1、华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分第11章、蒸汽动力装置循环热能动力装置热能动力装置 ：将热能转换为机械能的设备，也称为将热能转换为机械能的设备，也称为热力发动机热力发动机，简，简称称热机。热机。 动力装置循环（简称动力循环或热机循环）：动力装置循环（简称动力循环或热机循环）： ：以蒸汽为工质的热机：以蒸汽为工质的热机的工作的工作循环循环 （如蒸汽机、蒸汽轮机等）。（如蒸汽机、蒸汽轮机等）。 ：以气体为工质的热机：以气体为工质的热机的工作的工作循环循环 （如内燃机、燃气轮机等）。（如内燃机、燃气轮机等）。研究热机循环的目的：分析其热能利用的经济性（即热效
2、率）、研究热机循环的目的：分析其热能利用的经济性（即热效率）、影响热效率的因素、寻找提高热效率的途径。影响热效率的因素、寻找提高热效率的途径。 华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分2 第十一章第十一章 蒸汽动力装置循环蒸汽动力装置循环蒸汽及蒸汽动力装置蒸汽及蒸汽动力装置(steampowerplant) ：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80%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）蒸汽是无污染无污染、价廉、易得的工质
3、。华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分3 11-1 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(Rankinecycle)一一.简介简介华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分朗肯朗肯 W.J.M. Rankine，18201872年，年，英国科学家。英国科学家。 1820年年6月月5日出生于苏格兰的爱丁日出生于苏格兰的爱丁堡。堡。1855年被委任为格拉斯哥大学机年被委任为格拉斯哥大学机械工程教授。械工程教授。 1858年出版年出版应用力学应用力学手册手册一书，是工程师和建筑师必备的一书，是工程师和建筑师必
4、备的指南。指南。1859年出版年出版蒸汽机和其它动蒸汽机和其它动力机手册力机手册，朗肯计算出一个热力朗肯计算出一个热力学循环学循环(后称为朗肯循环后称为朗肯循环)的热效率，被的热效率，被作为是蒸汽动力发电厂性能的对比标准。作为是蒸汽动力发电厂性能的对比标准。1872年年12月月24日于格拉斯哥逝世。日于格拉斯哥逝世。华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分11-1蒸汽动力循环514321.锅炉，boiler，加热2.过热器，superheater,加热3.汽轮机，turbine，做功，Wt4.凝汽器，condenser，放热，q25.给水泵，pump，增压，耗
5、功，Wpq1华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分C4321sTT1T211-1蒸汽动力循环能量的实际利用率低，能量的实际利用率低，T1受到水受到水蒸气临界温度蒸气临界温度 (374.15C)的限的限制。热量从炉膛制。热量从炉膛(1500 C)传到传到低于低于374.15C的工质，做功能的工质，做功能力损失大；力损失大；湿蒸汽的膨胀于汽轮机不利。湿蒸汽的膨胀于汽轮机不利。湿蒸汽的压缩不易实现。湿蒸汽的压缩不易实现。因此，实际的蒸汽动力循环不采用卡诺循环，因此，实际的蒸汽动力循环不采用卡诺循环，而采用朗肯循环：加热到过热蒸汽区，冷却到饱和水状态而采用朗肯循环：
6、加热到过热蒸汽区，冷却到饱和水状态华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分12汽轮机中绝热膨胀过程汽轮机中绝热膨胀过程sTT1T22213421hhwt22凝汽器中的定压放热过程凝汽器中的定压放热过程222hhq23给水泵中的绝热压缩过程给水泵中的绝热压缩过程23hhwp31锅炉中的定压加热过程锅炉中的定压加热过程311hhq华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分(1)循环效率 net121243tpwwwqqhhhh循环功：循环热效率 1243114
7、netthhhhwqhh由于水泵功和汽轮机功相比很小，粗略计算中可以忽略不计，即：33ptwwhh则：12114nettwhhqhh称为理论热效率华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分(1)循环效率若考虑汽轮机的不可逆性，则：2121hhhhwat23hhwap同样，水泵耗功也多于理论耗功： aaaihhhhhh312321sTT1T222134a2华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分(1)循环效率水泵的效率：汽轮机的：2121hhhhari理论功实际功2323hhhhap实际泵功理论泵功实际效率：3212p3212ri
8、iphhhhhhhh23212321hhhhhhhhaprii华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分(2)技术指标：汽轮机发出单位功率所需要消耗的蒸汽流量，d (kg/kWh)。如果汽轮机每小时消耗的蒸汽流量为D (kg/h)，发出的功率为Nnet (kW)，则：3600netnetDNwkW为：3600/netnetDdkg kWhNw华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分(2)技术指标：机组发出1kW.h的功所要消耗的热量q0，kJ/kW.h。蒸汽流量Dkg/h，机组功率NnetkW，每kW.h所需要消耗的蒸汽流量为d
9、kg/kW.h，单位质量蒸汽的循环吸热量为q1kJ/kg，则郎肯循环的热耗率为：0111360036003600/netnettqd qqkJ kWhwwq：机组发出1kW.h的功所要消耗的标准煤量b0，g/kW.h。标准煤的低位发热量位29308kJ/kg(7000kcal/kg)，则：003600/12310001000/2930829308ttqbg kWh华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分例题1：郎肯循环，初参数p1=14MPa，t1=540，排气压力p2=5kPa，计算：(1).忽略泵功的理想循环热效率；(2).计及泵功的实际循环热效率，9 .
