第十章蒸汽动力循环装置课件.ppt

第十章第十章 蒸汽动力装置循环蒸汽动力装置循环10-1 简单蒸汽动力装置循环简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环朗肯循环10-2 再热循环再热循环10-3 回热循环回热循环10-4 热电合供循环热电合供循环10-5 蒸汽蒸汽-燃气联合循环燃气联合循环10-6 蒸汽动力装置循环的火用分析蒸汽动力装置循环的火用分析1火电厂示意图火电厂示意图210-1 简单蒸汽动力装置简单蒸汽动力装置循环循环-朗肯循环朗肯循环1、水蒸汽的卡诺循环水蒸汽的卡诺循环（5678）3n理论上能够实现卡诺循环理论上能够实现卡诺循环 l水汽化时，定温过程即定压过程，比较容易实现水汽化时，定温过程即定压过程，比较容易实现lp-v图上，定温线和定熵线斜率相差较大，因此循图上，定温线和定熵线斜率相差较大，因此循环净功较大。环净功较大。4实际上不采用卡诺循环实际上不采用卡诺循环放热的终点放热的终点8为湿饱和蒸汽，为湿饱和蒸汽，压缩两相物质难以实现。压缩两相物质难以实现。循环只能在湿蒸汽区进行，循环只能在湿蒸汽区进行，温差较小、热效率不高。温差较小、热效率不高。膨胀的终点膨胀的终点7干度过小、水干度过小、水含量过大，不利于汽轮机的含量过大，不利于汽轮机的安全运行（干度应不低于安全运行（干度应不低于0.88）。52、朗肯循环朗肯循环(Rankine cycle)（1）流程图）流程图1 锅锅炉炉汽轮机汽轮机 发电机发电机 给水泵给水泵 冷冷凝凝器器过热器过热器 2 6 43 6（2）p-v图和图和T-s图图（4561234）7（3）工作过程）工作过程定压吸热定压吸热4561（锅炉）（锅炉）绝热压缩绝热压缩34（水泵）（水泵）说明说明：原子能、太阳能作热源时，用蒸汽发生器：原子能、太阳能作热源时，用蒸汽发生器取代锅炉，新蒸汽为饱和蒸汽或稍稍过热的蒸汽。取代锅炉，新蒸汽为饱和蒸汽或稍稍过热的蒸汽。绝热膨胀绝热膨胀12（汽轮机）：（汽轮机）：过热蒸汽（新蒸汽）过热蒸汽（新蒸汽）湿饱和蒸汽（乏汽）湿饱和蒸汽（乏汽）定压放热定压放热23（冷凝器）（冷凝器）：定温过程：定温过程8（4）与卡诺循环的区别）与卡诺循环的区别放热的终点放热的终点3为饱和水，压为饱和水，压缩容易实现。缩容易实现。l多了一段水多了一段水的加热过程的加热过程45，平均吸热温度降低，对热效平均吸热温度降低，对热效率不利。率不利。水吸热变为过热蒸汽，循环不再局限于湿蒸汽水吸热变为过热蒸汽，循环不再局限于湿蒸汽区，平均吸热温度升高，对热效率有利。区，平均吸热温度升高，对热效率有利。l乏汽的干度增大。乏汽的干度增大。9（5）热效率）热效率锅炉吸热量锅炉吸热量冷凝器放热量冷凝器放热量汽轮机作功汽轮机作功水泵耗功水泵耗功 水的压缩性很小，压缩水的压缩性很小，压缩过程中比体积近似不变，过程中比体积近似不变，循环净功循环净功10 水泵耗功很小（占汽轮机水泵耗功很小（占汽轮机作功的作功的2%左右左右），），可以忽略不计（即可以忽略不计（即3、4点重合点重合），），热效率热效率113、蒸汽参数对热效率的影响蒸汽参数对热效率的影响初温初温 的影响的影响提高初温，平均吸热温度升提高初温，平均吸热温度升高，热效率增大。高，热效率增大。提高初温，乏汽的干度增大。提高初温，乏汽的干度增大。初温受到材料耐热性能的初温受到材料耐热性能的限制，很少限制，很少超过超过620。12初压初压 的影响的影响提高初压，平均吸热温度提高初压，平均吸热温度升高，热效率增大。