- 113 -第十章 蒸汽动力循环及汽轮机基础知识10.1 蒸汽动力循环核电站二回路系统的功能是将一回路系统产生的热能（高温、高压饱和蒸汽）通过汽轮机安全、经济地转换为汽轮机转子的动能（机械能），并带动发电机将动能转换为电能，最终经电网输送给用户。
热能转换为机械能是通过蒸汽动力循环完成的。
蒸汽动力循环是指以蒸汽作为工质的动力循环，它由若干个热力过程组成。
而热力过程是指热力系统状态连续发生变化的过程。
工质则是指实现热能和机械能相互转换的媒介物质，其在某一瞬间所表现出来的宏观物理状态称为该工质的热力状态。
工质从一个热力状态开始，经历若干个热力过程（吸热过程、膨胀过程、放热过程、压缩过程）后又恢复到其初始状态就构成了一个动力循环，如此周而复始实现连续的能量转换。
核电厂二回路基本的工作原理如图10.1所示。
节约能源、实现持续发展是当今世界的主流。
如何提高能源的转换率也是当今工程热力学所研究的重要课题。
电厂蒸汽动力循环也发展出如卡诺循环、朗肯循环、再热循环、回热循环等几种循环形式。
10.1.1 蒸汽动力循环形式简介1.卡诺循环卡诺循环是由二个等温过程和二个绝热过程组成的可逆循环，表示在温熵（T －S ）图中，如图10.2所示。
图中，A-B 代表工质绝热压缩过程，过程中工质的温度由T 2升到T 1，以便于从热源实现等温传热；B-C 代表工质等温吸热过程，工质在温度凝 结 水水 蒸 汽蒸汽推动汽轮机做功，将蒸汽热能转换成汽轮机动能；继而汽轮机带动发电机发电。
凝结水从蒸汽发生器内吸收一回路冷却剂的热量变成蒸汽热力循环图10.1核电厂二回路基本的工作原理T 1ST 2- 114 -T 1下从同温度热源吸收热量；C-D 代表工质绝热膨胀过程，过程中工质的温度由T 1降到T 2，以便于向冷源实现等温传热D-A 代表工质等温放热过程，工质在温度T 2下向等温度冷源放出热量，同时工质恢复到其初始状态，并开始下一个循环。
根据热力学第二定律，在同样的热源温度和冷源温度下，卡诺循环的效率最高，其循环效率可表示为：η=1-T 2/T 1从该式中可得出如下结论：（1）卡诺循环的效率只决定于热源和冷源的温度，所以若要提高热力循环的效率，就应尽可能提高工质吸热温度T 1（受金属材料限制），以及尽可能使工质膨胀至低的冷源温度T 2（受环境等条件限制）。
但是，热源温度T 1不可能增至无限大，冷源温度T 2也不可能减小至零，所以η不可能等于1，且永远小于1，即在任何循环中不可能把从热源吸取的热量全部转换为机械能。
（2）当T 1=T 2时η=0 ，表明系统没有温差存在时（即只有一个恒温热源），利用单一热源循环作功是不可能的。
目前，卡诺循环还是一种为人类追求的理想循环，迄今为止还未实际实现。
对水蒸汽为工质的循环，若在其湿饱和蒸汽区建立卡诺循环，等温吸热和放热原则上可以克服，如图10.3所示。
但对压缩过程而言，由于工质处于汽水混合物状态，一是要求容积较大压缩机，其次耗费压缩功，同时在湿汽状态下，对压缩机工作不利，因此实际上很难实现饱和蒸汽卡诺循环，而是采用朗肯蒸汽循环。
2.朗肯循环朗肯循环的组成及其设备工作流程如图10.4所示，它是研究各种复杂蒸汽动力装置的基本循环。
它的工作过程如下：ABCD 为等压（不等温）加热过程，水在锅炉（或蒸汽发生器）中吸热，由过冷水变为过热蒸汽，这时工质与外界没有功的交换。
FEDA图10.4 朗肯循环- 115 -DE 为过热蒸汽在汽轮机中绝热膨胀过程，将热能转换为机械能，对外作功。
汽轮机出口的工质达到低压下湿蒸汽状态，称为乏汽。
