工程热力学-第十章-蒸汽动力装置循环.讲课教案

■汽轮机的相对内部效率 T 实际作功与理论作功之比，
T
h1 h2act h1 h2
一般为0.85～0.92。
■耗汽率(steam rate)
输出单位功量的耗汽量称为耗汽率，单位为 k g / J
工程上常用 kg/(kWh) 。
●理想耗汽率：d 0 D /P 0 1 /w T 1 /( h 1 h 2 ) ●实际耗汽率：d i D /P i 1 /w T ,a c t 1 /( h 1 h 2 a c t)
（2）吸热量不变，热效率： iw net,act/q10.3972
实际耗汽率：d i 1 /( h 1 h 2 a c t) 7 .5 9 7 1 0 7 k g /J
（3）作功能力损失
查水和水蒸汽图表，得到：
新蒸汽状态点1：s16.442kJ/(kgK )，h13426kJ/kg
乏汽状态点
胀到状态2，然后进入冷凝器，定压放热变为饱和水2
再经水泵绝热压缩变为过冷水4，也进入回热器。
在回热器中， kg的水蒸汽 0 1 和（1 ）kg的过
冷水4混合，变为1kg的饱和水 0 1 。然后经水泵绝热压
缩进入锅炉，定压吸热变为过热蒸汽，开始新的循
环。
2、回热循环分析
■抽汽量
能量方程（吸热量=放热量）：
说明：质量不同，因此不能直接从T-s图上判断热量的 变化。
●热效率（提高）：
t wnet / q1
锅炉给水的起始加热
温度由 2 提高到 0 1 ，平均
吸热温度提高，平均放热 温度不变，热效率提高。
吸热量：
q 1 h 1 h 4 h 1 ( h 3 w p ) h 1 ( h 2 w p ) 3 2 7 1 . 2 2 k J / k g
热效率：
t
wnet q1
0.4419
理论耗汽率：
d0h1 1h2 6.84107kg/J
若忽略水泵功，
t
h1 h2 h1 h2
0.4448
●热效率：t wnet / q1
●热效率的近似计算式 通常水泵耗功很小（占汽轮机作功的2%左右），
可以忽略不计（即3、4点重合），
t (h 1hh 21 ) (h h 44h3)h h 1 1 h h 2 2
3、蒸汽参数对热效率的影响
■初温 t 1 的影响
●提高初温，可以提高平均吸 热温度，提高热效率。 ●提高初温，可以提高乏汽的 干度。 ●初温受到材料耐热性能的限 制，很少超过620℃。
■在p-v图和T-s图上的表示
■朗肯循环与卡诺循环的区别 ●乏汽在冷凝器中全部变为饱和水，压缩过程用水泵易 于实现。但也多了一段水的加热过程（45），降低了 平均吸热温度，对热效率不利。 ●水的定压吸热过程最终变为过热蒸汽，循环不再局限 于湿蒸汽区，提高了平均吸热温度，对热效率有利， 并且提高了乏汽的干度。
图上定出新蒸汽状态点1，查得：
h13426kJ/kg。 过点1作定熵线，与p2 5kPa的定压
线的交点即为乏汽状态点2。查得：
h21963.5kJ/kg。 查饱和水和饱和蒸汽表，当 p2 5kPa 时，
v2 0.0010053m 3/kg，h2 137.72kJ/kg。
汽轮机产生的功：w T h 1 h 2 1 4 6 2 .5 k J/k g 水泵功：w P h 4 h 3 v 2 ( p 1 p 2 ) 1 7 . 0 6 k J /k g 循环净功：w n e t w T w P 1 4 4 5 .4 4 k J/k g
或者：工质、热源和环境组成孤立系统，
I T 0 s iso T 0 ( s sH s0 ) T 0 ( q 1/T H q 2/T 0 ) 7 9 9 .6 4 k J/k g
热量损失和作功能力损失分析： 锅炉中，热量损失很小（一般在10%以内），但热源温度
（831.45K）远远高于平均吸热温度（ T 1mq1/ s41548K ）
●吸热量（增大）：
q 1(h 1h 2)(h bh a)
●放热量（增大）：
q2 h2 h2
●循环净功（增大）：
w n e t w T (h 1 h a ) (h b h 2 )
●热效率（提高或降低）：t wnet /q1
●理想耗汽率（减小）：d0 1/ wT
■热效率的分析 再热循环4561ba24=朗肯循环4561c4+附加循环ba2cb ●如果中间压力较高，则附加循环的热效率比朗肯循环 高，再热循环的热效率提高。反之，如果中间压力较 低，则再热循环的热效率降低。 ●中间压力越高，提高乏汽干度的作用越小，且附加 循环占的比例越小，提高热效率的作用越小。 ●再热循环应以提高乏汽干度为根本目的。 ●中间压力一般取初压的20%～30%。
现，且在p-v图上定温线和定熵线的斜率相差较大，所 以循环净功也较大，理论上能实现卡诺循环（5678）