升高，热效率增大。提高初压，会产生设备的提高初压，会产生设备的强度问题。强度问题。提高初压，乏汽的干度减小。提高初压，乏汽的干度减小。13背压背压 的影响的影响冬天的环境温度比夏天低，因此背压和对应的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。饱和温度可以比夏天低，热效率比夏天高。降低背压，平均放热温度降降低背压，平均放热温度降低，热效率增大。低，热效率增大。降低背压，乏汽的干度减小。降低背压，乏汽的干度减小。背压对应的饱和温度必须背压对应的饱和温度必须高于环境温度，因此背压不高于环境温度，因此背压不能任意降低。目前能任意降低。目前为为45kPa。144、有摩阻的实际循环、有摩阻的实际循环吸热量吸热量放热量放热量循环净功循环净功 少作的功少作的功=多放出的热量多放出的热量 热效率热效率15l汽轮机的相对内效率汽轮机的相对内效率 一般为一般为0.850.92。实际过程与可逆绝热过程的作功之比，实际过程与可逆绝热过程的作功之比，16l耗汽率耗汽率(steam rate)输出单位功量的耗汽量称为耗汽率。输出单位功量的耗汽量称为耗汽率。理想耗汽率理想耗汽率实际耗汽率实际耗汽率 单位为单位为 ，工程上常用，工程上常用 。17解解：根据根据 、，在在h-s图上定出新蒸汽图上定出新蒸汽1点点。例例10-2：我国生产我国生产的的300MW汽轮发电机组，其新蒸汽压汽轮发电机组，其新蒸汽压力和温度分别为力和温度分别为 、，汽轮机排汽，汽轮机排汽压力压力 。若按朗肯循环运行，求：汽轮机所产生。若按朗肯循环运行，求：汽轮机所产生的功、水泵功、循环热效率和理论耗汽率。的功、水泵功、循环热效率和理论耗汽率。查得：查得：过过1点作定点作定熵线，与熵线，与 的的定压线的交点即为乏汽定压线的交点即为乏汽2点。点。查得：查得：18 查饱和水和饱和蒸汽表，当查饱和水和饱和蒸汽表，当 时，时，。汽轮机产生的功：汽轮机产生的功：水泵功：水泵功：循环净功：循环净功：吸热量：吸热量：19热效率：热效率：理论耗汽率：理论耗汽率：忽略水泵功，忽略水泵功，20解解：例例10-3：按照上例参数，假设锅炉中的传热过程是从按照上例参数，假设锅炉中的传热过程是从831.45K的热源向水传热，冷凝器中乏汽向的热源向水传热，冷凝器中乏汽向298K的环的环境介质放热，且汽轮机相对内效率为境介质放热，且汽轮机相对内效率为0.9，试求：（，试求：（1）水）水泵功、汽轮机产生的功和循环净功；（泵功、汽轮机产生的功和循环净功；（2）循环内部热效循环内部热效率和实际耗汽率率和实际耗汽率；（；（3）各各过程及循环的不可逆损失。过程及循环的不可逆损失。（1）水泵功：）水泵功：汽轮机产生的功：汽轮机产生的功：21循环净功：循环净功：（2）吸热）吸热量不变量不变实际耗汽率：实际耗汽率：（3）作功能力损失）作功能力损失查水和水蒸汽图表，得到：查水和水蒸汽图表，得到：新蒸汽点新蒸汽点1：乏汽点乏汽点 ：饱和水饱和水 ：放热量：放热量：热效率：热效率：水泵为可逆绝热压缩，水泵为可逆绝热压缩，221）汽轮机的作功能力损失（不可逆绝热膨胀）汽轮机的作功能力损失（不可逆绝热膨胀）2）冷凝器）冷凝器的作功能力损失（温差传热）的作功能力损失（温差传热）3）锅炉）锅炉的作功能力损失（温差传热）的作功能力损失（温差传热）4）总作功能力损失总作功能力损失23热量损失和作功能力损失分析热量损失和作功能力损失分析l锅炉的热量损失很小锅炉的热量损失很小（一般在（一般在10%以内），但热源温以内），但热源温度（度（831.45K）远远高于平均）远远高于平均吸热温度吸热温度 因此作功能力损失很因此作功能力损失很大大，占总作功能力损失的，占总作功能力损失的75.71%。