章2 水蒸汽及其动力循环

第二章

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？

水蒸气是热力工程中使用最早、应用最广的工质，第一热机就是用水蒸气做工质的。长期以来，人们对水和水蒸气的性质做过很多专门研究。但迄令为止尚不能用一个代数方程同时很精确地描述它们的性质，较多的是按照它们所处状态分段，每段都有各自很复杂的状态方程。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行。第一节水蒸气的定压形成过程及图表应用一、水蒸气的基本概念和有关术语二、水蒸汽定压形成过程：⒈汽化：水变成蒸汽的现象。汽化：从微观上讲，液体中的分子克服周围液体分子的引力和液体表面张力而逸出液面的现象称为汽化。蒸发：在液面进行的汽化过程；沸腾：在液体容积空间内的汽化过程。局部沸腾：当液体整体温度较低时，如果存在局部温度较高，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。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。⒉液化：蒸汽变成水的现象。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现象称为液化。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。对于汽、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。如果汽化和液化速度相等，就是我们马上讲的饱和状态⒊饱和状态

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达到平衡的状态。即汽化和液化还在同时进行，但汽液两相分子数量都不再增加或减少。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。因为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过冷水：在定压下，未达到饱和状态的水。

饱和水：在定压下，达到饱和状态的水

湿饱和蒸汽：在定压下，饱和水与饱和蒸汽的机械混合物。

干饱和蒸汽：在定压下，纯饱和水蒸汽。

过热蒸汽：在定压下，对干饱和蒸汽进一步加热。

过冷度：过冷水的温度低于同压力下饱和温度的差。用“D”表示。

D=ts-t

过热度：过热蒸汽温度高于同压力下饱和温度的差。用“D”表示。

D=t-ts

二、水蒸汽定压形成过程：在火电厂中，做功的工质是流动性好、易于膨胀、极易获得、价格低廉、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。为了对水蒸汽的定压形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闭汽缸内，进行定压力p下加热，观察一个近似可逆的定压水蒸汽形成过程示意图在p-v图与T-s图上表示

ABCABC

pC

pCTCTC饱和水线或下界线

干饱和蒸汽线或上界线

当压力增加到某一临界值时，饱和水与干饱和蒸汽不仅具有相同的压力和比体积，而且还具有相同的温度和熵，这时的饱和水与干饱和蒸汽之间的差异已完全消失，在图中由同一点C表示，这个点称为临界点，这样一种特殊的状态称为临界状态。

ABCABC

pC

pCTCTC综上所述，在表示水的汽化过程的图与图上有1点（临界点）2线（上、下界线）3区（液相区，汽液两相区，汽相区）5态（未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干蒸汽、过热蒸汽）。三、水蒸气图、表应用⒈饱和水与干饱和蒸汽表（压力排列）P218、223页。⒉饱和水与干饱和蒸汽表（温度排列）P219、224页。⒊未饱和水与过热蒸汽表P220、225页。⒋水蒸气图。P18、26页①展开讲清右上角半图。——压力线簇、比容线簇、温度线簇、干度线簇。②用图做热力过程。几点说明中间状态用内插法求内能湿蒸汽T-s图

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

水蒸气典型热力过程一、换热器内的定压流动过程二、汽轮机及水泵内绝热流动过程三、通过喷管的绝热流动：四、绝热节流一、换热器内的定压流动过程一、换热器内的定压流动过程

能量分析①与外界无动量交换Ws=0;②动能变量忽略不计△c2≈0③宏观势能忽略不计g△Z≈0于是有q=（h2-h1）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换热器示意图汽轮机内的绝热流动过程

能量分析∵q=0△c2≈0g△Z≈0记为：Wi=h1-h2kJ/kg——对外做出正功该式说明了蒸汽在汽轮机内的绝热流动过程中，对外所作的内功等于工质的焓降。

上式也适用于水泵等压缩耗功设备，但式中的wi为外界所消耗的压缩功，以wP表示，此功转变为工质的焓升，即wP=h2-h1。

图2-5汽轮机示意图h2h1w通过喷管的绝热流动

能量分析∵绝热q≈0g△Z≈0Ws=0工质在喷管中的流动当Ma<1,即流速小于当地音速，称亚音速流动。当Ma=1,即流速等于当地音速，称等音速流动。当Ma>1,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Ma<1Ma=1Ma>1Ma>1Ma<1缩放喷管（拉伐尔喷管）渐扩喷管喷管中的稳定流动基本方程式

