第七章
蒸汽动力循环
Vapor Power Cycles
第七章 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
四个主要装置:
锅炉
汽轮机
凝汽器
给水泵
§ 7-1 郎肯循环 Rankine Cycle
水蒸气动力循环系统


汽轮机
发电机
给水泵
凝汽器
水蒸气动力循环系统的简化


汽轮机
发电机
给水泵
凝汽器
郎肯循环
1
2
3
4
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
1
3
4
2
p
v
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
4
3 2
1
T
s
h
s
1
3
24
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
h
s
1
3
24
郎肯循环功和热的 计算
汽轮机作功:
2121,hhw s ???
凝汽器中的定压放热量:
322 hhq ??
水泵绝热压缩耗功:
3443,hhw s ???
锅炉中的定压吸热量:
411 hhq ??
h
s
1
3
24
郎肯循环热效率的 计算
,1 2,3 4n e t
t
11
sswww
qq
? ??
?
??
一般很小,
占 0.8~1%,
忽略泵功
12
13
t
hh
hh
? ??
?
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
ne t
3600d
w
?
汽耗率 (Steam Rate)的概念
netw
的单位是 kJ/kg 1kW=1 kJ/s
n e t
3 6 0 0 3 6 0 0
1
3600
k g k g k g k g
d
k J k Jk W h k J w
hh
s
h
??
??
??
????
? ? ? ?
??? ? ? ???
? ? ? ?
?? ? ? ???
?? ??
????
??
??
郎肯循环 与卡诺循环比较
s
T
6
4
2
1'4
109
8 7
5
3
? 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 9-10-11-12
s
p1 t1 p2
65
4
3 2
1
如何提高 郎肯循环 的热效率
12
13
t
hh
hh
? ??
?
影 响 热效 率的
参数?
T
How can we increase the
efficiency of the Rankine cycle
s
T
65
4 3 2
1'1
'6'5
'4
'2
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
1T t
?
2'v
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~ 0.88
2'x
s
T
65
4
3 2
1
'1
'2
蒸汽初温对 郎肯循环 热效率的影响
优点:
?
?, 有利于汽机
安全。
1T t
?
2'x
缺点:
? 对耐热及强度要
求高,目前初温
一般在 550℃ 左右
? 汽机出口
尺寸大
2'v
p1,p2不变, t1
s
T
65
4
3
2
1
'2
乏汽压力 对 郎肯循环 热效率的影响
优点:
?
2T t
?
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, p2
'4
'3
国产锅炉、汽轮机发电机组的
初参数简表
低参数 中参数 高参数 超高参数 亚临界参

汽轮机进
汽压力
MPa
1.3 3.5 9.0 13.5 16.5
汽轮机进
汽温度℃
340 435 535 550,535 550,535
发电机功
率 P/ k W
1500 ~
3000
6000 ~
25000
5~ 10 万 12.5 万,20

20 万,30
万,60 万
§ 7-2 实际蒸汽动力循环分析
s
T
5
3 2 2’
4’
1’’1’
1
4
非理想因素:
给水泵不可逆 ( 3 4 ’)
汽机不可逆 ( 1 2 ’)
汽机汽门节流 ( 1’ 1 )
蒸汽管道摩擦降
压,散热 (1’’1’)
实际蒸汽动力循环分析方法
热一律,热效率分析法
热二律,熵分析法
Ex分析法


实际蒸汽动力循环 热效率法
s
T
5
3 2 2’
4’
1’’1’
1
4
忽略泵功 4 ' 3hh? 可逆循环
效率 12t 13
hh
hh
? ??
?
汽机相对
内效率 1 2 'oi
12
hh
hh
? ??
?
管道和节流,
管道效率 13tu
1 '' 3
hh
hh
? ??
?
锅炉散热
和排烟,
锅炉效率
1 '' 3
B
f
hh
q
? ??
整个 实际蒸汽 动力循环 热效率
s
T
5
3 2 2’
4’
1’’1’
1
4
n e t
f
w
q
? ? 收益 循环净功 ==
代价 燃料热量
1 2 '
f
hh
q
??
13
tu
1 '' 3
hh
hh
? ??
?
1 '' 3
B
f
hh
q
? ??
1 2 oi
1 '' 3 B
()
( ) /
hh
hh
?
?
??
?
1 2 '
oi
12
hh
hh
? ??
?
12
B o i
1 3 tu
()
( ) /
hh
hh
??
?
?? ? ?
?
12
t
13
hh
hh
? ??
?
12
B oi tu
13
()
()
hh
hh
? ? ??? ? ? ?
?
t B o i t u? ? ? ?? ? ? ?
整个电厂 热效率
s
T
5
3 2 2’
4’
1’’1’
1
4
g
f
w
q
? ?电厂 收益 电功==
代价 燃料热量
机械效率 M
ne t
w
w
? ?机械
电机效率 g
M
w
w
? ?电机
t B o i t u? ? ? ?? ? ? ?
n et
f
w
q
?=
M
f
w
q
?
? 电机
n e t
f
w
q
?
?? 机械 电机
t B o i t u? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?机械 电机
实际蒸汽动力装置的 Ex分析法
对于稳定流动
i n o u t iE x E x? ? ?? ? ?
进入设备的
Ex总和
离开设备的
Ex总和 Ex损失之和
焓 Ex
锅炉的 Ex分析
s
T
5
3 2 2’
4’
1’’1’
1
4
排烟
过热汽
1’’

4’( 3)