l冷凝器的热量损失很大，但乏汽的温度（冷凝器的热量损失很大，但乏汽的温度（32.88）非）非常接近于环境温度（常接近于环境温度（25），因此作功能力损失很），因此作功能力损失很小小，仅占总作功能力仅占总作功能力损失的损失的6.48%。l汽轮机为不可逆绝热膨胀过程，没有热量损失，但有作汽轮机为不可逆绝热膨胀过程，没有热量损失，但有作功能力损失，占总作功能力功能力损失，占总作功能力损失的损失的17.81%。2410-2 再再热循环热循环(reheat cycle)问题的提出问题的提出 提高初压，热效率增大，提高初压，热效率增大，但同时乏汽的干度减小。但同时乏汽的干度减小。25流程图流程图 新蒸汽先膨胀到中间新蒸汽先膨胀到中间压力，然后进入再热器加压力，然后进入再热器加热，再继续膨胀到背压。热，再继续膨胀到背压。26T-s图图 提高初压的同时增提高初压的同时增大乏汽的干度。大乏汽的干度。27热效率热效率 忽略水泵功忽略水泵功，吸热量吸热量放热量放热量循环净功循环净功热效率热效率理想耗汽率理想耗汽率28热效率的分析热效率的分析如果中间压力较高，则如果中间压力较高，则平均吸热温度升高，热效平均吸热温度升高，热效率增大；反之，如果中间率增大；反之，如果中间压力较低，则热效率减小。压力较低，则热效率减小。中间压力越高，增大乏汽干度的作用越小，且中间压力越高，增大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。附加循环占的比例越小，提高热效率的作用越小。再热循环应以再热循环应以提高乏汽干度提高乏汽干度为根本目的。为根本目的。中间压力一般取初压的中间压力一般取初压的20%30%。29优缺点优缺点优点优点 在提高初压的同时增大乏汽的干度，从而提在提高初压的同时增大乏汽的干度，从而提高热效率（大约为高热效率（大约为3%）；耗汽率减小。）；耗汽率减小。缺点缺点 投资和运行费用增加。投资和运行费用增加。3010-3 回热循环回热循环(regenerative cycle)问题的提出问题的提出l锅炉给水温度较低，导致锅炉给水温度较低，导致平均吸热温度不高、热效率平均吸热温度不高、热效率较低。较低。l水的预热过程和过热过程水的预热过程和过热过程为有限温差传热，不可逆损为有限温差传热，不可逆损失较大。失较大。31流程图流程图 从汽轮机中抽出部分尚从汽轮机中抽出部分尚未完全膨胀的湿蒸汽，来加未完全膨胀的湿蒸汽，来加热锅炉给水。热锅炉给水。32T-s图图 锅炉给水温度升高，锅炉给水温度升高，平均吸热温度升高、热平均吸热温度升高、热效率增大，传热温差和效率增大，传热温差和不可逆损失减小。不可逆损失减小。33抽汽量抽汽量过冷水的吸热量过冷水的吸热量=湿蒸汽的放热量湿蒸汽的放热量 kg的湿蒸汽（的湿蒸汽（）和）和 kg的过冷水（的过冷水（4）混混合，变为合，变为1kg的饱和水（的饱和水（）。）。34热效率（热效率（忽略水泵功忽略水泵功）循环净功循环净功吸热量吸热量放热量放热量说明：说明：由于工质的由于工质的质量发生变化，所以不能直接质量发生变化，所以不能直接从从T-s图上判断热量和循环净功的变化。图上判断热量和循环净功的变化。35热效率热效率 平均吸热温度提高，平均吸热温度提高，平均放热温度不变，热效平均放热温度不变，热效率增大。