EF 为乏汽在冷凝器中的凝结放热过程，变成该压力下的饱和水，称为凝结水。
FA 为凝结水在水泵中绝热压缩过程，提高凝结水压力将其送到锅炉（或蒸汽发生器）继续吸热进行下一个循环。
对水进行升压要消耗外功。
由上述4个热力过程组成了一个蒸汽动力循环。
由图10.4温熵图可知，朗肯循环的效率为：η＝面积ABCDEF A /面积aABCDEFea根据卡诺循环的结论，不难发现朗肯循环中吸热过程中的AB 段是整个吸热过程中温度最低的部分，从而降低了朗肯循环的平均吸热温度，使循环效率下降。
若能改善低温吸热段过程就可大大地提高蒸汽朗肯循环的效率，由此发展出了回热循环。
3.回热循环回热循环是现代蒸汽动力循环所普遍采用的循环，它是在朗肯循环的基础上对AB 段吸热过程加以改进而得到的。
所谓回热是指利用一部分在汽轮机内作过功的蒸汽来加热给水，使进入锅炉（或蒸汽发生器）的给水温度较高，以提高循环的平均吸热温度，从而提高循环效率。
图10.5所示为抽汽回热循环示意图。
和朗肯循环比较，回热循环增加了给水加热器H 和相应的抽汽管道及疏水管道。
蒸汽在汽轮机中膨胀做功到M 点，从中抽出一部分蒸汽送到给水加热器H 中加热给水使给水温度由A 点升高，其余蒸汽则继续做功直到排出汽轮机并被冷凝成凝结水。
抽汽放热后凝结成疏水，用疏水泵打入系统中与给水相混合使给水温度最后升高至N 点进入锅炉或蒸汽发生器，混合后工质质量没有损失。
这时，在锅炉或蒸汽发生器内给水从N 点开始吸热，给水的低温吸热段由AB 段变为NB 段，提高了平均吸热温度，从而提高了循环效率。
应该指出：虽然低温段AB 的过程也是吸热过程，但与朗肯循环不同，因为有回热时吸入的热量已经不是外部热源（来自锅炉或蒸汽发生器）的热量，而是循环内部的换热。
除了提高平均吸热温度使循环效率升高外，还可以从减少冷源放热损失来说明，即抽出来图10.5 抽汽回热循环示意图FEDHANMLS- 116 -一部分蒸汽在加热给水过程中被凝结成水，它的汽化潜热被给水吸收，而没有被循环水带走，减少了冷源放热损失，提高循环效率。
当然，抽出来一部分蒸汽后，汽轮机内作功量也减少了。
但理论计算和实际试验都表明：功的减少量远小于向冷源放热的损失量。
因此，采用抽汽回热总是可以提高蒸汽动力循环的热效率的。
且在一定给水温度下，回热循环的效率是随着回热级数的增多而增加的。
但随着回热级数的增加，回热循环效率的增加程度逐渐减少。
因此，采用过多的回热级数会使系统复杂、投资增加，实际采用多少级回热合理，应通过技术经济比较确定，一般以7～8级为宜。
4.中间再热循环所谓中间再热循环是将在汽轮机内膨胀作功到某一中间压力的蒸汽，重新送回到锅炉或汽水分离再热器中进行再次加热，经再热后蒸汽又回到汽轮机内继续膨胀作功，直至终点排入冷凝器。
中间再热循环的T －S 图及其设备工作流程如图10.6所示。
与朗肯循环比较，在中间再热循环方式中，增加了再热器设备。
蒸汽在汽轮机中做功到E 点后，全部蒸汽又被送回锅炉再热器或汽水分离再热器继续吸热，变为过热蒸汽，温度接近新蒸汽温度。
之后，蒸汽再回到汽轮机继续做功。
由图10.5温熵图得出，中间再热循环的效率为：η＝面积ABCDEFGHA /面积aHABCDEFGfa中间再热对循环效率的影响不易从上式直观看出，但可从温熵图作定性分析。
若将再热部分看作原循环ABCDEIHA 的附加循环IEFGI 。
如果附加循环效率比基本循环高，则循环的总效率就可以提高，反之则降低。
因此，采用再热循环不一定能够提高循环效率，要视所选再热蒸汽压力而定。