10、 0,85. 0rip(3)郎肯循环的计算求解：(1)该循环的T-s图T-s图T-s图01002003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环122a23华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分()通过h-s图(或水蒸气表)确定1、2、2点的状态参数1111shtp，2122hssp，22hp注意：2h可用简化计算方法确定；24.1868 32.92137.83h T T- -s s图图01002003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环122a2324.1868sht t
11、为摄氏温度!压力不太高时，饱和水的焓可近似计算：压力不太高时，饱和水的焓可近似计算：本例中：本例中：kJ/kg(3)(3)计算忽略泵功的理想循环热效率计算忽略泵功的理想循环热效率121123432.1 1990.343.77%3432.1 137.7Ttwhhqhh华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分(4)(4)水泵功的计算水泵功的计算方法二：不可压缩流体的压缩过程方法二：不可压缩流体的压缩过程 水流经水泵是绝热压缩过程，由于水是不可压缩流体，因此压缩前水流经水泵是绝热压缩过程，由于水是不可压缩流体，因此压缩前后压力升高、比容不变，同时，压缩以后温度变化很
12、小，故内能的变化后压力升高、比容不变，同时，压缩以后温度变化很小，故内能的变化可以忽略，并且忽略水泵出入口的动能差和位能差，则理论泵功为：可以忽略，并且忽略水泵出入口的动能差和位能差，则理论泵功为：21223ppvhhwp PapPapkgmv50001014/0010052. 026132kgkJwp/07.14T T- -s s图图01002003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环122a23华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分kgkJwhhwppap/55.1685. 007.1423实际实际水泵功：k
13、gkJhhwwriritt/35.129721实际实际汽轮机功：kgkJhhhhhhqaa/68.327755.1632942321311循环加热量： 12321297.35 16.551280.8/netaawhhhhkJ kg循环功：11280.839%3277.68netwq实际热效率：T T- -s s图图01002003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环122a233221214.07/pwhhvppkJ kg理想情况下水泵功：123432.1 1990.31441.8/TwhhkJ kg理想情况下汽轮机功：华北电力大学(北京)动力系工
14、程热物理教研室2022年5月25日13时02分()补充：22222phhss、 、 、22222ssssx 22222hhxhh T T- -s s图图01002003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环122a2321ss加上2:h通过查表如何确定如何通过查表确定如何通过查表确定h3及及wp3214.2/pwhhkJ kg31320.476/()ppsskJkg K= =14MPa，33th ，33(151.9/)thkJ kgo=33.25 C，华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分4.蒸汽初参数对循环热效率
15、的影响为了和卡诺循环相比较，采用平均吸热温度和平均放热温度的概念：平均吸热温度：1112qTss平均放热温度：则：211tTT 循环热效率：21ss 2222qTsssTT1T222134华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分(1)蒸汽初温的影响T-s图T-s图0100200300400500600012345678910s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环1循环22211xTTTtmm，不变，初温提高可以:提高循环的热效率提高循环的热效率，并提高乏汽干度提高乏汽干度，对汽轮机运行有利，但受到材料耐温性能受到材料耐温性能的限制的限制。t()p(MP
16、a)x效率(%)循环1500140.74742.91循环2560140.77343.84华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分(2)初压的影响提高初压，可以提高平提高平均吸热温度均吸热温度，从而提高循环热效率，但却使乏汽干度降低使乏汽干度降低，对汽轮机运行不利。T-s图T-s图0100200300400500600012345678910s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环1循环2t1()p1(MPa) p2(kPa)x效率(%)循环15001050.77341.93循环25001450.74742.91211xTptm，华北电力大学(北京)动力系
17、工程热物理教研室2022年5月25日13时02分(3)汽轮机背压的影响限制：尾部传热温压减小，则传热面积增大，投资增大；Ts2必须高于环境温度。T-s图T-s图0100200300400500600012345678910s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环1循环2t1()p1(MPa) p2(kPa)t2()x效率(%)循环150014532.920.74742.91循环250014324.120.73444.062212mmtpTTx，变化很小，华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分电厂鸟览图华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年