■不采用卡诺循环的原因 ●放热后的终状态8点为湿饱和蒸汽，压缩两相物质难 以实现。 ●循环只能在湿蒸汽区进行，吸热温度不能超过临界温 度，循环温差较小、热效率不高。 ●绝热膨胀过程的终状态7点干度过小、水含量过大， 不利于汽轮机的安全运行。（干度不应低于0.88。）
2、朗肯循环及其热效率(Rankine cycle)
■流程图
1
过热器
汽轮机
6
q1
锅 炉
冷 凝 器 给水泵
发电机 2
q2
4
3
■工作过程 ●4561：过冷水在锅炉中定压吸热，依次变为饱和水、 干饱和蒸汽（定温过程）和过热蒸汽。 ●12：高温高压的过热蒸汽（新蒸汽）在汽轮机中绝 热膨胀，对外作功。 ●23（22′）：低温低压的湿饱和蒸汽（乏汽）在冷凝 器中定压放热（定温过程），变为饱和水。 ●34：饱和水在水泵中绝热压缩，变为过冷水，供给锅 炉循环使用。 说明：利用原子能、太阳能作热源时，蒸汽发生器代 替锅炉，产生的新蒸汽为饱和蒸汽或稍稍过热的蒸汽
第十章 蒸汽动力装置循环
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 蒸汽-燃气联合循环 ＊10-6 蒸汽动力装置循环的火用分析
火电厂示意图
10-1 简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环
1、水蒸汽的卡诺循环 水蒸汽相变时，定温过程即定压过程，易于实
(1 )(h 0 1 h 4 )(h 0 1 h 0 1 )
忽略水泵功，h4 h2
h01 h2
h01 h2
■热效率 忽略水泵功，
●吸热量（减小）：
q1 h1 h01
●放热量（减小）：
q2(1)(h2h2)
●循环净功（减小）：
w n e t ( h 1 h 0 1 ) ( 1 ) ( h 0 1 h 2 ) ( 1 ) ( h 1 h 2 ) ( h 1 h 0 1 )
2
a
c
s ：
t
2act
6.92kJ/(kgK )，h2act
2109.8kJ/kg
饱和水 2 ：t2 32.88oC，s20.4761kJ/(kgK )，h2 137.72kJ/kg
a)汽轮机中的作功能力损失（不可逆绝热膨胀）
I T T 0 s g T 0 ( s s f , Q s f , m ) T 0 ( s 2 a c t s 1 ) 1 4 2 . 4 4 k J / k g
例10-3：按照上例参数，假设锅炉 中的传热过程是从831.45K的热源向 水传热，冷凝器中乏汽向298K的环 境介质放热，且汽轮机相对内效率 为0.9，试求：（1）水泵功、汽轮 机产生的功和循环净功；（2）循环 内部热效率和实际耗汽率；（3）各 过程及循环的不可逆损失。
解：汽轮机中为不可逆绝热膨胀，乏汽的状态点为 2 a c t h 2 a c t h 2 ( 1 T ) ( h 1 h 2 ) 2 1 0 9 . 8 k J / k g （1）水泵功（不变）：wP17.06kJ/kg 汽轮机产生的功：w T ,a c t h 1 h 2 a c t 1 3 1 6 .3 k J/k g 循环净功：w n e t,a c t w T ,a c t w P 1 2 9 9 .2 4 k J /k g
回热循环(regenerative cycle)从汽轮机中抽出尚未 完全膨胀的、压力和温度相对较高的少量水蒸汽，来 加热锅炉给水，可以提高平均吸热温度和热效率，减 小不可逆损失。
■流程图及在T-s图上的表示
1kg的新蒸汽进入汽轮机，绝热膨胀到状态 0 1 后， 抽出 kg进入回热器。剩下的（1 ）kg继续绝热膨
■初压 p 1 的影响
●提高初压，可以提高平均吸 热温度，提高热效率。 ●提高初压，会产生设备的强 度问题。 ●提高初压，乏汽的干度降低。
■背压 p 2 的影响 ●降低背压，可以降低平均放 热温度，提高热效率。 ●降低背压，乏汽的干度降低。 ●背压对应的饱和温度必须高 于环境温度，因此背压不能任 意降低。目前为4～5kPa。 ●冬天的环境温度比夏天低，因此背压和对应的饱和温 度可以比夏天低，热效率比夏天高。
■热效率
●锅炉吸热量：q1 h1 h4 ●冷凝器放热量：q2 h2 h3 ●汽轮机作功：wT h1 h2
●水泵耗功：wP h4 h3
水的压缩性很小，可以近似
认为压缩过程中比体积保持不变，
w P v 3 (p 4 p 3 ) v 2 (p 1 p 2 )
●循环净功：
w n e t w T w P ( h 1 h 2 ) ( h 4 h 3 )
D —耗汽量，kg/s。
P 0 —理想功率，kW。
P i —实际功率，kW。
例10-2：我国生产的300MW汽轮发电机组，其新蒸汽压力和温度
分别为 p1 17MPa、t1 550oC，汽轮机排汽压力p2 5kPa。
若按朗肯循环运行，求：汽轮机所产生的功、水泵功、循环热