率增大。理想耗汽率理想耗汽率36优缺点优缺点优点优点 热效率增大；热效率增大；传热温差和不可逆损失减小；传热温差和不可逆损失减小；吸热量减小，锅炉的热负荷减小；放热量减小，吸热量减小，锅炉的热负荷减小；放热量减小，冷凝器的热负荷减小。冷凝器的热负荷减小。缺点缺点 投资和运行费用增加；耗汽率增大。投资和运行费用增加；耗汽率增大。目前，广泛采用的是一级再热目前，广泛采用的是一级再热+多级回热，多级回热，回热的级数不回热的级数不超过超过8级。级。3710-4 热电合供循环热电合供循环问题的提出问题的提出 采用再热、回热后，蒸汽动力循环的热效率采用再热、回热后，蒸汽动力循环的热效率仍然很低仍然很低（40%左右左右），），60%左右的热量通过冷左右的热量通过冷凝器散发给环境，引起凝器散发给环境，引起“热岛效应热岛效应”，造成热污，造成热污染。染。蒸汽膨胀到一定的压力后就排出汽轮机来供蒸汽膨胀到一定的压力后就排出汽轮机来供热（压力为热（压力为0.3MPa左右，温度为左右，温度为133左右左右），），这种同时供电和供热的循环称为这种同时供电和供热的循环称为热电合供循环热电合供循环(power-and-heating plant cycle)。38流程图流程图背压式背压式 蒸汽膨胀到一定的压力蒸汽膨胀到一定的压力后，后，全部全部用来供热。用来供热。热效率较低，供电量随热效率较低，供电量随热负荷的变化而变化，适用热负荷的变化而变化，适用于热负荷稳定的场合。于热负荷稳定的场合。39撤汽式（分汽供热冷凝式）撤汽式（分汽供热冷凝式）蒸汽膨胀到一定压力蒸汽膨胀到一定压力后，后，部分部分用来供热，剩下用来供热，剩下的继续膨胀作功。的继续膨胀作功。热效率较高，热负荷的热效率较高，热负荷的变化对供电量的影响较小。变化对供电量的影响较小。可以改变抽汽质量和压力，调节供电和供热的比可以改变抽汽质量和压力，调节供电和供热的比例，满足不同热用户的需求。例，满足不同热用户的需求。40T-s图（背压式）图（背压式）相当于提高背压。相当于提高背压。经济性指标经济性指标热效率热效率 平均放热温度升高，平均放热温度升高，热效率减小。热效率减小。热量利用系数热量利用系数 虽然热效率减小，但能虽然热效率减小，但能量利用率提高，能达到节能、量利用率提高，能达到节能、环保的目的。环保的目的。4110-5 燃气燃气-蒸汽联合循环蒸汽联合循环超临界循环超临界循环 新蒸汽的压力超过临界压力。新蒸汽的压力超过临界压力。如如 、。平均吸热温度升高，热效平均吸热温度升高，热效率增大，但仍然低于同温限的率增大，但仍然低于同温限的卡诺循环。卡诺循环。42燃气燃气-蒸汽联合循环蒸汽联合循环(combined gas-vapor cycle)以燃气为高温工质、水以燃气为高温工质、水蒸汽为低温工质，燃气轮蒸汽为低温工质，燃气轮机的排气机的排气（400650）作为蒸汽动力循环的热源作为蒸汽动力循环的热源。进一步采用再热和回进一步采用再热和回热，热效率可热，热效率可达达57%。43l热效率热效率lT-s图图理想情况：理想情况：实际情况：实际情况：燃气动力循环燃气动力循环+蒸汽动力循环蒸汽动力循环44l形式形式无补燃式无补燃式45补燃式补燃式46热电合热电合供供式式4710-6 蒸汽动力装置循环的火用分析蒸汽动力装置循环的火用分析 300MW汽轮发电机组，新蒸汽压力为汽轮发电机组，新蒸汽压力为17MPa，温度为，温度为823K，乏汽压力为，乏汽压力为5kPa。