18、5月25日13时02分锅炉锅炉 华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分汽轮机车间图汽轮机车间图华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分汽轮机高压缸汽轮机高压缸 华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分汽轮机中压缸汽轮机中压缸华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分汽轮机低压缸汽轮机低压缸华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分29 蒸汽电厂示意图蒸汽电厂示意图华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13
19、时02分火力发电厂的生产过程火力发电厂的生产过程华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分11.2 再再热热循环循环再热再热循环主要目的：提高乏汽干度循环主要目的：提高乏汽干度华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分11.2 再热循环目的：提高乏汽的干度，则汽轮机的相对内效率和运行安全性提高。T-s图T-s图01002003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环112ab234b一般来说，只要再热压力选择不太低，就能使再热循环效率比原循环提高！一般来说，只要再热压力选择不太低，就能使再
20、热循环效率比原循环提高！华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分11.2 再热循环计算：汽轮机功： 21hhhhwabt循环吸热量： 113abqhhhh已知：211ptptpab、1111shtp、bbbhssp1、aaabashtpp、22222shhsspa、32313sspph，水泵功：23hhwp循环热效率：T-s图T-s图01002003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环112ab23411tpnettwwwqq华北电力大学(北
21、京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分11.2 再热循环例题：已知蒸汽动力循环初参数p1=14MPa，t1=540，汽轮机背压5kPa，中间再热压力3MPa，再热温度ta=540，求理想循环的热效率(计算泵功)。T-s图T-s图01002003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环11b24)3(256a(1)在T-s图上画出该再热循环：华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分11.2 再热循环(2)查各点的参数：41ba22t()33.26533540297.7528954032.9173972
22、232.917397p(MPa)1414330.0050.005h(kJ/kg.K)151.9878 3432.4122987.7553546.5498732240.775834137.96163s(kJ/kg.K)0.476897 6.528895 6.52889457.3473259697.3473259690.4768974x01110.8676518140循环吸热量(h1-h4)+(ha-hb)：3839.2 kJ/kg汽轮机功h1-hb+ha-h2：1750.4 kJ/kg水泵功h4-h3：14.026 kJ/kg循环热效率：45.228 %(3)计算汽轮机功、水泵功、循环吸热量和循
23、环热效率：T-s图T-s图01002003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环11b24)3(256a华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分11.3 抽汽回热循环抽汽回热循环抽汽回热即是利用在汽轮机内作过功的蒸汽来加热锅炉给水，采用回热可提高循环平均吸热温度，提高循环热效率。目的：提高吸热平均温度，从而提高循环热效率回热系统(假设回热加热器为混合式)：华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分两级回热循环两级回热循环目的：提高吸热平均温度，从而提高循环热效率回热：利用汽轮机抽汽来加
24、热锅炉给水，提高吸热过程起点的温度。412356kg11h2h2hkg)1 (21kg1kg2kg)1 (102h01h02h01hkg1(1)回热系统(假设回热加热器为混合式)：华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分11.3 回热循环平均吸热温度：无回热时，吸热从3点到1点，回热时，吸热从7点到1点，故平均吸热温度提高T-s图T-s图01002003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环1回热抽汽1回热抽汽211p3276901p2p02p
25、84华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分11.3 回热循环的计算(1)抽气量的确定-热量平衡1号回热器热平衡：1 6197(1)hhh79169hhhh1932831hhhhT-s图T-s图01002003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环1回热抽汽1回热抽汽211p3276901p2p02p82号回热器热平衡：2812319(1)(1)hhh华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分11.3 回热循环(2)回热循环的热效率：透平功： 161681282(1)1twhhhhhh
26、12121162181twhhhhhh循环放热量：212231qhh循环吸热量：117qhhor：T-s图T-s图01002003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环1回热抽汽1回热抽汽211p3276901p2p02p812232117111thhqqhh 111tpnetttwwwwqqq华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分11.3 回热循环(5)回热循环的评价：设备复杂，循环汽耗率增加；循环热效率提高；汽轮机低压级流通部分更为合理，内效率提高；锅炉、凝汽器传热面积可以减小；现代电站蒸汽动力循环普遍采用回热
