第十章 蒸汽动力循环装置

2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理论效 率也不高。
3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多，不利于动力机的安全。
为了改进上述的压缩过程人们将汽凝结成水，同时为了提高上限温这就需要对卡 诺循环进行改进，温度采用过热蒸汽使T1高于临界温度，改进的结果就是下面要讨 论的另一种循环--朗肯循环。
T ,act
1 2act
s
（11-2）
少作的功等于在冷凝器中多排出的热量h2act-h2。
用汽轮机的相对内效率来衡量做功损失：
T
wT ,act wT
h1 h2,act h1 h2
汽轮机效率
现代大型汽轮机的ηT在0.85～0.92之间。
则循环内部热效率ηi为
i
wnet,act q1
h1h2act h1 h 2'
温一般在550℃-620 ℃，正朝700 ℃
3
攻关;
2 2
s
• v2’ 汽机出口尺寸大
图10-3 初温t1对ηt的影响
p T 2、初压p1对热效率的影响 1
1
t
v2’
3
T T1
4'
T1
T1
4
5
1` 1
ηT
0.48
0.44
2' 2
0.40
x 2’
550℃ 500℃ 400℃ 350℃
0.36
s
03
图10-4 初压p1对ηt的影响
热效率:
t
wnet q1
(h1 hb ) (ha h2 ) (h1 h2' ) (ha hb )
T
5 4
3(2`)
1a
6b
c2
再热循环本身不一定提高循环热效率，
0 循环热效率与再热压力有关。效率随着再热压
s
力的升高而升高（平均吸热温度↑），但再热 压力↑对x2的改善作用较少。并且再热压力↑ 减少再热循环占基本循环的比例。
T (h1h2 )
h1h2'
Tt
耗汽率：装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量。
理想耗汽率：
d0
D P0
1 h1 h2
D为蒸汽耗量。
内部功 耗汽率:
di
d0
T
汽轮机的相对内效率
有效功 耗汽率:
de
d0
T m
机械效率
T
１
4
4
3
2 2
s
• 实际上，若考虑水泵等熵压缩的耗功和不可逆的压缩， 循环的T－s图应该如上图所示。
6 9 12 15 18 21
p1
提高初压将使绝热膨胀终点的干度下降。因为提高初温能提高乏汽
的干度,所以提高初压和提高初温应同步进行。
3、背压p2对热效率的影响
优点：
T
• T2
t
局限：
•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t2约为 27~ 33℃ ，已接近事实上可能达到的最低
3
3'
T0
s3’ s3
0.43
2
0.42
2
0.41
0.40
s1 s
p2 kPa
五、有摩阻的实际循环
T
5
4
3(2`)
1 6
2
2 act
h
p1
h1
1
t1
h0 h1 h2
p2 hact h1 h2act t2
h2
2 2act
O9
87 s
O
图10-6 汽轮机中的不可逆过程
w h h 汽轮机实际所做的技术功：
图10-9 再热循环的T-s图
四、再热压力对循环热效率大小的影响
T
T1
T 1'
T1
4
T 1"
T2
3
1 1
1
5
6
2 2'
2
s
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 • 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
h
p1
pRH
h6
6
t1
1
h1
h5
5
p2
h2
x=1
2’
2 x9
h2‘
x2
s
10-3 回热循环
回热循环利用蒸汽回热消除朗肯循
1
环中水在较低温度下吸热的不利影响, 提高热效率。
q1
S 6
T
现代的大型蒸汽动力装置无一例外的采 用抽汽回热循环：从汽轮机适当位置抽 出少量尚未完全膨胀，压力、温度相对 较高的蒸汽，加热低温凝结水。
理论上说，抽汽级数越多，效率提高越 多，随着初参数的提高，抽汽级数从2、 3级到7、8级，参数越高、容量越大的 机组，回热级数越多。
