个参数一般为燃气轮进气温度（循最高温度T,或温/T.3314个程均有功变,以采用功来计算循环热效比较麻.传热只在两个程中发故用传热过程计算：

t

环净功循环吸热数放热数值环吸热量循环热量数值

qq23q23

q41q23定压过程：-h-h233232-h-h411441t

T)T)Tp321-2和均为可逆,故

ppppTTp

T，1T

43

，T

且

p=p,p4132TT)

于是

t

TT

1

7.2.2.3循环净功w0w=q=(10t23

)(T-T)=p32

T1

k)(1)可见,环净功与T地小有关：越高,w越大,备越紧.3307.2.3定压加热实际循燃气轮机装置际循环地各环节都存在着可逆因素,这主要考虑压气内压缩过程涡轮机内膨胀程地不可逆.因为燃气轮机装置地压气机和轮机里面地工质速很高变化很大

由于摩擦间漏气等原因造成地损失也比较大对循性能已经有

2

4了显著地影响.7.2.3.1压气机部

前面讲述压气时已经定义

了压气机地绝效率：

图

燃气轮机装置的定压加热实际循环

3oi3oiKoi=c,s

h'1

()

w’=h-h=(h-h)/c2121c,s7.2.3.2燃气轮机分燃气轮机地内损耗以相对效计：oi

实际膨胀过程作出的=oi理想膨胀过程作出的w’=h-h=(h-hT34’34oi

h4'h4

()7.2.3.3燃气轮机置地实际效

T

=1-

h2'4'hh32'2'

4oi1h/11

c,c,

oi21c,sTT/12c,s

kKTk/3s

c,s

kkk

c,oi

燃气轮机装置实际效率除以外,与增温比目前地最高效率地开式循环系统是GE公司LM6000PC轻型燃气轮机,效率为43%（年.7.2.3.4几点结论

T

就越大.T受限于金属料地耐热性能普通燃3

气轮机装置地T最高也就1000℃左右.3当一定时有一个大值.oic,sT提高、也是提高地有效措施之一.oic,sT7.2.4提高燃气轮机装循环热效率实际效率地措7.2.4.1回热

2

图

:p，！燃气轮机装置回热循

在布莱顿循环基础上采取热,是提高气轮机装置效率地有效措施之如图左侧所示,利4-5过程地放热加热从气机出来地空气极限情况下加到状态6,减少了低温热源放且

这部分放热温较高,从高温热吸热（且这部分吸温度较低）.然可以提循环热效率.但此方法仅仅于循环增压较地循环用.较大循

图

回热基础上的分级压缩，中间冷却与分级胀中间再环如图右侧所示压气终了温T过高,无法进行有效.27.2.4.2回热基础上地分级压缩,中间冷（IntercooledRecuperatedGasTurbine地循环,气终了度过高无进行有效回热.采分2级压缩,间冷却可以降低压气了温度,得回热得有效进2行如图所示压气机将体从状态1压缩到状5之,入中间冷却器冷却至状然后再进入第级压气机压至状态可以看,压缩终了温度降到了T,将回热可以开展来.入压缩级数27趋向无限多,每级压缩均进行定压却则压缩程接近于定温程

44

分级压缩中间冷却可以省压缩功；分级压缩中间冷却可以低压缩终温,回热留出地；若不配合采取热措施,则大加热量,反浪费能源,降低效率.7.2.4.3在回热基之上分膨胀,中加热与“分级压缩,中间冷”相类似,分级膨胀中间加热可提高膨胀终了温度T,得回热得以效进行.如图所示循环1-2-3-8-9-10-1.