烟气。烟气的最高温度为的最高温度为1700K。环境压力为。环境压力为0.1MPa，温，温度为度为298K。锅炉效率为。锅炉效率为0.9，汽轮机相对内效，汽轮机相对内效率为率为0.9。燃料的发热值为。燃料的发热值为29300kJ/kg。1、已知参数已知参数48 各点的参数各点的参数状态状态12340170.0050.0050.005170.182330630630629834261963.52109.8137.72154.78104.876.4426.4426.9200.47610.47610.36641510.648.151.960.1617.220492、能量平衡法能量平衡法吸热量：吸热量：水泵耗功：水泵耗功：汽轮机作功：汽轮机作功：放热量：放热量：循环净功：循环净功：生产生产1kg蒸汽需要燃料提供的热量：蒸汽需要燃料提供的热量：以以1kg蒸汽作为基准。蒸汽作为基准。50热效率：热效率：锅炉的能量损失：锅炉的能量损失：冷凝器的能量损失：冷凝器的能量损失：平均吸热温度：平均吸热温度：平均放热温度：平均放热温度：513、以烟气火用为基准的火用分析法以烟气火用为基准的火用分析法l1kg烟气的火用烟气的火用 锅炉中的燃烧近似为定压过程，且烟气的压锅炉中的燃烧近似为定压过程，且烟气的压力近似等于环境压力，力近似等于环境压力，把烟气近似为空气，查空气的热力性质表，把烟气近似为空气，查空气的热力性质表，时时，时时，521kg烟气的火用：烟气的火用：烟气的平均温度：烟气的平均温度：53l生产生产1kg蒸汽需要的蒸汽需要的烟气的火用烟气的火用1kg燃料燃烧能产生的烟气的量为：燃料燃烧能产生的烟气的量为：1kg燃料燃烧能产生的水蒸汽的量为：燃料燃烧能产生的水蒸汽的量为：生产生产1kg蒸汽需要的蒸汽需要的烟气的火用：烟气的火用：54l锅炉的锅炉的火用火用分析分析锅炉的锅炉的火用火用损失（排烟、散热、烟气和水蒸汽损失（排烟、散热、烟气和水蒸汽之间的温差传热）：之间的温差传热）：锅炉的锅炉的火用火用损失系数：损失系数：55l汽轮机的汽轮机的火用火用分析分析汽轮机的汽轮机的火用火用损失（不可逆绝热膨胀）：损失（不可逆绝热膨胀）：汽轮机的汽轮机的火用火用损失系数：损失系数：56l冷凝器的冷凝器的火用火用分析分析冷凝器的冷凝器的火用火用损失（水蒸汽和环境之间的温差损失（水蒸汽和环境之间的温差传热）：传热）：冷凝器的冷凝器的火用火用损失系数：损失系数：57l总的总的火用火用分析分析锅炉的锅炉的火用火用损率：损率：汽轮机的汽轮机的火用火用损率：损率：冷凝器的冷凝器的火用火用损率：损率：总的总的火用火用损失：损失：58总的总的火用火用损失系数：损失系数：总的总的火用火用效率：效率：594、以燃料的化学火用为基准的火用分析法以燃料的化学火用为基准的火用分析法 燃料的化学火用近似等于燃料的发热值，为燃料的化学火用近似等于燃料的发热值，为29300kJ/kg。l生产生产1kg蒸汽需要的蒸汽需要的燃料的化学火用：燃料的化学火用：1kg燃料燃烧能产生的水蒸汽的量为：燃料燃烧能产生的水蒸汽的量为：60l燃烧过程的火用损失燃烧过程的火用损失：l燃烧过程的火用损失系数燃烧过程的火用损失系数：l锅炉的火用损失系数锅炉的火用损失系数：61l汽轮机的火用损失系数汽轮机的火用损失系数：l冷凝器的火用损失系数冷凝器的火用损失系数：l总的总的火用火用损失：损失：62l锅炉的锅炉的火用火用损率：损率：l汽轮机的汽轮机的火用火用损率：损率：l冷凝器的冷凝器的火用火用损率：损率：l燃烧