连续性方程式

能量方程式

过程方程式

可逆过程压力与流速的关系：比容与速度的关系：截面积与流速的关系：

①进入喷管的工质速度c<时，<1则，—1<0而dc>0，故dA<0。即为渐缩喷管——为亚音速流动。

②当速度增加到c=a时，这时工质的流速达到音速——为等音速流动，dA=0。③如想使用工质速度继续增加，即c>a而dc>0，故dA>0。即当工质流动从亚音速流动过渡到超音速时，喷管截面必须是先逐渐缩小，一旦达到音速，喷管截面便缩小到最小值（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）。喷管的压力比

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。在喷管的最小截面（临界截面）上，有临界压力比

工程热力学推导知，临界压力比：

对于过热蒸汽k=1.3

c＝0.546喷管的选择

绝热节流

∵q≈0△c2≈0g△Z≈0Ws=0∴h1=h2

110220①绝热节流是典型的不可逆过程，是不等焓过程。②节流前后，△h=0，流速略有上升，压力明显下降，熵值明显增大。③节流使工质做功能力降低

④节流的工程应用：制定流量（节流孔板）；获得流量控制（阀门）。

hsx=10P2P1Pb∆hhs0第三节蒸汽动力循环水蒸气：火力发电、核电低沸点工质：氨、氟里昂太阳能、余热、地热发电动力循环：以获得功为目的卡诺循环sT4213sT4213卡诺循环改造sT42131231

郎肯循环锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器郎肯循环1234简化（理想化）：1

2汽轮机s

膨胀2

3凝汽器p

放热3

4给水泵s

压缩4

1

锅炉p

吸热1342pv郎肯循环pv图1

2汽轮机s

膨胀2

3凝汽器p

放热3

4给水泵s

压缩4

1

锅炉p

吸热4321Tshs1324郎肯循环Ts和hs图1

2汽轮机s

膨胀2

3凝汽器p

放热3

4给水泵s

压缩4

1

锅炉p

吸热hs1324郎肯循环功和热的计算

汽轮机作功：凝汽器中的定压放热量：水泵绝热压缩耗功：锅炉中的定压吸热量：hs1324郎肯循环热效率的计算

一般很小，占0.8~1%，忽略泵功

工程上常用汽耗率,反映装置经济性，设备尺寸汽耗率：蒸汽动力装置每输出1kW.h

功量所消耗的蒸汽量kg汽耗率的概念的单位是kJ/kg1kW=1

kJ/s郎肯循环与卡诺循环比较sT64211098753

q2相同；

q1卡诺>

q1朗肯

卡诺>

朗肯；

等温吸热4’1难实现

11点x太小,不利于汽机强度；

12-9两相区难压缩；

wnet卡诺小

卡诺<

朗肯；

wnet卡诺<wnet

朗肯1112对比同温限1234’对比5678对比9-10-11-12sp1,t1,p2654321如何提高郎肯循环的热效率影响热效率的参数？TsT654321蒸汽初压对郎肯循环热效率的影响t1,p2不变，p1优点：

，汽轮机出口尺寸小缺点：

对强度要求高

不利于汽轮机安全。一般要求出口干度大于0.85~0.88sT654321蒸汽初温对郎肯循环热效率的影响优点：

，有利于汽机安全。缺点：

对耐热及强度要求高，目前最高初温一般在550℃左右汽机出口尺寸大p1,p2不变，t1sT654321乏汽压力对郎肯循环热效率的影响优点：

缺点：受环境温度限制，现在大型机组p2为0.0035~0.005MPa，相应的饱和温度约为27~33℃

，已接近事实上可能达到的最低限度。冬天热效率高p1,t1不变，p22

实际蒸汽动力循环分析sT5322’4’1’’1’14非理想因素：给水泵不可逆(34’)汽机不可逆(12’)汽机汽门节流(1’

1

)

蒸汽管道摩擦降压，散热(1’’1’)