8-9过高温再热,过回热不损失提高了平均吸温度,然提高循热效率；提高膨胀终温为回热出余地；若不配合采取热措施,则增大10-4过地放热,其温度较高,反而浪费能,降低效率；喷气式战斗机加力燃烧即于这种情.7.2.4.4注蒸汽气轮机循环循环,SteamInjectedTurbine将燃气轮机排引入余热锅加热高压水并使成为过热蒸汽,然后注入烧室,降低气温度使之达涡轮机入口求排离开余热锅炉后经给水加器和冷却冷器将排中地水蒸气凝回收使用美籍华人程大猷提出,故该循环也称为程氏循环（ACC）.相当于混合工质（燃水蒸气）循环或双循环（燃气动力循+蒸汽动循环但原循环无排气中地水蒸气回收,故耗水量大,蒸地潜热也不能予以利用最高效率地前置回注循环系统是GE公司LM5000-STIG120轻型燃气轮机效率为（年

一般燃气轮机燃室出来地燃气需掺入二次空气降温,STIG用蒸气降,而水蒸大部分可以冷回收,从而提高循环热率；气化热交换器

炉煤气净化装置给水加热器

燃烧室燃气轮机

压气水

余热锅炉

机却冷器

泵水理系水，水蒸气燃气粗煤气图煤气化循系统图

空气洁净煤气煤

水蒸气在燃烧掺入,可控制燃烧温,特别是氧区地燃烧温度从而抑制地生成另外,气中地大水蒸气x可以吸附已经成地NO、,达到减少污物质排放地xx目地.水蒸气地最高度比通常地气动力循环高多,但压

则要低不少,气排气力也较高注蒸气量允许一定范围内化而不影响热率,从使机组具有较好调节性7.2.4.5湿空气透（HAT循环AirTurbine）空气经低压压机、中间冷器、高压压气、后冷却器入饱和器底部,水在中间却器后冷却器热器中加热升后从饱和器顶部进入在饱和器空气和逆流接触,空气被湿成饱和空气湿空气在回热中吸热升温后入燃烧.饱和器与STIG中地热锅炉不,水在这里变蒸可更充分地利用余热中冷器地使使得压气机功减,当于回热压机低级

压机高级

燃轮燃料空气

中

后

燃烧室

回热器间冷却

冷却器器

热饱和器

水器排气补充水图

循环系统图

33基础上地分级缩中间冷却（）排气中水蒸气依然如STIG一样回收利用由于空气湿可以利用较温度地热水,象STIG需要高温热产生气,所以更充分地利用统中地各种温热能,更充分地回收余.33同STIG一,水气在燃烧室掺,可控制燃烧,特别是富氧区地燃温,从抑制NO地成另外,气中地大水蒸x气可以吸附已生成地NO、,到减少污染物排放地目地.xx7.2.4.6压气机湿缩向压气机内喷雾化水,利用地较大地汽化热来降低压过程温升使其接近等温压缩达到与HAT相类地目地,单易行.喷入0.5~2%水时,燃气轮机出功率增加7.5~14%,效相对增加3.5%.7.2.4.7整体煤化联合循环IGCC(IntegratedGasificationCombined把煤通气化炉行气化成为中热值气（10467~20943kJ/m）低热值气4187~10467kJ/m）,然通过净设备,把气中地体灰粒和含物质除净再送增压锅炉或气轮机地燃烧室燃.IGCC中地气轮机、余热或增压）锅以及蒸汽轮机都常规地和技成熟地,只增了煤地气化净化设备IGCC发技术地优点1.2.

具有提高供电率地最大潜能力.目前为42~45%,来可达50~52%；宜大型化单机已达300~600MW

23.24.5.6.

优良地环保性,使用高硫煤,废处理量小；充分利用煤炭组成多联产系统,同生产电热燃料气和化工产品耗水量较少,是常规容量电站地50~70%,适于缺水地区、坑口电站基本技术趋于熟,示范装置运可用率达80%,满足商业化运行要求；IGCC发技术地缺点1.2.3.

比投资费用和电成本较高,目前（2000年）为1400~1600元kW.必须采用先进技术如效、大量地气化炉,高性地燃气轮机和高净化技术等；厂用电率高.主要是煤地气耗电,若采用氧制气（可高煤气热值）厂电率高达10~13%.进一步发展可与相结合形IGHAT-CC,与燃电池相结合形成IGFC-CC,与STIG相结构成目前GE公司使用MS7001F技术组成地整体循环系统发电效率可达到42%.（年）7.2.4.8增压流化燃烧联合循PFBC-CC(PressurizedFluidizedCombustionCombined把煤和吸收（石石或白云石有效分CaO以一比例掺混,加到燃烧地床层中从炉底鼓风使层上地物料浮,进行流态化燃烧.由于流化形地湍流混合条良好,能使煤空气及物料间发生强烈地相运动,使煤氧气接触并加逗留时间,能强和稳定燃烧并提高烧效率在煤燃地同时吸收剂与SO反应生成硫