B
0
0’
1
1R
P2
C
4
2 q2
P1 3 (2’ )
图10-8 抽气回热循环流程图
10-3 回热循环
对于一级抽汽回热循环，每千克状态
为1的新蒸汽绝热膨胀到状态01（p01,t01）， 即从汽轮机中抽出α1kg，将之引入回热器。 剩下的（1-α1）kg蒸汽在汽轮机内继续膨胀 到2，然后进入冷凝器，被冷却凝结成冷却 水2’,再经给水泵加压到p01进入回热器。在 其中被α1kg的抽汽加热成饱和水，并与α1kg 的蒸汽凝结的水汇成1kg状态为的饱和水。 然后被给水泵加压，泵入锅炉，继续完成循
目录
第十章 蒸汽动力循环装置
10-1 简单蒸汽动力装置循环(朗肯循环) 10-2 再热循环 10-3 回热循环 10-4* 热电合供循环 10-5* 几种与蒸汽有关的动力循环
• 教学目标：掌握蒸汽动力循环及其计算方法。 • 知识点：蒸汽动力基本循环；朗肯循环；回热循环与再热循
环；热电循环；蒸汽—燃气联合循环。 • 重 点：回热循环、再热循环以及热电循环的组成、热效
1.采用循环不同： 燃气作工质，不易进行定温吸热与放热过程；而水吸热成为蒸 汽和放热成为冷凝水往往在定温下进行。
2.二者采用的设备大不相同： 水和水蒸汽只能自外热源吸热，蒸汽循环中必须配备产生蒸汽的 锅炉。 而以空气作为工质时，燃料可在其中燃烧，燃烧产物也为工 质。这样就可以使燃烧和功热转换过程在同一个设备中进行，不需要 其它额外的设备。
回热循环的优点:
(1) 回热循环的ηt大于单纯朗肯循环的ηt； (2) 锅炉热负荷降低，可减少锅炉受热面积，节省金属材料； (3) 汽耗率增大使高压端蒸汽流量增加，而抽汽减少了低压端的排汽 流量，于是，解决了第一级叶片太短而末级叶片太长的矛盾。 (4) 可减少冷凝器换热面积，节省铜材。
w q1
(h1
h2 ) (h4 h3 ) (h1 h4 )
略去水泵消耗比轴功，
h3 h4
t
h1 h2 h1 h3
因为
h3=h2’
蒸汽动力装置的热效率为
新蒸汽焓
t
h1 h1
h2 h2
乏汽焓 凝结水焓 （10-1）
朗肯循环在h-s图上的表示
h
1
2
4 3
s
例10-1 某远洋船的汽轮机按朗肯循环用过热蒸汽工作，蒸汽的 初始参数为： p1=5Mpa，t1=440℃，冷凝器中的蒸汽压力 p2=0.005Mpa，试求循环热效率。
为了使x2↑,可采用再热循环: 当新汽膨胀到某一中间压力后撤出汽 轮机，导入锅炉中特设的再热器R或 其他换热设备中，使之再加热，然后 再导入汽轮机继续膨胀到背压p2。
1
T
S
R
B 2
C
4P
3
图10-8 再热循环设备示意图
从右图可以看出，再热后膨胀到
相同的背压时的干度x2增高，给提高 初压创造了条件。
蒸汽及蒸汽动力装置(steam power plant) ：
• 1）蒸汽是历史上最早广泛使用的工质，19世纪后期蒸汽 动力装置的大量使用，促使生产力飞速发展，促使资本 主义诞生。
• 2）目前世界75%电力，国内78%电力来自火电厂，绝大部 分来自蒸汽动力。
• 3）蒸汽动力装置可利用各种燃料。 • 4）蒸汽是无污染、价廉、易得的工质。
环。
由于T-s图上各点质量不同，面积不再直接代表 热和功。
T
5 01'
1kg
6
kg
4
(1) kg
3(2`)
1
01 2
0
s
图10-9 一级抽气回热循环T-s图
回热循环的计算
h01
回热过程中的热平衡关系式：
h01'
(1 )(h01' h4 ) (h01 h01' )
回热器
一般忽略水泵的耗功，认为 h4 h2' ，并有：
二、朗肯循环及其热效率
过程：
从锅炉过热器与出来的过热蒸汽通过管 道进入汽轮机T，蒸汽部分热能在T中转 换为机械带动发电机发电，作了功的低 压乏汽排入冷凝器C，对冷却水放出汽 化潜热γ，凝结成水，凝结成的水由给 水泵P送进省煤器D′进行预热，然后在 锅炉B内吸热汽化，饱和蒸汽进入过热 器S继续吸热成过热蒸汽，过程可理想 化为两个定压过程，两个绝热过程—朗 肯循环。
11-1、简单蒸汽动力循环——朗肯循环
p
一.水蒸气作为工质的卡诺循环
e p1
5
6
热力学第二定律通过卡诺定理证明了，
在相同的温度界限间，卡诺循环的热效率
f
最高。动力循环以蒸汽为工质时，原则上