过程的燃烧过程的火用火用损率：损率：63l总的总的火用火用损失系数：损失系数：l总的总的火用火用效率：效率：64项目项目热量热量%火用火用%火用火用%燃料燃料烟气烟气燃烧损失燃烧损失锅炉损失锅炉损失汽轮机损失汽轮机损失冷凝器损失冷凝器损失有用功有用功3634.69363.4701972.081299.1410010054.2635.752331.75838.37142.4451.81299.1410035.956.112.2255.723634.691302.94838.37142.4451.81299.1410035.8523.073.921.4335.73能量平衡法和火用分析法的比较能量平衡法和火用分析法的比较65l燃烧过程燃烧过程 燃烧过程的火用损失占燃料化学火用的燃烧过程的火用损失占燃料化学火用的35.85%。因此，要发展燃料电池，将化学能直接因此，要发展燃料电池，将化学能直接转换成电能。转换成电能。5、结果分析结果分析66l锅炉锅炉 锅炉的能量损失很小，锅炉的能量损失很小，仅占仅占10%。但由于排。但由于排烟和散热损失，以及温差传热（烟气的平均温度烟和散热损失，以及温差传热（烟气的平均温度831K远远高于水蒸汽的平均吸热温度远远高于水蒸汽的平均吸热温度 548K），），因此火用损失高达因此火用损失高达35.95%和和23.07%。应尽量提高水蒸汽的最高温度和平均吸热温应尽量提高水蒸汽的最高温度和平均吸热温度，减小传热温差和不可逆损失。度，减小传热温差和不可逆损失。67l汽轮机汽轮机 汽轮机的能量损失为汽轮机的能量损失为0，但由于是不可逆绝，但由于是不可逆绝热过程，火用损失占热过程，火用损失占6.11%和和3.92%。提高汽轮机的相对内效率可以减少火用损提高汽轮机的相对内效率可以减少火用损失。失。68 冷凝器的能量损失高达冷凝器的能量损失高达54.26%，但由于水蒸，但由于水蒸汽的平均放热温度汽的平均放热温度306K和环境温度和环境温度298K温差很温差很小，小，因此火用损失很小，仅占因此火用损失很小，仅占2.22%和和1.43%。但维持低压需要付出代价，且温差越小需要但维持低压需要付出代价，且温差越小需要的传热面积越大，设备的投资越大。因此不能过的传热面积越大，设备的投资越大。因此不能过分追求减少冷凝器的火用损失。分追求减少冷凝器的火用损失。能量损失最大的是能量损失最大的是冷凝器冷凝器，火用损失最大的，火用损失最大的是是锅炉锅炉。l冷凝器冷凝器69 能量平衡法虽然能从数量上反映能量的利用能量平衡法虽然能从数量上反映能量的利用和损失情况，但不能说明造成损失的原因。和损失情况，但不能说明造成损失的原因。而火用分析法不仅能从数量和质量上反映能而火用分析法不仅能从数量和质量上反映能量的利用和损失情况，还能表明造成损失的原因量的利用和损失情况，还能表明造成损失的原因和不可逆的程度，为评价设备的热力学完善程度和不可逆的程度，为评价设备的热力学完善程度和制定改进措施提供可靠的依据。和制定改进措施提供可靠的依据。70第十章第十章 小结小结朗肯循环的工作过程朗肯循环的工作过程、热效率、蒸汽参数对热热效率、蒸汽参数对热效率的影响，实际循环的热效率，耗汽率效率的影响，实际循环的热效率，耗汽率再热循环的再热循环的工作过程、工作过程、热效率热效率回热循环的工作过程、热效率回热循环的工作过程、热效率热电合供循环热电合供循环燃气燃气-蒸汽联合循环蒸汽联合循环蒸汽动力循环的火用分析蒸汽动力循环的火用分析71第十章第十章 作业作业10-1272