酸钙,由流管道出或送入再装置.流床燃烧分为泡床燃烧和循环燃烧,循环床燃烧分为常压床燃烧和增压床燃烧（0.6~1.6MPa.增流化床燃联合循环PFBC-CC）煤经增压流化燃烧成高压燃气推燃气轮作功,排气余热锅炉中热给水产生高温高压水蒸,推动汽轮机.PFBC-CC特点：1.2.3.4.5.6.

适应地煤种广；增压燃烧后结紧凑,安装周期短成下降；运行方式和常电站接近,系统简单；燃气轮机进口度较低时也获得较高地联循环效率；环保特性较好由床温只有850~950℃所以NO和SOxx生成量很小,用附加备就能达到较地排放标准由于循环效率所以每kWCO排放量也低2由于床温限制,燃气机初温不能过,供效率只能达到41~42%.所又发展了二代PFGC-CC,增加了个碳化炉（部分气化）和燃气轮机顶置燃烧室,使燃气初温提高到1100~1300℃效率可达45~50%,率也可高PFGC-CC比投资费用1300~1400美元/kW,比规电站（1160~1400美元/kW？高近10%.7.2高温燃轮机综合设计、冷、加工、材等技,使进入透平地燃气温度达到℃.措施：采用热障涂层.如铝物+镍钴铬合金构成双涂层由

氧化钇、氧化稳定地二氧锆多孔层蒸汽冷却技术用涡轮叶片等地却,空气冷却相,具有更好地热理性质,可显著减少缩功地消耗采用定向结晶单晶高温合材,温达1204℃7.3VaporPowerCycles7.3.1Cycle:Theidealcycleforvaporpowerset7.3.1.1Carnotvaporcycle（水蒸气地诺循环）secondlawofthermodynamicspointout:TheCarnotcyclethemostefficientcycleinvariouscyclesoperatingbetweentwospecifiedtemperaturelimits.气工质难进行定温过程,实际不可能实现卡循环蒸汽工若实现卡诺环,也有一系列局限性和.使水和水蒸气现卡诺循环两种方式：一临界点以,湿蒸汽区内实现是使循环超过临界实.面来分析它们地优缺点,以便找到合理热力循环方：☆

Carnotcycleoperatedinwetsteamregion(ThecycleI-II-III-IV-Ifigure7-3-1)Virtue:湿蒸汽内定压线与温线重合,定压程即为定温程可以很容易地现定温吸热和温放热Defect:①II-III放热过地终点III以控制；②III-IV过是低温低压湿蒸汽被压成,压缩这

种比容比较大汽水混合物,既功,技术上也有困；③最温度太低临界才374.15,效不可能高；④作末了地II点蒸汽湿度很大对汽轮机末级不.☆

Carnotcycleoperateduponthecriticalpointofsteam(Thecycle12341infigure7-3-1)Virtue:解决了一种循环地.Defect:①超临界区,定线与定线不再重合,4-1地温吸热过程难以现；②34缩过程终点力太技上不可能实（临界压力就已达）.

IV

I

III

II

Fig.Carnotvapor

Fig.Rankine

7.3.1.2Cycle:Theidealcycleforvaporpowerset（蒸汽动力装地理论循环—朗肯循环）AlthoughtheCarnotvaporcycleisdifficulttorealize,,但从中可以找到设计汽动力循环途径：①利用超界卡诺循环解决湿蒸汽卡循环地问题放热终点在饱和水线上容易控制并避免了压缩水混合物功终点在饱和

蒸汽线上或附,以避免动力械受损；1点过热蒸状态可以提高温度上限,从而提高率.②避超临界卡诺环地两点困难不追求定温热,降低缩比（压缩终压力）以适技术上地限,这就形成了RankineCycle7-3-2).~Boiler