燃料
空气
锅炉的 Ex分析(燃烧)
排烟
过热汽
1’’

4’( 3)

燃料
空气
空气 0Ex ?
燃料
fqfex q?
设燃料完全是 Ex
( 1) 燃烧,烟气热量
0
f
B
1
T
e x q
T
??
????
??
燃烧
以环境为基准
平均燃烧温度
0
ff
B
1
T
qq
T
?
??
? ? ???
??
燃烧
锅炉的 Ex分析(散热)
排烟
过热汽
1’’

4’( 3)

燃料
空气
( 2) 排烟,渣,散热后,可传给水的 ex
0
fB
B
1
T
e x q
T
?
??
?? ??
??
散热后 0
f
B
0
fB
B
1
1
T
q
T
T
q
T
?
?
??
?? ??
??
??
????
??
散热
锅炉的 Ex分析(传热)
排烟
过热汽
1’’

4’( 3)

燃料
空气
( 3) 传热,水的温度远比燃气低,温差传热
1 '' 3h h 1' ' 3 0 1' ' 3( ) ( )e x e x h h T s s? ? ? ? ?
? ?
0
fB
B
1 '' 3 0 1 '' 3
1
( ) ( )
T
q
T
h h T s s
??
??
?? ??
??
? ? ? ?
传热
水得到的 ex
? ? ? ?锅炉 燃烧 散热 传热= + +
管道和汽机主汽门节流的 Ex分析
s
T
5
3 2 2’
4’
1’’1’
1
4
1’’ 1
管道和汽机主汽门节流的 Ex分析
1’’ 1
汽机入口 ex
1h 1 0 0 1 0( ) ( )e x h h T s s? ? ? ?
管道和主汽门的 ex损失
1 '' 1 0 1 '' 1( ) ( )h h T s s? ? ? ? ?管道
汽轮机的 Ex分析
s
T
5
3 2 2’
4’
1’’1’
1
4
1
2’
wnet’
绝热
汽轮机的 Ex分析
汽轮机最大可能作功
汽轮机的 ex损失
1 2 ' 1 2 ' 0 1 2 '( ) ( )hhw e x e x h h T s s? ? ? ? ? ?net
1
2’
wnet’
汽轮机实际输出功
1 2 ''w h h??net
n e t 0 2 ' 1' ( )w w T s s? ? ? ? ?net汽机
冷凝器的 Ex分析
s
T
5
3 2 2’
4’
1’’1’
1
4
32’
冷凝器的 ex损失
? ? ? ?2 ' 3 2 ' 3 0 2 ' 3e x e x h h T s s? ? ? ? ? ? ?冷凝器
两种分析方法的比较
锅炉 qB/qf=10% ?B/ex,qf=56.7%
(燃烧 14.1%排烟及散热
8.6%传热 34%)
管道 qtu/qf= 0.6% ?tu/ex,qf= 0.5%
汽轮机 qt/qf= 0 ?t/ex,qf= 5.6%
凝汽器 qc/qf= 55.7% ?c/ex,qf= 3.5%
Ex 经济学分析方法
热效率法 Ex分析法
Ex损失的表示
s
T
5
3 2 2’
4’
1’’1’
1
4
T0
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
联合循环
热电联产
燃气 -蒸汽联合循环
新型动力循环 IGCCPFBC-CC…...
Reheat
Regenerative
Cogeneration
T
s
65
4
3
1
b
a
2
§ 7-3 蒸汽再热循环 (reheat)
1
2
3
4


b
a
T
s
65
4
3
1
b
a
2
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=pa?0.2~0.3p1
? 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
T
s
65
4
3
1
b
a
2
蒸汽再热循环的 定量计算
吸热量:
? ? ? ?1 1 4 abq h h h h? ? ? ?
放热量:
2 2 3q h h??
净功(忽略泵功):
? ? ? ?n e t 1 2baw h h h h? ? ? ?
热效率,n e t 1 2t,RH
1 1 4
( ) ( )
( ) ( )
ba
ab
w h h h h
q h h h h
? ? ? ???
? ? ?
§ 7-4 蒸汽回热循环 (regenerative)
1
2
36
1kg
a
45
α kg
(1- α ) kg
抽汽
去凝汽器
冷凝水
表面式回热器
抽汽
冷凝水给水
混合式回热器
抽汽式回热
Feedwater heater
Open Feedwater
heater
Closed Feedwater
heater
蒸汽 抽汽 回热循环
(1- ?)kg
? kg6
5
a
s
4
3 2
1
1kg
T
1
2
36
1kg
a
45
α kg
(1- α ) kg
a ? kg
4
(1- ?)kg
5
1kg
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
? kg6
5
a
s
4
3 2
1
1kg
T
a ? kg
4
(1- ?)kg
5
1kg
以混合式回热器为例
热一律
? ?a 4 511h h h??? ? ? ?
忽略泵功
54
a4
hh
hh
? ??
?
''
a2
'
a2
hh
hh
? ??
?
抽汽 回热循环热效率的 计算
(1- ?)kg
? kg6
5
a
s
4
3 2
1
1kg
T 吸热量:
放热量:
'
1,R G 1 5 1 aq h h h h? ? ? ?
? ? ? ?'2,R G 2 21q h h?? ? ?
? ?
? ? ? ?
RG 1 a
a21
w h h
hh?
??
? ? ?
净功:
热效率,? ? ? ? ? ?1 a a 2
t,R G '
1a
1h h h h
hh
?
?
? ? ? ?
?
?