若再热压力太低，可能会使循环效率降低；再热压力过高，虽然可以提高循环效率，但效果并不明显，并且采取再热的根本目的是提高蒸汽膨胀终点的干度，以保障汽轮机的安全运行。
所选再热压力过高，对乏汽干度的改善较少，因此切不可舍本求末。
所以综合考虑中间再热压力对效率和干度的影响，实际上存在着一最佳的再热压力。
在该压力及汽轮机末级允许干度的条件下，使再热循环效率达到最佳值。
其最佳再热压力的确定需作全面的技术经济比较，根据系统实际情况计算得到。
一般在初压的15～30％之间，采用一次中间再热可使循环效率提高2～3.5％。
对压水堆核电站，初参数都采用饱和蒸汽，故在高、低压缸之间采用汽水分离再热装FGHA DE 图10.6 再热循环S- 117 -置以减少汽轮机末级湿度显得尤为重要。
目前，无论是常规火电厂还是核电厂，其蒸汽动力循环都是基于以上循环形式建立的，绝大部分采用中间再热回热循环，即综合了上述各循环形式优点，以满足安全、经济生产的要求。
通过以上所述，提高蒸汽动力循环效率的途径可有如下几个方向： （1） 尽可能提高蒸汽初参数（温度和压力），但受到设备材料的限制；（2） 尽可能降低蒸汽在汽轮机中膨胀终点的参数（冷凝器真空度），减少冷源损失，但受自然界环境影响；（3） 采用回热循环和中间再热循环；（4） 改善汽轮机的结构，提高热功转换效率 ； （5） 优化热力系统结构，减少过程损失； 10.1.2 大亚湾核电站的热力循环1.大亚湾核电站热力系统大亚湾核电站的热力循环是具有中间再热、七级回热的饱和蒸汽朗肯循环。
图10.7表示出了大亚湾核电站二回路热力系统的组成原理。
大亚湾核电站的热力系统主要由三台蒸汽发生器、两台汽水分离再热器、一台汽轮机（包括一个高压缸、三个低压缸）、三台冷凝器、三台凝结水泵、四级低压给水加热器、一台除氧器、三台主给水泵（有一台电动给水泵、两台汽动给水泵）、两级高压给水加热器等组成。
蒸汽发生器作为热源由反应堆冷却剂供热产生饱和蒸汽，蒸汽首先进入汽轮机高压缸做功，之后进入两台汽水分离再热器，经过汽水分离和再热变成过热蒸汽后进入三台低压图10.7 大亚湾核电站二回路热力系统原理图缸继续做功，最后乏汽进入由海水冷却的冷凝器被冷凝成凝结水，凝结水由凝结水泵升压经四级低压给水加热器加热进入除氧器进行除氧，低压给水加热器的加热蒸汽由抽汽管道从汽轮机低压缸抽出，除氧器的加热蒸汽由高压缸排汽供给，然后除氧后的给水由主给水泵升压经两级高压给水加热器进入蒸汽发生器完成一个循环，高压给水加热器的加热蒸汽由汽轮机高压缸经抽汽管道供给。
大亚湾核电站蒸汽发生器产生的饱和蒸汽压力为6.71MPa.a、温度为283︒C，再热蒸汽压力为0.78 MPa.a，乏汽压力为0.0075MPa.a、温度40.5︒C，以上参数均为汽轮机满功率时的参数。
2.大亚湾核电站经济指标衡量常规火电厂热力系统经济性指标的参数一般由电站毛效率、净效率、汽耗率、热耗率表示。
对于核电站而言，这几个指标参数同样适用。
（1）电站毛效率和净效率电站毛效率是指发电机输出电功率与热力系统输入热功率的比值。
净效率则是指发电机输出电功率扣除厂用电后与热力系统输入热功率的比值。
此指标代表了一个电厂能源转换的能力。
大亚湾核电站发电机额定输出电功率为983.8 MW，一回路输出热功率为2905MW，则毛效率为：η毛＝983.8/2905＝33.87%扣除厂用电49 MW，电站净效率为：η净＝（983.8-49）/2905＝32.18%现代大型常规火电厂的毛效率一般为40%左右。