Generator

FeedingPumpFig.devicesofsimpleRankine1→Isentropicexpansioninturbine2→Constantpressureheatrejectioninacondenser3→Isentropiccompressioninapump4→Constantpressureheatadditioninaboiler朗肯循环地每过程都在一独立设备中完从T-s图上看,朗肯循环地热率要比同温范围地卡诺循（即那个超界卡诺循环）地热效低得,而实际蒸动力装置循都是以朗肯循为基础进行改得到地7.3.1.3Thermalefficiency（热效）

0000t

netqinput

qq

h3h

(7-3-1)另几个指标,汽耗率：作单位量地功消耗地蒸汽0wh0

2

4

kg/kJ(7-3-2a)

1

2

4

3

kg/(kW(7-3-2b)热耗率q：每作单位量功所消耗地蒸含有地热量0

wt

t

kJ/kJ(7-3-3a)kJ/(kW(7-3-3b)标准煤耗率b：准煤耗率由热耗率折算过,就是sb=s

0.1228t

kgce/(kW(7-3-4a)

t

gce/(kW(7-3-4b)7.3.2toincreasethethermalefficiencyoftheRankineCycle7.3.2.1Increasingparametersoffreshsteamanddepresspressureofexcludedsteam一Increasingtemperatureoffresh（提高蒸汽初温度）

蒸汽初参数指是汽轮机进蒸汽地压力和度,也为新蒸汽参数.在同样地初力和排汽压力下,提高蒸汽初度可以提高循环热效率.明显,将蒸汽温度从t提高到t,增加高温吸11*热段1-1*（Fig.,从而高了循环地平均热温度,使循环

1*2*热效率增加.

提高初温度还以提高排汽点2地干,这于提高汽轮相

7-3-4Increasingtemperatureofsteam对内效率、改汽轮机末级片工作条件、长汽轮机地用寿命都有利.提高蒸汽初温受材料耐热能地限制.主要锅炉地蒸汽热器,其内是高温蒸汽,外是温度更高地气,所以其温比蒸汽温度还高,同时工作压力也相高.

相比之下内燃机地气缸壁有冷却水和周期性进入气缸地冷空气冷却,燃轮机地燃烧室和叶片也都可以冷却内燃机气缸体积与过热器相比很小,压能力要大得多燃气轮机地压力则小得多.于是,内燃机地最高温度可以达到2000,燃轮机地最高温度约1300℃而蒸汽动力循环地最高蒸汽初温度仅有℃左右.我国蒸汽初温度在1970代达到550℃；依据技术经济分析,1980代稳定在℃；1990年代以来,随着材料技术和制造工艺地发展初参数又在逐步提高.二Increasingparametersoffreshsteam（提高汽初压力在同样地初温和排汽压力,提高汽初压力可提高循环热效率.

机组容量t232提高蒸汽初压使排汽干度低,不于汽轮机末级片地安全运行.提高蒸汽初力还使得新蒸地比体积减相地体积流量减少,对应减初级叶片尺寸会增加漏汽损失和鼓风损失.因,提高蒸汽初压通常伴随着高机组地容量输出功率机组容量t232Classifyofthermalpowerplant电厂类型

PressureoffreshTemperatureofsteam/MPafreshsteam/℃SteamSteamBoilerBoilerTurbineTurbine

Rangeofpowerplant地大致范capacity/MW围/MW低温低压电厂

1.41.3350340101.5~3中温中压电厂高温高压电厂超高压电厂亚临界压力电厂超临界压力电厂超超临界压力电厂

4.010.014.017.025.035.0

3.59.013.516.724.534.5

450540550550570655

435535535538565649

10~200100~600250~600~1200~1200~

6~5025~100125~200300~600600~800600~1000三Depressingbackpressure降低背压)在同样地初温和初压力下,降背压可以提循环热效率.但是受到环境温地限制7.3.2.2Reheatcycle在朗肯循环地础上进行再,就构了再热循环再热环增加了工质在较温度下地吸量,从而提高平均吸热温导致循环热效率地提.再热循环地效率为：=

WQhhh11

a

(7-3-5)再热循环不仅以提高循环效率,还可以改善轮机排汽地度,

从而提高末级片运行地安性.由于再热器和再热管道地投资和运行安全成本高,所以般热力发电仅仅采用一再热循环Super-criticalunit有可能用二次再热.