提高循环热效率的途径改变循环参数提高初温度提高初压力降低乏汽压力改变循环形式回热循环再热循环改变循环形式热电联产燃气-蒸汽联合循环新型动力循环IGCCPFBC-CC…...Ts65431b3蒸汽再热循环的热效率

再热循环本身不一定提高循环热效率

与再热压力有关

x2降低,给提高初压创造了条件，选取再热压力合适，一般采用一次再热可使热效率提高2％～3.5％。蒸汽再热循环的实践

再热压力pb=pa0.2~0.3p1

p1<10MPa，一般不采用再热

我国常见机组，10、12.5、20、30万机组，p1>13.5MPa，一次再热

超临界机组，t1>600℃，p1>25MPa，二次再热

超优点：通过提高初临界机组，t1>600℃，p1>25MPa，二次再热Ts65431b蒸汽再热循环的定量计算吸热量：放热量：净功（忽略泵功）：热效率：4蒸汽抽汽回热循环(1-

)kg

kg65as43211kgTa

kg4(1-

)kg51kg由于T-s图上各点质量不同，面积不再直接代表热和功抽汽回热循环的抽汽量计算(1-

)kg

kg65as43211kgTa

kg4(1-

)kg51kg以混合式回热器为例热一律忽略泵功抽汽回热循环热效率的计算(1-

)kg

kg65as43211kgT吸热量：放热量：净功：热效率：为什么抽汽回热热效率提高？(1-

)kg

kg65as43211kgT简单朗肯循环：

物理意义：

kg工质100%利用

1-

kg工质效率未变蒸汽抽汽回热循环的特点小型火力发电厂回热级数一般为1～3级，中大型火力发电厂一般为4～8级。优点提高热效率减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面可兼作除氧器缺点循环比功减小，汽耗率增加增加设备复杂性回热器投资>缺点5热电联产(供)循环用发电厂作了功的蒸汽的余热来满足热用户的需要，这种作法称为热电联(产)供。背压式机组(背压>0.1MPa)热用户为什么要用换热器而不直接用热力循环的水？抽汽调节式热电联产(供)循环

抽汽式热电联供循环,可以自动调节热、电供应比例，以满足不同用户的需要。热电联产(供)循环的经济性评价

只采用热效率显然不够全面

能量利用系数，但未考虑热和电的品位不同

Ex经济学评价

热电联产、集中供热是发展方向，经济环保6现代新型动力循环蒸汽电站提高电厂供电效率的措施：提高初参数，向亚临界和超临界发展；采用大功率机组，降低厂用电率；采用热电联供。火电厂发展现状占总装机容量的80%左右，效率37~40%；

耗煤占总产量30%，油占10%左右；

提高供电效率和改善环境有重要意义。燃气-蒸汽联合循环燃气轮机的发展热力参数与单机容量逐步提高，达W>200MW，热效率35~41%；可靠性95~98.5%，可作为基本负荷电站；联合循环的现实可行性燃气轮机排气温度t4=400~600℃；大功率机组排气量300kg/s以上；利用排气能量加热蒸汽轮机给水(取代锅炉)，大大提高供电效率，极限效率(烧气)约58%。燃气蒸汽联合循环Ts燃气轮机循环蒸汽轮机循环燃气蒸汽联合循环法国GECAlsthom公司的联合循环电站燃气轮机：227.2MW蒸汽轮机：128.3MW燃料：天然气热效率：54.5%整体煤气化联合循环(IGCC)工作流程气化炉中煤煤气；煤气的净化；燃气轮机循环；余热锅炉回收排气热量；蒸汽轮机循环整体煤气化联合循环(IGCC)优点热效率高，目前40~46%，预计可52%；环保性能好，SO2,NOx,CO2,粉尘排放低，可燃用高硫煤；可实现煤化工综合利用，生产硫、硫酸、甲醇、尿素等；单机功率可达300~400MW缺点目前煤气化和净化的热损失还偏大；初期投资大。整体煤气化联合循环(IGCC)应用目前已建成或拟建的IGCC电站10余座，美国预测，2030年IGCC市场份额达35%左右如美国加州有一个电站，“世界上最洁净的燃煤火电站，脱硫98-99%，产生元素硫，排渣中主要是Al、Si、Fe、Ca等无害元素，用于绝缘材