27、循环。(4)回热抽汽压力的选取回热抽汽压力的选取由多种方法，比较简单的是按照等温差来选取，对于两级抽汽：2202010105tttttt华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分回热循环计算练习例：回热循环，新蒸汽初参数为p1=4MPa，t1=500，终压p2=5kPa，采用两级混合式回热器，抽汽压力分别为：p01=0.8MPa，p02=0.12MPa，求各级抽气量和循环热效率。T-s图T-s图01002003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环1回热抽汽1回热抽汽211p2210 020120 01p2p02p(1
28、)在T-s图上画出该循环。华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分例题(2)计算各点的参数12201010202t()50032.917432.9174 262.7222 170.4741 104.8368 104.8368p(MPa)40.0050.0050.80.80.120.12h(kJ/kg) 3445.227 2162.016 137.9616 2977.306 721.2792 2604.887 439.4432s(kJ/kg) 7.089996 7.089996 0.476897 7.089996 2.046526 7.089996 1.3611
29、09x1 0.835154010 0.9649250(3)计算抽气量kgkghhhh/1111. 00201020111086. 0120220212hhhhT-s图T-s图01002003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环1回热抽汽1回热抽汽211p2210 020120 01p2p02p华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分例题(4)计算循环吸热量、循环功 kgkJhhhhhhwt/11451)1 (2022102011011kgkJhhq/27240111142.02%nettwqT-s图T-s图0100
30、2003004005006000246810s(kJ/kg.K)T饱和水线干饱和蒸汽线循环1回热抽汽1回热抽汽211p2210 020120 01p2p02p华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分Steam process flow diagram of the 600MW supercritical power unit华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分300MW机组发电厂原则性热力系统华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分例：某再热例：某再热-回热循环，初压回热循环，初压p1=1
31、0MPa，初温初温t1=500c。第。第一次抽汽压力一次抽汽压力pa=p1=1.5MPa，抽汽量抽汽量1kg，余下，余下(1-1)kg，再热到再热到500 c。第二次抽汽压力第二次抽汽压力pb=0.13MPa，若最终压力若最终压力为为0.005MPa，试求循环理论热效率试求循环理论热效率 (忽略泵功）。忽略泵功）。解：查h-s图及水和水蒸气热力性质表华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分kgkJhkgkJhkgkJhkgkJhkgkJhkgkJhkgkJhkgkJhbaba8 .1379 .4487 .8442322281634732872337434 11
32、忽略水泵功：111baaahhhh1633. 09 .44828729 .4487 .8441babahhhh华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分类似： 32121hhhhbbb kJhhhhQaa2 .3032287234731633. 017 .84433741 1111%73.462 .30322 .16151112QQt0972. 08 .13728168 .1379 .4481633. 0113312hhhhbb kJhhQ2 .16158 .13723220972. 01633. 01134212华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室202
33、2年5月25日13时02分1 1）背压式汽轮机热电联供循环）背压式汽轮机热电联供循环 2 2）抽汽式汽轮机热电联供循环）抽汽式汽轮机热电联供循环 热电联供热电联供：用发电厂乏汽的余：用发电厂乏汽的余热来满足热用户的需要。（热热来满足热用户的需要。（热电厂）电厂）华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分经济性评价指标经济性评价指标燃料在锅炉中释放的能量为Qf，热电厂提供的热能为QH，提供的电能为We燃料利用系数电能生产率（电热比）eHffWQQeHWQ华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分热电联产循环的供热方式热电联产循环的供
34、热方式热电厂的供热系统根据载热介质的不同可分为水热网（也称水网）和汽热网（也称汽网）。水网的特点：输送热水的距离较远; 可以使用较低的汽轮机抽汽，提高了热电厂的经济性; 蓄热能力较汽网高等。但输送热水要消耗电能；水网的水力工况的稳定和分配较为复杂；由于水的密度大，事故时水网的泄漏是汽网的20-40倍。汽网的特点是通用性好，可满足各种用热形式的需要，特别是某些生产工艺用热必须用蒸汽。华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分热电联产循环的供热方式热电联产循环的供热方式华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分11.5 热电热电冷三联产冷三联产热电冷三联产是指在热电联产基础上，利用做过部分功的供热蒸汽(或热水)作为吸收式制冷机的热源，以制取冷量供生产与生活需要，实现热、电、冷三种产品的联合生产。热电冷三联产的冷热联产主要由热源、一级管网、冷暖站、二级管网和用户设备组成。华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分热电冷三联产系统图热电冷三联产系统图华北电力大学(北京)动力系工程热物理教研室2022年5月25日13时02分作业：11-5；11-6