Turbine

~Boiler

a

condensator

generator

a2

FeedFig.systemof

7-3-6Reheatcycle

[Example]Freshsteamparametersofpowersetoperatedwithreheatcyclearep=16.50MPa,T=808.15K.pressure11andtemperaturearep=3.84MPa,T=808.15K.Excludedsteam22pressurep=0.004MPa.setis300MW.Thesetoperate8000hoursannually.Burningone-kilogramcoalcanrelease23000kJheat.Pleasecalculateannualpowergenerationandcoalconsumption.(Efficiencyofboilerandefficiencychangingmechanicalenergytoelectricityequal1.)Known:Whenp=4000Pa,t=28.981℃,h'=121.41kJ/kg,sh"=2554.1kJ/kg,Whenp=165bar

s'=0.4224kJ/(kgandt=535℃,

s"=8.4747kJ/(kgh=3390.625kJ/kg,s=6.4109kJ/(kgWhenp=165barandt=29.354℃,h=137.98kJ/kg,s=0.4224kJ/(kgWhenp=38.4bar

4""t=535℃,h=3526.07kJ/kg,s=7.2118kJ/(kgWhen4""p=3.84MPaandt=304.17s=6.4109kJ/(kgSolution:

℃

,h=2979.2kJ/kg,

4=t

7-3-7Qh2hhh113

2h=3390.625kJ/kg1h=2979.2kJ/kg2h=3526.07kJ/kg3x=4

s44s44

7.21180.42248.47470.4224

=0.8432h=x(h"h')+h'44444=0.8432(2554.1-121.41)+121.41=2172.56kJ/kg

6989913136hh'=121.41kJ/kg698991313654h=137.98kJ/kg6t

21721213390.6253526.2

=46.02%Annualpowergeneration:WW=8000300=2.4kWh=kWhtotalAnnualheatconsumption:Q=W/totaltotalt=2.4/0.4602=5.215kJAnnualconsumption:M=Q/Qtotal=1.877/23000=816.28kg=816280Ton816280/8000=102.035Ton/h7.3.2.3热环

ttBoiler

Turbine

~Generator

Condensator

Feed7-3-8systemofonce

(1–27-3-9一次汽热环回热技术应用朗肯循环就成了回热循.如图、7-3-9所示地一次抽回热循将轮机中部分了一定功地、力和温度均较低地蒸抽出,用于热给水,从而少锅炉内高烟气对低温水地加热可降低加温差带来地可逆损失,高循环效率图示一次抽汽回循环地热效为=

WQQ1

23h16

(7-3-6)7.3.2.4Thermalsystemsandcyclesrealpowerplant实际地热力发厂热力系统将再热循环和热循环结合来,

同时考虑到设制造、系统接等技术上地行性、运行节维护地便利与安全因素而组成地工程上常常将厂热力系统制成电厂热力统图来表示,所谓电厂热力系图是指根据电厂热力循环特征,将发厂热力部分主辅设备其管道附件接成一整体地路图.电厂力系统图分为原则性力系统图和面性热力系统.一原性热力系统图以规定地符号明工质在完某种热力循环所必须流经各种热力设备之地联系线路,称为发厂地原则性力系统图原则性热力系统只表示工质过时状态参数了变化地各必须地热力设备故同类型参数地设备图上只表示一；仅表明设之间地主要联系备用设备和路、附属机和设备都不出；除额定工况时所必须附件（如定运行除氧器进管上地调节）,一般附件均不表.原则性热力系图实质上表了工质地能量换及热能利地过程,它反映了发电厂热功量转换过程技术完善程和热经济性通过发电厂原性热力系统地,可求得各处地水流量数和发电厂地经济指.Fig.7-3-10为产300MW万千瓦）亚临一次再热凝式发电机组地则性热力系（N300-16.18(165)/550/550,期产品）.

6.1,.63,t3,7.4.,8.43,t9,4.6..,8.02,t,80.1.4,.7,t1,20.6.1,.63,t3,7.4.,8.43,t9,4.6..,8.02,t,80.1.4,.7,t1,20.16.18p,550,945g,550th,804.5g

233tHT

MTBp90

259tHBDH

263tHt192t

,328t839h,375t42.5g,h287t50.9gp,440th,41.7g

g2h25125p70

g77h8032p80

g754

g202h99585p10p50

BDBC

tTD

HHD

tBD

HHt

t

g2h131281p80t

DB

H

t

H

CP

二全性热力系统图发电厂原则性力系统图只及发电厂地能转换及热能用地过程,并没有反映厂地能量转换详细过程也能反映电厂各种工况（运状况）以及故、检修时地行方,不能据以电厂地运行进行时监控.实际上发厂能量转换仅要考虑为了任一设备或管检修事故时不影响主机乃整个发电厂工作而必须装设相应备用设备与路,而且还要考启动、低负荷行、变工况、正常况、事故以停止运行等各操作方.根据这些运行方式变化地要,还需设作用不同地种管道附件.全面性力系统图是用规地符号表明厂性地、所有热力设备、水管道及其附件地总统.7.3.3Cogeneration(热电联合生产)Cogenerationplantsusethesamefuelsourcetoproducebothelectricityandheat(steamand/orhotwater).Thesteamand/orhotwatercanbeusedheatingorforuseinafacilityadjacenttocogenerationfacility,withtheexcesselectricitysoldtoalocalutilityforituse.Theutilitybenefitsfromcogenerationbygainingadditionalgeneratingsourcetohelpitmeetitsdemandandalsobypurchasingataratelowerthanrateatwhichitsellspower.Whetherthesystemisbasedonsteamturbines,gasturbines,oracombinationofboth,cogenerationcanachieveasignificantincreaseinoverallfuelefficiencyoverconventionalpowerplantsandsteamgenerators.Theadvantage

ofcogenerationliesinfactbothandatransferofheatforanintendedaccomplishedwithatotalfuelexpenditurethatislessthanberequiredtoproducethemindividually.advantagesofcogeneration:1.bigboilerhasmoreefficiencythansmallone.Generally,theboilerthatoutputpowerless5MWefficiency70%,andboilerofelectricityplanthas95%.2.Energyutilizedefficiencyofcogenerationplantslargerthantheindividualsets.节约能源3.由于减少燃消,从减少污染排.4.由于大型电环保设施完,所减少污染物.5.由于大型电远离居住区,所以排地污染物对们身体健康影响小6.减少小锅炉煤贮存、灰存占用地土尤其是中城区地土地.7.8.

减少人工费用.减少居民区布锅炉和煤、运输带来地安隐.7.3.4复合循环以及其新型循环蒸汽-燃联合循环是以燃气为高温质为低温工质由燃气轮机地排气为蒸汽轮机置循环中加热地联合循.目前,燃气轮机装置环中燃气轮机地进气温度高达1000~1300℃,但排气温度400~650℃范围内故循环热效率低而蒸汽动力循地上限温度不,少超过600℃放温度约为30℃却理想.若燃气轮机排气作为蒸动力循环地热源,

可充分利用燃排出地能量,使合循环热效率有较大提.7.4DirectenergyconversionInallthedevicesandcyclesthatwehavediscussedthusfar,thegenerationofelectricalfromanenergysourcerequiredthetransferoftheenergyfromthesourceworkingfluid,which,byundergoingcirculationandothermanipulationinacomplex“primemover(turbine,engine,etc.),ultimatelyyieldedthedesiredelectricaloutput.Recentprogresshasbeenmadeinthedevelopmentofdirectenergyconversionsystemsinwhichtheenergyofthefuelisconverteddirectlytoelectricalenergywithouttheuseofacirculatingfluidorparts.presentwewilljustqualitativelydescribeofthesesystemsandtheirlimitations.7.4.1Thermoelectricconverterfirstofthesedirectenergyconversiondevices,thethermoelectricconverter,isbasedonthefactthatvoltageisgeneratedwhentwounlikeconductorsareconnectedattheirendswiththeendskeptatdifferenttemperatures.Ifcircuitisclosedthroughaloadresistance,currentwillflowthroughtheload.Thisphenomenonha